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Interface USB

1. USB e o ambiente de Áudio e Vídeo
Equipamentos que utilizam interfaces USB são comuns atualmente em sistemas de áudio e vídeo. As principais aplicações são: Extensores USB, KVM: Keyboard/Vídeo/Mouse, Lousas interativas e Sistemas de anotação de vídeo.


2. Introdução
Universal Serial Bus (USB) é uma interface inteligente com protocolos definidos, que permite a um computador comunicar-se com uma variedade de dispositivos periféricos. Começou como uma interface para conectar periférico, tal como mice/mouses e teclados no PC e agora é um padrão de interface digital plug & play que permite a conexão dos periféricos sem a necessidade de desligar o computador e feito sobre um barramento que adota um tipo de conector que deve ser comum a todos os dispositivos que o usarem, simplificando a instalação de diversos tipos de aparelhos ao computador (câmeras digitais, HDs externos, pendrives, MP3 players, impressoras, scaners, leitor de cartões, etc). Atualmente o USB é um padrão de conexão bastante popular em equipamentos eletrônicos de consumo.


3. História/USB Implementers Fórum.
Um problema com computadores pessoais eram conectar periféricos e, era uma tarefa pouco intuitiva, normalmente feitos por técnicos ou usuários com experiência no assunto. Havia placas de vídeo, placas de som, de jogos e respectivos drivers, também havia vários tipos de cabos e conectores, era necessário descobrir em qual porta do computador conectar o dispositivo em questão. Quando a instalação era interna, a situação era pior, já que o usuário tinha que abrir o computador e quase sempre configurar jumpers e/ou IRQs.
Computadores estão encolhendo e estão cada vez menores e a cada ano há menos slots para placas de adaptação e esta interface USB veio no sentido de colocar a inteligência nos dispositivos em vez de ficar no computador.
A interface USB estava sendo desenvolvida e as primeiras versões estabelecidas datam de 1994. A indústria percebeu a necessidade de criar um padrão que facilitasse as conexões de dispositivos aos computadores e, em 1995 várias empresas – entre elas, Microsoft, Intel, NEC, IBM e Apple – formaram um consórcio para estabelecer um padrão: O USB Implementers Fórum. A imagem ao lado mostra o símbolo desta tecnologia.



- USB 0.7: novembro de 1994;
- USB 0.8: dezembro de 1994;
- USB 0.9: abril de 1995;
- USB 0.99: agosto de 1995;
- USB 1.0: janeiro de 1996;
- USB 1.1: setembro de 1998;
- USB 2.0: abril de 2000.

As versões que entraram para uso comercial em larga escala foram a 1.1 e a 2.0.



4. Principais características do USB
A necessidade de facilitar a conexão de variados dispositivos ao computador levou esta indústria a criar o padrão USB.

- Uma interface para muitas aplicações: Qualquer dispositivo compatível com o USB usa padrões definidos de conexão, não é necessário ter um tipo de conector específico para cada aparelho;

- Auto configuração (Plug & Play): O usuário não precisa fazer configuração. Quase todos os dispositivos USB são concebidos para serem conectados ao computador e utilizados logo em seguida. Apenas alguns exigem a instalação de drivers ou softwares específicos. No entanto, mesmo nesses casos, o sistema operacional reconhecerá a conexão do dispositivo imediatamente;

- Alimentação elétrica não é necessária na maioria dos casos (até 500mA): A maioria dos dispositivos que usam USB não precisa ser ligada a uma fonte de energia, já que a própria conexão USB é capaz de fornecer eletricidade. Por conta disso, há até determinados dispositivos, como telefones celulares e MP3-players, que têm sua bateria recarregada via USB. A exceção fica por conta de aparelhos que consomem maior quantidade de energia, como scanners e impressoras.

- Ampla compatibilidade: O padrão USB é compatível com diversas plataformas e sistemas operacionais. O Windows, por exemplo, o suporta desde a versão 98. Sistemas operacionais Linux e Mac também são compatíveis. Atualmente, é possível encontrar portas USB em vários outros aparelhos, como televisores, sistemas de comunicação de carros e até aparelhos de som.

- Hot Pluggable: Dispositivos USB podem ser conectados e desconectados a qualquer momento. Em um computador, por exemplo, não é necessário reiniciá-lo ou desligá-lo para conectar ou desconectar o dispositivo;



5. Sinais da interface USB
Como já informado, o barramento USB pode ser utilizado para prover energia elétrica a determinados dispositivos. Para que isso seja possível, os cabos USB contam com quatro fios internos: VBus (VCC), D+, D- e GND. O primeiro é o responsável pela alimentação elétrica. O segundo e o terceiro são utilizados na transmissão de dados (a letra "D" provém de data, dado em inglês). O quarto, por sua vez, é para controle elétrico, servindo como "fio-terra".

Conexão   USB 1.x / 2.0
Pin Name Cor do fio Descrição
1 VCC Vermelho +5 V
2 D- Branco Data -
3 D+ Verde Data +
 4 GND Preto Terra

 

 

USB 1.x / 2.0 Miniplug/Microplug
Pin Name Cor Description
1 VCC Vermelho +5 V
2 D- Branco Data -
3 D+ Verde Data +
4 ID none permits distinction of
Micro-A- and Micro-B-Plug
Type A: connected to Ground
Type B: not connected
5 GND Preto Signal Ground







6. Comprimento dos cabos
Os cabos USB devem ter, no máximo, 5 metros de comprimento. Não é devido 'a atenuação do sinal no cabo e sim porque, em cabos maiores, o tempo de transmissão dos dados pode exceder o limite de 1500 nanossegundos. Quando isso ocorre, a informação é considerada perdida e esse limite pode ser aumentado com uso de hubs ou de equipamentos capazes de repetir os sinais da comunicação.







7. Pode ligar até 127 periféricos
Conexão de vários aparelhos ao mesmo tempo. A comunicação entre os dispositivos conectados via USB é feita através de um protocolo. Nele, o host, isto é, o computador ou o equipamento que recebe as conexões, emite um sinal para encontrar os dispositivos conectados e estabelece um endereço para cada um deles, lembrando que até 127 dispositivos podem ser endereçados e os hub podem ser cascateados até 5 vezes. Uma vez estabelecida a comunicação, o host recebe a informação de que tipo de conexão o dispositivo conectado utiliza.

 




8. Classes de Dispositivos
USB estabelece uma classe de códigos usados para identificar a funcionalidade de dispositivos e carregar os códigos de driver baseados na determinada funcionalidade.

 

Classes dos Dispositivos:

Classe Uso Descrição Exemplos
00h Device Unspecified[8] (Device class is unspecified. Interface descriptors are used for determining the required drivers.)
01h Interface Audio Speaker, microphone, sound card, MIDI
02h Both Communications and CDC Control Ethernet adapter, modem
03h Interface Human Interface Device (HID) Keyboard, mouse, joystick
05h Interface Physical Interface Device (PID) Force feedback joystick
06h Interface Image Webcam, scanner
07h Interface Printer Laser printer, inkjet printer, CNC machine
08h Interface Mass storage USB flash drive, memory card reader, digital audio player, digital camera, external drive
09h Device USB hub Full bandwidth hub
0Ah Interface CDC-Data (This class is used together with class 02h—Communications and CDC Control.)
0Bh Interface Smart Card USB smart card reader
0Dh Interface Content Security Finger Print Reader
0Eh Interface Video Webcam
0Fh Interface Personal Healthcare Pulse monitor (watch)
DCh Both Diagnostic Device USB compliance testing device
E0h Interface Wireless Controller Wi-Fi adapter, Bluetooth adapter
EFh Both Miscellaneous ActiveSync device
FEh Interface Application Specific IrDA Bridge, Test & Measurement Class (USBTMC),[9] USB DFU (Direct Firmware update)[10]
FFh Both Vendor Specific (This class code indicates that the device needs vendor specific drivers.)




9. Mecanísmos de transferência de dados
Conforme dispositivo conectado os dados são tratados com requisitos diferentes e há três possibilidades com Control sendo um tipo utilizado para transmissão de parâmetros de controle e configuração do dispositivo.



Control + Bulk: esse tipo é utilizado por dispositivos que lidam com grandes volumes de dados, como impressoras e scanners, por exemplo. O Bulk conta com recursos de detecção de erro para garantir a integridade das informações transmitidas.

Control + Interrupt: tipo utilizado para dispositivos que transferem poucos dados, como mouses, teclados e joysticks.

Control + Isochronous: esse tipo é aplicado em transmissões contínuas, onde os dados são transferidos a todo o momento, razão pela qual não há recursos de detecção de erros, já que isso atrasaria a comunicação. Dispositivos como caixas de som utilizam esse modo.



10. USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 e WIRELESS USB
Taxa de transmissão USB

Low Speed – 1.5 Mbits/s
Full Speed – 12Mbits/s
High Speed – 480 Mbits/s



USB 1.1: A primeira versão do USB que se tornou padrão foi a 1.1. Essa versão, lançada em setembro de 1998, contém praticamente todas as características explicadas no tópico anterior, no entanto, sua velocidade de transmissão de dados não é muito alta: nas conexões mais lentas, a taxa de transmissão é de até 1,5 Mbps (Low-Speed), ou seja, de cerca de 190 KB por segundo. Por sua vez, nas conexões mais rápidas, esse valor é de até 12 Mbps (Full-Speed), cerca de 1,5 MB por segundo.

USB 2.0: O USB 2.0 chegou ao mercado oferecendo a velocidade de 480 Mbps, o equivalente a cerca de 60 MB por segundo. O padrão de conexão continua sendo o mesmo da versão anterior. Além disso, o USB 2.0 é totalmente compatível com dispositivos que funcionam com o USB 1.1. No entanto, nestes casos, a velocidade da transferência de dados será a deste último. Isso ocorre porque o barramento USB tentará se comunicar à velocidade de 480 Mbps. Se não conseguir, tentará à velocidade de 12 Mbps e, por fim, se não obter êxito, tentará se comunicar à taxa de 1,5 Mbps. Quanto à possibilidade de um aparelho USB 2.0 funcionar em conexões USB 1.1, isso pode acontecer, mas dependerá, essencialmente, do fabricante e do dispositivo.

USB 3.0: As especificações do padrão USB 3.0 foram definidas no final de 2008. Eis as principais características do USB 3.0:

- Transmissão bidirecional de dados: até a versão 2.0, o padrão USB permite que os dados trafeguem do dispositivo A para o B e do dispositivo B para o A, mas cada um em sua vez. No padrão 3.0, o envio e a recepção de dados entre dois dispositivos poderá acontecer ao mesmo tempo;

- Maior velocidade: a velocidade de transmissão de dados será de até 4,8 Gbps, equivalente a cerca de 600 MB por segundo, um valor bem mais alto que os 480 Mbps do padrão USB 2.0;

- Alimentação elétrica mais potente: o padrão USB 3.0 poderá oferecer maior quantidade de energia: 900 miliampéres contra 500 miliampéres do USB 2.0;

- Compatibilidade: conexões USB 3.0 poderão suportar dispositivos USB 1.1 e USB 2.0;

- Conectividade: o USB 3.0 poderá fazer uso de novos tipos de conectores.

WIRELESS USB: Com a popularização de tecnologias de comunicação sem fio, como Bluetooth e Wi-Fi, há quem questione o futuro do USB, uma vez que a tendência é a de que todos os dispositivos passem a se comunicar sem o uso de cabos. O fato é que ainda vai levar alguns anos para isso acontecer de maneira significativa e, quando ocorrer, teremos como opção de conexão o Wireless USB (WUSB), que já é realidade.

O WUSB, atualmente, é capaz de transmitir dados em velocidades de até 480 Mbps para conexões em um raio de até 3 metros ou 110 Mbps para conexões em um raio de até 10 metros. Sua frequência de operação corresponde à faixa UWB (Ultra Wide Band), que estabelece taxas entre 3,1 GHz e 10,6 GHz.



11. Tipos de conectores
A tecnologia USB conta com vários tipos de conectores, sendo o tipo A o mais conhecido, uma vez que está presente na maioria esmagadora dos computadores compatíveis com a tecnologia, além de poder ser encontrado em outros tipos de aparelhos. Uma vez que o objetivo principal do padrão USB é facilitar a conexão de variados dispositivos ao computador, geralmente os cabos desses aparelhos são do tipo A em uma ponta e de algum dos outros tipos na outra, podendo a segunda ponta ter também algum formato proprietário, isto é, específico de um fabricante.

USB Tipo A
É o tipo mais comum e, está presente na maioria absoluta dos computadores atuais. É também o tipo mais utilizado para os dispositivos de armazenamento de dados conhecidos como "pendrives":

USB Tipo B
Tipo comum de ser encontrado em dispositivos de porte maior, como impressoras e scanners:

Mini-USB
Utilizado em dispositivos de porte pequeno por ter tamanho reduzido, como câmeras digitais compactas e MP3-players. Na verdade, o Mini USB se chama USB Mini-B, já que existe um formato praticamente inutilizado chamado USB Mini-A. Eis os conectores Mini-USB:

Micro-USB
USB Micro-A: formato mais novo, menor que o Mini-USB, voltado a dispositivos de espessura fina, como telefones celulares:

USB Micro-B: semelhante ao formato Micro-A, no entanto, seu encaixe é ligeiramente diferente e a tendência é a de que este seja, entre ambos, o mais popular: Vale frisar que conectores fêmeas Micro-A podem ser chamados de Micro A-B por serem compatíveis com conectores machos de ambos os tipos. Tal como informado no início do tópico, há fabricantes que utilizam USB com conectores proprietários. Conectores proprietários costumam não ser bem aceitos por terem custo elevado em relação a padrões de mercado e por serem mais difíceis de encontrar.







 
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