USB
Universal Serial Bus é um padrão da indústria que estabelece especificações para cabos, conectores e protocolos para conexão, comunicação e alimentação (interface) entre computadores, periféricos e outros computadores. Existe uma ampla variedade de hardware USB, incluindo 14 tipos diferentes de conectores, dos quais o USB-C é o mais recente e o único não obsoleto atualmente.
O USB foi projetado para padronizar a conexão de periféricos a computadores pessoais, tanto para comunicação quanto para fornecimento de energia elétrica. Substituiu amplamente as interfaces, como portas seriais e portas paralelas, e tornou-se comum em uma ampla gama de dispositivos. Exemplos de periféricos conectados via USB incluem teclados e mouses de computador, câmeras de vídeo, impressoras, reprodutores de mídia portáteis, telefones digitais móveis (portáteis), unidades de disco e adaptadores de rede. Os conectores USB vêm substituindo cada vez mais outros tipos como cabos de carregamento de dispositivos portáteis. As interfaces USB são classificadas em três tipos: os conectores Tipo A (upstream) e Tipo B (downstream) encontrados em hosts, hubs e dispositivos periféricos, e o moderno conector Tipo C (USB-C), que substitui os muitos conectores legados como o único conector aplicável para USB4.
Referência rápida do tipo de conector
Cada conexão USB é feita usando dois conectores: um receptáculo e um plugue. As imagens mostram apenas os receptáculos:
Objetivos
O Universal Serial Bus foi desenvolvido para simplificar e melhorar a interface entre computadores pessoais e dispositivos periféricos, como telefones celulares, acessórios de computador e monitores, quando comparado com interfaces proprietárias padrão ou ad hoc existentes anteriormente. Do ponto de vista do usuário do computador, a interface USB melhora a facilidade de uso de várias maneiras: O padrão USB também oferece vários benefícios para fabricantes de hardware e desenvolvedores de software, especificamente na relativa facilidade de implementação:
Limitações
Como acontece com todos os padrões, o USB possui várias limitações em seu design: Para um desenvolvedor de produtos, o uso de USB requer a implementação de um protocolo complexo e implica um controlador "inteligente" no dispositivo periférico. Os desenvolvedores de dispositivos USB destinados à venda pública geralmente devem obter um ID de USB, o que exige que eles paguem uma taxa ao USB Implementers Forum (USB-IF). Os desenvolvedores de produtos que usam a especificação USB devem assinar um contrato com o USB-IF. O uso dos logotipos USB no produto requer taxas anuais e associação à organização.
Um grupo de sete empresas iniciou o desenvolvimento do USB em 1995: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, e Nortel. O objetivo era facilitar fundamentalmente a conexão de dispositivos externos a PCs, substituindo a infinidade de conectores na parte traseira dos PCs, abordando os problemas de usabilidade das interfaces existentes e simplificando a configuração de software de todos os dispositivos conectados ao USB, além de permitir maior taxa de transferência de dados para dispositivos externos e recursos Plug and Play. Ajay Bhatt e sua equipe trabalharam no padrão da Intel; os primeiros circuitos integrados com suporte a USB foram produzidos pela Intel em 1995. Em 2008, cerca de 6 bilhões de portas e interfaces USB estavam no mercado global e cerca de 2 bilhões eram vendidas a cada ano.
USB 1.x
Lançado em janeiro de 1996, o USB 1.0 especifica taxas de sinalização de 1,5 Mbit/s (baixa largura de banda ou baixa velocidade) e 12 Mbit/s (velocidade máxima). Não permitia cabos de extensão, devido a limitações de tempo e energia. Poucos dispositivos USB chegaram ao mercado até o lançamento do USB 1.1 em agosto de 1998. O USB 1.1 foi a revisão mais antiga que foi amplamente adotada e levou ao que a Microsoft designou como "PC sem legado". Nem o USB 1.0 nem o 1.1 especificaram um projeto para qualquer conector menor que o padrão tipo A ou tipo B. Embora muitos projetos para um conector tipo B miniaturizado aparecessem em muitos periféricos, a conformidade com o padrão USB 1.x foi prejudicada pelo tratamento de periféricos que tinham conectores em miniatura como se tivessem uma conexão cabeada (isto é: sem plugue ou receptáculo na extremidade periférica). Não havia conector miniatura tipo A conhecido até o USB 2.0 (revisão 1.01) introduzir um.
USB 2.0
O USB 2.0 foi lançado em abril de 2000, adicionando uma taxa de sinalização máxima mais alta de 480 Mbit/s (transferência de dados teórica máxima de 53 MByte/s) denominada High Speed ou High Bandwidth, além da sinalização USB 1.x Full Speed taxa de 12 Mbit/s (transferência de dados teórica máxima de 1,2 MByte/s). As modificações na especificação USB foram feitas por meio de avisos de alteração de engenharia (ECNs). Os mais importantes desses ECNs estão incluídos no pacote de especificações USB 2.0 disponível em USB.org:
USB 3.x
A especificação USB 3.0 foi lançada em 12 de novembro de 2008, com sua gestão sendo transferida do USB 3.0 Promoter Group para o USB Implementers Forum (USB-IF) e anunciada em 17 de novembro de 2008 na SuperSpeed USB Developers Conference. O USB 3.0 adiciona um modo de transferência SuperSpeed, com plugues, receptáculos e cabos compatíveis com versões anteriores. Os plugues e receptáculos SuperSpeed são identificados com um logotipo distinto e inserções azuis em receptáculos de formato padrão. O barramento SuperSpeed fornece um modo de transferência a uma taxa nominal de 5,0 Gbit/s, além dos três modos de transferência existentes. Sua eficiência depende de vários fatores, incluindo codificação de símbolo físico e overhead no nível do link. A uma taxa de sinalização de 5 Gbit/s com codificação 8b/10b, cada byte precisa de 10 bits para transmitir, portanto, a taxa de transferência bruta é de 500 MB/s. Quando o controle de fluxo, o enquadramento de pacotes e a sobrecarga de protocolo são considerados, é realista que 400 MB/s (3,2 Gbit/s) ou mais sejam transmitidos para um aplicativo.(4–19) A comunicação é full-duplex no modo de transferência SuperSpeed; os modos anteriores são half-duplex, arbitrados pelo host.
USB4
A especificação USB4 foi lançada em 29 de agosto de 2019 pelo USB Implementers Forum. USB4 é baseado no protocolo Thunderbolt 3. Ele suporta taxa de transferência de 40 Gbit/s, é compatível com Thunderbolt 3 e compatível com USB 3.2 e USB 2.0. A arquitetura define um método para compartilhar um único link de alta velocidade com vários tipos de dispositivos finais dinamicamente que atende melhor à transferência de dados por tipo e aplicativo. A especificação USB4 afirma que as seguintes tecnologias devem ser suportadas pelo USB4: Durante a CES 2020, USB-IF e Intel declararam sua intenção de permitir produtos USB4 que suportem todas as funcionalidades opcionais como produtos Thunderbolt 4. Espera-se que os primeiros produtos compatíveis com USB4 sejam a série Tiger Lake da Intel e a série de CPUs Zen 3 da AMD. Lançado em 2020.
Histórico da versão
Esta versão incorpora os seguintes ECNs:
Um sistema USB consiste em um host com uma ou mais portas downstream e vários periféricos, formando uma topologia em estrela. Hubs USB adicionais podem ser incluídos, permitindo até cinco camadas. Um host USB pode ter vários controladores, cada um com uma ou mais portas. Até 127 dispositivos podem ser conectados a um único controlador host.(8–29) Dispositivos USB são conectados em série através de hubs. O hub embutido no controlador de host é chamado de hub raiz. Um dispositivo USB pode consistir em vários subdispositivos lógicos chamados de funções do dispositivo. Um dispositivo composto pode fornecer várias funções, por exemplo, uma webcam (função de dispositivo de vídeo) com um microfone embutido (função de dispositivo de áudio). Uma alternativa para isso é um dispositivo composto, no qual o host atribui a cada dispositivo lógico um endereço distinto e todos os dispositivos lógicos se conectam a um hub integrado que se conecta ao cabo USB físico.
A funcionalidade de um dispositivo USB é definida por um código de classe enviado a um host USB. Isso permite que o host carregue módulos de software para o dispositivo e suporte novos dispositivos de diferentes fabricantes.
Armazenamento em massa USB/ unidade USB
A classe de dispositivo de armazenamento em massa USB (MSC ou UMS) padroniza as conexões para dispositivos de armazenamento. A princípio destinado a drives magnéticos e ópticos, ele foi estendido para oferecer suporte a drives flash e leitores de cartão SD. A capacidade de inicializar um cartão SD bloqueado para gravação com um adaptador USB é particularmente vantajosa para manter a integridade e o estado puro e incorruptível do meio de inicialização. Embora a maioria dos computadores pessoais desde o início de 2005 possa inicializar a partir de dispositivos USB de armazenamento em massa, o USB não se destina a ser um barramento principal para o armazenamento interno de um computador. No entanto, o USB tem a vantagem de permitir troca a quente, tornando-o útil para periféricos móveis, incluindo unidades de vários tipos.
Protocolo de transferência de mídia
O Media Transfer Protocol (MTP) foi projetado pela Microsoft para fornecer acesso de nível mais alto ao sistema de arquivos de um dispositivo do que o armazenamento em massa USB, no nível de arquivos em vez de blocos de disco. Ele também possui recursos DRM opcionais. O MTP foi projetado para uso com reprodutores de mídia portáteis, mas desde então foi adotado como o principal protocolo de acesso ao armazenamento do sistema operacional Android da versão 4.1 Jelly Bean, bem como Windows Phone 8 (os dispositivos Windows Phone 7 usavam o protocolo Zune - uma evolução do MTP). A principal razão para isso é que o MTP não requer acesso exclusivo ao dispositivo de armazenamento da mesma forma que o UMS, aliviando possíveis problemas caso um programa Android solicite o armazenamento enquanto estiver conectado a um computador. A principal desvantagem é que o MTP não é tão bem suportado fora dos sistemas operacionais Windows.
Dispositivo de interface humana
Mouses e teclados USB geralmente podem ser usados com computadores mais antigos que possuem conectores PS/2 com o auxílio de um pequeno adaptador USB-para-PS/2. Para mouses e teclados com suporte a protocolo duplo, pode ser usado um adaptador que não contenha nenhum circuito lógico: o hardware USB no teclado ou mouse foi projetado para detectar se está conectado a uma porta USB ou PS/2 e se comunicar usando o protocolo apropriado. Também existem conversores que conectam teclados e mouses PS/2 (geralmente um de cada) a uma porta USB. Esses dispositivos apresentam dois terminais HID para o sistema e usam um microcontrolador para realizar a tradução bidirecional de dados entre os dois padrões.
Mecanismo de atualização de firmware do dispositivo
Device Firmware Upgrade (DFU) é um mecanismo independente de fornecedor e dispositivo para atualizar o firmware de dispositivos USB com versões aprimoradas fornecidas por seus fabricantes, oferecendo (por exemplo) uma maneira de implantar correções de bugs de firmware. Durante a operação de atualização do firmware, os dispositivos USB mudam seu modo de operação tornando-se efetivamente um programador PROM. Qualquer classe de dispositivo USB pode implementar esse recurso seguindo as especificações oficiais da DFU. O DFU também pode dar ao usuário a liberdade de atualizar dispositivos USB com firmware alternativo. Uma consequência disso é que os dispositivos USB, depois de serem atualizados novamente, podem atuar como vários tipos de dispositivos inesperados. Por exemplo, um dispositivo USB que o vendedor pretende que seja apenas uma unidade flash pode "falsificar" um dispositivo de entrada como um teclado.
Transmissão de áudio
O Grupo de Trabalho de Dispositivos USB estabeleceu especificações para streaming de áudio, e padrões específicos foram desenvolvidos e implementados para usos de classe de áudio, como microfones, alto-falantes, fones de ouvido, telefones, instrumentos musicais, etc. O grupo de trabalho publicou três versões de áudio especificações do dispositivo: Áudio 1.0, 2.0 e 3.0, referido como "UAC" ou "ADC". O UAC 3.0 introduz principalmente melhorias para dispositivos portáteis, como redução do uso de energia ao estourar os dados e permanecer no modo de baixo consumo de energia com mais frequência, e domínios de energia para diferentes componentes do dispositivo, permitindo que sejam desligados quando não estiverem em uso.
Os conectores especificados pelo comitê USB suportam uma série de objetivos subjacentes do USB e refletem as lições aprendidas com os muitos conectores usados pela indústria de computadores. O conector fêmea montado no host ou dispositivo é chamado de receptáculo, e o conector macho conectado ao cabo é chamado de plugue.(2–5 – 2–6) Os documentos oficiais de especificação USB também definem periodicamente o termo macho para representar o plugue e fêmea para representar o receptáculo. O design destina-se a dificultar a inserção incorreta de um plugue USB em seu receptáculo. A especificação USB exige que o plugue e o receptáculo do cabo sejam marcados para que o usuário possa reconhecer a orientação correta. No entanto, o plugue USB-C é reversível. Cabos USB e pequenos dispositivos USB são mantidos no lugar pela força de aperto do receptáculo, sem parafusos, clipes ou botões giratórios como alguns conectores usam.
O padrão USB 1.1 especifica que um cabo padrão pode ter um comprimento máximo de 5 metros (16 pés 5 pol.) dispositivos operando em baixa velocidade (1,5 Mbit/s). O USB 2.0 fornece um comprimento máximo de cabo de 5 metros (16 pés e 5 pol.) para dispositivos funcionando em alta velocidade (480 Mbit/s). O padrão USB 3.0 não especifica diretamente um comprimento máximo de cabo, exigindo apenas que todos os cabos atendam a uma especificação elétrica: para cabeamento de cobre com fios AWG 26, o comprimento máximo prático é de 3 metros (9 pés 10 pol.).
Cabos ponte USB
Cabos de ponte USB ou cabos de transferência de dados podem ser encontrados no mercado, oferecendo conexões diretas de PC para PC. Um cabo ponte é um cabo especial com um chip e componentes eletrônicos ativos no meio do cabo. O chip no meio do cabo atua como um periférico para ambos os computadores e permite a comunicação ponto a ponto entre os computadores. Os cabos de ponte USB são usados para transferir arquivos entre dois computadores através de suas portas USB. Popularizado pela Microsoft como Windows Easy Transfer, o utilitário da Microsoft usava um cabo ponte USB especial para transferir arquivos e configurações pessoais de um computador executando uma versão anterior do Windows para um computador executando uma versão mais recente. No contexto do uso do software Windows Easy Transfer, o cabo ponte às vezes pode ser referenciado como cabo Easy Transfer.
Os conectores USB upstream fornecem energia a 5 Vcc nominal através do pino V_BUS para dispositivos USB downstream.
Dispositivos de baixa e alta potência
Os dispositivos de baixo consumo de energia podem consumir no máximo 1 unidade de carga e todos os dispositivos devem atuar como dispositivos de baixo consumo de energia ao iniciar como não configurados. 1 unidade de carga é de 100 mA para dispositivos USB até USB 2.0, enquanto o USB 3.0 define uma unidade de carga como 150 mA. Dispositivos de alta potência (como uma unidade de disco rígido USB típica de 2,5 polegadas) consomem pelo menos 1 unidade de carga e no máximo 5 unidades de carga (5x100mA = 500 mA) para dispositivos até USB 2.0 ou 6 unidades de carga (6x150mA = 900 mA) para dispositivos SuperSpeed (USB 3.0 e superior). Para reconhecer o modo de carregamento da bateria, uma porta de carregamento dedicada coloca uma resistência não superior a 200 Ω nos terminais D+ e D−. Faixas de dados em curto ou quase em curto com menos de 200 Ω de resistência nos terminais "D+" e "D−" significam uma porta de carregamento dedicada (DCP) com taxas de carregamento indefinidas.
Os sinais USB são transmitidos usando sinalização diferencial em fios de dados de par trançado com 90 Ω ± 15% de impedância característica. USB 2.0 e especificações anteriores definem um único par em half-duplex (HDx). As especificações USB 3.0 e posteriores definem um par para compatibilidade com USB 2.0 e dois ou quatro pares para transferência de dados: dois pares em full-duplex (FDx) para variantes de faixa única (requer conectores SuperSpeed); quatro pares em full-duplex para variantes de pista dupla (×2) (requer conector USB-C). Uma conexão USB é sempre entre um host ou hub na extremidade do conector A e a porta "upstream" de um dispositivo ou hub na outra extremidade.
Durante a comunicação USB, os dados são transmitidos como pacotes. Inicialmente, todos os pacotes são enviados do host por meio do hub raiz e, possivelmente, de mais hubs para os dispositivos. Alguns desses pacotes direcionam um dispositivo para enviar alguns pacotes em resposta.
