تطور USB من الكابلات المزدحمة إلى التكنولوجيا عالية السرعة

هل تتذكر الفوضى المتشابكة للكابلات التي كانت تزين مكاتب الكمبيوتر في التسعينيات؟ لقد جعلت حقبة الواجهات التسلسلية والمتوازية والخاصة توصيل الأجهزة الطرفية كابوسًا. أحدث إدخال الناقل التسلسلي العام (USB) ثورة في هذا المشهد، حيث استبدل الموصلات الضخمة بواجهة USB من النوع A (USB-A) المدمجة وبأسعار معقولة. اليوم، توجد مليارات أجهزة USB قيد الاستخدام اليومي، مما يجعل USB الواجهة السلكية المهيمنة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية.

خضع USB لعمليات تكرار متعددة (انظر الجدول 1)، حيث قام كل منها بتحسين كيفية توصيل الكابلات والتواصل وتوصيل الطاقة بأجهزة الكمبيوتر والأجهزة المحمولة والأجهزة الطرفية. يمثل أحدث معيار USB4، مثل أسلافه، قفزة كبيرة إلى الأمام في سرعات نقل البيانات ودقة الفيديو وقدرات توصيل الطاقة.

عادةً ما تتميز الأجهزة الحديثة بثلاثة أنواع مختلفة على الأقل من منافذ USB. من بين هذه المنافذ، اكتسب USB-C مكانة بارزة في الأجهزة الأحدث نظرًا لحجمه الصغير ومعدلات نقل البيانات السريعة والقدرة على توفير ما يصل إلى 240 واط من الطاقة. تدعم كابلات USB-C أيضًا نقل الفيديو عالي الدقة بدقة 4K و 8K. على الرغم من التشابه الوظيفي، تستخدم منافذ Lightning تصميم موصل مختلفًا.

يلعب تصميم موصل USB-C دورًا حاسمًا في سرعات نقل البيانات. يحتوي كل موصل USB من النوع C على أربعة أزواج من الدبابيس (تسمى "الممرات") مخصصة لإرسال (TX) واستقبال (RX) البيانات. يستخدم USB 3.0 (5 جيجابت في الثانية) و USB 3.1 (10 جيجابت في الثانية) ممر TX واحد وممر RX واحد، مع تحديد الاتجاه للممرات النشطة. يستفيد USB 3.2 من جميع الممرات الأربعة لتحقيق سرعات 20 جيجابت في الثانية.

يجمع اصطلاح تسمية USB 3.2 الحالي بين السرعة وعدد الممرات. على سبيل المثال، يشير USB 3.2 Gen 1×2 إلى 5 جيجابت في الثانية × 2 ممرات للحصول على سرعة إجمالية تبلغ 10 جيجابت في الثانية. يوفر كل من USB4 Gen 2×2 (الذي يتم تسويقه باسم USB4 20 جيجابت في الثانية) و USB 3.2 Gen 2×2 اتصالات بسرعة 20 جيجابت في الثانية. يستخدم USB4 Gen 3×2 (USB4 40 جيجابت في الثانية) مخطط ترميز بيانات مميزًا لتحقيق 20 جيجابت في الثانية لكل ممر، بإجمالي 40 جيجابت في الثانية في وضع ثنائي الممر.

يمثل USB4 (الذي تم تصميمه رسميًا بدون مسافة) تحديثًا رئيسيًا لا يقدم فقط إمكانات جديدة ولكنه يعالج أيضًا مخطط تسمية USB 3.x المربك مع توفير تجربة مستخدم أكثر قابلية للتنبؤ. يفرض بروتوكول USB4 كابلات USB-C إلى USB-C.

نقل بيانات بسرعة 40 جيجابت في الثانية: يجب أن تدعم أجهزة USB4 سرعة 20 جيجابت في الثانية (2.4 جيجابايت/ثانية)، مع دعم اختياري لـ 40 جيجابت في الثانية (4.8 جيجابايت/ثانية) عند استخدام كابلات Gen 3 أقصر بطول 0.8 متر.

بروتوكولات بيانات وعرض متعددة: يستخدم USB4 الأنفاق البروتوكول لدعم USB 3.2 و PCIe و DisplayPort 1.4a. يتم الحفاظ على التوافق مع DisplayPort و Thunderbolt 3 من خلال الوضع البديل.

التوافق مع الإصدارات السابقة: يحافظ USB4 على التوافق مع معايير USB 3.2 و USB 2.0 و Thunderbolt 3 من خلال وضع TB3 Alt.

تخصيص النطاق الترددي الديناميكي: على عكس تخصيص النطاق الترددي الثابت لـ USB 3.2 (أو 100٪ من نطاق الفيديو في وضع DP Alt)، يوزع USB4 النطاق الترددي ديناميكيًا بين الفيديو والبيانات بناءً على متطلبات الوقت الفعلي.

شحن 100 واط: تدعم جميع أجهزة USB4 توصيل الطاقة عبر USB (USB PD)، والتفاوض على عقود الطاقة حتى 100 واط (5 أمبير/20 فولت) عند الاتصال بمنافذ USB4.

تظهر بالفعل منتجات متوافقة مع Thunderbolt™ 3 في السوق، مما يوفر أربعة أضعاف توصيل الطاقة وسرعات نقل البيانات ثنائية الاتجاه لـ USB 3.2 Gen 2 مع خلق إمكانيات حوسبة غير مسبوقة للأجهزة الشخصية.

تم تصميم USB-C للأجهزة الأنحف والأخف وزنًا، ويعمل بشكل جيد بنفس القدر في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. قامت العديد من أجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة بإزالة منافذ USB-A و RJ45 Ethernet تمامًا، والاعتماد فقط على USB-C للفيديو والشبكات ونقل البيانات والشحن. وقد دفع هذا التحول إلى اعتماد USB-C كالموصل القياسي لمنافذ Thunderbolt™ 3 و DisplayPort و MHL و HDMI.

أدت مواصفات USB-C من النوع 2.1 (التي تم إصدارها في مايو 2021) إلى زيادة سعة الطاقة للكابلات والموصلات من 100 واط إلى 240 واط، مما يتيح توصيل الطاقة للأجهزة الأكبر حجمًا وعالية الاستهلاك مثل شاشات 4K والدراجات الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة المخصصة للألعاب.

في حين أنه في الأساس بروتوكول اتصال بين المضيفين والأجهزة الطرفية، فقد تطور USB إلى واجهة متعددة الوظائف. قد تدعم الأجهزة الحديثة واحدة أو أكثر من هذه الميزات المتقدمة:

يمكن لكابل USB-C واحد توفير طاقة كافية لإزالة المحولات المنفصلة للأجهزة الطرفية عالية الطلب مثل محركات الأقراص الثابتة الخارجية. لاحظ أن ليس كل الأجهزة أو المنافذ تدعم توصيل الطاقة عبر USB—راجع مواصفات المنتج للحصول على تفاصيل التوافق.

قدمت مواصفات BC 1.2 منافذ شحن مخصصة تتيح شحنًا أسرع وأكثر أمانًا. في حين أن منافذ USB 2.0 و 3.0 القياسية توفر 500 مللي أمبير و 900 مللي أمبير على التوالي، فإن المنافذ المتوافقة مع BC 1.2 توفر ما يصل إلى 1.5 أمبير—حتى أثناء نقل البيانات—وتسمح للأجهزة بالتواصل مع متطلبات الطاقة الخاصة بها للحصول على الشحن الأمثل.

تمكن هذه الميزة الأجهزة المحمولة من العمل كمضيفين للأجهزة الطرفية مثل محركات أقراص فلاش ولوحات مفاتيح وفئران. تتطلب الأجهزة المتوافقة مع OTG محولًا لتوصيلات الأجهزة الطرفية مع الحفاظ على قدرتها على العمل كأجهزة تخزين جماعي متصلة بالكمبيوتر.

يمكن لموصلات وكابلات USB-C نقل بيانات USB في وقت واحد جنبًا إلى جنب مع إشارات فيديو/صوت VGA أو DVI أو HDMI أو DisplayPort. تتيح المحولات اتصالات DisplayPort عبر USB-C بأنواع عرض مختلفة دون الحاجة إلى برامج تشغيل إضافية.

تدعم هذه التقنية إخراج فيديو 4K في وقت واحد إلى شاشتي DisplayPort—مثالية للافتات الرقمية وتطبيقات الألعاب عالية الأداء.

يمكن أن تعمل محطات إرساء USB أو Thunderbolt™ 3 المدمجة بحجم الهاتف الذكي على تحسين الاتصال بأجهزة MacBooks وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. توفر أحدث محطات إرساء Thunderbolt™ 3 سرعات نقل بيانات ثنائية الاتجاه رائعة تبلغ 40 جيجابت في الثانية لنقل الملفات الكبيرة بسرعة، واتصال Ethernet السلكي في المناطق التي تفتقر إلى Wi-Fi، وفيديو مزدوج الشاشة بدقة 4K مع دعم الصوت الرقمي.