Evrensel Seri Veriyolu (USB)

Evrensel Seri Veri Yolu (USB), kişisel bilgisayarlar ile çevre birimleri arasındaki bağlantıyı kolaylaştırmak amacıyla geliştirilmiş, seri ve paralel port bağlantılarının yerini alan standartlaştırılmış bir bağlantı arayüzüdür. 1990'ların ortalarında endüstri liderleri tarafından tanımlanan bu mimari, asgari kullanıcı müdahalesi ile çalışan genişletilebilir bir tak-çalıştır donanım modeli kurar.

USB fiziksel bağlantı yapısı, kademeli yıldız topolojisine (tiered star topology) dayanır. Bu yapının en üstünde ana bilgisayar (host) ve tek bir ana kök merkezi (root hub) bulunur. Sistem topolojisi, en fazla 7 katmana (tier) kadar genişletilebilir ve tek bir ana bilgisayar denetleyicisi üzerinden 127 adede kadar fiziksel cihazın bağlanmasına olanak tanır^【1】. Hub (dağıtıcı) donanımları iletişim ağını genişletmek amacıyla kullanılırken, her cihaza sistem tarafından 7 bitlik benzersiz bir adres atanır. Veri iletişimi, D+ ve D- olarak adlandırılan iki veri hattı üzerinden diferansiyel sinyalleşme (differential signaling) kullanılarak gerçekleştirilir. Düşük voltajlı bu diferansiyel çift, hatlardaki mutlak voltaj değerleri yerine iki hat arasındaki voltaj farkını yorumlayarak elektriksel parazitlenmelere karşı koruma sağlar. İletim sırasında "Sıfıra Dönüşsüz Ters" (NRZI) kodlaması kullanılır ve donanımın saat frekansını senkronize tutabilmek için altı ardışık mantıksal 1 bitinden sonra araya bir mantıksal 0 biti eklenerek "bit doldurma" (bit stuffing) işlemi uygulanır.

^{Tip-A (Type-A) olarak adlandırılan standart USB (}Pixabay⁾

USB üzerindeki iletişim paket tabanlıdır ve doğrudan ana bilgisayarın kontrolü altındadır; tüm işlemler ana bilgisayarın bant genişliği (bandwidth) zamanlamaları doğrultusunda başlatılır. Veri paketleri temel olarak belirteç (token), veri, durum ve özel paketler olmak üzere dört türe ayrılır. Veri aktarımı dört farklı iletişim modunda sağlanır: Komut ve durum bilgileri için kontrol (control), yüksek veri boyutları için yığın (bulk), periyodik veri ihtiyaçları için kesme (interrupt) ve gerçek zamanlı, garantili bant genişliği gerektiren işlemler için eşzamanlı (isochronous) aktarım. Gerçek zamanlı kontrol sistemlerinde sensör verilerinin toplanması açısından USB ve hub donanımları belirli aktarım gecikmelerine (latency) yol açmaktadır. İstatistiksel analizler ve milisaniye bazındaki testler, doğrudan bilgisayara bağlanan PS/2 veya USB farelerin, bir USB hub üzerinden bağlananlara kıyasla daha hızlı iletişim kurduğunu göstermektedir. Hub cihazları iletişim protokolüne katman eklediği için genellikle gecikmeye neden olsa da, video yakalama (videocapture) gibi yüksek boyutlu veri taşıyan donanımlarda bu gecikmenin doğrudan bağlantıya kıyasla bazı durumlarda azaldığı veya değişmediği saptanmıştır. Sonuç olarak USB mimarisi, milisaniye mertebesindeki gecikmeleri tolere edebilen esnek gerçek zamanlı sistemler (soft real-time systems) için uygun bir arayüz sunmaktadır.

USB standardı, veri aktarımının yanı sıra donanımların beslenmesi için +5 V nominal değerindeki VBUS hattı üzerinden güç aktarımı sağlar. Standart spesifikasyonlara göre USB 1.0 portu 5 V gerilimde maksimum 100 mA, USB 2.0 portu 500 mA (0.5 A) ve USB 3.0 portu ise 900 mA (0.9 A) akım sağlayacak kapasitededir^【2】. USB Güç Dağıtımı (Power Delivery) spesifikasyonu ise özel konfigürasyonlarla bu sınırı 100 W seviyesine kadar çıkarmaktadır. Farklı üreticilere ait mobil cihazlar, tabletler ve taşınabilir şarj cihazları (power bank), tasarımlarına bağlı olarak bilgisayarın USB portundan 2.5 A ve üzerinde akım çekmeye çalışabilmektedir. Tasarlanan sınırların ötesindeki bu aşırı yüklenme (overloading) durumları, donanımdaki sigortaların atmasına veya güç dağıtım anahtarlarının termal kapanmasına yol açabilmekte; dahili akım sınırlayıcıya sahip olmayan PCI kartlı sistemlerde ana bilgisayarın zarar görmesine sebep olabilmektedir. Bilgisayar üreticileri, aşırı akım koruması sağlamak amacıyla MIC2027 gibi güç dağıtım anahtarları veya düşük amperli koruma sigortaları (örn: 0.75 A) kullanmaktadır. Ayrıca donanımların takılıp çıkarılması sırasında oluşan ani akım dalgalanmalarını (inrush current) sınırlandırmak amacıyla hub üzerindeki VBUS hatlarına düşük eşdeğer seri dirençli (ESR) kapasitörler yerleştirilir ve gerilim düşümü kısıtlanır.

Teknolojik gelişim süreci boyunca USB standartları hız ve bağlantı kapasitesi açısından sürekli güncellenmiştir:

• USB 1.1: Düşük hız (1.5 Mbps) ve tam hız (12 Mbps) modlarını desteklemiş, düşük ve yüksek hızlı cihazlarda maksimum 5 metre, tam hızlı cihazlarda 3 metre kablo uzunluğu sınırına sahip olmuştur.
• USB 2.0: 2000 yılında piyasaya sürülmüş, 480 Mbps veri aktarım oranına sahip yüksek hız modunu kullanıma almış ve ana cihaz olmadan donanımların haberleşmesini sağlayan USB On-The-Go (OTG) işlevselliğini entegre etmiştir.
• USB 3.0: 2008 yılında kullanıma sunulmuş ve 5 Gbps aktarım hızı sağlayan "SuperSpeed" modunu tanıtmıştır. Veri kodlama tekniği olarak 8b/10b kodlamasını kullanmaya başlamış ve tam çift yönlü (full-duplex) iletişim için konektörlere ilave pinler eklemiştir.
• USB 3.1 ve 3.2: Maksimum hızı sırasıyla 10 Gbps ve 20 Gbps seviyelerine ulaştırmıştır.
• USB4™: Hız gelişimini devam ettirmiş ve donanımlar arasındaki karmaşık numaralandırma ile genel trafik yönetimini yeni nesil bir bağlantı yöneticisi (connection manager) üzerinden sağlamıştır. Fiziksel bağlantı açısından, ana bilgisayarlarda ağırlıklı olarak Tip-A, çevre birimlerinde Tip-B konektörler kullanılmış; zaman içinde mobil cihazlar için Mini-USB ve Micro-USB gibi yapıların ardından yüksek veri ve güç aktarımı sağlayan Tip-C (Type-C) standart hâline gelmiştir.

^{Mobil cihazlarda ve çevre birimlerinde yaygın olarak kullanılan bağlantı konektörleri. (}Pixabay⁾

İşletim sisteminin yeni bir USB cihazını bulup yapılandırması işlemi numaralandırma (enumeration) olarak adlandırılır. Cihaz bağlandığında, ana bilgisayar veri hatlarındaki (D+ veya D-) gerilim değişikliklerini algılayarak dinamik tespit işlemini başlatır ve donanıma özgün bir adres atar. Bu süreçte sistem, cihazın desteklediği sınıfı, maksimum paket boyutunu, üreticisini ve iletişim yeteneklerini içeren "cihaz tanımlayıcıları" (device descriptors) adlı yapılandırılmış veri tablolarını okur. İşletim sistemi tarafındaki yazılım mimarisi katmanlı bir model üzerine kuruludur. Windows işletim sistemlerinde, xHCI gibi temel konak denetleyici standartları üzerinden donanımla haberleşebilmek için "UCX" (USB konak denetleyici uzantısı) altyapısı kullanılır. İşletim sistemi, tekil çevre birimleriyle genel bir iletişim kurmak amacıyla "WinUSB.sys" adlı standart işlev sürücüsünden faydalanır. Birden fazla mantıksal işlevi barındıran bileşik (composite) cihazlar için ise "Usbccgp.sys" genel üst sürücüsü devreye girer; bu yazılım, donanımdaki her işlev için bağımsız fiziksel donanım nesneleri yaratarak kaynakların modüler bir şekilde yönetilmesini sağlar. Bunlara ek olarak, özel güç senaryolarını barındıran Tip-C bağlayıcılar "UcmCx" sınıfıyla, donanımların hedef ve konak rollerini değiştirebildiği çift rol yapısı (dual-role) ise "UrsCx" programlama arabirimleri üzerinden sisteme entegre edilir.