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Universal Serial Bus (USB)


Sr.Jo@o

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1) Universal Serial Bus (USB)

Universal Serial Bus (USB) ou em português, Barramento Serial Universal é um tipo de dispositivo de conexão que foi projetado para preencher algumas lacunas deixadas pelos outros barramentos seriais. Foi desenvolvido por companhias do ramo de telecomunicações e de computadores pessoais. Estas companhias são: Compaq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft, NEC, Philips. O USB , basicamente, tem como objetivo conectar periféricos externos ao computador sem que se tenha a necessidade de abrir o gabinete para instalar placas em slots e ainda permite alternar entre periféricos sem ter que desligar o PC. O USB traz ao usuário diversas vantagens como a versatilidade, a facilidade no uso e a alta velocidade.

O USB está cada vez mais difundido no mercado atual. Suas portas e conectores podem ser encontrados na sua maioria em sistemas Windows, iMac da Apple, G3 e G4 Power PCs rodando OS 9. Muitos produtos já saem de fábrica compatíveis com a porta USB e isso já é quase que um pré-requisito essencial para o sucesso do produto. A porta USB tem uma taxa de transferência 100 vezes mais rápida que a porta paralela de 25 pinos, a serial DB-9, DB-25 e RS-232 que são encontrados em vários computadores (quadro comparativo adiante).

A interface USB é mais comumente usada em conexões de periféricos de baixa à média banda, como câmeras digitais, leitores de cartões de memória Flash, joysticks, impressoras e scanners.

Comparando com o padrão de conexão de periféricos IEEE-1394 FireWire, o USB tem um custo bem inferior, sendo assim, o mais usado em periféricos domésticos de baixo e médio custo. Contrariamente ao FireWire, que é usado, por exemplo, comumente em estações de trabalho, servidores de grande porte e estações multimídia de edição de imagens.

Outro benefício que traz o USB é o fato de que permite que o dispositivo tenha tanto alimentação elétrica própria como alimentação via barramento. Na maioria das vezes, os que utilizam alimentação via barramento, esta se dá através do gabinete, e os de alimentação própria, por uma fonte própria.

Com relação aos cabos e conectores, o sistema de USB, é bastante simples. De modo a simplificar, usa somente um tipo de cabo e um tipo de conector em cada extremidade. São dois tipos de conectores, o conector que é ligado ao PC é achatado e o conector que se conecta ao periférico tem um formato quadrado(vide figuras). Os cabos de USB não podem exceder o limite de 5 metros de comprimento.

O crescimento do uso de dispositivos USB é vertiginoso, e estima-se que de 6 milhões de computadores em 1996 chegamos à mais de 700 milhões ao final de 2003.

A versão atual do USB, que é a 2.0, possui uma maior taxa de transferência de dados (480 Mbits/s) e mesmo assim não deixa de ser compatível com sua versão anterior, a 1.1. A nova versão é cerca de 40 vezes mais rápida que a anterior.

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2) USB: Informação Básica

Para utilizar o USB não há necessidade de um software específico. Muitos dispositivos usam o software que precisam à partir do próprio sistema operacional ou então de algum CD ou disquete de instalação que vem de fábrica com o produto. O sistema operacional se encarrega de selecionar o software adequado para o seu dispositivo, dispensando um maior conhecimento do usuário. O usuário pode se utilizar do plug-and-play, não necessitando configurar nenhum recurso de hardware como IRQs, canais de DMA e endereços de I/O.

Também podemos encontrar hoje em dia as portas USB em laptops. Isso permite que o usuário possa facilmente compartilhar seus periféricos do laptop.

Existem muitos tipos de periféricos compatíveis com USB, vou citar alguns dos mais freqüentemente utilizados: câmeras digitais, modems, telefones, teclados, mouses, joysticks, drives de cd-rom, drives de disquete, drives de fita, scanners, impressoras, produtos que transmitem vídeo e muitos outros.

Uma área que promete em termos de crescimento futuro é o da integração entre telefone e computador, e o papel do USB é de grande importância para fornecer uma interface para os PABXs digitais e ISDN (Integrated Services Digital Network).

Em termos de custo, a existência do USB pouco afeta o preço final dos computadores de hoje em dia. Olhando por outro lado, pode-se dizer que até barateia os custos, devido ao fato de que o USB elimina a necessidade de placas adicionais e fontes elétricas extras nos PCs. Inclusive a capacidade de compartilhar periféricos reduz ainda mais o custo final para o usuário.

Existem muitas dúvidas referentes à quantidade de dispositivos USB que pode-se conectar de uma vez em um mesmo PC. Considerando que alguns dispositivos demandam alguma banda, o limite prático fica menor que o teórico que é de 127, isso mesmo, cento e vinte e sete dispositivos individuais simultaneamente! Existe ainda a possibilidade de se utilizar placas de PCI-USB que fornecem portas USBs adicionais, permitindo que ainda mais periféricos sejam conectados.

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3) USB internamente

O cabo do barramento do USB é composto por quatro fios, +Vcc, +D, -D e o Ground.

O +Vcc fornece alimentação ao dispositivo USB que não tenha fonte própria. Num sistema USB, existem hubs e dispositivos que necessitam do +Vcc e outros que possuem alimentação própria. A voltagem nominal do +Vcc é de +5V.

O fios +D e –D, como utilizam uma alta taxa de transmissão, são entrelaçados entre si, e é por eles que os dados trafegam.

O Ground como o nome já diz é o fio terra. Na fotografia abaixo podemos ver bem definidos os fios conectados diretamente à uma placa-mãe. No esquema abaixo, pode-se ver como é o funcionamento interno dessas conexões.

Os resistores de pull-up mudam de posição de modo a definir se o dispositivo é de baixa ou alta velocidade. Quando não temos um dispositivo conectado à porta, os resistores de pull-down baixam +D e –D abaixo de um limiar de tensão para a detecção de um dispositivo conectado à porta. Caso este estado persista por um tempo maior que 2,5 µs reconhece-se como se o dispositivo foi desconectado. No caso inverso, se uma das duas tensões de +D ou –D for maior que o limiar de tensão, e isso se estender por mais de 2,5 µs reconhece-se como se um dispositivo foi conectado.

O USB funciona sob um protocolo de transferência. Sua transferência de dados se dá através de pacotes e começa quando o Controlador Host envia um pacote inicial(Token Packet) indicando a direção, o tipo de transmissão, o endereço do dispositivo USB e o referido número de endpoint. O sentido da transmissão dos dados pode ser tanto do dispositivo para o host com do host para o dispositivo. Assim, o dispositivo USB decodifica o campo de endereço, verificando se o pacote lhe é destinado. Depois, vem o pacote de dados(Data Packet) ou o sinal de que não há pacotes a serem transmitidos, e em seguida o destinatário responde com um pacote de Handshake(Handshake Packet) avisando que o pacote foi recebido com êxito.

O PID é a sigla para Packet Identifier e possui 8 bits. Os 4 bits mais significativos identificam o formato, o tipo e o tipo de detecção de erro utilizado no pacote e os outros 4 desses bits são bits que servem para checar a integridade dos dados.

No campo ADDR(Address), que possui 7 bits, encontramos o endereço do dispositivo USB que está trocando informações e portanto, limita o número de dispositivos USB para até 127.

Em ENDP(Endpoint) temos 4 bits e com ele permite-se um endereçamento mais flexível das funções em que mais de um Endpoint é necessário. No caso de um dispositivo ser um Hub com outros dispositivos conectados.

O campo de bits CRC(Cyclic Redundancy Checks) possui 5 bits. Este campo tem a função de informar ao destinatário se ocorreram erros durante o tráfego dos dados. Ele atua somente sobre os bits de ADDR e de ENDP visto que os bits de PID já possuem detecção de erros própria.

Acima, temos o esquema de um Pacote de Dados(Data Packet).

Os 8 bits de PID já foram descritos para o Token Packet e têm a mesma função.

Os 16 bits de CRC também tem a mesma função já citada, exceto pelo fato de que este CRC atua exclusivamente sobre os bits de dados(DATA)

O campo de dados(DATA) possui o tamanho de 0 à 8192 bits, variando de acordo com a quantidade de dados à serem transmitidos. Como estes pacotes só transportam números inteiros de bytes, falarei em quantidade de bytes e não mais de bits para o campo DATA. O tamanho máximo do pacote de dados para dispositivos de baixa velocidade é de 8 bytes, e para os de alta velocidade é de 1024 bytes.

Esta figura acima mostra a estrutura de um pacote de aperto-de-mão(Handshake Packet) e possui somente um campo, o PID de 8 bits. Este campo, nesse pacote específico, se restringe às seguintes informações: ACK, NAK, STALL basicamente. Para tráfego de alta velocidade temos ainda NYET e ERR.

O ACK é enviado ao emissor quando um pacote de dados sem erros chega ao receptor.

O NAK é enviado quando o receptor não pode aceitar pacotes de dados ou quando o emissor não pode enviar pacotes de dados.

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