معماری
گذرگاه USB یک گذرگاه سریال با سرعت بالاست به این معنی که داده‌ها را با سرعت بسیار بالایی به صورت پشت سرهم و در یک ردیف (اغلب روی یک سیم منفرد) ارسال و دریافت می‌کند. تمامی نسخه‌های USB از ساختاری تقریباً یکسان استفاده می‌کنند و به همین دلیل با یکدیگر سازگاری دارند. تنها تفاوت‌ها در فرکانس کاری، برخی پروتکل‌های میان‌افزاری و تعداد سیم‌های انتقال‌دهنده داده، خلاصه می‌شود اما در نهایت معماری یکسان مانده و در همه نسخه‌ها مشابه یکدیگر است.
USB3.0 نیز مانند نسل‌های پیش از خود از معماری سیگنال‌دهی تفاضلی ولتاژ پایین LVDS (Low-Voltage Differential Signaling)i برای انتقال داده‌ها به صورت سریال استفاده می‌کند. LVDS گونه‌ای از سیگنال‌دهی الکتریکی است که می‌تواند روی سیم‌های زوج به‌هم تابیده مسی استفاده شود. این شیوه سیگنال‌دهی که در سال 1994 ابداع شد، به خصوص در طراحی شبکه‌های پرسرعت کامپیوتری و مسیردهی‌های داخلی (آنچه که در اصطلاح BUS یا گذرگاه نامیده می‌شود) بسیار استفاده می‌شود.
LVDS از روش ارسال سیگنال به صورت تفاضلی استفاده می‌کند. این مسئله به این معنی که، فرستنده دو ولتاژ متفاوت را به دو خط اعمال می‌کند که گیرنده پس از دریافت آن دو را با یکدیگر مقایسه خواهد کرد. با مقایسه این دو مقدار کدگشا می‌تواند مقادیر ارسالی را بازخوانی کند. برای انجام این‌کار، انتقال‌دهنده یک جریان کوچک (به صورت پیش‌فرض 3/5 میلی‌آمپر) را به یکی از سیم‌ها بسته به سطح منطقی موردنیاز اعمال می‌کند. جریان از درون یک مقاومت بار 100 تا 150 اهمی (بسته به امپدانس کابل) عبور کرده و در نهایت به انتهای خط و گیرنده می‌رسد. سپس واحد فرستنده در انتهای خط همان سیگنال را دوباره به ابتدای خط اما این‌بار از طریق سیم دوم ارسال می‌کند. با توجه به قانون اهم، اختلاف ولتاژ در دو سوی مقاومت بار باید چیزی حدود 350 میلی‌ولت باشد. گیرنده قطبیت ولتاژ مقاومت را اندازه گرفته و سطح منطقی را که می‌تواند یک یا صفر باشد، مشخص می‌کند. این‌گونه از سیگنالینگ را که LVDS از آن استفاده می‌کند، حلقه جریان (Current Loop) نیز می‌نامند. به دلیل شدت جریان اندک سیگنال و میدان مغناطیسی بسیار کوچکی که در اطراف هر یک از سیم‌ها ایجاد می‌شود، می‌توان این سیم‌ها را به صورت به‌هم تابیده و در نزدیکی یکدیگر قرار داد.
به دلیل متوسط تفاضل ولتاژ بسیار اندکی که بین دو سیم وجود دارد (حدود 1/25 ولت)، LVDS می‌تواند در بسیاری از مدارهای مجتمع که دارای ولتاژ 2.5 ولت یا کمتر هستند، استفاده شود. تفاوت ولتاژ بسیار اندک 350 میلی‌ولتی در دو سوی مقاومت مورد استفاده در مدار، به مدارهایی که از LVDS استفاده می‌کنند، اجازه می‌دهد، توان بسیار اندکی را در مقایسه با دیگر سیستم‌ها مصرف کنند. برای مثال، مقدار تلفات توان ثابت در مقاومت موجود در مدار LVDS حدود 1/2 میلی‌وات است که در مقایسه با مقدار 90 میلی‌واتی تلفات در مدارهایی که از استاندارد RS-422 اسفاده می‌کنند، بسیار ناچیز است. بدون یک مقاومت بار، کل یک سیم برای انتقال یک بیت داده باید بارگذاری و سپس تخلیه شود، در حالی که با استفاده از فرکانس‌های بالا و مقاومت بار یک بیت فقط به استفاده از بخش کوچک‌تری از سیم نیاز دارد، در حالی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در حرکت است.
اگر چه LVDS تنها سیستم سیگنال‌دهی تفاضلی نیست که امروزه استفاده می‌شود، اما به دلیل این‌که دارای مزایایی همچون تلفات توان بسیار پایین و توانایی کار در فرکانس‌های بسیار بالا است، پراستفاده‌ترین سیستم انتقال داده‌های سریال در کامپیوترها به شمار می‌رود. نکته قابل توجه در مورد این معماری این است که طراح را مجبور نمی‌کند از یک ساختار کدگذاری خاص استفاده کند. در حقیقت، از آنجا که LVDS از یک ساختار کاملاً سخت‌افزاری برخوردار است، می‌توان هر نوع کدگذاری سازگار با یک گذرگاه سریال را روی آن استفاده کرد. تمامی نسل‌های USB از جمله USB3.0 از کدگذاری 8-10 بیتی برای انتقال داده استفاده می‌کنند. در این کدگذاری به ازای هر بایت 10 بیت داده منتقل می‌شود. البته دو بیت ابتدایی و انتهایی تنها برای مشخص کردن ابتدا و انتهای جریان بیت‌های هر بایت استفاده می‌شوند و به همین دلیل در اندازه‌گیری نهایی پهنای باند به حساب آورده نمی‌شوند. اگر چه استفاده از این تکنیک حدود بیست درصد پهنای باند کلی را تلف می‌کند اما همچنان یکی از بهره‌ورترین سیستم‌های کدگذاری موجود است.
تغییرات صورت‌گرفته در USB3.0
USB3.0 یکی از تحولاتی است که سال‌ها دنیای کامپیوتر در انتظار آن بوده است. این پورت دارای تغییرات اساسی نسبت به نسخه‌های قبل خود شده‌است که در ادامه به‌طور اجمالی به آن اشاره می‌کنیم.
1. Super Speed: اولین انتظاری که از این پورت جدید می‌رود، سرعت انتقال بالاتر است. USB3.0 بیش از ده بار سریع‌تر از USB2.0 است و حداکثر نرخ انتقال داده‌ای برابر با 4800 مگابیت (یا 572 مگابایت) در ثانیه را در دسترس قرار می‌دهد. در حال حاضر، این سریع‌ترین ارتباط سریال موجود در حوزه کامپیوترهای شخصی است؛
2. معماری گذرگاهی دوگانه: با پشتیبانی از این معماری، USB3.0 از چهار نرخ انتقال داده مستقل پشتیبانی کرده و به این طریق سازگاری با همه ابزارهایی را که از نسخه‌های قدیمی‌تر این پورت استفاده می‌کنند، تضمین می‌کند؛
3. پشتیبانی از جریان‌های داده غیرهمزمان که به آن امکان می‌دهد، عملکرد بهتری را در زمینه‌هایی همچون انتقال جریان‌های ویدئویی با وضوح بالا داشته باشد. این معماری از سال‌ها پیش در پورت IEEE 1394 استفاده می‌شد؛
4. پشتیبانی از جریان‌های داده‌ای دوگانه و دوطرفه همزمان در حالت Super Speed به جای جریان‌های داده‌ای یک‌طرفه و منفرد؛
5. پشتیبانی از انتقال‌داده‌ها به صورت جریانی؛
6. پشتیبانی از فناوری همزمان‌سازی سریع؛
7. پشتیبانی از ابزارهایی با مصرف توان بالاتر تا 900 میلی‌آمپر ساعت؛
8. قابلیت‌های بهتر برای مدیریت توان.
نرخ انتقال داده در USB3.0
پورت USB3.0 از چهار نرخ انتقال داده متفاوت پشتیبانی می‌کند. هر یک از نسخه‌های موجود USB هنگام عرضه نرخ داده جدیدی را نیز معرفی کرده‌است. در جدول زیر تمامی سرعت‌های پشتیبانی‌شده توسط نسخه‌های مختلف آورده شده است.
جدول 1
همان‌طور که در جدول 1 دیده می‌شود، USB3.0 بیش از 10 برابر سریع‌تر از USB2.0 و بیش از 4166 برابر سریع‌تر از اولین نسخه USB است که در سال 1996 عرضه شد.
اما نرخ حقیقی انتقال داده همیشه بسیار کمتر از میزانی است که به‌عنوان حداکثر اعلام می‌شود و به بسیاری از متغیر‌ها بستگی دارد. حداکثر سرعت عملی در USB2.0 حدود 35 تا 40 مگابایت در ثانیه است و برای USB3.0 نیز می‌توان مقداری حدود 400 مگابایت در نظر گرفت. در نهایت، سرعت عملی انتقال داده به ابزاری که از آن استفاده می‌کنید، بستگی دارد. برای مثال، سرعت انتقال داده از روی هارددیسک محدود به سرعت خواندن و نوشتن اطلاعات توسط هد و سیستم‌های انتقالی آن خواهد بود. در درایو حافظه فلش سرعت توسط سرعت چیپ‌ست‌‌های حافظه محدود خواهد شد و در سایر ابزارها نیز سرعت واحد‌های فرستنده و گیرنده در توانایی نهایی پورت برای انتقال هر چه بیشتر اطلاعات تأثیر بسزایی دارد.
برای مثال، سرعت انتقال داده در حافظه فلش در بهترین حالت بین 10 تا 30 مگابایت در ثانیه به ترتیب برای خواندن و نوشتن داده‌ها است. این میزان در هارددیسک‌های خارجی بسیار بهتر است و می‌تواند به بیش از 100 مگابایت در ثانیه نیز برسد. البته نمی‌توان این ابزارها را به‌عنوان ابزارهایی کند طبقه‌بندی کرد اما در حال حاضر فاصله زیادی تا استفاده از تمامی مزایایی پورت USB3.0 توسط آن‌ها وجود دارد. انتظار می‌رود درایوهای SSD فوق سریع یا نسل جدید هارددیسک‌ها قادر باشند از ظرفیت‌های USB3.0 به شکل بهتری استفاده کنند اما به نظر می‌رسد در خوش‌بینانه‌ترین حالت، این ابزارها در آینده نزدیک در دسترس قرار خواهند گرفت. در نهایت، نکته دیگری که درباره پهنای باند نهایی وجود دارد و باید در نظر گرفته شود این است که کنترل‌کننده‌های گذرگاه همیشه مقداری از پهنای باند را برای ارسال سیگنال‌های کنترلی، سیگنال‌های هماهنگ‌سازی و درخواست‌های خارج از ترتیب استفاده می‌کنند. حتی در بهترین وضعیت گذرگاه با 80 درصد پهنای باند واقعی عمل کند.
دیدگاهتان را بنویسید