موزع USB

موزع USB هو جهاز يوسع منفذ ناقل تسلسلي عام (USB) واحد إلى عدة منافذ، مما يوفر المزيد من المنافذ لتوصيل الأجهزة بنظام مضيف، على غرار شريط الطاقة . تتشارك جميع الأجهزة المتصلة عبر موزع USB في عرض النطاق الترددي المتاح لهذا الموزع. ^{[ 1 ]}

تتوفر موزعات USB المنفصلة فعليًا بأشكال متنوعة : من صناديق خارجية (تشبه موزع إيثرنت أو موزع الشبكة )، إلى تصميمات صغيرة يمكن توصيلها مباشرة بمنفذ USB (انظر صورة "التصميم الصغير"). تستخدم موزعات "الكابل القصير" عادةً  كابلًا مدمجًا بطول 15 سم (6 بوصات) لإبعاد الموزع الصغير قليلًا عن ازدحام المنافذ المادية وزيادة عدد المنافذ المتاحة.

جميع أجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة تقريبًا مزودة بمنافذ USB، ولكن موزع USB خارجي يمكنه دمج العديد من الأجهزة اليومية (مثل الماوس أو لوحة المفاتيح أو الطابعة) في موزع واحد لتمكين توصيل وإزالة جميع الأجهزة بخطوة واحدة.

قد تدعم بعض موزعات USB تقنية توصيل الطاقة (PD) لشحن بطارية الكمبيوتر المحمول، إذا كانت مزودة بمصدر طاقة ذاتي ومعتمدة لذلك، ولكن قد يُشار إليها أحيانًا باسم محطة إرساء بسيطة نظرًا لتشابه طبيعتها حيث لا تتطلب سوى وصلة واحدة لشحن البطارية وتوصيل الأجهزة الطرفية. قد تحتوي الموزعات على مفاتيح طاقة للمنافذ الفردية لتسهيل إعادة تشغيل الأجهزة غير المستجيبة. ^{[ 2 ]}

تُبنى شبكة USB من موزعات USB متصلة بمنافذ USB، والتي بدورها قد تتفرع من موزعات USB. يمكن لموزعات USB توسيع شبكة USB إلى 127 منفذًا كحد أقصى. تنص مواصفات USB على عدم توصيل الموزعات التي تعمل بالطاقة عبر ناقل البيانات (الخاملة) على التوالي مع موزعات أخرى تعمل بالطاقة عبر ناقل البيانات. ^{[ 2 ]}

تختلف منافذ USB باختلاف الشركة المصنعة والتصميم، وغالبًا ما تكون متقاربة. لذا، قد يؤدي توصيل جهاز بأحد المنافذ إلى حجب منفذ مجاور، خاصةً إذا لم يكن القابس جزءًا من كابل، بل جزءًا لا يتجزأ من جهاز مثل ذاكرة فلاش USB . قد يكون من السهل تصنيع مصفوفة أفقية من المقابس الأفقية، ولكن قد يؤدي ذلك إلى استخدام منفذين فقط من أصل أربعة (بحسب عرض القابس).

تتميز مصفوفات المنافذ التي يكون فيها اتجاه المنفذ عموديًا على اتجاه المصفوفة عمومًا بمشاكل انسداد أقل. أما الموزعات الخارجية من نوع "الأخطبوط" أو "الحبار" (حيث يكون كل منفذ في نهاية كابل قصير جدًا، غالبًا ما يكون  طوله حوالي 5 سم)، أو الموزعات "النجمية" (حيث يكون كل منفذ موجهًا في اتجاه مختلف، كما هو موضح في الصورة) فتتجنب هذه المشكلة تمامًا.

يمكن تشغيل العديد من الموزعات إما عن طريق التغذية عبر ناقل البيانات أو التغذية الذاتية. الطاقة تساوي الجهد مضروبًا في التيار. منفذ USB الذي يسحب 500  مللي أمبير (0.5  أمبير) عند 5  فولت يستهلك 2.5  واط من الطاقة.

في موزعات USB التي تعمل عبر ناقل البيانات، يمكن لكل منفذ USB توفير الطاقة ونقل البيانات. أما الموزعات ذاتية التغذية فتستمد طاقتها من وحدة تزويد طاقة خارجية ، وبالتالي يمكنها توفير طاقة كاملة (تصل إلى 500 مللي أمبير) لكل منفذ. وعادةً ما تكون الموزعات ذاتية التغذية أغلى ثمناً من موزعات USB التي لا تعمل بمصدر طاقة خارجي.

محور ذاتي التغذية (محور نشط)

يمكن لموزعات USB ذاتية التغذية تزويد الأجهزة عالية الجهد بالطاقة، مثل مكبرات الصوت والطابعات والماسحات الضوئية. وعادةً ما تكون هذه الموزعات أكبر حجماً وأغلى ثمناً من موزعات USB التي تعمل عبر منفذ USB.

التوافق

يوجد في السوق العديد من الموزعات غير المتوافقة التي تُعرّف نفسها للجهاز المضيف على أنها تعمل بالطاقة الذاتية، بينما هي في الواقع تعمل بالطاقة عبر ناقل البيانات. وبالمثل، هناك الكثير من الأجهزة غير المتوافقة التي تستهلك أكثر من 100 مللي  أمبير دون الإشارة إلى ذلك. صحيح أن هذه الموزعات والأجهزة تتيح مرونة أكبر في استخدام الطاقة (على وجه الخصوص، تستهلك العديد من الأجهزة أقل بكثير من 100  مللي أمبير، ويمكن للعديد من منافذ USB توفير أكثر من 500 مللي  أمبير قبل إيقاف التشغيل التلقائي بسبب الحمل الزائد)، إلا أنها قد تُصعّب تشخيص مشاكل الطاقة.

بعض الموزعات ذاتية التغذية لا توفر طاقة كافية لتشغيل حمل 500 مللي  أمبير على كل منفذ. على سبيل المثال، تحتوي العديد من الموزعات ذات السبعة منافذ على  مصدر طاقة 1 أمبير، بينما في الواقع يمكن للمنافذ السبعة أن تسحب بحد أقصى 3.5  أمبير (7 × 0.5)، بالإضافة إلى الطاقة اللازمة للموزع نفسه. يفترض المصممون أن المستخدم سيقوم على الأرجح بتوصيل العديد من الأجهزة منخفضة الطاقة، وجهاز أو جهازين فقط يتطلبان 500  مللي أمبير كاملة. من ناحية أخرى، توضح عبوة بعض الموزعات ذاتية التغذية بوضوح عدد المنافذ التي يمكنها تشغيل  حمل كامل 500 مللي أمبير في وقت واحد. على سبيل المثال، قد تدعي عبوة موزع ذي سبعة منافذ دعم أربعة أجهزة كحد أقصى بحمل كامل.

مصدر الطاقة

USB PD

إعداد محول USB متعدد المنافذ

• 
  محول USB متعدد المنافذ: كابل USB-C البديل، منفذ USB PD (USB-C)، منفذ HDMI ، ثلاثة منافذ USB 3.2، منفذ إيثرنت .
• 
  لتشغيل محول USB متعدد المنافذ وشحن جهاز محمول متصل به في نفس الوقت،  عادةً ما يكون شاحن الحائط USB-C PD بقوة 100 وات كافيًا.

مثال على كيفية حساب استهلاك الطاقة لموزع USB متعدد المنافذ مزود بمنفذ USB PD ومنفذ HDMI، متصل بهاتف ذكي ومنفذ HDMI:

المدخلات/المخرجات	القدرة الكهربائية	إعداد الأجهزة
مدخل	+100  واط	شاحن حائط بقوة 100 واط،  وكابل USB-C بقوة 100 واط. محول USB متعدد المنافذ:  منفذ USB-C PD بقوة 100 واط،  وكابل USB مدمج بقوة 100 واط.
الناتج	-30  واط	شحن الهاتف الذكي: يحتوي محول USB متعدد المنافذ على  كابل USB بقوة 100 واط متصل بالهاتف، وكابل USB-C متصل بمنفذ PD الخاص بموزع USB متعدد المنافذ، وشاحن الحائط.
الناتج	-1.5  واط	كابل HDMI بدقة 8K متصل: محول USB متعدد المنافذ، والتلفزيون.
الطاقة الكهربائية المتبقية المتاحة	58.5  واط

قابس كهربائي

موزع يعمل بالطاقة من خلال ناقل البيانات (موزع سلبي)

يستمد موزع USB الذي يعمل عبر منفذ USB طاقته بالكامل من منفذ USB الخاص بالكمبيوتر المضيف ، ولا يحتاج إلى مصدر طاقة منفصل. مع ذلك، تتطلب العديد من الأجهزة طاقة أكبر مما يوفره هذا النوع من الموزعات، وبالتالي لن تعمل معه. قد يكون من الأفضل استخدام موزع USB مع أقراص صلبة خارجية ذاتية التغذية، حيث قد لا يتوقف القرص الصلب عن الدوران عند إيقاف تشغيل الكمبيوتر أو دخوله في وضع السكون عند استخدام موزع USB ذاتي التغذية، لأن وحدة تحكم القرص الصلب ستستمر في استقبال الطاقة من منافذ USB.

تعمل جميع منافذ USB بجهد 5 فولت، ولكنها قد تسحب أو تزود كميات مختلفة من التيار الكهربائي.

القيود

يُوزَّع التيار الكهربائي في منفذ USB بوحدات 100  مللي أمبير، بحد أقصى 500  مللي أمبير لكل منفذ. لذا، لا يمكن أن يحتوي موزع USB متوافق على أكثر من أربعة منافذ توصيل، ولا يمكنه توفير أكثر من أربع  وحدات تيار 100 مللي أمبير إجمالاً للأجهزة المتصلة (لأن الموزع يحتاج إلى وحدة واحدة لنفسه). إذا احتاج جهاز ما إلى وحدات تيار أكثر مما يوفره المنفذ المتصل به، يُبلغ نظام التشغيل المستخدم بذلك عادةً.

لتمكين أجهزة USB عالية السرعة (USB 2.0) من العمل بأقصى سرعة، يجب أن تكون جميع الموزعات بين هذه الأجهزة والحاسوب عالية السرعة. عند توصيل الأجهزة عالية السرعة بموزع USB كامل السرعة (أو بمنفذ حاسوب قديم كامل السرعة)، يجب أن تعود إلى وضع USB كامل السرعة (USB 1.1). مع أن الموزعات عالية السرعة قادرة على التواصل بجميع سرعات الأجهزة، إلا أن حركة البيانات منخفضة السرعة وعالية السرعة تُدمج وتُفصل عن حركة البيانات عالية السرعة عبر مُترجم معاملات . يفصل كل مُترجم معاملات حركة البيانات منخفضة السرعة في مجموعة خاصة به، مما يُنشئ فعليًا ناقل بيانات افتراضيًا كامل السرعة. تستخدم بعض التصاميم مُترجم معاملات واحد (STT)، بينما تستخدم تصاميم أخرى مُترجمات متعددة (MTT). يُعد وجود مُترجمات متعددة ميزة كبيرة عند توصيل أجهزة متعددة عالية النطاق الترددي وكاملة السرعة. ^{[ 3 ]}

من المهم ملاحظة أن مصطلح USB 2.0 يُستخدم في اللغة الدارجة (وكثيراً ما يُستخدم في تسويق المنتجات) كمرادف للسرعة العالية. مع ذلك، ولأن مواصفات USB 2.0، التي أدخلت مفهوم السرعة العالية، تتضمن مواصفات USB 1.1 بحيث لا يُشترط أن يعمل جهاز USB 2.0 بسرعة عالية، فقد يُصنّف أي جهاز متوافق، سواءً كان يعمل بسرعة كاملة أو منخفضة، على أنه جهاز USB 2.0. وبالتالي، لا تعمل جميع موزعات USB 2.0 بسرعة عالية.

مع إدخال مواصفات USB 3.0، تم التوصية بأن يميز المصنعون موصلات USB 3.0 عن نظيراتها من USB 2.0 باستخدام اللون الأزرق (Pantone 300C ) ^{[ 4 ]} للمنافذ والمقابس من النوع Standard-A، واستخدام شعار USB SuperSpeed ​​ثلاثي الشعب. ^{[ 5 ]}

يحتوي كل موزع على منفذ إرسال واحد فقط وعدد من منافذ الاستقبال. يربط منفذ الإرسال الموزع (مباشرةً أو عبر موزعات أخرى) بالجهاز المضيف. ويمكن توصيل موزعات أو أجهزة أخرى بمنافذ الاستقبال. أثناء الإرسال العادي، تكون الموزعات شفافة بشكل أساسي: تُبث البيانات الواردة من منفذ الإرسال إلى جميع الأجهزة المتصلة بمنافذ الاستقبال (كما هو موضح في الشكل 11-2، اتصال إشارات الموزع) في مواصفات USB 2.0. تُعاد توجيه البيانات الواردة من منفذ الاستقبال عادةً إلى منفذ الإرسال فقط. بهذه الطريقة، تستقبل جميع الموزعات والأجهزة ما يرسله الجهاز المضيف، بينما يستقبل الجهاز المضيف ما يرسله الجهاز فقط (باستثناء إشارة الاستئناف). تم تغيير توجيه الاستقبال في USB 3.0 بإضافة توجيه من نقطة إلى نقطة: يسمح مسار مُرسل في رأس الحزمة لجهاز USB 3.0 المضيف بإرسال حزمة استقبال إلى منفذ وجهة واحد فقط، مما يقلل الازدحام واستهلاك الطاقة. ^{[ 6 ]}

لا تتسم الموزعات بالشفافية عند التعامل مع تغييرات حالة المنافذ المتصلة بها، مثل إضافة أو إزالة الأجهزة. على وجه الخصوص، إذا تغيرت حالة منفذ متصل بموزع، يتم التعامل مع هذا التغيير من خلال تفاعل بين المضيف وهذا الموزع؛ بينما تعمل أي موزعات أخرى بين المضيف والموزع الذي طرأ عليه التغيير بشفافية تامة.

لتحقيق هذا الهدف، يحتوي كل موزع على نقطة مقاطعة واحدة "1 IN" (عنوان نقطة المقاطعة 1، اتجاه الموزع إلى المضيف) تُستخدم للإشارة إلى تغييرات حالة المنافذ المتصلة. عند توصيل جهاز، يكتشف الموزع وجود جهد كهربائي على المنفذ D+ أو D-، ويُرسل إشارة إلى المضيف عبر نقطة المقاطعة هذه. عندما يستعلم المضيف عن نقطة المقاطعة هذه، يتعرف على وجود الجهاز الجديد. ثم يُصدر تعليمات إلى الموزع (عبر قناة التحكم الافتراضية) لإعادة ضبط المنفذ الذي تم توصيل الجهاز الجديد به. تُؤدي إعادة الضبط هذه إلى تعيين عنوان 0 للجهاز الجديد، ما يسمح للمضيف بالتفاعل معه مباشرةً؛ وسيؤدي هذا التفاعل إلى تخصيص المضيف عنوانًا جديدًا (غير صفري) للجهاز. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

أي موزع USB 2.0 يدعم معيارًا أعلى من USB 1.1 (12  ميجابت/ثانية) سيترجم بين المعيار الأدنى والمعيار الأعلى باستخدام ما يُسمى مترجم المعاملات (TT). على سبيل المثال، إذا تم توصيل جهاز USB 1.1 بمنفذ على موزع USB 2.0، فسيتعرف مترجم المعاملات تلقائيًا على إشارات USB 1.1 ويترجمها إلى USB 2.0 على وصلة الإرسال. مع ذلك، فإن التصميم الافتراضي هو أن جميع الأجهزة ذات المعيار الأدنى تشترك في مترجم المعاملات نفسه، مما يُسبب اختناقًا، وهو ما يُعرف بمترجم المعاملات الأحادي . ونتيجة لذلك، تم ابتكار مترجمات المعاملات المتعددة (Multi-TT)، التي توفر عددًا أكبر من مترجمات المعاملات لتجنب الاختناقات. ^{[ 9 ]} تجدر الإشارة إلى أنه نظرًا لطبيعة موزعات USB 3.0، فإنها تحتوي على منطق منفصل لبيانات USB 3.0 و2.0، وبالتالي تُبلغ عن جهاز موزع لكلا البروتوكولين.

تستخدم معظم موزعات USB وحدة تحكم متكاملة واحدة أو أكثر، وتتوفر منها تصاميم متعددة من مختلف الشركات المصنعة. يدعم معظمها نظام موزع بأربعة منافذ، ولكن تتوفر أيضًا موزعات تستخدم وحدات تحكم بستة عشر منفذًا. ^{[ 10 ]} يسمح ناقل USB بسبعة مستويات متتالية من المنافذ. يمثل الموزع الرئيسي المستوى الأول، بينما تقع الأجهزة الأخيرة في المستوى السابع، مما يسمح بوجود خمسة مستويات من الموزعات بينهما. يقل الحد الأقصى لعدد أجهزة المستخدم بمقدار عدد الموزعات. عند توصيل 50 موزعًا، يكون الحد الأقصى 127 - 50 = 77. ^{[ 11 ]}

• USB On-Go