Porta USB
1 - Introdução
A necessidade de comunicação entre dispositivos externos sempre existiu
nos sistemas computadorizados. No primeiro PC desenvolvido pela IBM nos anos
80 o chamado barramento ISA possibilitava o encaixe de placas de expansão que
comunicavam com a placa principal chamada placa mão. A necessidade de
comunicação com dispositivos externos levou ao desenvolvimento das primeiras
portas de comunicação chamadas porta serial e porta paralela. Na década de 90 as
portas seriais evoluíram para uma taxa de 115KBps e o padrão ECP em portas
paralelas elevou a taxa de transmissão destas portas para 1,2MBps.
Atualmente, com os novos dispositivos de armazenamentos e inúmeros
periféricos (mouse, scanner, impressora, pen drive, teclados, etc.), além da
necessidade de taxas de transmissão mais elevadas, tornou-se necessário um
dispositivo de comunicação que permita a conexão de vários dispositivos
simultaneamente.
Além de permitir a comunicação com vários dispositivos em uma única porta,
o padrão USB permite a conexão e remoção do periférico sem a necessidade de
ligar e desligar o computador. Os controladores USB fornecem alimentação e
reconhecem automaticamente o dispositivo conectado (pelo menos teoricamente).
Uma porta USB permite através de HUBs a conexão de até 127 dispositivos
que compartilham o canal de dados. A porta de comunicação USB foi definida a
partir dos seguintes pontos:
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Facilidade na adição de periféricos ao PC.
Baixo custo, suportando taxas de transferência de até 12 Mbps.
Suporte completo para dados de voz, áudio e vídeo em tempo real.
Previsão de um padrão de interface capaz de espalhar-se rapidamente entre
novos produtos.
Possibilitar a criação de novas classes de dispositivos capazes de aumentar
a capacidade dos computadores pessoais.
2 - A topologia USB
A topologia USB prevê um único dispositivo Host que controla os periféricos.
O host é ligado a um hub que permite a conexão de dispositivos ou outros hubs. Os
hubs são cascateáveis e formam fisicamente uma estrutura estrela sendo cada hub
o centro de cada estrela.
Cada Host suporta até 127 periféricos. Como o canal é compartilhado entre
os dispositivos, a utilização de vários dispositivos com transferência de dados
simultâneas pode resultar em uma lentidão de resposta, algo muito prejudicial em
reprodução de vídeos ou áudios.
3 – A interface física
A transmissão dos dados é feita através de um cabo com par trançado e dois
fios de alimentação.
Os fios de alimentação permitem a utilização de dispositivos sem fonte. A
própria porta os alimenta. O padrão é de 500mA por porta, porém deve ser
analisada a capacidade de fornecimento quando se utiliza hubs. Não existe um valor
determinado para o comprimento do cabo, normalmente não passam de 1m, porém
podem ser utilizados cabos de boa qualidade de até 3 metros de comprimento.
A tensão de alimentação é gerenciada pelo host podendo ser desligada pelo
software de gerenciamento.
4 – O Hub USB
O Hub USB é um dispositivo que permite a conexão de vários outros
dispositivos em uma mesma porta. A porta principal é conectada no host sendo as
outras portas disponibilizadas para outros dispositivos ou outros hubs.
Um hub não é simplesmente uma emenda de fios, ele possui circuitos de
gerenciamento de dispositivos e circuitos de comunicação com o host. Um hub USB
é capaz de identificar a conexão de um dispositivo, reiniciar e interromper a
transmissão de sinais.
O maior problema na utilização de hubs USB está associado à alimentação
dos dispositivos. Uma porta USB pode fornecer até 500mA de corrente. Quando um
hub divide a corrente elétrica entre os dispositivos o consumo total pode ultrapassar
este valor e provocar o desligamento da porta. A solução para este problema é a
utilização de hubs USB com alimentação própria.
Estes hubs USB com fonte de alimentação fornecem 500mA em cada porta
de saída. Além de garantirem o suprimento de corrente podem ser usados como
repetidores de sinais permitindo conexões USBs à distâncias de até 5 metros.
5 – O protocolo de comunicação USB
Ao contrário das portas serial e paralela, onde os pinos com sinais elétricos
podem ser controlados por software, uma porta USB se comunica através de
protocolos de comunicação. Sem utilizar o protocolo não é possível se comunicar
com um dispositivo. Um protocolo USB utiliza:
- Checagem, detecção e correção de erros.
- Detecção de conexão
- Detecção de remoção de dispositivo
- Controle de fluxo de dados
- outros recursos de controle de transmissão e hardware
Todas as transmissões são baseadas no envio de pacotes e são
assíncronas, ou seja, não possuem um sinal de clock para sincronizar a
transmissão. O Host é quem inicia uma comunicação. Como exemplo vamos
analisar a seguinte sequencia de dados:
O Host envia um pacote chamado Token com a seguinte informação:
Sync – São 8 bits quando em baixa velocidade e 32 bits quando em alta
velocidade, servem para sincronizar os dados uma vez que a transmissão é
assíncrona.
PID – Identifica o tipo de pacote e pode conter o endereço do dispositivo de
destino. O tipo pode ser, por exemplo, de host para dispositivo, de dispositivo para
host, pacote de controle da porta, pacote de reconhecimento de dispositivo, etc.
DATA – Contêm os dados transmitidos.
CRC16 – São bits de dados que permitem checar se as informações foram
recebidas corretamente.
EOP – Sequencia de zeros indicando a finalização do pacote.
6 - O circuito integrado FT232B
Uma vez que a porta USB não permite o controle direto de seus pinos, uma
alternativa para controle de dispositivos externos é a utilização do circuito integrado
FT232B da FTDI.
Este circuito de um lado funciona como dispositivo de comunicação USB e do
outro como uma porta de comunicação UART que estudaremos mais adiante nesse
curso. Na prática podemos utilizar este componente em circuitos que podem ligar e
desligar equipamentos, controlar motores e outros dispositivos elétricos ou
eletrônicos. A quem interessar mais informações podem ser obtidas no site da FTDI.
http://www.ftdichip.com/