O que é exatamente USB?

A história do USB é uma narrativa interessante sobre a evolução dos padrões, que ilustra perfeitamente que o desenvolvimento sensato e consistente da tecnologia se traduz diretamente no conforto de vida de todos nós.

Na cultura popular, pode-se encontrar o estereótipo de uma pessoa perdida nos padrões tecnológicos e a afirmação de que as diversas conexões usadas na eletrônica de consumo ou em computadores introduzem confusão na vida do usuário médio. De fato, nas últimas duas décadas do século XX, a revolução contínua no campo da informática primeiro criou e depois aprofundou o fenômeno conhecido como "exclusão digital", muitas vezes comparado em natureza e efeitos ao analfabetismo. No entanto, também é importante notar que, juntamente com a crescente informatização, aumentaram os esforços para criar interfaces intuitivas e construir dispositivos acessíveis para amadores. A conexão USB, junto com o mouse do computador ou a tela sensível ao toque, é um dos principais protagonistas dessa evolução – e tudo indica que continuará a sê-lo no futuro.

E embora para o "usuário médio" baste saber que seu telefone tem uma porta USB C ("E não quero saber mais nada!"), nós, entusiastas da eletrônica, não nos contentamos com essa informação simples. Porque queremos saber o que realmente acontece ao conectar o cabo.

Neste artigo, respondemos às perguntas:

• De onde vieram as conexões USB?
• Como funciona o USB?
• O que significam os números e letras na sigla USB?
• Quais são os tipos de conexões USB?
• A cor do USB importa?
• O que é USB C?
• Para que serve o USB Power Delivery e pode danificar o computador?
• O que há de novo no padrão USB 4.0?

Breve origem do padrão

O nome do padrão USB já diz muito sobre ele, ou seja, em inglês Universal Serial Bus – barramento serial universal. Um artigo diferente da série "Eletrônica do básico" sobre interfaces de comunicação ajudará a decifrar precisamente essa expressão.

Aqui, vamos nos limitar às informações básicas:

• Universal - ou seja, desde o início, as conexões USB foram projetadas para conectar diferentes dispositivos, no maior alcance possível.
• Barramento ou seja, uma conexão física composta por várias linhas, adaptada para lidar com um tipo específico de comunicação, geralmente entre muitos transmissores/receptores.
• Serial - esta palavra refere-se ao método de comunicação que envolve a transmissão de dados em impulsos, ou seja, bit a bit, usando uma única linha (ou duas linhas em ambas as direções). Como na configuração mais simples, os barramentos seriais precisam de apenas um fio de transmissão, o cabeamento usado para essa comunicação é acessível em termos de custo e durável, pois pode conter fios de seção transversal relativamente grande.

A necessidade de desenvolver um padrão universal de conexões tornou-se urgente nos anos 90 do século XX. Os computadores da época possuíam portas seriais e paralelas realizadas por meio de conectores de diferentes formatos, muitas vezes com especialização muito estreita (entradas separadas e diferentes para teclados e mouses, outra para o modem, outro tipo para o controlador de jogos). Embora permitissem a comunicação com acessórios e periféricos, não os detectavam automaticamente, deixando o (considerável) peso da configuração para o usuário.

O símbolo USB reflete bem a ideia por trás do padrão: conectividade entre o ponto principal e periféricos de diferentes tipos (com a possibilidade aberta de comunicação adicional).

O pior de tudo, os parâmetros elétricos dos padrões descritos eram subótimos, exigiam quantidades relativamente grandes de energia para realizar a própria comunicação, embora a corrente fornecida por eles fosse suficiente apenas para alimentar os periféricos mais simples ou passivos. O padrão USB já foi projetado para resolver todos esses problemas:

• A operação Plug&Play, ou seja, "conectar e usar", previa comunicação automática entre dispositivos no momento da conexão, e, portanto, configuração automática realizada por software (pelo sistema operacional do computador).
• O USB possui duas linhas dedicadas exclusivamente à alimentação. Os parâmetros elétricos foram, desde o início, suficientes para a maioria dos dispositivos periféricos e foram ampliados nas gerações subsequentes.

Princípio de funcionamento

É importante ressaltar desde já que não vamos nos aprofundar na especificação completa do protocolo USB, pois o objetivo deste texto não é ensinar a manipulação de hardware da interface. No entanto, vamos dar uma olhada em como o USB funciona em termos gerais. Para os interessados em detalhes, recomendamos a documentação precisa e disponível gratuitamente do padrão.

Estrutura do cabo

Embora as gerações modernas de USB prevejam o uso de até uma dúzia de linhas (sobre isso um pouco mais tarde), o número mínimo de fios necessários para estabelecer uma conexão é 4. Eles têm cores e funções definidas pelo padrão:

• V_BUS, fio vermelho, de alimentação, tem potencial de 5V.
• GND, fio preto é o terra, ou seja, 0V. Nos cabos mais baratos usados para carregar dispositivos portáteis, são usados cabos de dois fios, conectados apenas a essas duas linhas.
• Fios verde e branco, são respectivamente D+ e D- ou DATA+ e DATA-. Essas conexões são usadas para comunicação. O USB, como muitas outras interfaces rápidas, baseia-se na transmissão diferencial. Os valores binários são apresentados simultaneamente em duas linhas, mas com polaridade oposta (a tensão em uma linha é o "oposto" da tensão na outra). Isso permite alcançar resistência ótima a interferências, mesmo em transmissões que exigem alta frequência de sinal. No USB, é usada a metodologia NRZI (Non Return to Zero Inverted), onde o bit 0 é representado pela inversão dos estados nas linhas D- e D+, e o bit 1 os mantém nos níveis inalterados. As partes da comunicação mudam/verificam o estado nas linhas em intervalos de tempo determinados e, assim, transmitem/recebem dados.

Conector USB A macho e fios contidos no cabo blindado.

O que acontece ao conectar o USB?

Na comunicação USB, as partes assumem o papel de host (ou seja, "anfitrião" que gerencia o barramento) ou cliente (simplesmente chamado de device, ou seja, "dispositivo"). Claro, logo após inserir o plugue na tomada, esses dois circuitos não sabem nada um sobre o outro. Se o dispositivo USB for alimentado pelo barramento, como é o caso de um pendrive ou mouse de computador, primeiro ocorre sua inicialização, portanto, nenhuma comunicação é realizada.

Dados

Em primeiro lugar, o dispositivo informa ao host com que velocidade pretende se comunicar durante a inicialização – isso é feito configurando o estado alto na linha D- ou D+. A partir desse momento, a comunicação ocorre usando pacotes de 8 bytes transmitidos de acordo com a frequência indicada.

A primeira transmissão é um pacote do host, que informa ao dispositivo o endereço de 2 bytes atribuído a ele, que será usado na comunicação mútua. O dispositivo responde com uma confirmação (ACK do inglês acknowledgement).

Neste ponto, teoricamente, o barramento USB já pode ser usado para comunicação (por exemplo, entre circuitos digitais). Na prática, o computador (ou outro circuito que desempenha o papel principal) solicitará ao dispositivo seu descritor, ou seja, um conjunto de dados que descreve o equipamento conectado. Ele contém informações sobre a geração USB compatível, tipo de dispositivo, fabricante e número de série, etc. Na maioria das vezes, com base nessas informações, o sistema operacional pode selecionar o driver apropriado, ou seja, o programa usado para operar o equipamento específico.

Claro, isso é apenas o começo da "conversa", a inicialização completa do dispositivo pode ser muito complexa, mas isso é uma questão específica para diferentes tipos de equipamentos. Em aplicações mais simples (por exemplo, projetos que utilizam o interface FT232R), o circuito integrado conectado ao USB se apresentará como um controlador de porta serial e, dessa forma, intermediará a comunicação entre o computador e o microcontrolador, transmitindo de um lado para o outro sequências de bytes que podem ser recebidas/enviadas por um programa de terminal ou outro software especialmente escrito. E nada mais. Em outros casos, as capacidades do USB são utilizadas de forma muito mais ampla: os dispositivos podem negociar a velocidade de transmissão (não se limita a duas frequências usadas durante a inicialização), funcionalidade, protocolo, etc.

Alimentação

Se o cabo USB for conectado ao carregador mais comum, nas linhas GND e V_BUS aparecerá tensão de 5V DC. A corrente que fluirá pelo cabo dependerá das características do dispositivo em questão e do valor nominal que o carregador pode fornecer. Esses parâmetros são descritos por um padrão separado (Battery Charging Specification), que ao longo da última década passou por várias revisões devido à crescente demanda dos dispositivos móveis.

O padrão USB também prevê a possibilidade de negociar tensões e correntes presentes nas linhas de alimentação. O próprio descritor do dispositivo já contém dados sobre sua especificação elétrica, incluindo informações sobre a fonte e os parâmetros de alimentação. As capacidades do USB nesse campo foram ampliadas com a introdução da tecnologia Power Delivery, que é descrita mais adiante no texto.

Números e letras, explicação das designações

O USB é percebido pelos usuários como uma tecnologia complicada. Talvez isso se deva aos números, letras e siglas que acompanham o nome dessa interface. Mas não é uma questão esmagadora se tivermos consciência da clara divisão nessa nomenclatura:

• letras referem-se ao formato do conector;
• números indicam a geração do USB (e, na prática, principalmente a velocidade de transmissão);
• siglas designam tecnologias opcionais adicionais.

Gerações do padrão

Ao longo dos últimos 30 anos, o padrão USB foi redefinido em várias gerações. Embora possa parecer que são muitas, na verdade mudanças significativas não ocorreram com mais frequência do que uma vez a cada 8 anos. No mercado dinâmico da eletrônica, isso é um ritmo excepcionalmente cauteloso. Vamos dar uma olhada nas versões mais importantes do USB:

USB 1.0

As primeiras versões do padrão não foram projetadas para transmissão rápida de dados, por exemplo, transferência de grandes arquivos para memórias portáteis. Os acessórios conectados via USB exigiam largura de banda relativamente baixa, por isso a velocidade era limitada a 1,5Mb/s e 12Mb/s. Essas frequências ainda são usadas na fase de inicialização, permitindo que até mesmo produtos relativamente antigos permaneçam compatíveis com os computadores mais modernos. Até mesmo alguns novos periféricos usam essa versão da interface, pois sua implementação é barata e, em muitas aplicações, um método de comunicação mais rápido é desnecessário.

USB 2.0

A segunda geração do USB trouxe um grande avanço na transmissão, acelerando-a para 480Mb/s. As capacidades de corrente da conexão também aumentaram, agora atingindo 1,5A a 5V DC, ou seja, potência de até 7,5W. Esses parâmetros permitiram o uso do USB para carregar dispositivos móveis, mas também para alimentar de forma independente periféricos mais exigentes, como discos rígidos portáteis ou scanners.

USB 3.0

As versões USB 3.0, e posteriormente 3.1 e 3.2, introduziram mais melhorias no campo da transmissão de dados, que agora atingiu até 20Gb/s (o chamado SuperSpeed). Infelizmente, isso exigiu o aumento do número de linhas de transmissão e, portanto, o redesenho dos plugues e tomadas (sobre isso em breve). Esses conectores foram projetados para permanecerem compatíveis com as gerações anteriores de cabos, e apenas a velocidade total de transmissão exigia o uso de um cabo especial. Essas diferenças perderam importância com a introdução do formato USB C.

Tipos de conexões USB

E aqui chegamos a um tópico que causa mais confusão entre os consumidores comuns – formatos de conectores. As primeiras especificações do USB eram extremamente claras nesse campo: deveriam existir apenas dois tipos de plugues: A e B. O A era usado do lado do host, ou seja, do computador, enquanto o plugue B era colocado na tomada do dispositivo periférico. Infelizmente, logo se descobriu que a miniaturização exigia o desenvolvimento de novos formatos menores de conectores do tipo B. Pouco depois, os fabricantes de laptops e tablets, competindo para criar dispositivos cada vez mais finos e leves, também perceberam o problema com as dimensões do conector USB A clássico de baixo perfil. Em resposta a essas demandas, foi criado o formato USB C, que pode ser considerado uma versão ainda mais universal da interface universal, usando plugues e tomadas idênticos para todos os tipos de dispositivos.

	USB A	O formato de conector mais básico usado principalmente em dispositivos do tipo host e carregadores. Produzido em massa nos formatos para montagem em placas de circuito impresso na tecnologia de montagem em orifício (THT) e montagem em superfície (SMD), bem como como conectores para montagem em cabo.
	USB B	Formato clássico de conector do tipo cliente, ainda encontrado em alguns dispositivos periféricos, principalmente impressoras e scanners.
	USB C	O conector USB C, cuja funcionalidade completa é descrita mais adiante no texto, é caracterizado por seu tamanho reduzido e construção simétrica, permitindo que seja conectado em duas orientações (giro de 180° em relação ao eixo do plugue). As tomadas desse tipo são às vezes fabricadas no formato middle board mount, ou seja, projetadas para instalação em um recorte da placa de circuito impresso (mostrado na foto). Dessa forma, é alcançado um perfil muito baixo do conector (menos de 1mm acima da superfície do circuito impresso).
	USB B mini	O USB B mini foi o primeiro formato miniaturizado de USB a ser amplamente implementado em dispositivos portáteis, principalmente de maior formato (por exemplo, câmeras fotográficas). Infelizmente, essa variante ainda se mostrou grande demais para smartphones e outros dispositivos "de bolso".
	USB B micro	O USB B micro é, ao lado do C, o formato mais popular de conector USB compacto. Assim como a versão mini, o conector possui um pino adicional, que foi usado para identificar dispositivos ao conectar dois dispositivos projetados para operar no modo cliente (vide: seção USB OTG).

É importante mencionar que, nesse meio tempo, surgiram ainda alguns formatos miniaturizados de USB, mas eles não se tornaram populares. No final, a funcionalidade e as capacidades do USB C fizeram com que esse conector se tornasse o padrão de facto nos mercados mundiais, e até mesmo uma norma oficial e legalmente exigida para dispositivos móveis distribuídos nos mercados da União Europeia.

Comparação de plugues de diferentes formatos (em escala).

Cores dos conectores

Antes de passarmos para as versões específicas do padrão, vale ressaltar que a cor do conector (ou melhor, sua parte plástica) também tem significado. No entanto, é importante notar que os fabricantes de dispositivos nem sempre usam o método de identificação por cor. No entanto:

• conectores na cor branca são compatíveis com o padrão 1.0/1.1;
• a cor preta é usada para dispositivos compatíveis com pelo menos a geração 2.0;
• tomadas e plugues azuis possuem pinos adicionais que permitem aproveitar ao máximo as capacidades da tecnologia SuperSpeed oferecida pelo USB 3.0;
• tomadas turquesas raramente encontradas indicam a possibilidade de transmissão a uma velocidade de 20Gb/s, que só foi possível na variante USB 3.2. Às vezes, em computadores e laptops, também é possível encontrar tomadas USB A vermelhas: dessa forma, indica-se que a porta pode fornecer correntes significativas (geralmente mesmo após o dispositivo ser desligado), permitindo que seja usada para carregar smartphones, tablets, etc.

As conexões USB na placa-mãe do PC são marcadas como tomadas de carregamento (vermelhas) e SuperSpeed (azuis).

Tipos especiais de conexões para USB SuperSpeed

Em vários pontos, já nos deparamos com a tecnologia SuperSpeed. Ela foi introduzida na terceira geração do padrão. Foi um compromisso entre a compatibilidade retroativa dos dispositivos USB (esperada pelos consumidores) e o aumento da velocidade de transmissão. Como resultado, foram apresentados novos formatos de plugues e tomadas, onde, além dos 4 pinos "clássicos", havia 5 conexões adicionais.

As novas linhas incluem uma conexão adicional com o terra (dreno GND, nº 8 na ilustração) e dois pares de sinais diferenciais (6-7 e 9-10), um para cada direção de transmissão. Isso significa que as conexões desse tipo permitem a transmissão de dados no modo full-duplex, ou seja, simultaneamente em ambas as direções.

O formato USB micro SS é claramente diferente do padrão original, sendo duas vezes mais largo.

Infelizmente, a expansão dos conectores, combinada com a proliferação de formatos miniaturizados, introduziu confusão no padrão USB. Em resumo, ele estava se tornando cada vez menos amigável para os usuários, especialmente para aqueles que não acompanham as novidades tecnológicas. Além disso, os conectores compactos se mostraram pouco resistentes a tentativas acidentais de conectar o cabo na polaridade invertida, facilmente podendo causar danos à tomada. Felizmente, todos esses problemas foram eliminados com o novo formato de conexão, o USB C.

Conexões do conector USB C

O USB C em sua versão completa possui 12 conexões, mas 24 pinos. O número duplicado resulta da característica mecânica dos plugues, que podem ser conectados em ambas as orientações, o que facilita muito seu uso. Importante: mesmo uma versão tão avançada do conector para operar no modo mais básico (compatível com USB 1.0 e 2.0) ainda requer apenas quatro linhas (nem mesmo as cores recomendadas dos fios mudaram). Claro, em tal arranjo mínimo, seria necessário usar pelo menos 8 pinos, permitindo a conexão simétrica (ou seja, "de cabeça para baixo"). Na prática, de fato, nem sempre são usadas todas as linhas do USB C e, em dispositivos móveis, frequentemente se encontram versões simplificadas do conector (12 e 16 pinos), sem as linhas adicionais para transmissão acelerada. Para entender por que uma redução adicional no número de conexões seria problemática, vamos examinar a estrutura dos conectores.

Todas as linhas do conector USB C (a ilustração mostra a tomada, ou seja, a versão fêmea).

Na ilustração acima, é indicado o layout e as funções dos pinos na tomada USB C. Seu uso é o seguinte:

Padrões e conceitos relacionados

Com a expansão da interface, o padrão USB começou a ser acompanhado por outras tecnologias relacionadas, que podem (embora não precisem) ser implementadas em dispositivos. Seus nomes aparecem na documentação de muitos equipamentos eletrônicos, principalmente produtos de consumo, como smartphones ou computadores.

USB OTG, ou On-The-Go

Atualmente, até mesmo um telefone comum (sem mencionar um tablet) tem poder de processamento suficiente para operar periféricos que antes eram reservados exclusivamente para computadores. Exemplos podem incluir impressoras ou dispositivos de apontamento. A possibilidade de salvar fotos tiradas com um smartphone em uma memória USB portátil não seria possível se o primeiro não desempenhasse o papel de host. Em outras palavras: dispositivos móveis estão cada vez mais gerenciando a comunicação do barramento USB, e até mesmo fornecendo energia para acessórios. Ao mesmo tempo, eles devem ser capazes de operar como clientes (por exemplo, quando conectados a um laptop). A tecnologia USB OTG On-The-Go (do inglês, significando "USB em movimento") prevê a possibilidade de negociar o papel de um dispositivo. Atualmente, esse método é implementado no nível de software e pode ser realizado usando qualquer conector USB – embora originalmente fosse previsto um tipo especial de conector, AB, hoje praticamente inexistente.

Power Delivery

O USB desempenha amplamente o papel de conector de alimentação, tornando-se o padrão para conexões de corrente contínua em dispositivos de consumo. No entanto, laptops ou alto-falantes portáteis exigem tensões mais altas e correntes maiores do que pequenos acessórios (no caso deles, 1,5A e 5V são suficientes para carregar a bateria rapidamente). Para que os carregadores equipados com conectores USB possam funcionar com diferentes tipos de equipamentos, em 2012 foi apresentada a especificação USB Power Delivery. Atualmente (2024), está em vigor sua 3ª versão (USB-PD 3.1). A premissa é simples: os carregadores são equipados com um circuito "inteligente", ou seja, um sistema realizado por meio de um microcontrolador, que negocia com o dispositivo conectado o valor da tensão e corrente que devem ser fornecidos (se o dispositivo não responder, ou seja, não suportar USB-PD, os valores permanecem no nível padrão). O padrão define 8 perfis de alimentação, para os quais a tensão atinge o valor de 5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V ou 48V, e a potência máxima varia de 0,1W a 240W. Para a comunicação entre o carregador e o receptor, é usado o pino CC (destacado acima) contido nos conectores USB C.

Olhando para o futuro, ou USB4

Embora possamos não estar cientes disso, muitos de nós já estão usando dispositivos compatíveis com a 4ª geração do USB. Decidiu-se chamá-la de USB4 (em vez de USB 4.0). É suportada por sistemas Windows (a partir da versão 11), OS X (a partir do Big Sur) e núcleos Linux 5.6 e superiores (Android em dispositivos fornecidos a partir de 2020). A principal mudança aqui é, claro, mais um aumento na velocidade de transmissão, que agora pode atingir até 80Gb/s (embora seja importante notar que, na prática, poucos dispositivos são capazes de ler/gravar dados a essa velocidade). A 4ª geração permanece retroativamente compatível, mas para aproveitar ao máximo suas capacidades, é necessário usar um cabo com conectores USB C, fabricado de acordo com uma especificação específica. Vale a pena notar que a velocidade de transmissão vertiginosa que as portas USB atualmente oferecem está lentamente fazendo com que essa tecnologia entre no campo das mídias. Dispositivos móveis, especialmente tablets, podem ser conectados a monitores externos usando apenas um cabo USB C ou adaptador de USB para plugue HDMI. É muito possível que, em um futuro próximo, o conector USB também substitua essa interface.

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