USB Nedir? Giriş Harici aygıt kurulumu, hem yeni hem de usta bilgisayar kullanıcıları için zor bir iştir. Gerekli bağlantıları yapmanın yanısıra, aygıtı konfigüre etmek de zaman alır. IRQ ve I/O adresleri, bir aygıtın, bilgisayar sisteminde çakışma yaşamadan çalışması için doğru şekilde ayarlanmalıdır. Bazen, bir aygıt, sistemin boot işlemi esnasında takılı olmadığı için çalışmayabilir. Genel olarak, bu problemi çözmenin tek yolu, aygıtı bağlayıp sistemi yeniden başlatmaktır. Universal Serial Bus (USB), yukarıda anlatılan zorlukların üstesinden gelmek için bulunmuş çözümlerden birisidir. Yukarıdaki eksiklikleri tamamlamak için USB, tek bir bağlantı tipi ve anında takma/çıkartma özellikleri sunar. Bu iki özellik sayesinde, USB tipi bir çevresel aygıtı takmak oldukça kolaylaşmaktadır. Sistemin açık veya kapalı olmasına dikkat etmeden, USB aygıtı sisteme bağlayın. Çalışan bir sistemde, aygıtın takıldığı anlaşılır ve aygıt konfigürasyonu sistem tarafından otomatik olarak yapılır. Kısaca, hiç ter dökmeden takılan USB aygıtı çalışmaya hazır hale gelir. Şimdiye kadar, USB bir değişim geçirmiştir. İki spesifikasyon sürümleri 1.0 ve 1.1 dir. USB 1.1 in asıl amacı, USB 1.0 da farkedilen problemlerin çözülmesi ve bazı belirsizliklere açıklık getirilmesidir. USB 2.0 ın ise 2000 in ilk çeyreğinde çıkması beklenmektedir. USB 2.0 sayesinde orijinal USB kablo ve bağlantıları değişmeden 480Mbps bant genişliği mümkün kılınacaktır. Bu, mevcut standarttaki genişliği 40 katına çıkartacaktır (USB 1.1 de 12Mbps). Ek olarak, USB 2.0 mevcut USB sürümleriyle de geriye uyumlu olacaktır. Bu yazıda "USB" terimi, ayrıca belirtilmedikçe USB 1.1 olarak anlaşılmalıdır. Özellik Listesi USB, IEEE1394 ün benzeri özelliklere sahiptir. Aşağıda kısa açıklamarıyla USB özelliklerinin özetini bulabilirsiniz: - Anında Takma/Çıkartma, PnP: USB aygıtları, aygıt takma/çıkartma işlemini tespit etme ve konfigürasyonunu otomatik olarak yapma yeteneğine sahiptir. - Seri Veri Yolu: Bir çift farklı sinyal, hem veri gönderimi hem de veri alımı için kullanılmaktadır. - Eşsüreli Aktarım: Kamera gibi video uygulamalarında, sabit bit oranına yakın aktarım gereklidir. Eşsüreli aktarım, veri kesinliği yerine ayrılmış aktarım oranı sözü verir. - Kablo Gücü: Kendi elektriğini sağlayamayan aygıtlar için, kablo gücü, USB nin kablosu aracılığıyla mümkündür.
- Tam veya Düşük Çalışma Hızı: USB de iki çalışma hızı desteklenmektedir: tam hız için 12Mbps ve düşük hız için 1.5Mbps. Düşük hız tanımlama, üreticiler için maliyeti düşürme amaçlı bir opsiyondur. USB Bağlantısı Bir USB kablosu, dört iletkenden oluşur: iki adet veri yolu (kablo) gücü için ve iki adet de farklı sinyal çifti için. Pin tanımlamaları aşağıdaki şekildedir: Pin 1. VSUB: Veri yolu gücü, kaynakta +5V Pin 2 ve 3. D- ve D+: Farklı sinyal çifti Pin 4. GND: Toprak USB kabloları da, tam hızlı kablolar ve düşük hızlı kablolar olmak üzere ikiye ayrılır. Tam hızlı kablo, kıvrımlı sinyal çifti ve dört kabloyu sarmak için çevresel koruyucu gerektirir. Tam hızlı USB kablosu için gerekli asgari marka bilgisi, "USB SHIELDED..." ibaresini, USB spesifikasyonları nedeniyle bulundurmalıdır. Düşük hızlı kablo ise koruma, kıvrımlı sinyal çifti iletkenleri ve özel marka bilgisi gerektirmez. Şekil 1. USB Bağlantıları Azami USB kablo uzunluğu, USB spesifikasyonunda açık olarak belirtilmemiştir. Onun yerine, azami kablo uzunluğu, bazı elektriksel sinyalleme ve güç dağıtımı gereksinimlerine göre sınırlandırılmıştır. İletken materyalin karakteristiği, kablonun
azami uzunluğunu belirlemekte en önemli parametrelerden birisi olabilir. Endüstride, üç metrelik düşük hızlı kablolar ve beş metrelik tam hızlı kablolar önerilmektedir. Güç Dağıtımı USB veri yolunda bulunan bir aygıt; göbek, fonksiyon ya da ekleme aygıtı olabilir. Göbek, veri yoluna ek bağlantılar sunmak için kullanılan bir port eklentisidir. Fonksiyon; klavye, modem veya dijital hoparlör gibi sunucuya ek yetenekler sunan bir aygıttır. Port eklentileri hariç bazı göbekler de sunucuya ek yetenekler sunabilmektedir. Bu tip aygıtlar da ekleme aygıtı olarak bilinir. Merkez göbek, sunucuda, yani bilgisayarın kendisinde bulunan göbektir. USB veri yolu topolojisine bir örnek, Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. USB veri yolu topolojisine bir örnek USB, aygıtların güç sınıflarını basitleştirmek için "ünite yükü" kavramını getirmiştir. Zamana bağlı ortalama değil, mutlak maksimum olan bir ünite yükü, 100mA olarak tanımlanmıştır. Bir USB aygıtı, bir ünite yükü harcayan düşük güçlü bir aygıt olabileceği gibi, azami beş ünite yükü harcayan yüksek güç gereksinimli bir aygıt da olabilir. Dikkat edilmesi gereken nokta, konfigürasyon işlemi sırasında bütün aygıtlar düşük güçlü olarak ayarlanır. Yüksek güce geçiş, yazılım kontrolündedir. Kendi gücünü kendi sağlayan bir göbek beş ünite yükü sunarken, veri yolu ile güçlendirilen bir göbek, aşağı akıştaki portlara sadece bir ünite yükü aktarabilir. Düşük güçlü veri yolu ile güçlendirilen fonksiyonlar bir ünite yükü harcayabilirken, yüksek güçlüler azami beş ünite yükü harcayabilirler. Veri yolu güç gereksinimleri aşağıdaki tabloda listelenmiştir:
Aygıt Takma/Çıkartma Tespiti USB aygıtı takılmasının tespiti, aygıt hızının tespitini de barındırır. Şekil 3'te de belirtildiği gibi, Rpd dirençleri, yukarı akış portlarının sinyal çiftlerini düşürürler. Bir aygıt takıldığında, bir sinyal çifti yükseltilecektir, çünkü Rpd (15kW ), Rpu (1.5kW ) rezistansından 10 kat yüksek dirence sahiptir. Bu sayede göbek, bir USB aygıtının belli bir porta takıldığını anlar. Tam hızlı bir aygıt D+'da Rpu gösterirken, düşük hızlı bir aygıt D- de Rpu gösterecektir. Şekil 3. USB aygıt ve hız tespiti. USB Konfigürasyon İşlemi USB, seçimli bir veri yoludur. Bütün veri aktarımları, sunucu kontrol aygıtı tarafından başlatılır. Göbekler, bir USB aygıtının kendi portlarından birine takıldığını belirten durum sinyallerine sahiptirler. Sunucu, bir aygıtın takılıp çıkartılmasını anlamak için, düzenli aralıklarla bütün göbekleri sorgular. Bir aygıt takıldığında, göbek, portu açması için sunucudan emir alır, bir ünite yükünü (100mA) hazır hale getirir ve ilgili porta bağlanan aygıtı yeniden başlatır. Bu anda, aygıt standart adrese (yani sıfır) cevap verir. Sunucu bu aygıta özel bir adres atar, aygıttan konfigürasyon bilgisini okuyarak işleme sokar ve son olarak, aygıt durumunu "configured" yaparak aygıtı kullanıma hazır hale getirir.
USB aygıt durumları aşağıdaki listede belirtildiği gibidir: - Attached: Aygıt, sisteme takılmıştır. - Powered: VBUS, spesifik porta uygulunmaktadır. - Default: Aygıt güçlendirilmiştir ve standart adrese (sıfır) cevap vermektedir. - Address: Sunucu tarafından aygıta özel bir adres atanmıştır. - Configured: Aygıt kullanıma hazırdır. - Suspended: Aygıt uyku durumundadır. USB Aktarım Tipleri USB, dört aktarım tipini destekler: - Control Transfer: Periyodik olmayan ve sunucu tarafından başlatılan. Genellikle aygıt konfigürasyon sırasında kullanılır. - Bulk Transfer: Büyük verili ve periyodik olmayan. Genellikle bir "bulk transfer", mümkün olan azami bant genişliği ister. Diğer taraftan, bir "bulk transfer", veri yolu küçük bir bant genişliğine sahipse, uzun süreye yayılarak işlemi tamamlar. - Isochronous Transfer: Sunucu ile aygıt arasında periyodik, sürekli iletişim. Tipik olarak zamanla ilgili bilgide kullanılır. - Interrupt Transfer: Küçük verili, düşük frekanslı ve gizli. USB seçimli bir veri yolu olduğundan, "interrupt", aygıtı periyodik olarak seçerek simüle edilir. USB aktarımları görüntü tabanlıdır, bir görüntü aralığı 1ms olacak şekilde tanımlanmıştır.interrupt ve Isochronous aktarımlar periyodik olarak düşünülebilir. Görüntünün azami %90'lık kısmı bu iki periyodik aktarıma ayrılabilir. Control aktarımlar, geri kalan %10'luk kısmı kullanmak için birincilik haklarını saklı tutarlar. Bulk aktarımlar ise mevcut bant genişliğinin geri kalanına yerleştirilir. Pratik Tanımlama USB genel olarak modern bilgisayarlardaki sistem çipsetlerine entegre edilmiştir. Örnek olarak, Intel in 82371EB PIIX4 çipi, dahili bir USB sunucu kontrol aygıtına ve PCI veri yolunda duran bir merkez göbeğe sahiptir. Şekil 4 te gösterildiği gibi, USB sunucu kontrol aygıtı, Intel 82371AB/EB çipine entegre edilmiştir ve PCI veri yolunda durmaktadır.
Şekil 4. Intel 82371AB/EB PIIX4 çipinin USB sunucu kontrol aygıtı