USB چیست؟ تاریخچه و کاربرد USB

این مقاله در مورد استاندارد گذرگاه های کامپیوتر تهیه شده است. یکی از مهم ترین و پرکاربردترین گذرگاه های آن USB می باشد که در این مقاله به توضیح انواع آن میپردازیم و کاربرد های هر یک را بیان میکنیم.

USB مخفف کلمه ی Universal Serial Bus (USB) می باشد. که یک استاندارد صنعتی و جهانی است که مشخصات پروتکل ها، کابل ها و کانکتور ها را برای ارتباط، اتصال و منبع تغذیه بین تجهیزات جانبی و کامپیوتر های دیگر مشخص میکند. انواع مختلفی از USB ساخته شده است. تا کنون 14 کانکتور مختلف تولید و ارائه شده است که جدیدترین آن USB-C نام دارد.

استاندارد USB که در سال 1996 میلادی، توسط انجمن USB Implementers (USB-IF) منتشر شد. تا کنون 4 نسل از USB به نام های زیر عرضه شده است :

1. USB 1.X
2. USB 2.0
3. USB 3.X
4. USB4

بررسی اجمالی

 USB برای استانداراد کردن اتصال لوازم جانبی کامپیوتر و رایانه های شخصی، هم برای برقراری ارتباط و هم برای تامین برق طراحی شده است. USB تا حد زیادی جایگزین پورت های سریال (Serial Port) و پورت های موازی (Parallel Port) شده است و در طیف وسیعی از دستگاه ها و لوازم رایج شده است. نمونه هایی از لوازم جانبی کامپیوتر و غیره که به وسیله ی USB متصل می شوند عبارتند از : کیبورد و موس کامپیوتر ، دوربین، پرینتر، اسپیکر قابل حمل، دیسک درایو، موبایل، آداپتور شبکه و ...

کانکتور های USB به طور گسترده جایگزین انواع دیگر پورت ها در زمینه ی انواع کابل های شارژ دستگاه های قابل حمل (پرتابل) شده اند.

معرفی و شناخت انواع سوکت های USB :

USB4 2019	USB 3.2 2017	USB 3.1 2014	USB 3.0 2008	USB 2.0 Revised	USB 2.0 2001	USB 1.1 1998	USB 1.0 1996	Connectors
40 Gbit/s (SuperSpeed+, Thunderbolt 3 and 4)	20Gbit/s (SuperSpeed+)	10Gbit/s (SuperSpeed+)	5Gbit/s (SuperSpeed)	1.5Mbit/s (کمترین سرعت) 12Mbit/s (سرعت کامل) 480Mbit/s (بیشترین سرعت)		1.5Mbit/s (کمترین سرعت) 12Mbit/s (سرعت کامل)		نرخ داده
منسوخ شده		Type A		Type A				A	Standard
منسوخ شده		Type B		Type B				B
Type C						N/A		C
منسوخ شده				Mini A			N/A	A	Mini
				Mini B				B
				Mini AB	N/A			AB
منسوخ شده		Micro A		Micro A	N/A			A	Micro
منسوخ شده		Micro B		Micro B	N/A			B
منسوخ شده		Micro AB		Micro AB	N/A			AB
USB4 2019	USB 3.2 2017	USB 3.1 2014	USB 3.0 2011	USB 2.0 Revised	USB 2.0 2001	USB 1.1 1998	USB 1.0 1996	Connectors

اهداف و مزایای USB :

USB برای ساده سازی و بهبود روابط بین کامپیوتر های شخصی و لوازم جانبی، در مقایسه با رابط های اختصاصی استاندارد یا موقتی قبلی، توسعه داده شده اند.

از دید کاربران رایانه، رابط USB به چندین روش سهولت استفاده را بهبود می بخشد. که در زیر آن ها را بیان کرده ایم :

• رابط USB خود پیکربندی و تنظیم می شود و نیاز نیست کاربر تنظیمات دستگاه برای سرعت یا فرمت داده ، آدرس های ورودی/خروجی یا کانال های دسترسی مستقیم به حافظه را تنظیم نماید.
• اتصالات USB در دستگاه ها استاندارد می شوند پس هر لوازم جانبی می تواند از اکثر پورت های USB استفاده کند.
• USB ها از قدرت پردازش کاملا استفاده میکنند تا بتوانند خودشان را مدیریت کنند به این ترتیب، دستگاه های USB اغلب تنظیمات قابل تنظیم سمت کاربر ندارند و کاربر نمی تواند آن ها را تنظیم کند.
• گذرگاه USB قابل تعویض است بدین معنا که دستگاه ها را می توان بدون راه اندازی مجدد کامپیوتر میزبان استفاده کرد.
• دستگاه های کوچک را می توان به وسیله ی USB مستقیما تغذیه کرد و نیاز به کابل های منبع تغذیه اضافی را از بین برد.
• از آنجایی که استفاده از رابط USB فقط پس از آزمایش انطباق مجاز است، کاربر می تواند مطمئن باشد که دستگاه USB بدون تعامل گسترده و زیاد با پیکربندی و تنظیمات، همانطور که مورد انتظار است کار خواهد کرد.
• گذرگاه USB پروتکل هایی را برای بازیابی از خطا های رایج تعریف میکند و قابلیت اطمینان و مطمئن بودن را نسبت به رابط های قدیمی بهبود می بخشد.
• نصب دستگاهی که شامل USB استاندارد است به حداقل اقدامات کاربر نیاز دارد.هنگامی که کاربر یک دستگاه را به رایانه روشن متصل میکند، به صورت خودکار با استفاده از درایور های رایانه به طور کامل پیکربندی می شود.

همچنین USB مزایای متعددی را برای سازندگان سخت افزار ، لوازم جانبی و توسعه دهندگان نرم افزار به ویژه در سهولت نسبی اجرا فراهم میکند که شامل موارد زیر می شود :

• USB نیاز به توسعه رابط های اختصاصی برای تجهیزات جانبی جدید را حذف میکند.
• طیف وسیع و گسترده ای از سرعت های انتقال موجود از رابط USB برای دستگاه های مختلف از قبیل موس و کیبورد گرفته تا رابط های پخش ویدیو مناسب است.
• یک رابط USB جوری می تواند طراحی شود تا بهترین تاخیر موجود را برای عملکرد های حساس زمانی ارائه دهد یا می تواند برای انتقال داده های انبوه پس زمینه با تاثیر کمی بر منابع سیستم تنظیم شود.
• گذرگاه USB با هیچ خط سیگنال دیگری تداخل ندارد و تنها به یک عملکرد اختصاص داده شده تعمیم یافته است.

معایب و محدودیت های USB :

مانند همه ی استاندارد ها، رابط USB نیز دارای محدودیت های متعددی برای طراحی خود است.که در ادامه به آن میپردازیم :

• طول کابل های USB محدود است، زیرا استاندارد برای لوازم جانبی روی یک میز ، نه بین اتاق ها و ساختمان ها در نظر گرفته شده است. با این حال لوازمی تولید شده است که این مورد را نیز حل میکند.
• سرعت انتقال داده در گذرگاه USB نسبت به سایر رابط ها از قبیل رابط اترنت (Ethernet) پایین تر است.
• USB دارای رفتار سختگیرانه ای نسبت به شبکه درختی توپولوژی دارد بدین صورت که پروتکل Master/Slave برای آدرس دهی لوازم جانبی است به عبارت دیگر ایت لوازم جانبی نمی توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند مگر از طریق میزبان. و دو میزبان نمی توانند مستقیما از طریق پورت USB خود ارتباط برقرار کنند. هرچند از طریقUSB On-The-Go in و Dual-Role-Devices و Protocol Bridge امکان پذیر می باشد.
• یک میزبان نمی تواند به طور هم زمان سیگنال ها را به همه ی دستگاه های جانبی پخش کند یعنی هر کدام باید به طور جداگانه مورد بررسی پردازشگر قرار بگیرد.
• در حالی که مبدل ها می توانند بین رابط های قدیمی و USB ارتباط برقرار کنند ولی ممکن است روند اجرا را به طور کامل پردازش نکنند و در کار آن اختلال ایجاد شود. به عنوان مثال مبدل USB به پورت پارالل (Parallel Port) با پرینتر به خوبی کار کند، اما با اسکنر که نیاز به استفاده دو جهته از پین های داده دارد، کار نمی کند.

برای یک توسعه دهنده ی محصول، استفاده از رابط USB نیاز به پیاده سازی یک پروتکل پیچیده دارد و مستلزم وجود یک کنترل کننده "هوشمند" در دستگاه جانبی است. توسعه دهندگان دستگاه های USB که برای فروش عمومی در نظر گرفته شده اند، عموما باید یک شناسه ی USB دریافت کنند که مستلزم پرداخت هزینه ای به انجمنUSB Implementers است. توسعه دهندگان و تولید کننده ها محصولاتی که از USB استفاده میکنند باید توافق نامه ای را با انجمن USB-IF امضا کنند. استفاده از لوگو های USB روی محصولات مستلزم پرداخت هزینه ی سالانه و عضویت در سازمان است.

تاریخچه USB :

گروهی متشکل از هفت شرکت توسعه دهنده پروژه USB را در سال 1995 آغاز کردند که شامل Compaq ، DEC ، IBM ، Intel ، Microsoft ، NEC و Nortel می شدند. هدف این بود که اتصال دستگاه های خارجی به رایانه های شخصی را با جایگزین کردن تعداد زیادی کانکتور در پشت رایانه های شخصی، رسیدگی به مشکلات رابط های موجود ، ساده سازی پیکربندی نرم افزاری همه دستگاه های متصل به USB و همچنین اجازه دادن به افزایش نرخ ارتباط و داده ها برای دستگاه های خارجی و توسعه کشف و پیکر بندی دستگاه های خارجی بدون مداخله کاربر (قابلیت Plug And Play (PnP)).

Ajay Bhatt و تیمش روی استاندارد USB در شرکت اینتل (Intel) کار کردند و اولین مدار های پشتیبانی کننده USB توسط Intel در سال 1995 تولید شد.

Joseph C. Decuir عضو آمریکایی موسسه ی مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) و یکی از طراحان بازی های 8 بیتی اولیه ی آتاری و سیستم های کامپیوتر (Atari VCS, Atari 400/800) و همچنین Commodore Amiga ، کار خود را بر روی Atari SIO ، پیاده سازی ارتباطی کامپیوتر 8 بیتی آتاری به عنوان پایه گذار USB می داند، که او همچنین به طراحی آن کمک کرده و حق ثبت اختراع را بر روی آن دارد.

مشخصات اصلی USB 1.0 که در ژانویه 1996 معرفی شد، نرخ انتقال داده را 1.5 مگابیت بر ثانیه با سرعت کم و 12 مگابیت بر ثانیه با سرعت کامل تعریف کرد. طرح های پیش نویس یک گذرگاه تک سرعت 5 مگابیت بر ثانیه را پیش بینی میکردند، اما سرعت پایین برای پشتیبانی از تجهیزات جانبی کم هزینه با کابل های بدون محافظ اضافه شد، که منجر به یک طرح تقسیم شده با نرخ داده بالا (12 مگابیت بر ثانیه) برای دستگاه هایی مثل پرینتر ها و درایو های فلاپی دیسک و نرخ داده پایینتر (1.5 مگابیت بر ثانیه) برای دستگاه هایی مثل کیبورد ، موس و جوی استیک.

شرکت مایکروسافت، Windows 95, OSR 2.1 با پشتیبانی کردن از OEM را در آگوست 1997 برای دستگاه ها ارائه کرد. اولین نسخه پرکاربرد USB ، USB 1.1 بود که در سپتامبر 1998 منتشر شد. iMac شرکت اپل اولین جریان اصلی بود و استفاده از آن را شروع کرد. موفقیت اپل با محصول iMac همراه با USB ، USB را محبوب کرد. به دنبال تصمیم طراحان اپل برای حذف همه ی پورت های قدیمی از روز iMac ، بسیاری از تولیدکنندگان رایانه شروع به ساخت رایانه های بدون پورت های قدیمی کردند که منجر به گسترده شدن بازار رایانه های با پورت USB شد.

مشخصات USB2.0 در آوریل 2000 منتشر شد و در پایان سال 2001 توسط انجمن USB-IF تصویب شد. Hewlett-Packard ، Intel ، Lucent Technologies (Nokia) ، NEC و Philips به طور مشترک این ابتکار را رهبری کردند تا سرعت انتقال داده بالاتری را توسعه دهند که حاصل آن سرعت 480 مگابیت بر ثانیه، 40 برابر سریعتر از USB 1.1 شد.

مشخصات USB3.0 در 12 نوامبر 2008 منتشر شد. اهداف اصلی آن افزایش سرعت انتقال داده تا 5 گیگابیت بر ثانیه، کاهش مصرف انرژی، افزایش توان خروجی و سازگاری با USB 2.0 بود. USB 3.0 شامل یک گذرگاه جدید و با سرعت بالاتر به نام SuperSpeed به موازات گذرگاه USB 2.0 است. به همین دلیل نسخه جدید SuperSpeed نیز نامیده می شود. اولین دستگاه های مجهز به USB 3.0 در ژانویه 2010 ارائه شد.

تا سال 2008 ، تقریبا 6 میلیارد پورت و رابط USB در بازار جهانی وجود داشت و هر سال حدود 2 میلیارد فروخته می شد.

مشخصات USB3.1 در جولای 2013 منتشر شد. در دسامبر 2014 انجمن USB-IF به معرفی USB 3.1 ، USB Power Delivery 2.0 و USB-C به IEC ( تولیدکنندگان  سیستم ، تجهیزات صوتی، تصویری و چند رسانه ای) پرداخت و از آن ها خواست تا از پورت های نامبرده در تولیدات خود استفاده کنند(استاندارد IEC 62680). که در حال حاضر بر اساس USB 2.0 است.

مشخصات USB 3.2 در سپتامبر 2017 منتشر شد.
 

USB 1.X

که در ژانویه 1996 منتشر شد، نرخ سیگنال دهی 1.5 مگابیت بر ثانیه (پهنای باند کم یا سرعت کم) و 12 مگابیت بر ثانیه (سرعت کامل) را مشخص کرد. به دلیل محدودیت‌های زمان و قدرت، کابل‌های گسترش یا مانیتورهای عبوری را مجاز نمی‌دانست. تعداد کمی از دستگاه‌های USB وارد بازار شدند تا اینکه USB 1.1 در آگوست 1998 منتشر شد. USB 1.1 اولین نسخه‌ای بود که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت و منجر به چیزی شد که مایکروسافت آن را " Legacy-free PC" نامید.

هیچ یک از USB 1.0 و USB 1.1 طرحی را برای هیچ کانکتوری کوچکتر از نوع A یا نوع B مشخص نکرده اند. اگرچه بسیاری از طرح ها برای یک کانکتور کوچک شده نوع B در بسیاری از لوازم جانبی ظاهر شد ولی عدم انطباق دستگاه های دارای کانکتور های کوچک که یک درگاه اتصال دارند (مانند موبایل و تبلت و...)  با USB 1.x در لوازم جانبی با مشکل رو به رو شد. تا زمانی که USB 2.0 یک کانکتور جدید (نسخه 1.01) را معرفی کرد، هیچ کانکتور کوچک نوع A شناخته شده ای وجود نداشت.

USB 2.0

USB 2.0 در آوریل 2000 منتشر شد و علاوه بر سیگنالینگ USB 1.x Full Speed ، حداکثر سرعت سیگنال دهی 480 مگابیت بر ثانیه (حداکثر خروجی داده نظری 53 مگابایت بر ثانیه) را به نام High Speed یا High Bandwidth اضافه کرد. نرخ 12 مگابیت بر ثانیه(حداکثر توان عملیاتی نظری 1.2 مگابایت بر ثانیه).

تغییرات در مشخصات USB از طریق اعلامیه های تغییر مهندسی (ECN) انجام شده است. مهم ترین این ECN ها در بسته مشخصات USB 2.0 موجود در USB.org گنجانده شده است که موارد آن را در ادامه بیان میکنیم :

• کانکتور Mini-A و Mini-B
• مشخصات کابل ها و کانکتور های Micro-USB 1.01
• تکمیل کردن USB InterChip
• تکمیل کردن فناوری On-The-Go ، 1.3 USB On-The-Go این امکان را برای دو دستگاه USB فراهم میکند تا با یکدیگر بدون نیاز به میزبان، جداگانه ارتباط برقرار کنند.
• افزودن قابلیت پشتیبانی از شارژ 1.1 برای شارژر های اختصاصی و تشخیص شارژر میزبان و تنظیم عملکرد طبق آن.
• مشخصات شارژ باتری 1.2 : با افزایش جریان 1.5 آمپر در درگاه های شارژ دستگاه های پیکربندی نشده، امکان برقراری ارتباط با سرعت بالا شارژ، در حالی که جریان حداثل 1.5 آمپیر و حداکثر 5 آمپر باشد.
• افزودن قابلیت Link Power Management Addendum ECN که انرژی هنگام خواب دستگاه را مدیریت میکند.
• USB 2.0 VBUS Max Limit ، حداکثر ولتاژ مجاز V_BUS را از 5.25 ولت به 5.50 ولت افزایش داد تا با مشخصات USB Type-C که به طور همزمان منتشر شد، هماهنگ و سازگار شود.

USB 3.X

مشخصات USB 3.0 در 12 نوامبر 2008 با انتقال مدیریت آن از تیم USB 3.0 Promoter به انجمن USB-IF منتشر شد و در 17 نوامبر 2008 در کنفرانس توسعه دهندگان SuperSpeed USB اعلام شد.

USB 3.0 حالت انتقال SuperSpeed را با کابل های سازگار با آن و شارژ سریع از طریق برق مستقیم را اضافه میکند. که نماد آن با رنگ آبی آن ها را مشخص می کند.

گذرگاه SuperSpeed علاوه بر سه حالت انتقال موجود، حالت انتقال را با نرخ اسمی 5.0 گیگابیت بر ثانیه فراهم میکند. کارایی آن به تعدادی از عوامل از جمله رمزگذاری نماد های فیزیکی و سطح پیوند Overhead بستگی دارد. در نرخ سیگنال دهی 5 گیگابیت بر ثانیه با رمزگذاری 8b/10b ، هر بایت برای انتقال به 10 بیت نیاز دارد، بنابراین توان عملیاتی خام 500 مگابایت بر ثانیه است. وقتی کنترل جریان ، چهارچوب بندی بسته ، پروتکل Overhead در نظر گرفته شود، انتقال 400 مگابایت بر ثانیه (3.2 گیگابیت بر ثانیه) یا بیشتر نسبت به یک برنامه واقعی است. حالت های قبلی نیمه دوبلکس هستند که توسط میزبان داوری می شود.

دستگاه های کم مصرف و پر مصرف همچنان با این استاندارد کار میکنند، اما دستگاه هایی که از SuperSpeed استفاده میکنند، می توانند از افزایش جریان موجود بین 150 و 900 میلی آمپر به ترتیب بهرمند شوند.

USB 3.1 که در جولای 2013 منتشر شد دارای دو نوع است. نسخه اول حالت انتقال SuperSpeed USB 3.0 را حفظ میکند و دارای برچسب USB 3.1 Gen 1 است و نسخه دوم یک حالت انتقال جدید SuperSpeed + را تحت برچسب USB 3.1 Gen 2 معرفی میکند. در حالی که Overhead رمزگذاری خط را با تغییر طرح کدگذاری به 128b/132b به تنهایی 3% کاهش می دهد. 

USB 3.2 که در سپتامبر 2017 منتشر شد، حالت های داده USB 3.1 SuperSpeed و SuperSpeed+ را حفظ میکند اما دو حالت انتقال جدید SuperSpeed+ را از طریق کانکتور USB-C با سرعت های داده 10 و 20 گیگابیت بر ثانیه (1.25 و 2.5 گیگابایت بر ثانیه) معرفی میکند. افزایش پهنای باند نتیجه ی عملیات چند خطی روی سیم های موجود است که برای قابلیت های flip-flop کانکتور  USB-C در نظر گرفته شده اند.

USB 3.0 همچنین پروتکل UASP را معرفی کرد که به طور کلی سرعت انتقال سریع تری را نسبت به پروتکل BOT (فقط انتقال انبوه) ارائه می دهد.
 

طرح نامگذاری USB 3.x

با شروع USB 3.2 ، انجمن USB-IF یک طرح نام گذاری جدید را معرفی کرد. برای کمک به شرکت ها در برندسازی حالت های مختلف انتقال، انجمن USB-IF توصیه کرد که حالت های انتقال 5 ، 10 و 20 گیگابیت بر ثانیه را به ترتیب به عنوان SuperSpeed USB 5Gbps ، SuperSpeed USB 10Gbps و SuperSpeed USB 20Gbps معرفی کنند :

سرعت انتقال	نرخ داده	مشخصات قدیمی تر	حالت انتقال	نماد	USB-IF Branding
500 MB/s	5 Gbit/s	USB 3.1 Gen 1, USB 3.0	USB 3.2 Gen 1×1		SuperSpeed USB 5Gbit/s
1.21 MB/s	10 Gbit/s	USB 3.1 Gen 2, USB 3.1	USB 3.2 Gen 2×1		SuperSpeed USB 10Gbit/s
2.42 MB/s	20 Gbit/s	-	USB 3.2 Gen 2×2		SuperSpeed USB 20Gbit/s

USB4

مشخصات USB4 در 29 اوت 2019 توسط انجمن USB-IF منتشر شد.

USB4 بر اساس مشخصات پروتکل Thunderbolt 3 است. از توان پردازشی 40 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی میکند، با thunderbolt 3 سازگار است. معماری روشی را برای به اشتراک گذاشتن یک پیوند پر سرعت با چندین نوع دستگاه نهایی به صورت پویا تعریف میکند که بهترین شکل برای انتقال داده ها بر اساس نوع و کاربرد عمل میکند.

مشخصات USB4 اظهار میکند که فناوری های زیر باید توسط USB4 پشتیبانی شوند :

در طول نمایشگاه CES 2020، انجمن USB-IF و اینتل قصد خود را برای اجازه دادن به محصولات USB4 که از تمام عملکردهای اختیاری به عنوان محصولات Thunderbolt 4 پشتیبانی می کنند، اعلام کردند. انتظار می رود اولین محصولات سازگار با USB4 سری Tiger Lake اینتل و سری Zen 3 پردازنده های AMD باشند. که در سال 2020 منتشر شد.

مقاله در حال تکمیل می باشد. خوشحال می شویم تا اشکالاتمان را به ما بگویید و نظرات خود را نسبت به شیوه نگارش، محتوا و سایر موارد بیان کنید.