USB

O USB é um velho conhecido. Simplesmente o barramento externo mais usado atualmente. O que torna o USB tão popular é a sua flexibilidade; além de ser usado para a conexão de todo o tipo de dispositivos, ele fornece uma pequena quantidade de energia, permitindo que os conectores USB sejam usados também por carregadores, luzes, ventiladores, aquecedores de xícaras de café, etc. Se duvida, veja esses dois exemplos:

No USB 1.x, as portas transmitem a apenas 12 megabits, o que é pouco para HDs, pendrives, drives de CD, placas wireless e outros periféricos rápidos. Mas, no USB 2.0, o padrão atual, a velocidade foi ampliada para 480 megabits (ou 60 MB/s), suficiente para a maioria dos pendrives e HDs externos.

Existem quatro tipos de conectores USB, o USB tipo A, que é o mais comum, usado por pendrives e topo tipo de dispositivo conectado ao PC, o USB tipo B, que é o conector “quadrado” usado em impressoras e outros periféricos, além do USB mini 5P e o USB mini 4P, dois formatos menores, que são utilizados por câmeras, mp3players, palmtops e outros gadgets.

Os quatro tipos utilizam a mesma pinagem, o único diferencial é mesmo o formato físico. Existem ainda alguns formatos de conectores proprietários, geralmente versões levemente modificadas de um destes quatro formatos. Por serem intercompatíveis, é relativamente fácil encontrar adaptadores diversos para permitir encaixar cabos com conectores de formatos diferentes:

Existem ainda adaptadores USB para portas seriais, portas paralelas, rede (com um conector RJ45) e até mesmo para saídas VGA, mas eles incluem circuitos adicionais e dependem da instalação de drivers para funcionar.

Adaptador de vídeo USB

O USB é um barramento serial, por isso os conectores possuem apenas 4 contatos, sendo dois para a transmissão dos dados (um para enviar, outro para receber) e os outros dois para a transmissão de eletricidade.

Os dois pinos para a transmissão de dados são os dois mais centrais, enquanto os para energia são os dois externos. Olhando um conector USB com os contatos virados para baixo, o pino da direita é o positivo, enquanto o da esquerda é o neutro. Dentro do cabo, o fio vermelho é o positivo, o preto é o neutro, enquanto o verde e o branco são os usados para transmissão de dados:

Essa simplicidade explica a existência de tantas bugigangas que podem ser ligadas às portas USB. Você pode descartar os pinos de dados e usar a eletricidade oferecida pelo conector para alimentar qualquer dispositivo que consuma até 2.5 watts de energia (os 2.5 watts correspondem ao padrão oficial, mas a maioria dos fabricantes de placas optam por oferecer valores maiores para manter uma boa margem de tolerância). Pode ser desde um carregador para celular, até um ventilador em miniatura.

O inverso também é possível, ou seja, um conector USB fêmea, ligado a uma bateria, que sirva como fonte de energia para seu iPod, palmtop, ou outro dispositivo carregado através da porta USB. A maioria dos projetos envolve usar uma fonte de energia qualquer, que forneça 5V ou mais, e um resistor para reduzir a tensão ao valor apropriado. Você pode encontrar vários projetos no:
http://home.speedfactory.net/tcashin/ipodbattery.htm

Este é o meu “carregador de emergência”, que uso como carregador e bateria externa para o meu Treo. Ele utiliza 4 pilhas recarregáveis como fonte de energia e um diodo, que evita o refluxo, ou seja, evita que a bateria do Treo acabe recarregando as pilhas quando elas é que ficam com pouca carga. As pilhas recarregáveis trabalham com uma tensão nominal de 1.2v, mas quando completamente carregadas, oferecem em torno de 1.4v, suficiente para carregar dispositivos USB:

Com uma variedade tão grande de periféricos USB, as 4 portas traseiras da placa-mãe acabam nunca sendo suficientes. Os fabricantes passaram então a incorporar portas USB adicionais através de headers disponíveis na placa-mãe. Os headers podem ser ligados às portas frontais do gabinete, ou a conectores adicionais instalados na parte traseira.

O maior problema é que os conectores frontais do gabinete geralmente utilizam conectores separados para cada um dos fios, de forma que você precisa se orientar usando o diagrama no manual da placa para conectá-los corretamente. O fio vermelho é o +5V, o preto é o GND, o verde é o USB+ (ou D+) e o branco o USB- (ou D-):

Ligar os pinos incorretamente pode causar um curto e danificar periféricos USB, ou o próprio controlador da placa-mãe. Para evitar esse tipo de catástrofe, a maioria das placas inclui circuitos que desligam a alimentação em caso de problemas, de forma que a porta simplesmente não funciona até que você conecte os fios na ordem correta. Mas, de qualquer forma, é melhor não dar chance para o azar.

Temos ainda a possibilidade de usar hubs USB para conectar vários dispositivos à mesma porta. Em teoria, cada porta USB permite a conexão de até 127 dispositivos, de forma que você pode até mesmo ligar um hub USB no outro. O maior problema é que tanto a banda, quanto a energia fornecida pela porta são compartilhadas entre todos os periféricos ligados ao hub, de forma que dispositivos de mais alto consumo, como mouses ópticos e HDs externos (do tipo que usa a energia da porta USB, ao invés de uma fonte própria) podem não funcionar, dependendo de quais outros dispositivos estejam ligados ao hub.

A solução nesse caso é comprar um hub com fonte externa (também chamados de powered hub). Eles possuem uma fonte própria de energia, por isso não utilizam a energia fornecida pela porta e suportam a conexão de vários periféricos “gulosos” simultaneamente. Usar um powered hub também reduz o stress sobre a fonte de alimentação e circuitos reguladores de tensão da placa-mãe, além de oferecer um seguro contra queima de portas e outros problemas derivados da conexão de dispositivos USB defeituosos (antes o HUB do que a placa-mãe inteira).

Hub USB com alimentação própria

No USB, os 12 ou 480 megabits de banda não são compartilhados entre as portas. Cada par de portas (ligadas a um controlador dedicado na placa mãe) equivale a um barramento próprio, independente dos demais. O compartilhamento ocorre apenas quando as duas portas dentro do par são usadas simultaneamente, ou quando vários dispositivos são plugados na mesma porta, através de um hub.

Algumas combinações podem ser um pouco problemáticas, já que temos tanto dispositivos que transmitem grandes volumes de dados (um HD externo, por exemplo) quanto dispositivos que transmitem um volume pequeno, mas precisam de urgência, como o teclado e o mouse. Você não gostaria que o mouse ficasse com as respostas lentas ao salvar um grande arquivo no HD externo, por exemplo.

Prevendo isso, o USB suporta três modos de operação distintos, chamados de Interrupt (interrupção), Bulk (grande volume) e Isochronous (isocrônico).

O modo de interrupção é um modo de alta prioridade, destinado a teclados, mouses e outros dispositivos de entrada. O controlador reserva 10% da banda disponível para eles, mantendo sempre um canal descongestionado.

O modo isocrônico é destinado a dispositivos que precisam transmitir dados via streaming, como, por exemplo, caixas de som e headsets USB. Eles transmitem um volume relativamente pequeno de dados, mas também precisam de uma certa prioridade.

Finalmente, temos as transferências em modo bulk, onde temos grandes pacotes de dados, transmitidos com baixa prioridade (como no caso do HD externo). Como os canais para os outros dois modos são reservados primeiro, as grandes transferências podem ser feitas utilizando a banda disponível, sem atrapalhar os outros dispositivos.

Essa política de uso de banda é similar à utilizada em redes, onde os dados são transmitidos na forma de frames ou pacotes. Isso permite que dispositivos USB 1.1 sejam conectados em portas USB 2.0 sem reduzir a velocidade para outros dispositivos conectados na mesma porta. O controlador simplesmente disponibiliza 12 megabits para o dispositivo USB 1.1 e continua disponibilizando o restante da banda para os demais dispositivos.

Outra característica interessante do USB é a capacidade de enumerar e reconhecer novos dispositivos, coisa que não existia na época das portas seriais. Detectar um mouse ou um modem serial é um pesadelo para qualquer programador. Não existe forma simples de saber o que está plugado na porta serial, ou mesmo descobrir SE existe algum dispositivo lá. A única forma é apelar para técnicas indiretas, enviando dados através da porta e tentando deduzir quem está do outro lado a partir das respostas. É por isso que algumas distribuições Linux antigas pediam que você movimentasse seu mouse serial num certo ponto da instalação, para que ele pudesse ser detectado.

No USB as coisas funcionam de forma muito mais eficiente. O controlador percebe quando um dispositivo é conectado e envia um pacote de controle, que o dispositivo responde enviando uma série de informações, incluindo sua classe, velocidade, fabricante, string de identificação e assim por diante.

Além de permitirem que o controlador reserve corretamente os recursos usados pelo dispositivo, essas informações são enviadas ao sistema operacional. Isso permite que o dispositivo seja ativado e o programa ou o aviso correspondente seja mostrado na tela.

Veja o que aparece no log de uma distribuição Linux atual quando plugo meu joystick USB:

usb 1-3: new low speed USB device using ohci_hcd and address 3
usb 1-3: configuration #1 chosen from 1 choice
input: Logitech WingMan Precision USB as /class/input/input2
input: USB HID v1.10 Joystick [Logitech WingMan Precision USB] on usb-0000:00:02.0-3

As informações permitem também programar ações para quando determinados dispositivos são plugados no Linux, através do udev, o daemon responsável por detectar mudanças no hardware e a conexão de novos dispositivos. É possível executar automaticamente um script de backup quando o HD externo é plugado, ou abrir um determinado game quando você pluga o joystick. O mais interessante é que as ações podem ser relacionadas com o código de identificação do dispositivo (que é único), de forma que o backup seja feito apenas ao plugar um HD específico, evitando que seus dados sejam copiados por engano quando um amigo plugar um pendrive, por exemplo. Falar sobre as regras do udev sai do escopo deste tópico, mas você pode aprender mais sobre elas no meu livro Linux Ferramentas Técnicas 2ª edição, ou através dos tutoriais disponíveis no Guia do Hardware.NET.