USB

Breve história

A primeira versão do Universal Serial Bus foi criada em 1995. Esta nova tecnologia se tornou um sucesso imediato. Desde a introdução do USB, as pessoas que fazem dispositivos eletrônicos pensaram sobre como ele poderia ser usado no futuro. Hoje, o USB conecta um computador ou outros dispositivos como laptops e MP3 players a dispositivos periféricos.

O ônibus foi introduzido por sete empresas que representam os líderes no setor de tecnologia da informação: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom, e Digital Equipment Corporation (DEC).

Vários anos antes, adotadores e desenvolvedores de USB realizaram uma reunião chamada Plugfest em um hotel especial na Califórnia para testar seus dispositivos. Eles selecionaram um hotel que incluía quartos para dormir e para testes. A reunião durou três dias. Durante a reunião, os representantes de cerca de 50 empresas conectaram seus dispositivos USB a um sistema host geral.

O logotipo do dispositivo USB também tem sua própria história. A logomarca USB esteve em desenvolvimento por vários meses.

• 1994 - Sete empresas se uniram para iniciar o desenvolvimento do USB.
• 1995 - 340 empresas formaram o Fórum de Implementação USB.
• 1996 - Mais de quinhentos produtos USB já estavam se desenvolvendo em todo o mundo.
• 1997 - O Fórum de Implementação USB ficou mais rico com mais 60 empresas.
• 1998 - O USB torna-se a tecnologia mais popular no mercado de eletrônica.
• 2000 - A introdução do USB 2.0. Hoje ele representa o dispositivo USB mais utilizado.
• 2005 - USB torna-se sem fio.
• 2008 - É introduzido o USB 3.0. Ele é mais de 10 vezes mais rápido que o USB 2.0.
• 2013 - É introduzido o USB 3.1. É cerca de duas vezes mais rápido que o USB 3.0.
• 2015 - É introduzido o USB Type-C. É um conector reversível, o que significa que você pode conectá-lo de ambas as maneiras.

Conector USB-B de tamanho normal

Padrões diferentes

Atualmente, são utilizados cinco padrões USB diferentes: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 e USB 3.1. O USB 3.1 foi lançado em 2016 e dobrou a velocidade do 3.0. Opcionalmente, ele usa um conector diferente chamado USB Type-C, que é reversível (o que significa que você pode conectá-lo de ambas as maneiras). O USB 1.0 é agora raramente utilizado.

O USB oferece cinco velocidades de transferência diferentes: 1,5 MBit por segundo (chamada de baixa velocidade), 12 MBit por segundo (Full Speed), 480 MBit/segundo (Hi Speed), 5Gbit por segundo (chamada de super velocidade) e 10 Gbit/s ("super velocidade+"). A alta velocidade está disponível apenas no USB 2.0 e posterior, e a supervelocidade está disponível apenas no USB 3.0. Estas velocidades são taxas de bits brutos (em milhões de bits por segundo). A taxa real de dados é normalmente menor devido à sobrecarga do protocolo.

Para usar a taxa de transferência de alta velocidade, o controlador USB e o dispositivo conectado precisam ambos suportar a mesma. O USB é compatível com versões anteriores. Dispositivos e controladores USB mais rápidos e lentos podem ser conectados juntos, mas eles funcionarão a uma velocidade mais lenta.

Hubs USB

Quase todos os computadores vendidos hoje têm portas USB, e a maioria deles suporta USB 2.0 ou posterior. O número de portas que eles têm é normalmente limitado, no entanto. Entre duas e seis portas são comuns. O USB permite conectar hubs USB para adicionar mais portas USB.

Os próprios hubs também estão de acordo com uma das normas USB. Os dispositivos conectados a um hub USB 1.1 só irão tão rápido quanto as taxas USB 1.1. Os dispositivos conectados a um controlador posterior podem usar padrões diferentes.

Hubs USB como este são comuns.

Conectores USB

O USB foi projetado para ser fácil de usar. Os engenheiros aprenderam com outros conectores antes de projetar os conectores USB. Existem 3 conectores.

• Tipo A, comumente usado na extremidade do cabo do computador
• Micro-A (raro)
• Tipo B, na extremidade periférica, raro, exceto para impressoras
• Micro-B, na extremidade periférica, para a maioria dos smartphones
• Tipo C, em ambas as extremidades. A partir de 2017, muitos computadores, telefones e periféricos novos o utilizam.

Usabilidade

• Não é possível conectar um conector USB A ou B da maneira errada. Eles não podem entrar de cabeça para baixo, e é óbvio pelo aspecto e pelo sentimento cinestésico, quando entra corretamente. Às vezes, porém, um usuário não entende ou não vê como o conector vai, portanto, talvez seja necessário tentar os dois caminhos.
• Os conectores USB tipo C podem ser conectados nos dois sentidos. Não importa de que forma o conector é conectado.
• Não há necessidade de empurrar ou puxar com muita força para conectá-la ou desconectá-la. Isto estava na especificação. Os cabos USB e os pequenos dispositivos USB são mantidos no lugar pela força de agarramento do receptáculo. USB não precisa de parafusos, clipes ou outros dispositivos de fixação. A força necessária para fazer ou quebrar uma conexão é pequena. Isto permite que as conexões sejam feitas em posições incômodas ou por pessoas com deficiências motoras.
• Antes do advento do Tipo C, os conectores reforçavam a topologia dirigida de uma rede USB. O USB não suporta redes cíclicas, portanto os conectores de dispositivos USB incompatíveis são incompatíveis entre si. Ao contrário de outros sistemas de comunicação (por exemplo, cabeamento RJ-45), os trocadores de gênero quase nunca eram usados antes do advento do USB-On-The-Go (OTG), tornando difícil a criação de uma rede USB cíclica.

Durabilidade

• Os conectores são projetados para serem resistentes. Os primeiros projetos de conectores eram frágeis, com pinos ou outros componentes delicados que podiam facilmente dobrar ou quebrar, mesmo se tratados suavemente. Os contatos elétricos em um conector USB são protegidos por uma língua de plástico. Todo o conjunto de conexão é normalmente protegido ainda mais por uma bainha metálica envolvente. Como resultado, os conectores USB podem ser manuseados, inseridos e removidos com segurança, mesmo por uma criança pequena.
• A construção do conector sempre garante que a bainha externa no conector contate com sua contraparte no receptáculo antes que os quatro conectores internos sejam conectados. Esta bainha é normalmente conectada à terra do sistema, permitindo que cargas estáticas prejudiciais sejam descarregadas com segurança por esta via (ao invés de por meio de delicados componentes eletrônicos). Este meio de proteção também significa que há um grau (moderado) de proteção contra interferências eletromagnéticas proporcionadas ao sinal USB enquanto este viaja através do par de conectores acoplados (este é o único local em que o par de dados, de outra forma torcido, deve percorrer uma distância em paralelo). Além disso, a alimentação e as conexões comuns são feitas após o aterramento do sistema, mas antes das conexões de dados. Este tipo de sincronismo de quebra de fabricação por estágios permite uma troca a quente segura e tem sido usado para conectores na indústria aeroespacial.
• Os micro receptáculos USB mais novos são projetados para permitir até 10.000 ciclos de inserção e esforço entre o receptáculo e a tomada, em comparação com 500 para os receptáculos USB e Mini-USB padrão. Isto é feito adicionando um dispositivo de travamento e movendo o conector de mola de folha do conector para o plugue, de modo que a parte mais tensa fique do lado do cabo da conexão. Esta mudança foi feita para que o conector no cabo (relativamente barato) suportasse o maior desgaste ao invés do dispositivo micro-USB.

Compatibilidade

• A norma USB especifica tolerâncias relativamente grandes para conectores USB compatíveis. Isto é feito para minimizar as incompatibilidades nos conectores produzidos por diferentes fornecedores (um objetivo que tem sido muito bem alcançado). Ao contrário da maioria dos outros padrões de conectores, a especificação USB também define limites para o tamanho de um dispositivo de conexão na área ao redor de seu plugue. Isto foi feito para evitar que um dispositivo bloqueasse as portas adjacentes devido ao seu tamanho. Os dispositivos em conformidade devem caber dentro das restrições de tamanho ou suportar um cabo de extensão em conformidade que o faça.
• A comunicação bidirecional também é possível. Normalmente os cabos têm apenas plugues, e os hosts e dispositivos têm apenas receptáculos: os hosts têm receptáculos tipo A e os dispositivos tipo B. Os plugues tipo A só se unem com os receptáculos tipo A, e o tipo B com os receptáculos tipo B. Entretanto, uma extensão para USB chamada USB On-The-Go permite que uma única porta atue como um host ou um dispositivo - escolhido por qual extremidade dos plugues dos cabos no soquete da unidade. Mesmo depois que o cabo estiver conectado e as unidades estiverem conversando, as duas unidades podem "trocar" as extremidades sob controle do programa. Esta facilidade visa unidades como PDAs onde o link USB pode se conectar à porta do host de um PC como dispositivo em uma instância, mas conectar como host em si a um teclado e dispositivo de mouse em outra instância.

Um conector e receptáculo da série "A".


Um conector USB tipo C.


Cabo de extensão USB

Como o USB é feito

Um sistema USB tem um design assimétrico. É feito de um host, várias portas USB downstream e vários dispositivos periféricos conectados em uma topologia estelar. Hubs USB adicionais podem ser incluídos nas camadas, permitindo a ramificação em uma estrutura em árvore com até cinco níveis de camadas.

Um host USB pode ter vários controladores de host. Cada controlador anfitrião fornece uma ou mais portas USB. Até 127 dispositivos, incluindo os dispositivos de hub, podem ser conectados a um único controlador anfitrião.

Os dispositivos USB são ligados em série através de hubs. Há sempre um hub conhecido como o hub raiz. O hub raiz é embutido no controlador anfitrião. Há hubs especiais, chamados de "hubs compartilhados". Estes permitem que vários computadores acessem os mesmos dispositivos periféricos. Eles funcionam alternando o acesso entre os PCs, seja manualmente ou automaticamente. Eles são populares em ambientes de pequenos escritórios. Em termos de rede, eles convergem ao invés de divergir entre as filiais.

Um dispositivo USB físico pode ter vários sub-dispositivos lógicos que são chamados de funções de dispositivo. Um único dispositivo pode fornecer várias funções, por exemplo, uma webcam (função de dispositivo de vídeo) com um microfone embutido (função de dispositivo de áudio).

A comunicação do dispositivo USB é baseada em tubos (canais lógicos). As tubulações são conexões do controlador anfitrião a uma entidade lógica no dispositivo nomeada um ponto final. O termo endpoint é usado ocasionalmente para se referir incorretamente à tubulação. Um dispositivo USB pode ter até 32 tubos ativos, 16 para o controlador anfitrião e 16 para fora do controlador.

Cada terminal pode transferir dados em uma única direção, seja para dentro ou fora do dispositivo, de modo que cada tubo é unidirecional. Os pontos terminais são agrupados em interfaces e cada interface é associada a uma única função do dispositivo. Uma exceção a isto é o ponto final zero, que é usado para configuração do dispositivo e que não está associado a nenhuma interface.

Quando um dispositivo USB é conectado pela primeira vez a um host USB, o processo de enumeração do dispositivo USB é iniciado. A enumeração começa enviando um sinal de reset para o dispositivo USB. A velocidade do dispositivo USB é determinada durante a sinalização de reset. Após o reset, a informação do dispositivo USB é lida pelo host, então o dispositivo recebe um endereço único de 7 bits. Se o dispositivo for suportado pelo host, os drivers necessários para comunicação com o dispositivo são carregados e o dispositivo é configurado para um estado configurado. Se o host USB for reiniciado, o processo de enumeração é repetido para todos os dispositivos conectados.

O controlador anfitrião faz o levantamento do ônibus para tráfego, geralmente de forma rotunda, de modo que nenhum dispositivo USB pode transferir quaisquer dados no ônibus sem uma solicitação explícita do controlador anfitrião.

Controladores anfitriões

O hardware do computador que contém o controlador anfitrião e o hub raiz tem uma interface para o programador. É chamado de Host Controller Device (HCD) e é definido pelo implementador de hardware.

Para USB 1.0 e 1.1, houve duas implementações diferentes de HCD, Open Host Controller Interface (OHCI) e Universal Host Controller Interface (UHCI). A OHCI foi desenvolvida pela Compaq, Microsoft e National Semiconductor, a UHCI pela Intel.

A VIA Technologies licenciou o padrão UHCI da Intel; todos os outros implementadores de chipset utilizam OHCI. A UHCI confia mais no software. Isto significa que a UHCI é um pouco mais intensiva em processador do que a OHCI, mas mais fácil e mais barato de fazer. Como havia duas implementações diferentes, os fornecedores de sistemas operacionais e os fornecedores de hardware precisavam desenvolver e testar em ambos. Isto aumentou o custo.

A especificação USB não especifica nenhuma interface HCD e não está preocupada com elas. Em outras palavras, USB define o formato de transferência de dados através da porta, mas não o sistema pelo qual o hardware USB se comunica com o computador em que se encontra.

Durante a fase de projeto do USB 2.0, o USB-IF insistiu que havia apenas uma implementação. A implementação do HCD USB 2.0 é chamada de Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Somente a EHCI pode suportar transferências de alta velocidade (480 Mbit/s). A maioria dos controladores EHCI baseados em PCI tem outras implementações de HCD chamadas "companion host controller" para suportar Full Speed (12 Mbit/s) e podem ser usadas para qualquer dispositivo que afirma ser um membro de uma determinada classe. Um sistema operacional deve implementar todas as classes de dispositivos, para que possa fornecer drivers genéricos para qualquer dispositivo USB. As classes de dispositivos são decididas pelo Grupo de Trabalho de Dispositivos do Fórum de Implementadores USB.

Classes de dispositivos USB

As classes de dispositivos incluem:

Classe	Utilização	Descrição	Exemplos
00h	Dispositivo	Classe não especificada 0	(A classe do dispositivo é indeterminada. Os descritores de interface são usados para determinar os drivers necessários).
01h	Interface	Áudio	Alto-falante, microfone, placa de som
02h	Ambos	Comunicações e Controle CDC	Adaptador Ethernet, modem, adaptador de porta serial
03h	Interface	Dispositivo de Interface Humana (HID)	Teclado, mouse, joystick
05h	Interface	Dispositivo de Interface Física (PID)	Forçar joystick de feedback
06h	Interface	Imagem	Câmera digital (A maioria das câmeras funciona como armazenamento em massa para acesso direto aos meios de armazenamento).
07h	Interface	Impressora	Impressora a laser, impressora a jato de tinta
08h	Interface	Armazenamento em massa	USB flash drive, leitor de cartão de memória, leitor de áudio digital, unidades externas
09h	Dispositivo	concentrador USB	Cubo de velocidade total, cubo de alta velocidade
0Ah	Interface	CDC-Dados	(Esta classe é utilizada juntamente com a classe 02h - Comunicações e Controle CDC).
0Bh	Interface	Cartão inteligente	Leitor USB de cartões inteligentes
0Dh	Interface	Segurança de conteúdo	-
0Eh	Interface	Vídeo	Webcam
0Fh	Interface	Cuidados pessoais de saúde	-
DCh	Ambos	Dispositivo de diagnóstico	Dispositivo de teste de conformidade USB
E0h	Interface	Controlador sem fio	Adaptador Wi-Fi, adaptador Bluetooth
EFh	Ambos	Diversos	Dispositivo de sincronização ActiveSync e Palm
FEh	Interface	Aplicação específica	Ponte IrDA
FFh	Ambos	Específico do fornecedor	(Este código de classe indica que o dispositivo precisa de drivers específicos do fornecedor).

Nota classe 0: Use as informações de classe nos Descritores de Interface. Esta classe base é definida para ser usada nos Descritores de Dispositivos para indicar que as informações de classe devem ser determinadas a partir dos Descritores de Interface no dispositivo.

Os pontos finais USB estão na verdade no dispositivo conectado: os canais para o host são chamados de canos.


Um conector USB típico.

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