Barramento serial universal (USB)

 

   O barramento serial universal (USB, do inglês Universal Serial Bus) é uma interface de conexão amplamente utilizada para conectar uma variedade de dispositivos periféricos a computadores e outros equipamentos. 

Aqui está a explicação detalhada de cada ponto com base no texto fornecido.

   O USB é utilizado para conectar dispositivos periféricos ao computador. Esses periféricos podem incluir tanto dispositivos de baixa velocidade, como teclados e mouses, quanto dispositivos de alta velocidade, como impressoras, discos rígidos externos e adaptadores de rede.

Interface Padrão para Dispositivos de Velocidade Menor e Maior.

Para dispositivos de velocidade mais lenta, como teclados e mouses, o USB oferece uma interface confiável e eficiente.
   Já para dispositivos de alta velocidade, como impressoras e unidades de disco, o USB também é comumente utilizado, suportando tanto E/S (Entrada/Saída) de alta velocidade quanto a conexão com esses dispositivos de forma eficiente.

Gerações do USB

• USB 1.0: Foi a primeira versão do USB, oferecendo duas velocidades diferentes:

Uma baixa velocidade com taxa de dados de 1,5 Mbps (megabits por segundo).

Uma velocidade completa com taxa de dados de 12 Mbps.

• USB 2.0: Introduziu uma grande melhoria na taxa de transferência de dados, alcançando até 480 Mbps, o que possibilitou o suporte a dispositivos de maior demanda de velocidade.

• USB 3.0: Trouxe um novo barramento chamado SuperSpeed, operando em paralelo ao barramento do USB 2.0. Com o SuperSpeed, a velocidade de sinalização alcançou 5 Gbps (gigabits por segundo), embora a taxa de dados utilizáveis seja de até 4 Gbps devido à sobrecarga de sinalização.

• USB 3.1: Esta versão mais recente introduziu o modo SuperSpeed+, aumentando a velocidade de sinalização para até 10 Gbps e uma taxa de dados úteis teórica de 9,7 Gbps, o que representa um avanço significativo em relação às gerações anteriores.

Topologia e Controle

   O sistema USB é controlado por um controlador host central, que atua como o principal gestor da comunicação entre o computador e os dispositivos conectados. Ele cria uma rede local com topologia hierárquica em árvore, onde os dispositivos periféricos se conectam em níveis, organizando a comunicação de forma eficiente.

Essa estrutura hierárquica facilita a conexão de vários dispositivos ao mesmo tempo, gerenciando tanto dispositivos simples quanto aqueles que exigem maiores taxas de transferência de dados. O USB, ao longo das suas gerações, continua sendo uma interface versátil e essencial para a conexão de dispositivos.

A arquitetura do barramento serial universal (USB) segue um modelo hierárquico com componentes que desempenham papéis definidos no gerenciamento e comunicação entre dispositivos. 

Vou explicar a arquitetura em detalhes.

Controlador Host (Host Controller)

O host é o centro de toda a arquitetura USB. Ele gerencia toda a comunicação entre o computador (ou outro dispositivo principal, como um smartphone) e os dispositivos periféricos conectados.

O host controller coordena as operações de E/S (Entrada/Saída), fornecendo a alimentação elétrica e os comandos para os dispositivos conectados. Ele organiza a comunicação de maneira eficiente, alocando banda e tempos de acesso para cada dispositivo.

Ele também é responsável por gerenciar a inicialização de dispositivos e detectar quando novos periféricos são conectados ou removidos.

Barramento USB

O barramento é o meio físico que conecta o host aos dispositivos periféricos. Ele transmite tanto dados quanto energia elétrica, o que possibilita o funcionamento de dispositivos sem a necessidade de uma fonte de alimentação externa.

Tipos de dados transmitidos no barramento:

Controle: Comandos que o host envia para gerenciar dispositivos.

Dados: Informação que é transmitida entre o host e o dispositivo.

Status: Sinais que indicam se a transmissão de dados foi bem-sucedida ou falhou.

Token: Sinais que indicam quem deve enviar ou receber dados no próximo ciclo.

Dispositivos Periféricos

Todos os dispositivos periféricos conectados ao barramento, como teclados, mouses, impressoras, discos rígidos externos, etc., dependem do barramento USB para se comunicar com o host.

Cada dispositivo recebe um endereço único durante o processo de inicialização, permitindo ao host identificá-lo e gerenciar suas comunicações de forma individual.

Os dispositivos são organizados em uma topologia de árvore (em forma de hierarquia). Eles podem ser conectados diretamente ao host ou por meio de hubs USB (expansores de portas), que atuam como intermediários para outros dispositivos.

Hub USB

Um hub USB é um dispositivo que permite a conexão de vários dispositivos USB ao barramento. Ele pode ser interno (dentro do computador) ou externo (um dispositivo independente).

O hub também tem o papel de repetir os sinais do barramento e distribuir a energia elétrica fornecida pelo host para os dispositivos conectados. Ele gerencia a conexão de múltiplos dispositivos, mantendo a comunicação fluida.

Camadas de Software

O USB é controlado por um conjunto de camadas de software que gerenciam a comunicação e a transferência de dados. 

Estas camadas incluem.

Drivers de dispositivos 

Software específico que permite ao sistema operacional se comunicar diretamente com o dispositivo USB.

Pilhas de protocolo USB 

Implementam as regras e procedimentos de comunicação do USB, gerenciando os dados que transitam no barramento.

Sistema operacional: O sistema operacional coordena a interação entre os drivers de dispositivos e o controlador host.

Transferências de Dados

O USB suporta quatro tipos de transferências de dados.

Controle - Usado para configuração e gerenciamento do dispositivo.

Interrupção - Usado para dispositivos que requerem resposta rápida, como teclados e mouses.

Bulk (Maciça) - Usado para grandes volumes de dados que não têm restrições de tempo, como impressoras e drives de disco.

Isocrônica - Usado para transmissão contínua de dados sensíveis ao tempo, como áudio e vídeo.

Velocidades de Transferência

Dependendo da versão do USB, há diferentes velocidades de transferência de dados.

USB 1.0: 1,5 Mbps (baixa) e 12 Mbps (completa).

USB 2.0: 480 Mbps.

USB 3.0: 5 Gbps (SuperSpeed).

USB 3.1: 10 Gbps (SuperSpeed+).

Alocação de Banda

O controlador host é responsável pela alocação de banda entre os dispositivos conectados. A arquitetura USB divide a banda disponível para cada dispositivo de acordo com suas necessidades de dados. Por exemplo, dispositivos de áudio ou vídeo podem ter prioridade de banda em relação a dispositivos de armazenamento que não exigem transmissão contínua.

A arquitetura do USB é projetada para ser escalável, eficiente e flexível, suportando desde dispositivos simples até aqueles que exigem altas taxas de transferência de dados. A topologia hierárquica e a capacidade de conectar múltiplos dispositivos garantem que o USB continue sendo a interface preferida para uma grande variedade de periféricos.

Referencias 
Arquitetura e organização de computadores / William Stallings; 10. ed. -- São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2017.