O bus USB (Universal Serial Bus)

Abril 2015

Apresentação do canal USB

O canal USB (Universal Serial Bus) baseia-se , como o seu nome o indica, numa arquitectura de tipo série. Trata-se contudo de um interface de entrada/saída muito mais rápido que as portas série standard. A arquitectura que foi retida para este tipo de porta é de série por duas razões principais:

  • a arquitectura série permite utilizar um ritmo de relógio muito mais elevado que um interface paralelo, porque este não suporta frequências demasiado elevadas (numa arquitectura a elevado débito, as bits que circulam em cada fio chegam com desfasamentos, provocando erros);
  • os cabos série custam muito mais caro que os cabos paralelos.

As normas USB


Assim, a partir de 1995, o padrão USB foi elaborado para a conexão de uma grande variedade de periféricos.

O padrão USB 1.0 propõe dois modos de comunicação :

  • 12 Mb/s em modo alta velocidade,
  • 1.5 Mb/s a baixa velocidade.



O padrão USB 1.1 traz alguns esclarecimentos aos construtores de periféricos USB mas não altera em nada o débito. Os periféricos certificados USB 1.1 ostentam o logotipo seguinte:

Logo USB



A norma USB 2.0 permite obter débitos que podem atingir os 480 Mbit/s. Os periféricos certificados USB 2.0 têm o logotipo seguinte :

Logo USB 2.0



Na ausência de logotipo, a melhor maneira de determinar se se trata de periféricos USB a baixo ou alto débito é consultar a documentação do produto na medida em que os conectores são os mesmos.

A compatibilidade entre periféricos USB 1.0,1.1 e 2.0 está assegurada. Contudo, a utilização de um periférico USB 2.0 numa porta USB de baixo débito (i.e. 1.0 ou 1.1), limitará o débito a 12 Mbit/s máximo. Além disso, o sistema de exploração é susceptível de afixar uma mensagem que explica que o débito será reprimido.

Tipos de conectores

Existem dois tipos de conectores USB :


Os conectores ditos de tipo A, cuja forma é rectangular e que servem geralmente para periféricos pouco ávidos em banda concorrida (teclado, ratos, webcam, etc.);

Os conectores ditos de tipo B, cuja forma é quadrada e utilizados principalmente para periféricos de elevado débito (discos duros externos, etc.).

Connecteurs USB de type A et de type B

<ol>
  • Alimentação +5V (VBUS) 100mA máximos
  • Dados (D)
  • Dados (D+)
  • Massa (GND)

</ol>

Funcionamento do bus USB


A arquitectura USB tem como característica fornecer a alimentação eléctrica aos periféricos que liga, no limite de 15 W máximos por periférico. Utiliza para isto um cabo composto de quatro fios (a massa GND, a alimentação VBUS e dois fios de dados chamados D e D+).

le câble USB



 

A norma USB permite a ligação dos periféricos, utilizando uma topologia em bus ou estrela. Os periféricos podem então ser conectados uns a seguir aos outros , ou ramificados.
A ramificação faz-se com a ajuda de caixas chamadas “hubs” , comportando uma só entrada e várias saídas. Alguns são activos (fornecendo energia eléctrica), outros passivos (alimentados pelo computador).

topologie en bus des ports USB



topologie en étoile des ports USB


A comunicação entre o hóspede (o computador) e os periféricos faz-se de acordo com umprotocolo (linguagem de comunicação) baseado no princípio do anel de ficha (token ring). Isto significa que a banda concorrida é partilhada temporariamente entre todos os periféricos ligados. O hóspede (o computador) emite um sinal de início de sequência a cada milissegundo (ms), intervalo de tempo durante o qual vai dar simultaneamente “a palavra” a cada um entre eles. Quando o hóspede deseja comunicar com um periférico, emite uma ficha (um pacote de dados, contendo o endereço do periférico, codificado em 7 bits) que designa um periférico, é por conseguinte o hóspede que decide “do diálogo” com os periféricos. Se o periférico reconhecer o seu endereço na ficha, envia um pacote de dados (de 8 a 255 bytes) em resposta; se não, encaminha o pacote aos outros periféricos ligados. Os dados assim trocados são codificados de acordo com a codificação NRZI.

Dado que o endereço é codificado em 7 bits, 128 periféricos (2^7) podem ser conectados simultaneamente a uma porta deste tipo. Convém na realidade levar este número 127 porque o endereço 0 é um endereço reservado. (cf. abaixo).

Com um comprimento de cabo máximo entre dois periféricos de 5 metros e um número máximo de 5 hubs (alimentados), é possível criar uma cadeia de 25 metros!

 

As portas USB suportam o Hot plug and play. Assim, os periféricos podem ser ligados sem desligar o computador (ligação a quente, em inglês hot plug). Aquando da conexão do periférico ao hóspede, este último detecta a adição do novo elemento graças à mudança da tensão entre os fios D+ e D. Actualmente, o computador envia um sinal de iniciação ao periférico durante 10 min, seguidamente fornece-lhe corrente graças aos fios GND e VBUS (até 100mA). O periférico é então alimentado pela corrente eléctrica e recupera temporariamente o endereço por defeito (o endereço 0). A etapa seguinte consiste em fornecer-lhe o seu endereço definitivo (é o procedimento de enumeração). Para tal, o computador interroga os periféricos já ligados para conhecer os deles e atribui um ao novo, que se identifica. O hóspede, dispondo de todas as características necessárias, está então em condições de carregar o piloto adequado.

Mais informação

O download das especificações completas do padrão USB podeser feito no site USB Implementers Fórum :

Para uma leitura offline, é possível baixar gratuitamente este artigo no formato PDF:
O-bus-usb-universal-serial-bus.pdf

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