Hogyan tervezték meg a Universal Serial Bus-t?

Túl sok port, túl sok probléma

Az RS-232 soros port, amely lehetővé tette az egér, a fényceruza – de akár a modem – csatlakoztatását is. A gameport, amely lehetővé tette az analóg joystickok csatlakoztatását. A PS/2 portok, amelyeket kifejezetten billentyűzetek és egerek csatlakoztatására terveztek, és amelyek nagyobb sebességet, ezáltal pontosabb felhasználói reakcióérzékelést kínáltak. És így tovább, és így tovább. Rengeteg problémát kellett megoldani – a legnyilvánvalóbb mellett, vagyis hogy már túl sok port volt.

Először is, a kábelezés minősége eltérő volt, amit a port nem tudott felismerni, így használhattál drága és precízen elkészített kábelt, amin keresztül minden működött – de amint egy másik kábel került a rendszerbe, az összes igényesebb adatátvitel összeomlott.

Másodszor, még ha volt is esély arra, hogy a számítógép túléli a kábel működés közbeni kihúzását vagy bedugását, erre egyáltalán nem volt garancia. A kábel bedugása vagy kihúzása áramlökést generálhat az érzékeny vezérlőáramkörökön, amelyek ezt egyáltalán nem biztos, hogy túlélik. Akkoriban több mint megszokott volt, hogy a PC-ken főleg a soros portok és a PS/2 portok hibásodtak meg egyszerűen azért, mert az emberek újra meg újra bedugták és kihúzták a kábeleket.

Már a 8 bites gépek korszakában megoldották a működés közbeni csatlakoztatás (hot plug) kérdését, és a PC-k egy sor portja elméletileg támogatta ezt, a gyakorlat azonban az volt, hogy az ilyen csatlakoztatástól óvtak, és a kézikönyvek azt kérték, hogy előbb kapcsold ki a számítógépet, csatlakoztasd az eszközt, majd kapcsold vissza. Ez nagyon kényelmetlen volt.

Harmadszor, a ki- és bekapcsolás azért is kívánatos volt, hogy az operációs rendszer megfelelően reagáljon a változásokra. Az MS DOS-os PC-knél megszokott volt, hogy az eszközillesztők csak indításkor töltődtek be – és ha később csatlakoztattad az eszközt, a rendszer egyszerűen nem tudta, mit kezdjen vele. Ezt kellett volna felváltania a Plug and Play módszernek, amikor az operációs rendszer érzékeli a változást – és maga telepíti a szükséges illesztőprogramokat, valahányszor erre szükség van.

Hasonló technológiát a Microsoft már használt az MSX (MicroSoft eXtended, 1984) 8 bites szabványnál is, de hot pluggal, vagyis bármikori bedugással kombinálva ez újdonság volt. És bonyolult is: maga Bill Gates okozta a Windows 98 összeomlását a Comdexen 1998-ban, miután bedugott egy új eszközt!

Láncba kapcsolás

Ahogy már említettem az USB elődjeiről szóló cikkben, azok rendelkeztek láncba kapcsolási funkcióval, amikor az új eszközt az előzőhöz csatlakoztatták a láncban. Ez a rendszer elméletileg egyetlen porttal is beérte volna a számítógépen, és lehetővé tette volna tucatnyi más eszköz csatlakoztatását, de nem volt tökéletes. Először is – ha a lánc közepéről akartál volna lecsatlakoztatni egy eszközt, valójában az utána következő teljes eszközláncot is lecsatlakoztattad volna. Nem túl praktikus a felhasználónak – és még nem is beszélek arról a rendszerről, amelynek előbb az egész leválasztott ág elvesztését kellett volna feldolgoznia, majd visszaállítani, amikor visszadugod a kábelt.

Másodszor, a láncba kapcsolás meglehetősen összetett technológia, amely egy kicsit a számítógépes hálózatokra hasonlít. Az USB ezzel szemben lényegesen egyszerűbb host–eszköz rendszert használ, ahol minden eszköz pontosan egy saját vezérlőhöz kapcsolódik. Ezzel megszűnik a változások újratárgyalásának szükségessége minden egyes csatlakoztatási módosításnál, viszont az USB-eszköz bedugása vagy kihúzása után a megfelelő vezérlő eseményt generál, amelyet a kommunikációs fán keresztül elküld a gyökérvezérlőig (root controller), amely értesíti az operációs rendszert arról, hogy ilyen és ilyen változás történt.

A számítógépeknek elosztókra van szükségük

Ennek a tervezési döntésnek az ára az, hogy az USB-nek elosztókat (hubokat) kell használnia. Minden gyökérvezérlő legfeljebb 127 eszközt támogat – elég bedugni az elosztókat, és ő maga megbirkózik vele. Érdemes megjegyezni, hogy a számítógépben nem minden port feltétlenül gyökérport. Az USB hibáival kapcsolatos tanácsok többsége azt mondja, hogy „dugd a kábelt közvetlenül a számítógépbe”, de ez valójában csak a külső USB hubokkal kapcsolatos problémákat kerüli meg. A legtöbb számítógépnek csak néhány, esetleg csak egy gyökérvezérlője van, és már azok a portok is, amelyeket a gépen látsz, az első elosztón keresztül vannak bekötve. Ez viszont jellemzően lényegesen jobb minőségű és alaposabban tesztelt, mint az olcsó külső hubok, így vele nem lesz gond.

A vezérlő típusától függően a ténylegesen csatlakoztatható eszközök száma nagyjából száz körülire korlátozódik, ami a gyakorlatban több mint elég. Ha több eszközre van szükséged, beszerezhetsz külön USB-vezérlővel rendelkező kártyákat, de ezzel valószínűleg komoly fejtörést okozol az operációs rendszernek: elfogyhatnak a lemezek jelölésére szolgáló betűk, túl sok nyomtatója lesz, és így tovább. Az USB lehetővé teszi, hogy akár öt billentyűzetet és három egeret csatlakoztass egyszerre – de tényleg szükséged van rájuk?

Az USB-nek egész sor problémája van, amelyek gyakran abból fakadnak, hogy olcsón tervezték, és főleg kezdetben viszonylag alacsony követelményeket támasztott a kábelezés minőségével és hasonlókkal szemben. Az USB-vel kapcsolatos legtöbb gyakorlati probléma abból adódik, hogy a komponensek, kábelek és hubok minősége nagyon változó, és nehéz egy bonyolult csatlakozási rendszert minimális hibával működésben tartani.