Universal Serial Bus (USB)

USBیک استاندارد باس برای اتصال تجهیزات است. USB قطعه مهمی است که برای اتصال قطعات جانبی به واسطه یک سوکت اتصالی استاندارد طراحی شده است که توانایی plug and play را با ایجاد امکانی برای اتصال و قطع ارتباط بدون reboot کردن کامپیوتر گسترش می دهد. دیگر خصوصیات راحتی آن شامل تامین توان تجهیزات کم مصرف بدون نیاز به تغذیه توان خارجی و ایجاد امکان استفاده از برخی تجهیزات بدون نیاز به نصب درایورهای تجهیز مستقل است.

هدف USB کنار گذاشتن سریال های قدیمی و پورت موازی است. USB می تواند تجهیزات جانبی را مانند موس، کیبرد، PDA ها، گاماپدها و joystickها، اسکنرها، دوربین های دیجیتال و پرینترها را متصل کند. برای بسیاری تجهیزات مانند اسکنر و دوربین های دیجیتال، USB تبدیل به یک روش اتصال استاندارد شده است. USB همچینین به طور گسترده ای جهت اتصال پرینترهای non-netwoked استفاده میشود؛ USB اتصال چندین پرینتر را به یک کامپیوتر ساده می کند. USB منحصراً برای کامپیوترهای شخصی طراحی شد، اما به قطعه ای معمول در دیگر تجهیزات مانند PDAها و ویدئوگیم ها تبدیل شده است.

طراحی USB توسط USB Implementers Forum (USB-IF) ، یک موسسه استاندارد کننده با همکاری شرکت های بزرگ کامپیوتری و صنایع الکترونیک استاندارد شده است.

تاریخچه

از سال 2006، مشخصات USB با ویرایش 2.0 است. برخی شرکت های بزرگ در توسعه نرخ انتقال داده بالاتر نسبت به مختصات 1.1 پیشقدم هستند. مشخصات USB 2.0 در آوریل 2000 تدوین شد و توسط USB-IF در پایان سال 2001 استاندارد سازی شد. نسخه های پیشین قابل ذکر، 0.9، 1.0 و 1.1 هستند. تجهیزات مطابق با هریک از ویرایش های استاندارد همچنین با تمامی تجهیزات طراحی شده بر اساس مختصات پیشین قابلیت اجرا دارد.

سیستم USB یک طراحی متقارن دارد، شامل یک کنترلر هاب و تجهیزات جانبی. هاب های USB اضافی ممکن است در زنجیره گنجانده شود، که اجازه انشعاب به یک ساختار درختی را می دهد، با محدودیت 5 سطح انشعاب در هر کنترلر. حداکثر تا 127 تجهیز شامل باس ممکن است به یک کنترلر میزبان (host) تک متصل شود. کامپیوترهای مدرن همچنین دارای کنترلرهای میزبان متعددی هستند که امکان اتصال تعداد زیادی تجهیزات USB را فراهم می کند. کابل های USB نیازی به Terminate شدن ندارند.

در ترمینولوژی USB، تجهیزات مجزا به عنوان functionها شناخته می شوند، چون هر تجهیز ممکن است عملاً به عنوان میزبان چندین function باشد، مانند یک webcam با یک میکروفون همراه. Functionها توسط هاب به صورت سری به یکدیگر متصل می شوند. هاب ها تجهیزات با وظایف ویژه هستند که به عنوانfunction شناخته نمی شوند. همیشه یک هاب به عنوان هاب ریشه وجود دراد که به طور مستقیم به کنترلر میزبان متصل است. Functionها و هاب ها دارای لوله های متصل هستند (کانال های منطقی). لوله ها اتصالاتی از کنترلر میزبان به یک واحد منطقی روی تجهیز به نام endpoint هستند. ترم endpoint همچنین گاهی به کل لوله اطلاق می شود. یک function می تواند تا 32 لوله اکتیو داشته باش، 16 تا به کنترلر میزبان و 16 تا بیرون کنترلر. هر endpoint می تواند داده را تنها در یک جهت منتقل کند، به دون یا خارج تجهیز/function . بدین معنی که هر لوله تک جهت است.

هنگامی که یک تجهیز متصل می شود، ابتدا میزبان آنرا تعیین و تشخیص می دهد و درایوری را که نیاز دارد load می کند. هنگامی که یک function یا هاب به کنترلر میزبان از طریق هر هاب روی باس متصل می شود، یک آدرس 7 بیتی روی باس توسط کنترلر میزبان با آن اختصاص داده می شود. هیچ داده ای بدون دستور مستقیم از کنترلر میزبان نمی تواند توسط function انتقال یابد.

کانکتورهایی که کمیته USB مشخص کرده اند، جهت تامین تعدادی از اهداف USB و بنا به تجربیات به دست آمده طراحی شده است. به طور کلی:

کانکتورها مقاوم طراحی شده اند. بسیاری از طراحی کانکتورهای قدیمی شکننده بود، با پین ها یا دیگر تجهیزات حساس مستعد خم شدن یا شکستن حتی با اعمال نیروی معمولی. اتصالات الکتریکی در یک کانکتور الکتریکی توسط زبانه پلاستیکی مجاور و کل سیستم اتصال توسط غلاف فلزی محصور کننده محافظت می شوند. در نتیجه کانکتورهای USB به طور ایمن می توانند حمل، نصب یا جدا شوند. غلاف محافظ و قالب بدنه بدین معنی است که کانکتور می تواند ضربه ببیند، بیفتد و تصادم کند بدون آن که صدمه ببیند. نیروی قابل ملاحظه ای برای صدمه زدن به کانکتور یک USB مورد نیاز است.

اتصال اشتباه یک کانکتور USB مشکل است. کانکتورها را نمی توان در جهت عکس نصب کرد و از شکل و حس ظاهری اتصال پیداست که اتصال به طور مناسب صورت گرفته است یا خیر.

کانکتورها با قیمت ارزانی تولید می شوند.

نیروی متوسطی برای اتصال/ جدا کردن مورد نیاز است. کابل های USB و تجهیزات کوچک USB با نیروی گیرایی در محل قرار گرفتن جای می گیرند (بدون نیاز به پیچ، گیره یا نگهدارنده هایی که دیگر تجهیزات به آنها نیازمندند.

ساختار کانتور این اطمینان را ایجاد میکند که محافظ خارجی روی plug با قطعه مقابل خود در محل قرار گرفتن پیش از اتصال چهار کانکتور متصل می شوند. این محافط معمولاً به گراند سیستم متصل است و به بارهای استاتیک اجازه میدهد از این طریق تخلیه شوند (به جای قطعات الکتریکی حساس).

به علاوه، توان و اتصالات مربوطه پس از گراند سیستم ایجاد می شوند، اما پیش از اتصالات داده. کابل ها فقط دارای plug و میزبان ها فقط دارای receptacle هستند.

سلول حافظه فلش:

حافظه فلش اطلاعات را در یک آرایه از ترانزیستورها معروف به سلول ذخیره می کند که هر کدام به طور سنتی یک بیت اطلاعات را ذخیره می کنند. حافظه های فلش جدید که بعضاً با نام تجهیزات سلول چند سطحی (multi level cell) شناخته می شوند می توانند بیش از یک بیت را در هر سلول ذخیره کنند.

چنان که در شکل 1 نشان داده شده است،در فلش NOR، هر سلول شبیه به یک ترانزیستور MOSFET استاندارد است، جز این که به جای یک گیت دارای دو گیت است. یک گیت، گیت کنترل (CG) شبیه دیگر ترانیستورهای MOS است، اما دومی یک گیت شناور (FG) است که توسط یک لایه اکسید ایزوله شده است. FG بین CG و substrate است. از آنجا که FG توسط لایه اکسید عایق شده است، هر الکترون قرار گرفته روی آن در آنجا محبوس می شودو بنابراین اطلاعات ذخیره می شود. هنگامی که الکترون ها روی FG هستند میدان الکتریکی حاصل از CG که ولتاژ انتقالی (Vt) سلول را اصلاح می کند را تعدیل می کند. بنابراین هنگامی که سلول با قرار گرفتن ولتاژ مشخصی روی CG در حالت read است، جریان الکتریکی می تواندبسته به Vt روی سلول در جریان یا متوقف باشد که این پدیده با مقدار الکترون روی FG کنترل می شود.این حضور یا غیبت جریان حس و به 1ها یا 0ها تفسیر می شود که داده های ذخیره شده را بازتولید می کنند. در یک تجهیز سلول چند سطحی که بیش از یک بیت اطلاعات را در هر سلول ذخیره می کنند، به جای حضور یا غیاب جریان، مقدار آن جهت تعیین مقدار الکترون ذخیره شده روی FG حس می شود.