تصميم نظام يو اس بي
إن بنية تصميم USB غير متماثلة في طوبولوجيتها، وتتكون من مضيف، والعديد من منافذ USB النهائية، وأجهزة طرفية متعددة متصلة في طوبولوجيا ذات طبقات. يمكن تضمين محاور USB إضافية في الطبقات، مما يسمح بالتفرع إلى بنية شجرة تصل إلى خمسة مستويات من المستويات. قد يقوم مضيف USB بتنفيذ وحدات تحكم مضيفة متعددة وقد توفر كل وحدة تحكم مضيف واحدًا أو أكثر من منافذ USB. قد يتم توصيل ما يصل إلى 127 جهازًا، بما في ذلك أجهزة المحور إذا كانت موجودة، بوحدة تحكم مضيف واحدة. يتم ربط أجهزة USB في سلسلة من خلال لوحات الوصل. أحد المحاور — المدمج في وحدة التحكم المضيفة — هو المحور الجذري.
قد يتكون جهاز USB الفعلي من عدة أجهزة فرعية منطقية يُشار إليها بوظائف الجهاز. قد يوفر جهاز واحد عدة وظائف، على سبيل المثال، كاميرا ويب (وظيفة جهاز الفيديو) مع ميكروفون مدمج (وظيفة جهاز الصوت). يسمى هذا النوع من الأجهزة بالجهاز المركب. البديل عن ذلك هو الجهاز المركب، حيث يقوم المضيف بتعيين عنوان مميز لكل جهاز منطقي وتتصل جميع الأجهزة المنطقية بلوحة وصل مدمجة تتصل بكبل USB الفعلي.
رسم تخطيطي: يوجد داخل الجهاز عدة نقاط نهاية، كل واحدة منها متصلة بواسطة أنابيب منطقية بوحدة التحكم المضيفة. تتدفق البيانات في كل أنبوب في اتجاه واحد، على الرغم من وجود مزيج من وحدة التحكم المضيفة وإليها.
يعتمد اتصال جهاز USB على الأنابيب (القنوات المنطقية). الأنبوب هو اتصال من وحدة التحكم المضيفة إلى كيان منطقي، موجود على الجهاز، ويسمى نقطة النهاية. نظرًا لأن الأنابيب تتوافق مع نقاط النهاية من 1 إلى 1، يتم أحيانًا استخدام المصطلحات بالتبادل. يمكن أن يحتوي جهاز USB على ما يصل إلى 32 نقطة نهاية (16 IN و16 OUT)، على الرغم من أنه من النادر وجود الكثير منها. يتم تعريف نقطة النهاية وترقيمها بواسطة الجهاز أثناء التهيئة (الفترة التي تلي الاتصال الفعلي تسمى "التعداد") وبالتالي فهي دائمة نسبيًا، في حين يمكن فتح الأنبوب وإغلاقه.
.svg)
توجد نقاط نهاية USB فعليًا على الجهاز المتصل: يُشار إلى القنوات المؤدية إلى المضيف باسم الأنابيب
هناك نوعان من الأنابيب: أنابيب الدفق والرسائل. أنبوب الرسائل ثنائي الاتجاه ويستخدم لعمليات نقل التحكم. تُستخدم أنابيب الرسائل عادةً لتوجيه أوامر قصيرة وبسيطة إلى الجهاز، واستجابة الحالة، المستخدمة، على سبيل المثال، بواسطة أنبوب التحكم في الناقل رقم 0. أنبوب التدفق هو أنبوب أحادي الاتجاه متصل بنقطة نهاية أحادية الاتجاه تنقل البيانات باستخدام النقل المتزامن أو المقاطع أو المجمع:
• عمليات النقل المتزامنة: عند بعض معدلات البيانات المضمونة (غالبًا، ولكن ليس بالضرورة، بأسرع ما يمكن) ولكن مع احتمال فقدان البيانات (على سبيل المثال، الصوت أو الفيديو في الوقت الفعلي).
• عمليات نقل المقاطعة: الأجهزة التي تحتاج إلى استجابات سريعة مضمونة (زمن الوصول المحدود) (على سبيل المثال، أجهزة التأشير ولوحات المفاتيح).
• عمليات النقل المجمعة: عمليات نقل كبيرة ومتفرقة باستخدام كل النطاق الترددي المتاح المتبقي، ولكن بدون ضمانات بشأن النطاق الترددي أو زمن الوصول (على سبيل المثال، نقل الملفات).
يمكن معالجة نقطة نهاية الأنبوب باستخدام صف (device_address، endpoint_number) كما هو محدد في حزمة TOKEN التي يرسلها المضيف عندما يريد بدء جلسة نقل البيانات. إذا كان اتجاه نقل البيانات من المضيف إلى نقطة النهاية، فسيتم إرسال حزمة OUT (أحد تخصصات حزمة TOKEN) التي تحتوي على عنوان الجهاز المطلوب ورقم نقطة النهاية بواسطة المضيف. إذا كان اتجاه نقل البيانات من الجهاز إلى المضيف، فسيرسل المضيف حزمة IN بدلاً من ذلك. إذا كانت نقطة النهاية الوجهة هي نقطة نهاية أحادية الاتجاه لا يتطابق اتجاهها المعين من قبل الشركة المصنعة مع حزمة TOKEN (على سبيل المثال، الاتجاه المعين من قبل الشركة المصنعة هو IN بينما تكون حزمة TOKEN عبارة عن حزمة OUT)، فسيتم تجاهل حزمة TOKEN. وبخلاف ذلك، يتم قبوله ويمكن بدء معاملة البيانات. من ناحية أخرى، تقبل نقطة النهاية ثنائية الاتجاه حزمتي الدخول والخروج.
يتم تجميع نقاط النهاية في واجهات وترتبط كل واجهة بوظيفة جهاز واحد. الاستثناء من ذلك هو نقطة النهاية صفر، والتي يتم استخدامها لتكوين الجهاز ولا ترتبط بأي واجهة. تسمى وظيفة الجهاز الواحد المكونة من واجهات يتم التحكم فيها بشكل مستقل بالجهاز المركب. يحتوي الجهاز المركب على عنوان جهاز واحد فقط لأن المضيف يقوم فقط بتعيين عنوان جهاز لوظيفة ما.
مقبسان USB قياسيان على الجزء الأمامي من الكمبيوتر
عندما يتم توصيل جهاز USB لأول مرة بمضيف USB، تبدأ عملية تعداد جهاز USB. يبدأ التعداد بإرسال إشارة إعادة تعيين إلى جهاز USB. يتم تحديد معدل البيانات لجهاز USB أثناء إعادة تعيين الإشارة. بعد إعادة التعيين، يقرأ المضيف معلومات جهاز USB ويتم تعيين عنوان فريد من نوعه 7 بت للجهاز. إذا كان الجهاز مدعومًا من قبل المضيف، فسيتم تحميل برامج تشغيل الجهاز اللازمة للاتصال بالجهاز ويتم ضبط الجهاز على حالة مكونة. إذا تمت إعادة تشغيل مضيف USB، فسيتم تكرار عملية التعداد لجميع الأجهزة المتصلة.
تقوم وحدة التحكم المضيفة بتوجيه تدفق حركة المرور إلى الأجهزة، لذلك لا يمكن لأي جهاز USB نقل أي بيانات على الناقل دون طلب صريح من وحدة التحكم المضيفة. في USB 2.0، تقوم وحدة التحكم المضيفة باستطلاع الناقل لحركة المرور، عادةً بطريقة دائرية. يتم تحديد إنتاجية كل منفذ USB من خلال السرعة الأبطأ لمنفذ USB أو جهاز USB المتصل بالمنفذ.
تحتوي لوحات الوصل USB 2.0 عالية السرعة على أجهزة تسمى مترجمي المعاملات التي تقوم بالتحويل بين حافلات USB 2.0 عالية السرعة والحافلات ذات السرعة الكاملة والمنخفضة. عندما يتم توصيل محور USB 2.0 عالي السرعة بمضيف أو محور USB عالي السرعة، فإنه يعمل في الوضع عالي السرعة. يستخدم محور USB بعد ذلك مترجمًا واحدًا للمعاملات لكل محور لإنشاء ناقل كامل/منخفض السرعة يتم توجيهه إلى جميع الأجهزة ذات السرعة الكاملة والمنخفضة على المحور، أو يستخدم مترجم معاملات واحد لكل منفذ لإنشاء ناقل معزول كامل/منخفض السرعة لكل المنفذ على المحور.
نظرًا لوجود وحدتي تحكم منفصلتين في كل مضيف USB 3.0، تقوم أجهزة USB 3.0 بالإرسال والاستقبال بمعدلات بيانات USB 3.0 بغض النظر عن USB 2.0 أو الأجهزة السابقة المتصلة بذلك المضيف. يتم تعيين معدلات بيانات التشغيل للأجهزة السابقة بالطريقة القديمة.