O barramento USB (Universal Serial Bus)

Setembro 2017

Apresentação do canal USB

O canal USB (Universal Serial Bus) baseia-se, como seu nome indica, numa arquitetura de tipo série. No entanto, é um interface de entrada/saída muito mais rápida do que as portas série padrão. A arquitetura de série foi utilizada para este tipo por duas razões principais: a arquitetura série oferece ao usuário uma velocidade de relógio muito mais elevada do que a interface paralela, porque ela não suporta frequências muito altas (na arquitetura de alta velocidade, os bits que circulam por cada fio chegam atrasados, provocando erros), e os cabos série são bem mais baratos os cabos paralelos.

Quais são os padrões USB

A partir de 1995, o padrão USB foi desenvolvido para a conexão de uma grande variedade de dispositivos. O padrão USB 1.0 propõe dois modos de comunicação, o 12 Mb/s em modo de alta velocidade e o 1.5 Mb/s de baixa velocidade.

O padrão USB 1.1 oferece alguns esclarecimentos aos fabricantes de dispositivos USB mas não altera a velocidade em nada. Os dispositivos certificados pelo padrão USB 1.1 têm o seguinte logotipo:

Logo USB

O padrão USB 2.0 permite alcançar velocidades de até 480 Mbit/s. Os dispositivos certificados pelo padrão USB 2.0 apresentam este logotipo:

Logotipo USB 2.0

Na ausência de logotipo, a melhor maneira de determinar se são periféricos USB de alta ou baixa velocidade é consultar a documentação do produto quando os conectores forem os mesmos.

A compatibilidade entre dispositivos USB 1.0, 1.1 e 2.0 está garantida. Contudo, o uso de um dispositivo USB 2.0 em uma porta USB de baixa velocidade (ou seja, 1.0 ou 1.1), limitará a velocidade a 12 Mbit/s, no máximo. Além disso, o sistema operacional é susceptível de exibir uma mensagem que explica que a velocidade será restringida.

Quais são os tipos de conectores

Existem dois tipos de conectores USB, os conectores tipo A, cuja forma é retangular e que, em geral, servem para dispositivos pouco ‘ávidos’ em banda larga (teclado, mouse, webcam, etc.) e os conectores tipo B, cuja forma é quadrada e são utilizados principalmente para dispositivos de alta velocidade (discos rígidos externos, etc.):

Conetores USB do tipo A e B


Fonte de alimentação +5V (VBUS) 100 mA no máximo
Dados (D-)
Dados (D+)
Massa (GND)

Qual é o funcionamento do barramento USB

Uma característica da arquitetura USB é proporcionar a fonte de alimentação aos dispositivos que conecta, com um limite máximo de 15 W, por dispositivo. Para poder fazê-lo, ele utiliza um cabo com quatro fios (a massa GND, a alimentação VBUS e dois fios de dados chamados D- e D+):


o cabo USB

O padrão USB permite a ligação dos dispositivos, utilizando uma topologia em barramento ou estrela. Os dispositivos podem, então, ser conectados em cadeia entre si, ou de forma ramificada.

A ramificação é feita com a ajuda de caixas chamadas hubs, comportando uma só entrada e várias saídas. Alguns são ativos (ou seja, fornecem energia elétrica) e outros, passivos (a energia é fornecida pelo computador):

topologia em barramento das portas USB
:
Topologia das portas USB em estrela

A comunicação entre o ‘host’ (o computador) e os dispositivos é feita de acordo com um protocolo (linguagem de comunicação) baseado no princípio do anel de ficha (token ring). Isto significa que a banda larga é compartilhada temporariamente entre todos os dispositivos conectados. O host (hóspede) emite um sinal para iniciar a sequência de cada milissegundo (ms), intervalo de tempo no qual oferecerá a cada dispositivo a oportunidade de ‘falar’, simultaneamente. Quando o hóspede deseja se comunicar com um dispositivo, ele transmite uma rede (um pacote de dados, que contém o endereço do dispositivo codificado em 7 bits) que designa um dispositivo, de tal maneira que é o host que decide ‘falar’ com os dispositivos. Se o dispositivo reconhecer o seu endereço na rede, ele enviará um pacote de dados (entre 8 e 255 bytes) como resposta. Por outro lado, ele encaminha o pacote para os outros dispositivos conectados. Os dados trocados desta maneira serão codificados de acordo com a codificação NRZI.

Como o endereço foi codificado em 7 bits, 128 dispositivos (2^7) podem ser conectados simultaneamente a uma porta deste tipo. Na realidade, é recomendado reduzir esta quantidade para 127 porque o endereço 0 é um endereço reservado (veja abaixo).

Com um comprimento de cabo máximo de 5 metros entre dois dispositivos e a quantidade máxima de 5 concentradores (hubs), é possível criar uma cadeia de 25 metros.

As portas USB suportam os dispositivos Hot Plug and Play. Assim, os dispositivos podem ser conectados sem desligar o computador (hot plug). Quando um dispositivo está conectado ao host, este último detecta a adição do novo elemento graças à mudança da tensão entre os fios D+ e D-. Neste momento, o computador envia um sinal de inicialização ao dispositivo durante 10 ms, para depois fornecer-lhe energia graças aos fios GND e VBUS (até 100mA). Em seguida, o dispositivo é alimentado pela corrente elétrica e recupera temporariamente o endereço padrão (o endereço 0). A etapa seguinte consiste em fornecer-lhe o endereço definitivo (este é o procedimento de enumeração). Para tal, o computador interroga os dispositivos já conectados, para conhecer seus endereços e atribui um novo que, por sua vez, o identifica. Quando o host dispor de todos os requisitos necessários, ele poderá carregar o driver adequado.

Veja também


The USB (Universal Serial Bus)
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USB (Bus de serie universal)
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Der USB Bus (Universal Serial Bus)
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USB
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Il bus USB (Universal Serial Bus)
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Última modificação: 29 de maio de 2017 às 12:52 por ninha25.
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