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Funcionamento das portas USB

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Funcionamento das portas USB



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Todo computador comprado atualmente possui uma ou mais portas (conectores) USB. Estas portas USB permitem que se conecte desde mouses a impressoras em seu computador. O sistema operacional também suporta a interface USB, assim a instalação do driver do dispositivo é rápida e fácil. Em comparação a outras formas de conexão de dispositivos (incluindo-se portas paralelas, portas seriais e placas especiais instaladas dentro do gabinete da máquina), os dispositivos USB são incrivelmente simples.

Neste artigo, serão abordadas as portas USB sobas perspectivas técnica e de usuário e as de um técnico. Você saberá porque o sistema USB é tão flexível e como é capaz de suportar tantos dispositivos.
Qualquer pessoa envolvida com computadores nos últimos anos conhece os problemas que o Universal Serial Bus (USB) está tentando solucionar. No passado, a conexão de dispositivos a um computador costumava ser uma dor de cabeça.
  • As impressoras eram conectadas às portas paralelas e a maioria dos computadores continham apenas uma porta. Dispositivos como Zip drives externos, que necessitam de uma conexão de alta velocidade no computador, podem utilizar a porta paralela da mesma forma, geralmente com pouco sucesso e baixa velocidade.
  • Os modems utilizavam a porta serial, da mesma forma que muitas impressoras e uma variedade de dispositivos, tais como os computadores portáteis Palm Pilots e câmeras digitais. A maioria dos computadores possuem, no máximo, duas portas seriais, e quase sempre são muito lentas.
  • Os dispositivos que antes necessitavam de conexões mais rápidas possuíam suas próprias placas, que se encaixam em slots de expansão dentro do gabinete do computador. Infelizmente o número de slots de expansão é limitado e, em alguns casos, é necessário um técnico experiente para instalar o software.
O objetivo do USB é acabar com essas dificuldades. O Universal Serail Bus fornece uma forma única, padronizada e fácil para conectar até 127 dispositivos em um computador.
Atualmente, quase todos os periféricos estão disponíveis em uma versão para USB. Um exemplo de dispositivos USB que podem ser adquiridos hoje incluem:
  • impressoras
  • scanners
  • mouse
  • joysticks
  • consoles para simuladores de vôo
  • câmeras digitais
  • Webcams
  • dispositivos para aquisição de dados científicos
  • modems
  • caixas de som
  • telefones
  • vídeo fones
  • dispositivos de armazenamento
  • conexões de rede
A conexão de um dispositivo USB a um computador é simples: é só encontrar a porta USB, que geralmente está localizada na parte de trás de sua máquina (a maioria dos gabinetes modernos também possuem portas na frente), e conectá-lo.

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A abertura retangular é uma porta USB, geralmente localizada na parte de trás do PC



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Um conector USB típico, conhecido como conector "A"


Em caso de um dispositivo novo, o sistema operacional o auto-detecta e solicita o disco do drive. Caso o dispositivo já tenha sido instalado, o computador o ativará e dará início à comunicação com o mesmo. Os dispositivos USB poderão ser conectados e desconectados a qualquer momento.
Muitos dispositivos USB já vêm acompanhados de cabo próprio e este cabo possui uma conexão USB do tipo "A". Caso contrário, o dispositivo possui um soquete acoplado que aceita um conector USB do tipo "B".

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Uma conexão típica do tipo "B"


O padrão USB utiliza conectores "A" e "B" para evitar possíveis erros:
  • "A" - ponta do conector "upstream" para conectar no computador.
  • "B" - ponta do conector "downstream" para conectar no dispositivo.
Por meio da utilização de conectores diferentes nas extremidades do cabo é impossível se enganar se conectar o conector "B" de qualquer cabo USB a um dispositivo, esse dispositivo funcionará. Da mesma forma é possível conectar qualquer conector "A" a qualquer porta do tipo "A" que funcionará.
Hub USB

Computadores novos vêem, por exemplo, com duas ou mais portas USB. E, com tantos dispositivos USB no mercado, geralmente não há portas suficientes. Suponhamos que em um computador existe uma impressora, um scanner, uma webcam e uma conexão de rede, todos com parão USB. Se o computador possui apenas duas conexões, então a questão óbvia é "como conectar todos esses dispositivos?"


A solução mais fácil para o problema é comprar um hub USB barato. O padrão USB suporta até 127 dispositivos, sendo o hub UBS parte deste padrão.

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Um hub USB típico de quatro portas aceita até 4 conexões do tipo "A"



Um hub possui tipicamente quatro portas novas, mas não está limitado a isso. Você conecta o hub ao computador e então liga os dispositivos (ou outros hubs) a ele. Encadeando diversos hubs é possível ter muitas portas USB disponíveis em um único computador.
Há hubs que funcionam com energia ou sem energia. Como veremos na próxima página, o padrão USB permite aos dispositivos que obtenham a sua energia a partir da conexão USB. Obviamente, um dispositivo de alta-potência, como uma impressora ou scanner, terá a sua própria fonte de alimentação. No entanto, dispositivos de baixa potência, como o mouse e as câmeras digitais, obtêm a energia a partir do barramento, de forma a simplificá-los. A energia (de até 500 milliampères a 5 volts) é gerada pelo computador. Caso possua muitos dispositivos com energia própria (como impressoras e scanners), então seu hub não necessita ser alimentado se nenhum dos dispositivos conectados ao hub necessita de energia adicional. Caso tenha vários dispositivos que não possuem energia própria, como mouse e câmeras, então será necessário um hub com alimentação de energia. Neste caso, o hub possui um transformador próprio que fornece energia ao barramento, de forma que os dispositivos não sobrecarregam o fornecimento de energia do computador.

O processo USB

Quando o host (computador) é iniciado, ele interroga todos os dispositivos conectados ao barramento e designa um endereço para cada um. Esse processo é chamado de enumeração. Os dispositivos são também enumerados ao se conectarem ao barramento. O host também encontra, a partir de cada dispositivo, o tipo de transferência de dados que o mesmo deseja realizar:
  • Interrupção - usado em dispositivos como o mouse ou teclado, que enviarão pouquíssimos dados.

  • Bulk - um dispositivo como uma impressora, que recebe dados em grandes pacotes, utiliza esse modo de transferência. Um bloco de dados é enviado à impressora (em 64 fragmentos de bytes) e verificado para garantir se está correto.
  • Isócrono - um dispositivo de transmissão contínua (como alto-falantes) utiliza esse modo. Os dados fluem entre o dispositivo e o host em tempo real e não há correção de erros.
O host também poderá enviar comandos ou verificar parâmetros através de pacotes de controle.
Conforme os dispositivos são enumerados, o host manterá um registro da total da largura de banda que todos os dispositivos isócronos e os dispositivos de interrupção exigem. Eles podem consumir até 90% dos 480 Mbps da largura de banda disponível. Após 90% de uso, o host nega acesso a qualquer outro dispositivo isócrono ou de interrupção. As transferências de grandes pacotes de dados e de controle utilizam qualquer largura de banda restante (pelo menos 10%).
O USB divide a largura de banda disponível em frames e o host controla os frames. Os frames contêm 1.500 bytes e um novo frame tem início a cada milissegundo. Durante um frame, dispositivos isócronos e de interrupção obterão um slot, assim as larguras de banda necessárias serão garantidas. As transferências de pacotes de dados e de controle utilizam qualquer espaço deixado. Os links técnicos presentes no final desse artigo contém maiores detalhes se você quiser aprender mais sobre esse assunto.
Características do USB
O Universal Serial Bus possui as seguintes características:

  • O computador atua como um host.
  • Podem ser conectados ao host até 127 dispositivos, diretamente ou através de hubs USB.
  • Cabos individuais USB podem ter até 5 metros; com hubs, os dispositivos podem ficar até 30 metros de distância do host (o equivalente a seis cabos).
  • Com o USB 2.0, o barramento possui uma taxa máxima de transferência de dados de 480 megabits por segundo.
  • Um cabo USB possui dois fios para energia (+5 volts e o fio terra) e um par trançado para a condução dos dados.
  • Nos cabos de energia, o computador poderá fornecer até 500 milliampères de energia a 5 volts.
  • Os dispositivos de baixa-potência (como o mouse) poderão puxar a energia diretamente do barramento. Os dispositivos de alta-potência (como impressoras) possuem fonte própria de alimentação e exigem mínima energia do barramento. Os hubs podem ter suas próprias fontes de energia para fornecer energia aos dispositivos conectados a ele.
  • Os dispositivos USB são hot-swappable (conectáveis "a quente"), ou seja, podem ser conectados e desconectados a qualquer momento.
  • Os diversos dispositivos USB podem ser colocados no modo sleep (hibernar) pelo computador host, quando o computador entrar no modo de economia de energia.
Os dispositivos conectados à porta USB dependem de um cabo USB para a condução de energia e dados.

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Interior de um cabo USB: existem dois fios para a energia, +5 volts (vermelho) e o fio terra (marrom), e um par trançado (amarelo e azul) de fios para a condução dos dados. O cabo é blindado.


USB 2.0
O padrão para o USB 2.0 foi lançado em abril de 2000, como uma versão atualizada do USB 1.1.

USB 2.0 (USB de alta velocidade) fornece uma largura de banda adicional para as aplicações de multimídia e de armazenamento e possui uma transmissão de dados 40 vezes mais rápida do que a do USB 1.1. Para possibilitar uma transição suave, tanto aos consumidores quanto aos fabricantes, o USB 2.0 possui plena compatibilidade com os dispositivos USB originais, além de funcionar com os mesmos cabos e conectores fabricados para a UBS original.
O USB 2.0 suporta três velocidades (1.5, 12 e 480 megabits por segundo), suporta também dispositivos com baixa largura de banda, tais como teclados e mouses, bem como os dispositivos de largura de banda alta, como: Webcams, scanners, impressoras e sistemas de armazenamento de alta capacidade. O desenvolvimento da interface USB 2.0 permitiu que os fabricantes, líderes da indústria de PCs, planejassem muito rapidamente ao desenvolverem uma nova geração de periféricos para complementar os PCs de alto desempenho já existentes. A velocidade de transmissão do USB 2.0 também facilitou o desenvolvimento de novos PCs e seus aplicativos. Além do aumento da funcionalidade e do estímulo à inovação, o USB 2.0 aumenta a produtividade das aplicações de usuário e permite ao mesmo trabalhar com múltiplos aplicativos para PCs de uma única vez ou diversos periféricos de alto desempenho de modo simultâneo.

Marshall Brain - traduzido por HowStuffWorks Brasil
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Comentários

  1. Avatar de beirsdorf
    otimo artigo, vc tem o funcionamento a base de programação, o tipo de protocolo que o usb utiliza? abraço.
  2. Avatar de yclonesan
    Ótimo artigo, seria bom falar dos erros e problemas comuns das portas USB.
  3. Avatar de Não Registrado
    olah. adorei o artigo usb e gostaria de saber se o baixo rendimento do meu modem 3g da oi pode estar relacionado com a porta usb do pc?? abraços

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