Algumas informações que você deve saber sobre USB

Este artigo é sobre o padrão de barramento de computador. Para outros usos, consulte USB (desambiguação).

Universal Serial Bus (USB) é um padrão da indústria, desenvolvido pelo USB Implementers Forum (USB-IF), para transmissão de dados digitais e fornecimento de energia entre muitos tipos de eletrônicos. Ela especifica a arquitetura, em particular as interfaces, e protocolos de comunicação para e de hospedeiros, como computadores pessoais, para e de periféricos, por exemplo, monitores, teclados e dispositivos de armazenamento em massa, e para e de hubs intermediários, que multiplicam o número de portas de um hospedeiro.[2]

Introduzido em 1996, o USB foi originalmente projetado para padronizar a conexão de periféricos a computadores, substituindo várias interfaces como portas seriais, portas paralelas, portas de jogos, e Apple Desktop Bus portas (ADB).[3] As primeiras versões do USB tornaram-se comuns em uma ampla variedade de dispositivos, como teclados, mouses, câmeras, impressoras, scanners, unidades flash, smartphones, consoles de jogos e bancos de energia.[4] O USB evoluiu para um padrão que substitui praticamente todas as portas comuns em computadores, dispositivos móveis, periféricos, fontes de alimentação e muitos outros pequenos eletrônicos.

No padrão mais recente, o USB-C conector substitui muitos tipos de conectores para energia (até 240 W), monitores (ex.: DisplayPort, HDMI) e muitos outros usos, além de todos os conectores USB anteriores.

Em 2024, a USB consiste em quatro gerações de especificações: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x, e USB4. A especificação USB4 aprimora a funcionalidade de transferência de dados e fornecimento de energia com "uma arquitetura de tunelamento orientada a conexão projetada para combinar múltiplos protocolos em uma única interface física, de modo que a velocidade total e o desempenho do Fabric USB4 possam ser compartilhados dinamicamente."[2] Em particular, o USB4 suporta o tunelamento do Thunderbolt 3 protocolos, nomeadamente PCI Express (PCIe, interface de carga/armazenamento) e DisplayPort (interface de exibição). O USB4 também adiciona interfaces host-a-host.[2]

Cada subversão da especificação suporta diferentes taxas de sinalização de 1,5 e 12 Mbit/s half-duplex em USB 1.0/1.1 a 80 Gbit/s full-duplex em USB4 2.0.[5][6][7][2] O USB também fornece energia para dispositivos periféricos; as versões mais recentes do padrão ampliam os limites de fornecimento de energia para carregamento de baterias e dispositivos que exigem até 240 watts, conforme definido em USB Power Delivery (USB-PD) Rev. V3.1.[8] Ao longo dos anos, o USB(-PD) foi adotado como o formato padrão de fornecimento de energia e carregamento para muitos dispositivos móveis, como telemóveis, reduzindo a necessidade de carregadores proprietários.[9]

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O USB foi projetado para padronizar a conexão de periféricos a computadores pessoais, tanto para trocar dados quanto para fornecer energia elétrica. Ele substituiu amplamente interfaces como portas seriais e portas paralelas e se tornou comum em vários dispositivos. Periféricos conectados via USB incluem teclados e mouses de computador, câmeras de vídeo, impressoras, players de mídia portáteis, telefones digitais móveis (portáteis), unidades de disco e adaptadores de rede.

Os conectores USB têm substituído cada vez mais outros tipos de cabos de carregamento para dispositivos portáteis.[10][11][12]

As interfaces dos conectores USB são classificadas em três tipos: os vários conectores legados Tipo-A (upstream) e Tipo-B (downstream) encontrados em hosts, hubs e dispositivos periféricos, e o moderno Tipo-C (USB-C) conector, que substitui os muitos conectores legados como o único conector aplicável para USB4.

Os conectores Tipo-A e Tipo-B existiam nos tamanhos Padrão, Mini e Micro. O formato padrão era o maior e era utilizado principalmente para desktops e equipamentos periféricos maiores. Os conectores Mini-USB (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) foram introduzidos para dispositivos móveis. No entanto, foram rapidamente substituídos pelos conectores Micro-USB mais finos (Micro-A, Micro-B, Micro-AB). O conector Tipo-C, também conhecido como USB-C, não é exclusivo do USB, é o único padrão atual para USB, é obrigatório para USB4 e é exigido por outros padrões, incluindo DisplayPort e Thunderbolt modernos. Ele é reversível e pode suportar várias funcionalidades e protocolos, incluindo USB; alguns são obrigatórios e muitos são opcionais, dependendo do tipo de hardware: host, dispositivo periférico ou hub.[13][14]

As especificações USB fornecem compatibilidade retroativa, geralmente resultando em taxas de sinalização reduzidas, potência máxima oferecida e outras capacidades. A especificação USB 1.1 substitui a USB 1.0. A especificação USB 2.0 é compatível com versões anteriores da USB 1.0/1.1. A especificação USB 3.2 substitui a USB 3.1 (e USB 3.0) enquanto inclui a especificação USB 2.0. O USB4 "substitui funcionalmente" o USB 3.2, mantendo o barramento USB 2.0 operando em paralelo.[5][6][7][2]

A especificação USB 3.0 definiu uma nova arquitetura e protocolo denominado SuperSpeed (também conhecido como SuperSpeed USB, comercializado como SS), que incluía um novo canal para um novo esquema de codificação de sinal (símbolos 8b/10b, 5 Gbit/s; posteriormente também conhecido como Gen 1), proporcionando transferências de dados full-duplex que exigiam fisicamente cinco fios e pinos adicionais, enquanto preservava a arquitetura e os protocolos USB 2.0 e, portanto, mantendo os quatro pinos/fios originais para compatibilidade retroativa com USB 2.0, resultando em um total de 9 fios (com 9 ou 10 pinos nas interfaces do conector; o pino ID não é conectado).

A especificação USB 3.1 introduziu um Sistema SuperSpeed Aprimorado – preservando a arquitetura e o protocolo SuperSpeed (USB SuperSpeed) – com uma arquitetura e protocolo SuperSpeedPlus adicionais (também conhecido como SuperSpeedPlus USB) adicionando um novo esquema de codificação (símbolos 128b/132b, 10 Gbit/s; também conhecido como Gen 2); por algum tempo comercializado como SuperSpeed+ (SS+).

A especificação USB 3.2[15] adicionou uma segunda via ao *Enhanced SuperSpeed System*, além de outras melhorias, de modo que a parte do sistema *SuperSpeedPlus USB* implementa os modos de operação *Gen 1×2*, *Gen 2×1* e *Gen 2×2*. No entanto, a parte *SuperSpeed USB* do sistema ainda implementa o modo de operação de uma via *Gen 1×1*. Portanto, as operações de duas vias, nomeadamente *USB 3.2 Gen 1×2* (10 Gbit/s) e *Gen 2×2* (20 Gbit/s), só são possíveis com USB-C de Funcionalidade Completa. Em 2023, elas são implementadas com pouca frequência; a Intel, no entanto, começou a incluí-las em seus modelos de processadores SoC de 11ª geração, mas a Apple nunca as forneceu. Por outro lado, *USB 3.2 Gen 1(×1)* (5 Gbit/s) e *Gen 2(×1)* (10 Gbit/s) são bastante comuns há alguns anos.

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Artigo principal: USB hardware § Conectores

Cada conexão USB é feita usando dois conectores: um receptáculo e um plugue. As imagens mostram apenas receptáculos:

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O Barramento Serial Universal foi desenvolvido para simplificar e melhorar a interface entre computadores pessoais e dispositivos periféricos, como celulares, acessórios de computador e monitores, em comparação com interfaces padrão ou proprietárias ad hoc existentes anteriormente.[17]

Da perspectiva do usuário de computador, a interface USB melhora a facilidade de uso de várias maneiras:

O padrão USB também oferece múltiplos benefícios para fabricantes de hardware e desenvolvedores de software, especialmente na relativa facilidade de implementação:

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Como todos os padrões, o USB possui múltiplas limitações em seu design:

Para um desenvolvedor de produtos, usar USB requer a implementação de um protocolo complexo e implica um controlador "inteligente" no dispositivo periférico. Desenvolvedores de dispositivos USB destinados à venda ao público geralmente devem obter um ID USB, o que exige o pagamento de uma taxa aoFórum de Implementadores USB (USB-IF). Desenvolvedores de produtos que utilizam a especificação USB devem assinar um acordo com o USB-IF. O uso dos logotipos USB no produto exige taxas anuais e filiação à organização.[17]

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O logotipo básico do USB tridente

Um grupo de sete empresas iniciou o desenvolvimento do USB em 1995:[21] Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, e Nortel. O objetivo era tornar fundamentalmente mais fácil conectar dispositivos externos a PCs, substituindo a multitude de conectores na parte traseira dos PCs, resolvendo os problemas de usabilidade das interfaces existentes, simplificando a configuração de software de todos os dispositivos conectados ao USB, além de permitir maiores taxas de transferência de dados para dispositivos externos e plug and play recursos.[22] Conceitos do barramento serial Atari SIO de 1979, dos computadores Atari de 8 bits, e do IEEE-488 derivado Barramento Commodore, e da Hewlett Packard HP-IL barramento pioneiro nessa abordagem.[23][24] Um consórcio liderado pela Apple, e contendo Sony, Panasonic (Matsushita), LG, Toshiba, Hitachi, Cannon, Philips Electronics, Compaq, Thomson e Texas Instruments, desenvolveu o conceito a partir de 1986, como o IEEE 1394 padrão firewire e pool de patentes.[25] Joseph C. Decuir, originalmente da Atari, depois da Commodore, e designer do barramento comum Atari SIO, trabalharia no projeto USB, para a Microsoft, obtendo uma das patentes dos EUA relacionadas.[26] Ajay Bhatt e sua equipe[a] trabalharam no padrão na Intel;[28][29] os primeiros circuitos integrados com suporte a USB foram produzidos pela Intel em 1995.[30]

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O logotipo USB de velocidade básica

Lançado em janeiro de 1996, o USB 1.0 especificava taxas de sinalização de 1,5 Mbit/s (Baixa Largura de Banda ou Baixa Velocidade) e 12 Mbit/s (Velocidade Total).[31] Não permitia cabos de extensão devido a limitações de temporização e energia. Poucos dispositivos USB chegaram ao mercado até o lançamento do USB 1.1 em agosto de 1998. O USB 1.1 foi a primeira revisão amplamente adotada e levou ao que a Microsoft designou como "PC Livre de Legado".[32][33][34]

Nem o USB 1.0 nem o 1.1 especificaram um design para qualquer conector menor que o tipo A ou tipo B padrão. Embora muitos designs para um conector tipo B miniaturizado tenham aparecido em muitos periféricos, a conformidade com o padrão USB 1.x era prejudicada ao tratar periféricos que tinham conectores miniatura como se tivessem uma conexão fixa (ou seja: sem plugue ou receptáculo na extremidade do periférico). Não havia nenhum conector tipo A miniatura conhecido até o USB 2.0 (revisão 1.01) introduzir um.

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O logotipo Hi-Speed USB

O USB 2.0 foi lançado em abril de 2000, adicionando uma taxa máxima de sinalização mais alta de 480 Mbit/s (taxa máxima teórica de transferência de dados de 53 MByte/s[35]), chamada de High Speed ou High Bandwidth, além da taxa de sinalização Full Speed do USB 1.x de 12 Mbit/s (taxa máxima teórica de transferência de dados de 1,2 MByte/s).[36]

Modificações na especificação USB foram feitas por meio de avisos de alteração de engenharia (ECNs). Os mais importantes desses ECNs estão incluídos no pacote de especificações USB 2.0 disponível em USB.org:[37]

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Artigo principal: USB 3.0

Logotipo SuperSpeed USB obsoleto

A especificação USB 3.0 foi lançada em 12 de novembro de 2008, com sua gestão transferida do USB 3.0 Promoter Group para o USB Implementers Forum (USB-IF) e anunciada em 17 de novembro de 2008 na SuperSpeed USB Developers Conference.[39]

O USB 3.0 adiciona uma nova arquitetura e protocolo chamado SuperSpeed, com retrocompatíveis plugues, receptáculos e cabos. Plugues e receptáculos SuperSpeed são identificados com um logotipo distinto e inserções azuis em receptáculos de formato padrão.

A arquitetura SuperSpeed fornece um modo de operação a uma taxa de 5,0 Gbit/s, além dos três modos de operação existentes. Sua eficiência depende de vários fatores, incluindo codificação de símbolos físicos e sobrecarga no nível do enlace. A uma taxa de sinalização de 5 Gbit/s com codificação 8b/10b, cada byte precisa de 10 bits para transmitir, então a taxa de transferência bruta é de 500 MB/s. Quando o controle de fluxo, o encapsulamento de pacotes e a sobrecarga do protocolo são considerados, é realista que cerca de dois terços da taxa de transferência bruta, ou 330 MB/s, sejam transmitidos para uma aplicação.[40]: 4–19  A arquitetura do SuperSpeed é full-duplex; todas as implementações anteriores, USB 1.0-2.0, são half-duplex, arbitradas pelo host.[41]

Dispositivos de baixa e alta potência permanecem operacionais com este padrão, mas dispositivos que implementam SuperSpeed podem fornecer uma corrente aumentada entre 150 mA e 900 mA, em etapas discretas de 150 mA.[40]: 9–9 

O USB 3.0 também introduziu o Protocolo SCSI Anexado por USB (UASP), que geralmente fornece velocidades de transferência mais rápidas do que o protocolo BOT (Bulk-Only-Transfer).

USB 3.1,[5] lançado em julho de 2013, possui duas variantes. A primeira preserva a arquitetura e o protocolo SuperSpeed do USB 3.0, e seu modo de operação é renomeado como USB 3.1 Gen 1,[42][43][44] enquanto a segunda versão introduz uma arquitetura e um protocolo SuperSpeedPlus distintamente novos, com um segundo modo de operação denominado USB 3.1 Gen 2 (comercializado como SuperSpeed+ USB). O SuperSpeed+ dobra a taxa máxima de sinalização para 10 Gbit/s (posteriormente comercializado como SuperSpeed USB 10 Gbps pela especificação USB 3.2), ao mesmo tempo que reduz a sobrecarga de codificação de linha para apenas 3% ao alterar aesquema de codificação para 128b/132b.[42][45]

USB 3.2, lançado em setembro de 2017,[15] preserva as arquiteturas e protocolos existentes do USB 3.1 SuperSpeed e SuperSpeedPlus e seus respectivos modos de operação, mas introduz dois modos de operação SuperSpeedPlus adicionais (USB 3.2 Gen 1×2 e USB 3.2 Gen 2×2) com o novo USB-C Fabric com taxas de sinalização de 10 e 20 Gbit/s (taxas de dados brutos de 1212 e 2424 MB/s). O aumento na largura de banda é resultado da operação em duas vias sobre os fios existentes que foram originalmente destinados às capacidades flip-flop do conector USB-C.[46]

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A partir da especificação USB 3.2, o USB-IF introduziu um novo esquema de nomenclatura.[47] Para ajudar as empresas com a marca dos diferentes modos de operação, o USB-IF recomendou a marcação das capacidades de 5, 10 e 20 Gbit/s como SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10 Gbps e SuperSpeed USB 20 Gbps, respectivamente.[48]

Em 2023, eles foram substituídos novamente,[49] removendo "SuperSpeed", com USB 5Gbps, USB 10Gbps e USB 20Gbps. Com novos logotipos de Embalagem e Porta.[50]

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Artigo principal: USB4

Logotipo obsoleto do USB4 certificado

A especificação USB4 foi lançada em 29 de agosto de 2019 pelo USB Implementers Forum.[51]

A especificação USB4 2.0 foi lançada em 1 de setembro de 2022 pelo USB Implementers Forum.[52]

O USB4 é baseado no Thunderbolt 3 protocolo.[53] Suporta uma taxa de transferência de 40 Gbit/s, é compatível com Thunderbolt 3 e retroativo com USB 3.2 e USB 2.0.[54][55] A arquitetura define um método para compartilhar dinamicamente um único link de alta velocidade com vários tipos de dispositivos finais, que melhor atende à transferência de dados por tipo e aplicação.

Durante CES 2020, a USB-IF e a Intel declararam sua intenção de permitir produtos USB4 que suportem todas as funcionalidades opcionais como Thunderbolt 4 produtos.

USB4 2.0 com velocidades de 80 Gbit/s seria revelado em novembro de 2022.[56][57] Mais detalhes técnicos seriam divulgados em dois dias de desenvolvedores USB agendados para novembro de 2022.[58][precisa de atualização]

A especificação USB4 estabelece que as seguintes tecnologias devem ser suportadas pelo USB4:[2]

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Uma visão geral do esquema de nomenclatura USB que foi implementado em setembro de 2022

(Uma mistura de especificações USB e seus nomes de marketing está sendo exibida

porque as especificações às vezes são usadas incorretamente como nomes de marketing.)

[disputado (por: USB4 20 Gbit/s não existe; USB4 2×2 não é intercambiável com USB 3.2 2×2 conforme indicado pelo logotipo; os logotipos para USB 3.x e USB4 são diferentes.) – discutir]

Devido aos esquemas de nomenclatura confusos anteriores, o USB-IF decidiu alterá-los mais uma vez. A partir de 2 de setembro de 2022, os nomes de marketing seguem a sintaxe "USB xGbps", onde x é a velocidade de transferência em Gbit/s.[59] Uma visão geral dos nomes e logotipos atualizados pode ser vista na tabela adjacente.

Os modos de operação USB 3.2 Gen 2×2 e USB4 Gen 2×2 – ou: USB 3.2 Gen 2×1 e USB4 Gen 2×1 – não são intercambiáveis ou compatíveis; todos os controladores participantes devem operar no mesmo modo.

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Um sistema USB consiste em um hospedeiro com uma ou mais portas voltadas para downstream (DFP),[67] e múltiplos periféricos, formando uma topologia emestrela. Hubs USBadicionais pode ser incluído, permitindo até cinco níveis. Um host USB pode ter vários controladores, cada um com uma ou mais portas. Até 127 dispositivos podem ser conectados a um único controlador host.[68][40]: 8–29  Os dispositivos USB são ligados em série através de hubs. O hub integrado no controlador host é chamado de hub raiz.

Um dispositivo USB pode consistir em vários subdispositivos lógicos, chamados de funções do dispositivo. Um dispositivo composto pode fornecer várias funções, por exemplo, uma webcam (função de dispositivo de vídeo) com um microfone embutido (função de dispositivo de áudio). Uma alternativa para isso é um dispositivo composto, no qual o host atribui a cada dispositivo lógico um endereço distinto e todos os dispositivos lógicos se conectam a um hub embutido que se conecta ao cabo USB físico.

Os endpoints USB residem no dispositivo periférico: Os canais para o host são chamados de pipes.

A comunicação de dispositivos USB é baseada em pipes (canais lógicos). Um pipe conecta o controlador host a uma entidade lógica dentro de um dispositivo, chamada de endpoint. Como os pipes correspondem aos endpoints, os termos às vezes são usados de forma intercambiável. Cada dispositivo USB pode ter até 32 endpoints (16 de entrada e 16 de saída), embora seja raro ter tantos. Os endpoints são definidos e numerados pelo dispositivo durante a inicialização (o período após a conexão física chamado de enumeração) e, portanto, são relativamente permanentes, enquanto os pipes podem ser abertos e fechados.

Existem dois tipos de pipe: stream e mensagem.

Quando um host inicia uma transferência de dados, ele envia um pacote TOKEN contendo um endpoint especificado com um tuplade (device_address, endpoint_number). Se a transferência for do host para o endpoint, o host envia um pacote OUT (uma especialização de um pacote TOKEN) com o endereço do dispositivo e o número do endpoint desejados. Se a transferência de dados for do dispositivo para o host, o host envia um pacote IN. Se o endpoint de destino for unidirecional e a direção designada pelo fabricante não corresponder ao pacote TOKEN (por exemplo, a direção designada pelo fabricante é IN enquanto o pacote TOKEN é um pacote OUT), o pacote TOKEN é ignorado. Caso contrário, ele é aceito e a transação de dados pode começar. Um endpoint bidirecional, por outro lado, aceita tanto pacotes IN quanto OUT.

Dois receptores USB 3.0 Standard-A (esquerda) e dois receptores USB 2.0 Standard-A (direita) no painel frontal de um computador

Os endpoints são agrupados em interfaces e cada interface está associada a uma única função do dispositivo. Uma exceção a isso é o endpoint zero, que é usado para configuração do dispositivo e não está associado a nenhuma interface. Uma única função de dispositivo composta por interfaces controladas de forma independente é chamada de dispositivo composto. Um dispositivo composto possui apenas um único endereço de dispositivo, pois o host atribui um endereço de dispositivo apenas a uma função.

Quando um dispositivo USB é conectado pela primeira vez a um host USB, o processo de enumeração do dispositivo USB é iniciado. A enumeração começa enviando um sinal de reset para o dispositivo USB. A taxa de sinalização do dispositivo USB é determinada durante a sinalização de reset. Após o reset, as informações do dispositivo USB são lidas pelo host e um endereço único de 7 bits é atribuído ao dispositivo. Se o dispositivo for suportado pelo host, os drivers de dispositivo necessários para a comunicação com o dispositivo são carregados e o dispositivo é configurado para um estado configurado. Se o host USB for reiniciado, o processo de enumeração é repetido para todos os dispositivos conectados.

O controlador host direciona o fluxo de tráfego para os dispositivos, portanto, nenhum dispositivo USB pode transferir dados no barramento sem uma solicitação explícita do controlador host. No USB 2.0, o controlador host pesquisas o barramento para tráfego, geralmente em umround-robin moda. A taxa de transferência de cada porta USB é determinada pela velocidade mais lenta entre a porta USB ou o dispositivo USB conectado à porta.

Hubs USB 2.0 de alta velocidade contêm dispositivos chamados tradutores de transação que convertem entre barramentos USB 2.0 de alta velocidade e barramentos de velocidade total e baixa. Pode haver um tradutor por hub ou por porta.

Como existem dois controladores separados em cada host USB 3.0, os dispositivos USB 3.0 transmitem e recebem nas taxas de sinalização USB 3.0, independentemente de dispositivos USB 2.0 ou anteriores conectados a esse host. As taxas de sinalização operacionais para dispositivos anteriores são definidas da maneira legada.

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A funcionalidade de um dispositivo USB é definida por um código de classe enviado a um host USB. Isso permite que o host carregue módulos de software para o dispositivo e suporte novos dispositivos de diferentes fabricantes.

As classes de dispositivos incluem:[70]

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Veja também: Classe de dispositivo de armazenamento em massa USB, Gabinete de disco, e Unidade de disco rígido externa

Um dispositivo flash, um dispositivo típico de armazenamento em massa USB

Um M.2 (2242) unidade de estado sólido (SSD) conectado a um adaptador USB 3.0 conectado ao computador

O classe de dispositivo de armazenamento em massa USB (MSC ou UMS) padroniza conexões com dispositivos de armazenamento. Inicialmente destinado a unidades magnéticas e ópticas, foi estendido para suportar unidades flash e cartão SD leitores. A capacidade de inicializar um dispositivo protegido contra gravação Cartão SD com um adaptador USB é particularmente vantajoso para manter a integridade e o estado imaculado e não corrompível do meio de inicialização.

Embora a maioria dos computadores pessoais desde o início de 2005 possa inicializar a partir de dispositivos de armazenamento em massa USB, o USB não é destinado como um barramento principal para armazenamento interno de um computador. No entanto, o USB tem a vantagem de permitir hot-swapping, tornando-o útil para periféricos móveis, incluindo unidades de vários tipos.

Vários fabricantes oferecem unidades portáteis USB externas discos rígidos, ou gabinetes vazios para unidades de disco. Estes oferecem desempenho comparável às unidades internas, limitado pelo número e tipos de dispositivos USB conectados, e pelo limite superior da interface USB. Outros padrões concorrentes para conectividade de unidades externas incluem eSATA, ExpressCard, FireWire (IEEE 1394), e mais recentemente Thunderbolt.

Outro uso para dispositivos de armazenamento em massa USB é a execução portátil de aplicativos de software (como navegadores web e clientes VoIP) sem a necessidade de instalá-los no computador host.[74][75]

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Veja também: Protocolo de Transferência de Imagens

Protocolo de Transferência de Mídia (MTP) foi projetado pela Microsoft para fornecer acesso de nível superior ao sistema de arquivos de um dispositivo do que o armazenamento em massa USB, no nível de arquivos em vez de blocos de disco. Ele também possui recursos opcionais de DRM. O MTP foi projetado para uso com players de mídia portáteis, mas desde então foi adotado como o principal protocolo de acesso a armazenamento do sistema operacional Android da versão 4.1 Jelly Bean, bem como do Windows Phone 8 (dispositivos Windows Phone 7 usavam o protocolo Zune — uma evolução do MTP). A principal razão para isso é que o MTP não exige acesso exclusivo ao dispositivo de armazenamento como o UMS faz, aliviando possíveis problemas caso um programa Android solicite o armazenamento enquanto ele está conectado a um computador. A principal desvantagem é que o MTP não é tão bem suportado fora dos sistemas operacionais Windows.

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Artigo principal: Classe de dispositivo de interface humana USB

Um mouse ou teclado USB geralmente pode ser usado com computadores mais antigos que possuem Portas PS/2 com a ajuda de um pequeno adaptador USB para PS/2. Para mouses e teclados com suporte a dois protocolos, um adaptador passivo que não contém circuito lógico pode ser usado: o hardware USBno teclado ou mouse foi projetado para detectar se está conectado a uma porta USB ou PS/2 e comunicar-se usando o protocolo apropriado.[carece de fontes] Também existem conversores ativos que conectam teclados e mouses USB (geralmente um de cada) a portas PS/2.[76]

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Atualização de Firmware do Dispositivo (DFU) é um mecanismo genérico para atualizar o firmware de dispositivos USB com versões melhoradas fornecidas pelos seus fabricantes, oferecendo (por exemplo) uma forma de implementar correções de firmware. Durante a operação de atualização de firmware, os dispositivos USB mudam seu modo de funcionamento, tornando-se efetivamente uma PROM programador. Qualquer classe de dispositivo USB pode implementar essa capacidade seguindo as especificações oficiais de DFU. Isso permite o uso de ferramentas host compatíveis com DFU para atualizar o dispositivo.[73][77][78]

DFU é às vezes usado como um protocolo de programação de memória flash em microcontroladores com funcionalidade de bootloader USB integrada. [79]

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O Grupo de Trabalho de Dispositivos USB estabeleceu especificações para streaming de áudio, e padrões específicos foram desenvolvidos e implementados para usos de classe de áudio, como microfones, alto-falantes, headsets, telefones, instrumentos musicais, etc. O grupo de trabalho publicou três versões das especificações de dispositivos de áudio:[80][81] USB Audio 1.0, 2.0 e 3.0, referidas como "UAC"[82] ou "ADC".[83]

O UAC 3.0 introduz principalmente melhorias para dispositivos portáteis, como redução do consumo de energia ao enviar dados em rajadas e permanecer mais tempo em modo de baixa energia, e domínios de energia para diferentes componentes do dispositivo, permitindo que sejam desligados quando não estiverem em uso.[84]

O UAC 2.0 introduziu suporte para USB de Alta Velocidade (além da Velocidade Total), permitindo maior largura de banda para interfaces multicanal, taxas de amostragem mais altas,[85] latência inerente mais baixa,[86][82] e uma melhoria de 8× na resolução de temporização em modos síncronos e adaptativos.[82] O UAC2 também introduziu o conceito de domínios de clock, que fornece informações ao host sobre quais terminais de entrada e saída derivam seus clocks da mesma fonte, além de melhor suporte para codificações de áudio comoDSD, efeitos de áudio, agrupamento de canais, controles do usuário e descrições de dispositivos.[82][87]

Dispositivos UAC 1.0 ainda são comuns, no entanto, devido à sua compatibilidade multiplataforma sem drivers,[85] e também em parte devido àMicrosoftfalha em implementar UAC 2.0 por mais de uma década após sua publicação, tendo finalmente adicionado suporte aoWindows 10 através da Atualização de Criadores em 20 de março de 2017.[88][89][87] UAC 2.0 também é suportado pelomacOS, iOS, e Linux,[82] no entanto Android implementa apenas um subconjunto da especificação UAC 1.0.[90]

O USB fornece três tipos de sincronização isócrona (largura de banda fixa),[91] todos usados por dispositivos de áudio:[92]

Embora a especificação USB originalmente descrevesse o modo assíncrono sendo usado em "alto-falantes de baixo custo" e o modo adaptativo em "alto-falantes digitais de alta qualidade",[96] a percepção oposta existe no alta fidelidade mundo, onde o modo assíncrono é anunciado como um recurso, e os modos adaptativo/síncrono têm má reputação.[97][98][90] Na realidade, todos os tipos podem ser de alta ou baixa qualidade, dependendo da qualidade de sua engenharia e da aplicação.[94][82][99] O modo assíncrono tem a vantagem de não estar vinculado ao clock do computador, mas a desvantagem de exigir conversão de taxa de amostragem ao combinar múltiplas fontes.

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Artigo principal: Conectores USB § Conectores

Os conectores especificados pelo comitê USB suportam vários dos objetivos fundamentais do USB e refletem lições aprendidas com os muitos conectores que a indústria de computadores tem utilizado. O conector fêmea montado no host ou dispositivo é chamado de receptáculo, e o conector macho preso ao cabo é chamado de plugue.[40]: 2-5–2-6  Os documentos oficiais da especificação USB também definem periodicamente o termo macho para representar o plugue, e fêmea para representar o receptáculo.[100]

O plugue USB Standard-A, antes o tipo mais comum de conector USB, agora um dos muitos tipos legados de conector USB

O design visa dificultar a inserção incorreta de um plugue USB em seu receptáculo. A especificação USB exige que o plugue do cabo e o receptáculo sejam marcados para que o usuário possa reconhecer a orientação correta.[40] No entanto, o plugue USB-C é reversível. Cabos USB e pequenos dispositivos USB são mantidos no lugar pela força de aperto do receptáculo, sem parafusos, clipes ou travas giratórias como alguns conectores usam.

USB Mini-B (direita) e seu sucessor USB Micro-B (esquerda). Estes eram os tipos mais comuns de conectores USB em hardware portátil e de pequeno porte até a criação do USB Tipo-C.

Os diferentes plugs A e B evitam conectar acidentalmente duas fontes de energia. No entanto, parte dessa topologia direcionada é perdida com o advento das conexões USB multiuso (como USB On-The-Go em smartphones e roteadores Wi-Fi alimentados por USB), que exigem cabos A-A, B-B e, às vezes, cabos Y/divisores.

Os tipos de conectores USB multiplicaram-se à medida que a especificação avançava. A especificação USB original detalhava os plugues e receptáculos padrão-A e padrão-B. Os conectores eram diferentes para que os usuários não pudessem conectar um receptáculo de computador a outro. Os pinos de dados nos plugues padrão são recuados em comparação com os pinos de alimentação, para que o dispositivo possa ser energizado antes de estabelecer uma conexão de dados. Alguns dispositivos operam em modos diferentes dependendo se a conexão de dados é estabelecida. As bases de carregamento fornecem energia e não incluem um dispositivo host ou pinos de dados, permitindo que qualquer dispositivo USB compatível carregue ou opere a partir de um cabo USB padrão. Os cabos de carregamento fornecem conexões de energia, mas não de dados. Em um cabo somente para carregamento, os fios de dados são curto-circuitados na extremidade do dispositivo; caso contrário, o dispositivo pode rejeitar o carregador como inadequado.

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Artigo principal:USB hardware § Cablagem

Uma variedade de cabos USB à venda emHong Kong

O padrão USB 1.1 especifica que um cabo padrão pode ter um comprimento máximo de 5 metros (16 pés e 5 polegadas) com dispositivos operando em velocidade total (12 Mbit/s), e um comprimento máximo de 3 metros (9 pés e 10 polegadas) com dispositivos operando em baixa velocidade (1,5 Mbit/s).[101][102][103]

O USB 2.0 prevê um comprimento máximo de cabo de 5 metros (16 pés e 5 polegadas) para dispositivos operando em alta velocidade (480 Mbit/s).[103]

O padrão USB 3.0 não especifica diretamente um comprimento máximo de cabo, exigindo apenas que todos os cabos atendam a uma especificação elétrica: para cabos de cobre comAWG26 fios, o comprimento prático máximo é de 3 metros (9 pés e 10 polegadas).[104]

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Cabos de ponte USB, ou cabos de transferência de dados, podem ser encontrados no mercado, oferecendo conexões diretas entre PCs. Um cabo de ponte é um cabo especial com um chip e eletrônicos ativos no meio do cabo. O chip no meio do cabo atua como um periférico para ambos os computadores e permite comunicação ponto a ponto entre eles. Os cabos de ponte USB são usados para transferir arquivos entre dois computadores através de suas portas USB.

Popularizado pela Microsoft como Windows Easy Transfer, o utilitário da Microsoft usava um cabo USB especial de ponte para transferir arquivos pessoais e configurações de um computador executando uma versão anterior do Windows para um computador executando uma versão mais recente. No contexto do uso do software Windows Easy Transfer, o cabo de ponte às vezes pode ser referido como cabo Easy Transfer.

Muitos cabos de ponte/transferência de dados USB ainda são USB 2.0, mas também existem vários cabos de transferência USB 3.0. Apesar do USB 3.0 ser 10 vezes mais rápido que o USB 2.0, os cabos de transferência USB 3.0 são apenas 2 a 3 vezes mais rápidos devido ao seu design.[esclarecimento necessário]

A especificação USB 3.0 introduziu um cabo cruzado A-A sem alimentação para conectar dois PCs. Estes não são destinados à transferência de dados, mas sim para usos de diagnóstico.

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Os cabos de ponte USB tornaram-se menos importantes com as capacidades de dispositivo de dupla função introduzidas na especificação USB 3.1. De acordo com as especificações mais recentes, o USB suporta a maioria dos cenários de conexão direta entre sistemas usando um cabo Tipo-C. No entanto, para que essa capacidade funcione, os sistemas conectados devem suportar a troca de funções. As capacidades de dupla função exigem que haja dois controladores dentro do sistema, além de um controlador de função. Embora isso possa ser esperado em uma plataforma móvel, como um tablet ou telefone, PCs de mesa e laptops geralmente não suportam funções duplas.[105]

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Artigo principal:USB hardware § Energia

Os conectores USB upstream fornecem energia a 5 V CC nominais através do pino V_BUS para dispositivos USB downstream.

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Esta seção descreve o modelo de distribuição de energia do USB que existia antes de Power-Delivery (USB-PD). Em dispositivos que não usam PD, o USB fornece até 4,5 W através de conectores Tipo-A e Tipo-B, e até 15 W através de USB-C. Toda a energia USB pré-PD é fornecida a 5 V.

Para um host que fornece energia a dispositivos, o USB tem o conceito de carga unitária. Qualquer dispositivo pode consumir energia de uma unidade, e os dispositivos podem solicitar mais energia nessas etapas discretas. Não é obrigatório que o host forneça a energia solicitada, e um dispositivo não pode consumir mais energia do que a negociada.

Dispositivos que consomem no máximo uma unidade são chamados de dispositivos de baixa potência. Todos os dispositivos devem atuar como dispositivos de baixa potência ao iniciar como não configurados. Para dispositivos USB até USB 2.0, uma unidade de carga é 100 mA (ou 500 mW), enquanto USB 3.0 define uma unidade de carga como 150 mA (750 mW). USB-C completo pode suportar dispositivos de baixa potência com uma unidade de carga de 250 mA (ou 1250 mW).

Dispositivos que consomem mais de uma unidade são dispositivos de **alta potência** (como unidades típicas de disco rígido de 2,5 polegadas). O USB até 2.0 permite que um host ou hub forneça até 2,5 W para cada dispositivo, em cinco etapas discretas de 100 mA, e dispositivos SuperSpeed (USB 3.x) permitem que um host ou hub forneça até 4,5 W em seis etapas de 150 mA. O USB-C permite a operação em duas vias do USB 3.x com uma carga unitária maior (250 mA; até 7,5 W).[106] O USB-C também permite a Corrente Tipo-C como substituta do USB BC, sinalizando a disponibilidade de energia de forma simples, sem necessidade de qualquer conexão de dados.[107]

Para reconhecer o modo de Carregamento de Bateria, uma porta de carregamento dedicada coloca uma resistência não superior a 200 Ω entre os terminais D+ e D−. Linhas de dados em curto ou quase em curto, com menos de 200 Ω de resistência entre os terminais D+ e D−, indicam uma porta de carregamento dedicada (DCP) com taxas de carregamento indefinidas.[108][109]

Além do USB padrão, existe um sistema proprietário de alta potência conhecido como PoweredUSB, desenvolvido na década de 1990, e usado principalmente em terminais de ponto de venda, como caixas registradoras.

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Artigo principal: Comunicações USB § Sinalização (USB PHY)

Os sinais USB são transmitidos usando sinalização diferencial em par trançado fios de dados com 90 Ω ± 15% impedância característica.[110] USB 2.0 e especificações anteriores definem um único par em half-duplex (HDx). As especificações USB 3.0 e posteriores definem um par dedicado para compatibilidade com USB 2.0 e dois ou quatro pares para transferência de dados: dois pares de fios de dados realizando full-duplex (FDx) para variantes de faixa única (×1) exigem pelo menos conectores SuperSpeed (SS); quatro pares realizando full-duplex para variantes de duas faixas (×2) exigem conectores USB-C.

USB4 Gen 4 exige o uso de todos os quatro pares, mas permite configurações de pares assimétricos.[111] Neste caso, um par de fios de dados é usado para os dados upstream e os outros três para os dados downstream ou vice-versa. USB4 Gen 4 usa modulação por amplitude de pulso em 3 níveis, fornecendo uma trit de informações a cada baud transmitidos, a frequência de transmissão de 12,8 GHz se traduz em uma taxa de transmissão de 25,6 GBd[112] e a tradução de 11 bits para 7 trits fornece uma velocidade máxima teórica de transmissão de pouco mais de 40,2 Gbit/s.[113]

Uma conexão USB ocorre sempre entre uma extremidade **A**, que pode ser um **hospedeiro** ou uma porta downstream de um hub, e uma extremidade **B**, que pode ser um **dispositivo periférico** ou a porta upstream de um hub. Historicamente, isso era evidente pelo fato de que os hospedeiros possuíam apenas portas Tipo-A e os dispositivos periféricos apenas portas Tipo-B, e cada cabo compatível tinha um conector Tipo-A e um conector Tipo-B. O USB-C (Tipo-C) é um único conector que substitui todos os conectores legados Tipo-A e Tipo-B. Portanto, quando ambos os lados estão equipados com portas USB Tipo-C, eles negociam qual será o **hospedeiro** e qual será o **dispositivo**.

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Artigo principal: USB (Comunicações) § Camada de protocolo

Durante a comunicação USB, os dados são transmitidos como pacotes. Inicialmente, todos os pacotes são enviados do host através do hub raiz, e possivelmente de mais hubs, para os dispositivos. Alguns desses pacotes direcionam um dispositivo para enviar alguns pacotes em resposta.

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Artigo principal: USB (Comunicações) § Transação

As transações básicas do USB são:

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O logotipo do Wireless USB

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O Fórum de Implementadores USB introduziu o padrão de comunicação sem fio Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0 baseado no protocolo USB em 29 de julho de 2015. USB sem fio é uma tecnologia de substituição de cabos e utiliza banda ultralarga tecnologia sem fio para taxas de dados de até 480 Mbit/s.[114]

O USB-IF usou a especificação WiGig Serial Extension v1.2 como base inicial para a especificação MA-USB e é compatível com SuperSpeed USB (3.0 e 3.1) e Hi-Speed USB (USB 2.0). Dispositivos que usam MA-USB serão marcados como "Powered by MA-USB", desde que o produto seja qualificado em seu programa de certificação.[115]

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Artigo principal: USB InterChip

InterChip USB é uma variante chip-para-chip que elimina os transceptores convencionais encontrados no USB normal. O HSIC camada física usa cerca de 50% menos energia e 75% menos placa área em comparação com USB 2.0.[116] É um padrão alternativo para SPI e I2C.

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Artigo principal: USB-C

USB-C (oficialmente USB Type-C) é um padrão que define um novo conector e vários novos recursos de conexão. Entre eles, suporta o Modo Alternativo, que permite transportar outros protocolos através do conector e cabo USB-C. Isso é comumente usado para suportar o DisplayPort ou HDMI protocolos, que permite conectar um display, como um monitor de computador ou televisor, via USB-C.

Todos os outros conectores não são capazes de operações de duas vias (Gen 1×2 e Gen 2×2) no USB 3.2, mas podem ser usados para operações de uma via (Gen 1×1 e Gen 2×1).[117]

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Artigo principal: DisplayLink

DisplayLink é uma tecnologia que permite conectar vários monitores a um computador via USB. Foi introduzida por volta de 2006 e, antes do advento do Modo Alternativo sobre USB-C, era a única maneira de conectar monitores via USB. É uma tecnologia proprietária, não padronizada pelo USB Implementers Forum e normalmente requer um driver de dispositivo no computador.

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No início, o USB era considerado um complemento ao FireWire (IEEE 1394) tecnologia, que foi projetada como um barramento serial de alta largura de banda que interconecta eficientemente periféricos como unidades de disco, interfaces de áudio e equipamentos de vídeo. No design inicial, o USB operava a uma taxa de dados muito menor e usava hardware menos sofisticado. Era adequado para pequenos periféricos como teclados e dispositivos apontadores.

As diferenças técnicas mais significativas entre FireWire e USB incluem:

Essas e outras diferenças refletem os distintos objetivos de design dos dois barramentos: o USB foi projetado para simplicidade e baixo custo, enquanto o FireWire foi desenvolvido para alto desempenho, especialmente em aplicações sensíveis ao tempo, como áudio e vídeo. Embora semelhantes em taxa máxima teórica de sinalização, o FireWire 400 é mais rápido que o USB 2.0 de alta largura de banda em uso real,[118] especialmente em aplicações de alta largura de banda, como discos rígidos externos.[119][120][121][122] O padrão mais recente FireWire 800 é duas vezes mais rápido que o FireWire 400 e mais rápido que o USB 2.0 de alta largura de banda, tanto teoricamente quanto na prática.[123] No entanto, as vantagens de velocidade do FireWire dependem de técnicas de baixo nível, comoacesso direto à memória (DMA), que por sua vez criaram oportunidades para explorações de segurança, como o Ataque DMA.

O chipset e os drivers usados para implementar USB e FireWire têm um impacto crucial na quantidade de largura de banda prescrita pela especificação que é alcançada no mundo real, juntamente com a compatibilidade com periféricos.[124]

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Os padrões IEEE 802.3af, 802.3at e 802.3bt Power over Ethernet (PoE) especificam esquemas de negociação de energia mais elaborados do que o USB alimentado. Eles operam em 48 V CC e pode fornecer mais energia (até 12,95 W para 802.3af, 25,5 W para 802.3at, também conhecido como PoE+, 71 W para 802.3bt, também conhecido como 4PPoE) através de um cabo de até 100 metros em comparação com USB 2.0, que fornece 2,5 W com um comprimento máximo de cabo de 5 metros. Isso tornou o PoE popular para Voz sobre IPtelefones, câmeras de segurança, pontos de acesso sem fio, e outros dispositivos em rede dentro de edifícios. No entanto, o USB é mais barato que o PoE, desde que a distância seja curta e a demanda de energia seja baixa.

EthernetAs normas exigem isolamento elétrico entre o dispositivo em rede (computador, telefone, etc.) e o cabo de rede de até 1500 V CA ou 2250 V CC por 60 segundos.[125] O USB não possui tal exigência, pois foi projetado para periféricos diretamente associados a um computador host e, de fato, conecta os aterramentos do periférico e do host. Isso confere ao Ethernet uma vantagem significativa de segurança em relação ao USB com periféricos como modems a cabo e DSL conectados a fiações externas que podem assumir tensões perigosas sob certas condições de falha.[126][127]

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A Definição de Classe de Dispositivo USB para Dispositivos MIDI transmite a Interface Digital de Instrumento Musical (MIDI) dados musicais via USB.[128] A capacidade MIDI é estendida para permitir até dezesseis cabos MIDI virtuais simultâneos, cada um dos quais pode transportar os usuais dezesseis canais e clocks MIDI.

O USB é competitivo para dispositivos de baixo custo e fisicamente adjacentes. No entanto, Power over Ethernet e o MIDI padrão de plugue têm vantagem em dispositivos de ponta que podem ter cabos longos. O USB pode causar loop de terra problemas entre equipamentos, pois conecta as referências de terra em ambos os transceptores. Em contraste, o padrão de plugue MIDI e Ethernet possuem isolamento embutido de até 500V ou mais.

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O eSATA conector é um SATAconector, destinado à conexão de discos rígidos externos e SSDs. A taxa de transferência do eSATA (até 6 Gbit/s) é semelhante à do USB 3.0 (até 5 Gbit/s) e do USB 3.1 (até 10 Gbit/s). Um dispositivo conectado por eSATA aparece como um dispositivo SATA comum, oferecendo desempenho total e compatibilidade total associados aos drives internos.

O eSATA não fornece energia para dispositivos externos. Esta é uma desvantagem crescente em comparação com o USB. Embora os 4,5 W do USB 3.0 sejam por vezes insuficientes para alimentar discos rígidos externos, a tecnologia está avançando e os drives externos gradualmente precisam de menos energia, diminuindo a vantagem do eSATA.eSATAp (power over eSATA, também conhecido como ESATA/USB) é um conector introduzido em 2009 que fornece energia para dispositivos conectados usando um novo conector compatível com versões anteriores. Em um notebook, o eSATAp geralmente fornece apenas 5 V para alimentar um HDD/SSD de 2,5 polegadas; em uma estação de trabalho desktop, pode fornecer adicionalmente 12 V para alimentar dispositivos maiores, incluindo HDD/SSD de 3,5 polegadas e unidades ópticas de 5,25 polegadas.

O suporte a eSATAp pode ser adicionado a um computador desktop na forma de um suporte que conecta os recursos SATA, energia e USB da placa-mãe.

O eSATA, assim como o USB, suporta hot plugging, embora isso possa ser limitado pelos drivers do SO e pelo firmware do dispositivo.

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Artigo principal: Thunderbolt (interface)

Thunderbolt combina PCI Express e DisplayPortem uma nova interface de dados serial. As implementações originais do Thunderbolt possuem dois canais, cada um com uma velocidade de transferência de 10 Gbit/s, resultando em uma largura de banda unidirecional agregada de 20 Gbit/s.[129]

Thunderbolt 2 usa agregação de links para combinar os dois canais de 10 Gbit/s em um canal bidirecional de 20 Gbit/s.[130]

Thunderbolt 3 e Thunderbolt 4 usa USB-C.[131][132][133] O Thunderbolt 3 possui dois canais bidirecionais físicos de 20 Gbit/s, agregados para aparecer como um único canal bidirecional lógico de 40 Gbit/s. Os controladores Thunderbolt 3 podem incorporar um controlador USB 3.1 Gen 2 para fornecer compatibilidade com dispositivos USB. Eles também são capazes de fornecer o Modo Alternativo DisplayPort, bem como DisplayPort sobre a Estrutura USB4, tornando a função de uma porta Thunderbolt 3 um superconjunto da de uma porta USB 3.1 Gen 2.

Modo Alternativo DisplayPort 2.0: USB4 (que requer USB-C) exige que hubs suportem DisplayPort 2.0 através de um Modo Alternativo USB-C. O DisplayPort 2.0 pode suportar resolução 8K a 60 Hz com cor HDR10.[134] O DisplayPort 2.0 pode usar até 80 Gbit/s, o que é o dobro da quantidade disponível para dados USB, pois envia todos os dados em uma direção (para o monitor) e, portanto, pode usar todos os oito fios de dados de uma só vez.[134]

Após a especificação se tornar livre de royalties e a custódia do protocolo Thunderbolt ser transferida da Intel para o USB Implementers Forum, o Thunderbolt 3 foi efetivamente implementado na especificação USB4 – com compatibilidade com Thunderbolt 3 opcional, mas incentivada para produtos USB4.[135]

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Artigo principal:Adaptador USB para serial

Váriosconversores de protocolo estão disponíveis e convertem sinais de dados USB para e de outros padrões de comunicação.

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Devido à prevalência do padrão USB, existem muitas explorações que utilizam o padrão USB. Um dos maiores exemplos disso atualmente é conhecido como USB killer, um dispositivo que danifica dispositivos USB enviando pulsos de alta tensão pelas linhas de dados.

Nas versões do Microsoft Windows antes deWindows XP, o Windows executaria automaticamente um script (se presente) em certos dispositivos viaAutoRun, um dos quais são dispositivos de armazenamento em massa USB, que podem conter software malicioso.[136]