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Barramento USB - Página 1
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USB
• Voltado a periféricos conectados fora do 
computador, eliminando a necessidade de 
abrir o computador para instalar placas além 
de ajustes de IRQs, DMAs e endereços. 
• USB atende a especificação Microsoft Plug 
and Play (PnP), permitindo a instalação e 
troca de dispositivos sem longos 
procedimentos de instalação e reboots.
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USB
Universal Serial Bus
USBUSB
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USB
Basicamente a tecnologia USB pode ser 
subdividida em três partes: 
ã
 Host
ã
 Hub
ã
 Função (Function). 
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Rede USB
5m5m
5m5m
5m5m
5m5m
5m5m
HostHost HubHub
Dispositivo USBDispositivo USB
 
 (function)(function)
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USB - Elemento Host
Host é o ponto central para todas as conexões 
da tecnologia USB. Serve como o 
centralização da comunicação entre os 
componentes USB. 
A implementação de hardware do host é 
chamado USB host controller, que é 
implementado nas placas mães ou incluidos 
em soluções USB mais complexas, onde 
roda o software cliente.
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USB - Elemento Hub
Hub permite que múltiplos dispositivos USB 
possam compartilhar uma mesma saída do 
Host USB. Hubs na saída dos computadores 
são chamados root hubs. 
Hubs USB externos estão disponíveis para 
usuários para conectar mais dispositivos 
USB ao computador.
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USB - Elemento Função
Função é o dispositivo USB atual. 
Cada dispositivo USB provê uma função. 
Compondo-se dispositivos USB pode realizar 
múltiplas funções no barramento USB. 
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Topologia USB
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Universal Serial Bus
• São possíveis duas velocidades:
– Low Speed: 1.5MHz
– Full Speed: 12MHz
Cada dispositivo USB (função) deve 
informar o modo em que irá operar.
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Meio Físico
• O barramento físico USB é composto por 
4 fios:
VBus, D+, D-, GND
• O fio VBus fornece alimentação aos 
dispositivos que necessitem. O VBus é 
normalmente +5V.
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Meio Físico
• Os dados são transmitidos a partir dos fios 
D+ e D-. O par D+ e D- é normalmente 
trançado.
O comprimento máximo de um cabo é 5 metros.
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Meio Físico
Par comum sem malha
D-
D+
R1
R1 = 15K±5%
R2 = 1.5K±5%
F.S./L.S. USB
Transceiver
(saidas 45ohm)
Host ou 
porta de Hub
Max. 3 Metros
L.S. USB
Transceiver
(saidas 45ohm)
Disposit. Low SpeedR1
R2
D+
D-
 
 A conexão USB pode variar de acordo com A conexão USB pode variar de acordo com 
a velocidade utilizada. a velocidade utilizada. 
 
 Possui proteção contra sobre corrente.Possui proteção contra sobre corrente.
 
 Há a necessidade do uso de terminadores.Há a necessidade do uso de terminadores.
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Meio Físico
D-
D+
R1
R1 = 15K±5%
R2 = 1.5K5%
Par trançado c/ malha
F.S./L.S. USB
Transceiver
(45ohm saidas)
Host ou 
porta de Hub 
ZO = 90ohm±15%
Max. 5 Metros
F.S. USB
Transceiver
(45ohm saidas)
Porta 0 do Hub
ou
Disposit. Full Speed 
R1
R2
D+
D-
 
 Quando não existe dispositivo (função) Quando não existe dispositivo (função) 
ligado ao host ou porta de ligado ao host ou porta de hubhub, os resistores , os resistores 
de de pull-downpull-down levam os sinais D+ e D- a um levam os sinais D+ e D- a um 
nível de tensão baixo.nível de tensão baixo.
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Meio Físico
 
 Deteção de estações:Deteção de estações:
•
 
 Se tensão Nas linhas D+ e D- baixar de um limiar por Se tensão Nas linhas D+ e D- baixar de um limiar por 
mais que 2,5us, é considerada a desconexão do dispositivo.mais que 2,5us, é considerada a desconexão do dispositivo.
•
 
 Se for levada acima deste valor por mais que 2,5us Se for levada acima deste valor por mais que 2,5us 
define-se a conexão de um dispositivo.define-se a conexão de um dispositivo.
Dispositivo 
Desconectado
Dispositivo 
Desconectado
Tensão
para considerar
desconexão 
Tensão
para considerar
desconexão 
Dispositivo
Detectado
Dispositivo
Detectado
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Meio Físico
• Existem dois modos de alimentação USB: 
– high-power
– low-power. 
Em modo low power cada dispositivo USB não 
pode consumir mais do que 100mA. Já em modo 
high-power o consumo no barramento é limitado 
em 500mA. 
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• O sinal enviado pelo barramento é 
codificado no padrão NZRI com recurso de 
bit stuffing.
Codificação do Sinal
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Codificação do Sinal
• Bit stuffing:
– A cada seis bits 1 consecutivos no pacote de 
dados é inserido um bit 0. 
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Codificação do Sinal
• A finalização de uma mensagem é dada por 
um período pré-definido de linha muda 
(EOP).
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 D+ D-
• Estado J alto baixo
• Estado K baixo alto
• Estado SE0 baixo baixo
Estados de sinalização
D-
D+
R1
R1 = 15K±5%
R2 = 1.5K5%
Par trançado c/ malha
F.S./L.S. USB
Transceiver
(45ohm saidas)
Host ou 
porta de Hub 
ZO = 90ohm±15%
Max. 5 Metros
F.S. USB
Transceiver
(45ohm saidas)
Porta 0 do Hub
ou
Disposit. Full Speed 
R1
R2
D+
D-
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Formatos
Handshake/ Preâmbulo Low SpeedHandshake/ Preâmbulo Low SpeedPIDPID
8 bits8 bits
DadosDadosPIDPID CRC16CRC16
16 bits16 bits
DATADATA
0-1023 bytes0-1023 bytes8 bits8 bits
ADDRADDRPIDPID
8 bits8 bits 7 bits7 bits
ENDPENDP
4 bits4 bits
CRC5CRC5
5 bits5 bits
Token (Entrada/Saida)Token (Entrada/Saida)
Frame NumberFrame NumberPIDPID
8 bits8 bits 11 bits11 bits
CRC5CRC5
5 bits5 bits
Início de pacoteInício de pacote
 Todos Pacotes são Precedidos de um campo de SYNC
e Terminam com um EOP
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– PID (Packet IDentifier): quatro primeiros bits 
identificam o pacote, os demais são conferência 
(complemento de um)
– ADDR (ADDRess): endereço até 127
– ENDP (ENDPoint): número do endpoint 
envolvido na comunicação
– CRC (Cyclic Redundancy Check): correção de 
erros (bits simples e duplos).
– DATA: bytes de dados
Protocolo
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• Cabe ao controlador Host inicializar a 
comunicação, através do envio de um 
pacote especial (Token Packet), que 
descreve para a transmissão que segue:
– Tipo 
– Direção 
– Endereço do dispositivo USB
– Número do endpoint (destinatário)
Protocolo
HandshakeHandshakeData TransferData TransferTokenToken
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• Os dados são transferidos então de ou para 
o host, conforme definido pelo Token 
(IN/OUT), ou informa que não há dados 
para transmitir.
Protocolo
HandshakeHandshakeData TransferData TransferTokenToken
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• O Handshake Packet serve para confirmar 
transferência de dados e fluxo de controle, 
possibilitando o reenvio de uma mensagem 
caso seja necessário.
Protocolo
HandshakeHandshakeData TransferData TransferTokenToken
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Estrutura de Funcionamento
SoftwaSoftwa
re re 
ClienteCliente
InterfaceInterface
Dispositivo USB Dispositivo USB 
HostHost
EndpointsEndpoints
Fluxo Fluxo 
dadosdados
BuffersBuffers
PipesPipes
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Endpoints
• Um endpoint para cada pipe
• Endpoint zero (controles globais)
• Outros Endpoints
– Opcional, até 15 IN, 15 OUT para “full speed”
– Opcional, até 2 adicionais para “low speed”
– Determinado pelas caracteristicas próprias da 
implementação
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Pipes
• Conectam buffer de memória do host 
com a FIFO do endpoint
• Stream 
– Formato não definido pelo USB
– Unidirecional
• Mensagem 
– Formato definido pelo USB
– Bidirectional
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Interfaces
• Composto de 0 ou mais pipes
• Possui um cliente próprio
– Acessa pipes individuais
– Compartilha pipe padrão
• Mais dinamicamente configurável
do que os dispositivos
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• Tipos de transferência USB
– Control 
– Bulk 
– Interrupt 
– Isochronous
Protocolo
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• Control 
– Serve para configurar ou trocar configuração de 
um dispositivo. O Host envia um token de 
SETUP, em seguida envia um pacote de dados 
para o Endpoint de controle do dispositivo 
USB. Ao fim o dispositivo retorna um 
Handshake (ACK). 
 Exemplo: Configuração inicial
Protocolo
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• Control 
Protocolo
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• Bulk 
– Para transmissão de uma grande quantidade de 
dados. Para a transferência da função, o Host 
envia um Token IN, recebendo em seguida um 
pacote de dados (exceção quando a função 
STALL ou NACK). Ao final o Host envia 
ACK. No caso de envio do host, o Token é do 
tipo OUT.
 Exemplo: impressora, scanner, camera
Protocolo
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• Bulk 
Protocolo
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•
 Interrupt 
– Para transmissão de pequena quantidade de 
dados. Os dados podem representar a 
notificação de algum evento. 
 Exemplo: Mouse, joystick
Protocolo
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•
 Interrupt 
Protocolo
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• Isochronous
– Transferência de dados, enviados e recebidos 
continuamente em tempo real. Não há 
handshake para garantir as características de 
tempo real.
 Exemplo: Audio, Telefonia
Protocolo
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• Isochronous
Protocolo
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BULK
BULK
BULK
BULK
BULK
BULK
BULK
BULK
T
x
 
V
o
i
c
e
 
T
x
 
L
i
n
e
I
n
t
e
r
r
u
p
t
,
 
C
o
n
t
r
o
l
,
L
o
w
 
S
p
e
e
d
Frame = 1ms
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
Stereo Audio
R
x
 
V
o
i
c
e
 
R
x
 
L
i
n
e
Slots
S
O
F
Low Speed
Low Speed
BULK
BULK
S
c
a
n
n
e
r
 
Modelo de ciclo de mensagem USB
 dividido em slots no tempo
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Desenvolvimento
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Desenvolvimento
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USB 2.0
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USB 2.0
• Três velocidades:
– Low Speed (LS): 1,5Mbit/s
– Full Speed (FS): 12Mbit/s
– High Speed (HS): 480Mbit/s
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USB 2.0
• O QUE MUDOU?
– Uso em HighSpeed (480Mbit/s) requer novos 
transceivers/receivers
– Hubs mudam para permitir compatibilidade
• Devem funcionar em modos Full Speed (FS), 
Low Speed (LS) e High Speed (HS)
• FS/LS trabalham em uma taxa de transmissão de bit 
equivalente ao HS
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USB 2.0
• O QUE NÃO MUDOU?
– Mesmo modelo host/dispositivo
• Host recebe a maior carga
• Dispositivos são mais simples
– Mesmo protocolo básico
• Token, data, handshake
– Mesma interface de software
• Modelo de software cliente
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High-Speed EOP
Data Bit Stuff Error SE0Data Bit Stuff Error SE0
Transmissão de dados
HS normal com
codificação NRZI
e bit stuffing Primeiro bit do campo
EOP é uma transição
Campo EOP é uma
violação de bit stuffing
Após EOP, linha 
retorna para nivel 
baixo
Campo EOP HS
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System SWSystem SW
Client Client 
DriverDriver
Client Client 
DriverDriver
USB 1.1 USB 1.1 
HubHub
USB USB 
1.1 1.1 
DeviceDevice
HS HubHS Hub
USB 1.1 USB 1.1 
HubHub
USB USB 
1.1 1.1 
DeviceDevice
HS DeviceHS Device
USB 2.0 USB 2.0 
HostHost
ControllerController
Full/Low SpeedFull/Low Speed
High Speed OnlyHigh Speed Only
(2 x 12Mb/s(2 x 12Mb/s
Capacity)Capacity)
Topologia USB 2.0 
São possíveis conexões em 
High-speed 
Full/Low speed
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Modelo de uma rede USB 2.0
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