Usb: Padrão para conexões de dados de computador

Existe uma ampla variedade de hardware USB, incluindo 14 tipos diferentes de conectores, dos quais o USB-C é o mais recente e o único não obsoleto atualmente.

Universal Serial Bus (USB)

O logo certificado de USB
Tipo	Barramento
História de produção
Designer	Compaq DEC IBM Intel Microsoft NEC Nortel
Projetada(o)	janeiro de 1996; há 28 anos
Produzida(o)	Desde maio de 1996
Substituiu	Porta serial, porta paralela, game port, Apple Desktop Bus, porta PS/2 e Firewire (IEEE 1394)
Especificações gerais
Comprimento	2–5 m (6 ft 7 in–16 ft 5 in) (por categoria)
Largura	12 mm (tipo-A) 8.45 mm (tipo-B) 6.8 mm (mini/micro) 8.25 mm (USB-C)
Altura	4.5 mm (tipo-A) 7.26 mm (tipo-B) 10.44 mm (tipo-B SuperSpeed) 1.8–3 mm (mini/micro) 2.4 mm (USB-C)
Plugável enquanto o dispositivo está ligado	Sim
Externa(o)	Sim
Cabo	4 fios mais shield 9 fios mais shield (SuperSpeed)
Pinos	4: 1 força, 2 dados, 1 terra 5 (On-The-Go) 9 (SuperSpeed) 11 (Powered-B SuperSpeed) 24 (USB-C)
Conector	Único
Elétrico
Sinal	5 V DC
Voltagem máx.	7000500000000000000♠5.00+0.25 −0.60 V 7000500000000000000♠5.00+0.25 −0.55 V (USB 3.0) 20.00 V (PD)
Corrente máx.	0.5 A (USB 2.0) 0.9 A (USB 3.0) 1.5 A (BC 1.2) 3 A (USB-C) Até 5 A (PD)
Dados
Sinal de dados	Dados de pacote, definidos por especificações
Largura	1 bit
Bitrate	1.5; 12; 480; 5,000; 10,000; 20,000 Mbit/s (a depender do modo)
Dispositivos máx.	127
Protocolo	Serial
Pinagem
O plug tipo-A plug (esquerda) e o plug tipo-B (direita)
Pino 1		+5V
Pino 2		Data−
Pino 3		Data+
Pino 4		Ground

Lançado em 1996, o padrão USB é atualmente mantido pelo USB Implementers Forum (USB IF). As quatro gerações de USB são: USB 1. x, USB 2.0, USB 3. x e USB4.

O USB foi projetado para padronizar a conexão de periféricos a computadores pessoais, tanto para comunicação quanto para fornecimento de energia elétrica. Substituiu amplamente as interfaces, como portas seriais e portas paralelas, e tornou-se comum em uma ampla gama de dispositivos. Exemplos de periféricos conectados via USB incluem teclados e mouses de computador, câmeras de vídeo, impressoras, reprodutores de mídia portáteis, telefones digitais móveis (portáteis), unidades de disco e adaptadores de rede.

Os conectores USB vêm substituindo cada vez mais outros tipos como cabos de carregamento de dispositivos portáteis.

Referência rápida do tipo de conector

Conectores disponíveis por padrão USB

Padrão	USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2001	USB 2.0 revisado	USB 3.0 2008	USB 3.1 2013	USB 3.2 2017	USB4 2019
Taxa máxima de transferência	12 Mbps		480 Mbps		5 Gbps	10 Gbps	20 Gbps	40 Gbps
Conector tipo A							Descontinuado
Conector tipo B							Descontinuado
Conector tipo C	Apenas compatibilidade com versões anteriores		(Ampliado para mostrar detalhes)
Conector Mini-A	—				Descontinuado
Conector mini-B	—				Descontinuado
Conector Mini-AB	—				Descontinuado
Conector micro-A	—						Descontinuado
Conector micro-B	—						Descontinuado
Conector micro-AB	—						Descontinuado

Objetivos

O Universal Serial Bus foi desenvolvido para simplificar e melhorar a interface entre computadores pessoais e dispositivos periféricos, como telefones celulares, acessórios de computador e monitores, quando comparado com interfaces proprietárias padrão ou ad hoc existentes anteriormente.

Do ponto de vista do usuário do computador, a interface USB melhora a facilidade de uso de várias maneiras:

• A interface USB é autoconfigurável, eliminando a necessidade de o usuário ajustar as configurações do dispositivo para velocidade ou formato de dados, ou configurar interrupções, endereços de entrada/saída ou canais de acesso direto à memória.
• Os conectores USB são padronizados no host, portanto, qualquer periférico pode usar a maioria dos receptáculos disponíveis.
• O USB aproveita ao máximo o poder de processamento adicional que pode ser colocado economicamente em dispositivos periféricos para que eles possam se autogerenciar. Como tal, os dispositivos USB geralmente não possuem configurações de interface ajustáveis ​​pelo usuário.
• A interface USB é hot-swappable (os dispositivos podem ser trocados sem reiniciar o computador host).
• Pequenos dispositivos podem ser alimentados diretamente da interface USB, eliminando a necessidade de cabos de alimentação adicionais.
• Como o uso do logotipo USB só é permitido após o teste de conformidade, o usuário pode ter certeza de que um dispositivo USB funcionará conforme o esperado sem interação extensiva com definições e configuração.
• A interface USB define protocolos para recuperação de erros comuns, melhorando a confiabilidade em relação às interfaces anteriores.
• A instalação de um dispositivo que depende do padrão USB requer uma ação mínima do operador. Quando um usuário conecta um dispositivo a uma porta em um computador em execução, ele é configurado automaticamente usando os drivers de dispositivo existentes ou o sistema solicita que o usuário localize um driver, que é instalado e configurado automaticamente.

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

• O padrão USB elimina a necessidade de desenvolver interfaces proprietárias para novos periféricos.
• A ampla gama de velocidades de transferência disponíveis a partir de uma interface USB atende a dispositivos que vão desde teclados e mouses até interfaces de streaming de vídeo.
• Uma interface USB pode ser projetada para fornecer a melhor latência disponível para funções de tempo crítico ou pode ser configurada para fazer transferências em segundo plano de dados em massa com pouco impacto nos recursos do sistema.
• A interface USB é generalizada sem linhas de sinal dedicadas a apenas uma função de um dispositivo.

Limitações

Como acontece com todos os padrões, o USB possui várias limitações em seu design:

• Os cabos USB têm comprimento limitado, pois o padrão foi projetado para periféricos na mesma mesa, não entre salas ou prédios. No entanto, uma porta USB pode ser conectada a um gateway que acessa dispositivos distantes.
• As taxas de transferência de dados USB são mais lentas do que as de outras interconexões, como 100 Gigabit Ethernet.
• O USB possui uma topologia de rede em árvore estrita e protocolo mestre/escravo para endereçar dispositivos periféricos; esses dispositivos não podem interagir um com o outro, exceto por meio do host, e dois hosts não podem se comunicar diretamente por suas portas USB. Alguma extensão para esta limitação é possível através de USB On-The-Go, Dual-Role-Devices e ponte de protocolo.
• Um host não pode transmitir sinais para todos os periféricos de uma só vez - cada um deve ser endereçado individualmente.
• Embora existam conversores entre certas interfaces legadas e USB, eles podem não fornecer uma implementação completa do hardware legado. Por exemplo, um conversor de USB para porta paralela pode funcionar bem com uma impressora, mas não com um scanner que requer uso bidirecional dos pinos de dados.

Para um desenvolvedor de produtos, o uso de USB requer a implementação de um protocolo complexo e implica um controlador "inteligente" no dispositivo periférico. Os desenvolvedores de dispositivos USB destinados à venda pública geralmente devem obter um ID de USB, o que exige que eles paguem uma taxa ao USB Implementers Forum (USB-IF). Os desenvolvedores de produtos que usam a especificação USB devem assinar um contrato com o USB-IF. O uso dos logotipos USB no produto requer taxas anuais e associação à organização.

 

 

Um grupo de sete empresas iniciou o desenvolvimento do USB em 1995: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, e Nortel. O objetivo era facilitar fundamentalmente a conexão de dispositivos externos a PCs, substituindo a infinidade de conectores na parte traseira dos PCs, abordando os problemas de usabilidade das interfaces existentes e simplificando a configuração de software de todos os dispositivos conectados ao USB, além de permitir maior taxa de transferência de dados para dispositivos externos e recursos Plug and Play. Ajay Bhatt e sua equipe trabalharam no padrão da Intel; os primeiros circuitos integrados com suporte a USB foram produzidos pela Intel em 1995.

Em 2008, cerca de 6 bilhões de portas e interfaces USB estavam no mercado global e cerca de 2 bilhões eram vendidas a cada ano.

USB 1.x

Lançado em janeiro de 1996, o USB 1.0 especifica taxas de sinalização de 1,5 Mbit/s (baixa largura de banda ou baixa velocidade) e 12 Mbit/s (velocidade máxima). Não permitia cabos de extensão, devido a limitações de tempo 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 revisão mais antiga que foi amplamente adotada e levou ao que a Microsoft designou como "PC sem legado".

Nem o USB 1.0 nem o 1.1 especificaram um projeto para qualquer conector menor que o padrão tipo A ou tipo B. Embora muitos projetos para um conector tipo B miniaturizado aparecessem em muitos periféricos, a conformidade com o padrão USB 1.x foi prejudicada pelo tratamento de periféricos que tinham conectores em miniatura como se tivessem uma conexão cabeada (isto é: sem plugue ou receptáculo na extremidade periférica). Não havia conector miniatura tipo A conhecido até o USB 2.0 (revisão 1.01) introduzir um.

USB 2.0

 

 

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

As 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:

• Conector Mini-A e Mini-B
• Especificação de cabos e conectores micro-USB 1.01
• Suplemento USB InterChip
• Suplemento On-The-Go 1.3 USB On-The-Go possibilita que dois dispositivos USB se comuniquem entre si sem a necessidade de um host USB separado
• Especificação de carregamento de bateria 1.1 Adicionado suporte para carregadores dedicados, comportamento de carregadores host para dispositivos com baterias descarregadas
• Especificação de carregamento de bateria 1.2: com aumento de corrente de 1,5 A em portas de carregamento para dispositivos não configurados, permitindo comunicação de alta velocidade com corrente de até 1,5 A
• Link Power Management Addendum ECN, que adiciona um estado de suspensão

USB 3.x

 Ver artigo principal: USB 3.0

 

A especificação USB 3.0 foi lançada em 12 de novembro de 2008, com sua gestão sendo 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.

O USB 3.0 adiciona um modo de transferência SuperSpeed, com plugues, receptáculos e cabos compatíveis com versões anteriores. Os plugues e receptáculos SuperSpeed ​​são identificados com um logotipo distinto e inserções azuis em receptáculos de formato padrão.

O barramento SuperSpeed ​​fornece um modo de transferência a uma taxa nominal de 5,0 Gbit/s, além dos três modos de transferência existentes. Sua eficiência depende de vários fatores, incluindo codificação de símbolo físico e overhead no nível do link. A uma taxa de sinalização de 5 Gbit/s com codificação 8b/10b, cada byte precisa de 10 bits para transmitir, portanto, a taxa de transferência bruta é de 500 MB/s. Quando o controle de fluxo, o enquadramento de pacotes e a sobrecarga de protocolo são considerados, é realista que 400 MB/s (3,2 Gbit/s) ou mais sejam transmitidos para um aplicativo.^(4–19) A comunicação é full-duplex no modo de transferência SuperSpeed; os modos anteriores são half-duplex, arbitrados pelo host.

 

Os dispositivos de baixa e alta potência permanecem operacionais com este padrão, mas os dispositivos que usam SuperSpeed ​​podem aproveitar o aumento da corrente disponível entre 150 mA e 900 mA, respectivamente.^(9–9)

O USB 3.1, lançado em julho de 2013, possui duas variantes. A primeira preserva o modo de transferência SuperSpeed ​​do USB 3.0 e é rotulada como USB 3.1 Gen 1, e a segunda versão introduz um novo modo de transferência SuperSpeed+ sob o rótulo de USB 3.1 Gen 2. SuperSpeed+ dobra a taxa máxima de sinalização de dados para 10 Gbit/s, enquanto reduz a sobrecarga de codificação de linha para apenas 3%, alterando o esquema de codificação para 128b/132b.

O USB 3.2, lançado em setembro de 2017, preserva os modos de dados USB 3.1 SuperSpeed ​​e SuperSpeed+ existentes, mas apresenta dois novos modos de transferência SuperSpeed+ no novo conector USB-C com taxas de dados de 10 e 20 Gbit/s (1,25 e 2,5 GB/ s). O aumento na largura de banda é resultado da operação multipista sobre os fios existentes destinados aos recursos de flip-flop do conector USB-C.

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

Esquema de nomenclatura

Começando com o padrão USB 3.2, o USB-IF introduziu um novo esquema de nomenclatura. Para ajudar as empresas com a marca dos diferentes modos de transferência, o USB-IF recomendou a marca dos modos de transferência de 5, 10 e 20 Gbit/s como SuperSpeed ​​USB 5Gbps, SuperSpeed ​​USB 10Gbps e SuperSpeed ​​USB 20Gbps, respectivamente. A partir de setembro de 2022, este esquema de nomeação está obsoleto.

USB4

 Ver artigo principal: USB4

 

 

O logotipo USB4 40Gbps certificado e o logotipo do tridente

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

USB4 é baseado no protocolo Thunderbolt 3. Ele suporta taxa de transferência de 40 Gbit/s, é compatível com Thunderbolt 3 e compatível com USB 3.2 e USB 2.0. A arquitetura define um método para compartilhar um único link de alta velocidade com vários tipos de dispositivos finais dinamicamente que atende melhor à transferência de dados por tipo e aplicativo.

A especificação USB4 afirma que as seguintes tecnologias devem ser suportadas pelo USB4:

Conexão	Obrigatório para			Observações
	host	hub	dispositivo
USB 2.0 (480 Mbit/s)	Sim	Sim	Sim	Ao contrário de outras funções, que usam a multiplexação de links de alta velocidade, o USB 2.0 sobre USB-C utiliza seu próprio par diferencial de fios.
USB4 Gen 2×2 (20 Gbit/s)	Sim	Sim	Sim	Um dispositivo rotulado como USB 3.0 ainda opera por meio de um host ou hub USB4 como um dispositivo USB 3.0. O requisito de dispositivo da Gen 2x2 aplica-se apenas aos novos dispositivos rotulados com USB4.
USB4 Gen 3×2 (40 Gbit/s)	Não	Sim	Não
DisplayPort	Sim	Sim	Não	A especificação exige que os hosts e hubs suportem o modo alternativo DisplayPort.
Comunicações host-to-host	Sim	Sim	—	Uma conexão do tipo LAN entre dois pares.
PCI Express	Não	Sim	Não	A função PCI Express do USB4 replica a funcionalidade das versões anteriores da especificação Thunderbolt.
Thunderbolt 3	Não	Sim	Não	Thunderbolt 3 usa cabos USB-C; a especificação USB4 permite hosts e dispositivos e requer hubs para oferecer suporte à interoperabilidade com o padrão usando o Thunderbolt 3 Alternate Mode.
Outros modos alternativos	Não	Não	Não	Os produtos USB4 podem, opcionalmente, oferecer interoperabilidade com os modos alternativos HDMI, MHL, e VirtualLink.

Durante a CES 2020, USB-IF e Intel declararam sua intenção de permitir produtos USB4 que suportem todas as funcionalidades opcionais como produtos Thunderbolt 4. Espera-se que os primeiros produtos compatíveis com USB4 sejam a série Tiger Lake da Intel e a série de CPUs Zen 3 da AMD. Lançado em 2020.

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

Esquema de nomeação de setembro de 2022

 

Devido aos esquemas de nomeação confusos anteriores, o USB-IF decidiu mudar novamente. 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 Gb/s. Uma visão geral dos nomes e logotipos atualizados pode ser vista na tabela adjacente.

Histórico da versão

Versões de lançamento

Padrões relacionado à energia

Um sistema USB consiste em um host com uma ou mais portas downstream e vários periféricos, formando uma topologia em estrela. Hubs USB adicionais podem ser incluídos, permitindo até cinco camadas. 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.^(8–29) Dispositivos USB são conectados em série através de hubs. O hub embutido no controlador de 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 integrado que se conecta ao cabo USB físico.

 

A comunicação do dispositivo USB é baseada em pipes (canais lógicos). Um canal é uma conexão do controlador de host para uma entidade lógica dentro de um dispositivo, chamada de endpoint. Como os canais correspondem a pontos finais, os termos às vezes são usados ​​de forma intercambiável. Cada dispositivo USB pode ter até 32 terminais (16 entradas e 16 saídas), embora seja raro ter tantos. Os pontos de extremidade são definidos e numerados pelo dispositivo durante a inicialização (o período após a conexão física chamado "enumeração") e, portanto, são relativamente permanentes, enquanto os pipes podem ser abertos e fechados.

Existem dois tipos de pipe: stream e message.

• Um canal de mensagem é bidirecional e é usado para transferências de controle. Pipes de mensagem são normalmente usados ​​para comandos curtos e simples para o dispositivo e para respostas de status do dispositivo, usado, por exemplo, pelo canal de controle de barramento número 0.
• Um stream pipe é um pipe unidirecional conectado a um endpoint unidirecional que transfere dados usando uma interrupção isócrona, ou transferência em massa:

transferências isócronas
Em alguma taxa de dados garantida (para dados de streaming de largura de banda fixa), mas com possível perda de dados (por exemplo, áudio ou vídeo em tempo real)
Interromper transferências
Dispositivos que precisam de respostas rápidas garantidas (latência limitada), como dispositivos apontadores, mouses e teclados
transferências em massa
Grandes transferências esporádicas usando toda a largura de banda disponível restante, mas sem garantias de largura de banda ou latência (por exemplo, transferências de arquivos)

Quando um host inicia uma transferência de dados, ele envia um pacote TOKEN contendo um endpoint especificado com uma tupla de (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 desejado e o número do endpoint. Se a transferência de dados for do dispositivo para o host, o host enviará um pacote IN. Se o endpoint de destino for um endpoint unidirecional cuja direção designada pelo fabricante não corresponda 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 ser iniciada. Um endpoint bidirecional, por outro lado, aceita pacotes IN e OUT.

 

Os endpoints são agrupados em interfaces e cada interface é associada a uma única função de 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 independentemente é chamada de dispositivo composto. Um dispositivo composto possui apenas um único endereço de dispositivo porque o host apenas atribui um endereço de dispositivo 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 reinicialização para o dispositivo USB. A taxa de dados do dispositivo USB é determinada durante a sinalização de reinicialização. Após a redefinição, as informações do dispositivo USB são lidas pelo host e o dispositivo recebe um endereço exclusivo de 7 bits. Se o dispositivo for suportado pelo host, os drivers de dispositivo necessários para a comunicação com o dispositivo serão carregados e o dispositivo será definido para um estado configurado. Se o host USB for reiniciado, o processo de enumeração será repetido para todos os dispositivos conectados.

O controlador host direciona o fluxo de tráfego para os dispositivos, de modo que nenhum dispositivo USB possa transferir dados no barramento sem uma solicitação explícita do controlador host. No USB 2.0, o controlador de host pesquisa o tráfego no barramento, geralmente em um modo round-robin. A taxa de transferência de cada porta USB é determinada pela velocidade mais lenta da porta USB ou do dispositivo USB conectado à porta.

Os hubs USB 2.0 de alta velocidade contêm dispositivos chamados conversores 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 há dois controladores separados em cada host USB 3.0, os dispositivos USB 3.0 transmitem e recebem em taxas de dados USB 3.0 independentemente do USB 2.0 ou dispositivos anteriores conectados a esse host. As taxas de dados operacionais para dispositivos anteriores são definidas de maneira herdada.

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:

Armazenamento em massa USB/ unidade USB

 

 

A classe de dispositivo de armazenamento em massa USB (MSC ou UMS) padroniza as conexões para dispositivos de armazenamento. A princípio destinado a drives magnéticos e ópticos, ele foi estendido para oferecer suporte a drives flash e leitores de cartão SD. A capacidade de inicializar um cartão SD bloqueado para gravação com um adaptador USB é particularmente vantajosa para manter a integridade e o estado puro e incorruptível do meio de inicialização.

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

Vários fabricantes oferecem unidades de disco rígido USB portáteis externas ou gabinetes vazios para unidades de disco. Eles oferecem desempenho comparável aos drives internos, limitados pelo número e tipos de dispositivos USB conectados e pelo limite superior da interface USB. Outros padrões concorrentes para conectividade de unidade externa 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 da Web e clientes VoIP) sem a necessidade de instalá-los no computador host.

Protocolo de transferência de mídia

O Media Transfer Protocol (MTP) foi projetado pela Microsoft para fornecer acesso de nível mais alto 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 DRM opcionais. O MTP foi projetado para uso com reprodutores de mídia portáteis, mas desde então foi adotado como o principal protocolo de acesso ao armazenamento do sistema operacional Android da versão 4.1 Jelly Bean, bem como Windows Phone 8 (os dispositivos Windows Phone 7 usavam o protocolo Zune - uma evolução do MTP). A principal razão para isso é que o MTP não requer acesso exclusivo ao dispositivo de armazenamento da mesma forma que o UMS, aliviando possíveis problemas caso um programa Android solicite o armazenamento enquanto estiver conectado a um computador. A principal desvantagem é que o MTP não é tão bem suportado fora dos sistemas operacionais Windows.

Dispositivo de interface humana

Mouses e teclados USB geralmente podem ser usados ​​com computadores mais antigos que possuem conectores PS/2 com o auxílio de um pequeno adaptador USB-para-PS/2. Para mouses e teclados com suporte a protocolo duplo, pode ser usado um adaptador que não contenha nenhum circuito lógico: o hardware USB no teclado ou mouse foi projetado para detectar se está conectado a uma porta USB ou PS/2 e se comunicar usando o protocolo apropriado. Também existem conversores que conectam teclados e mouses PS/2 (geralmente um de cada) a uma porta USB. Esses dispositivos apresentam dois terminais HID para o sistema e usam um microcontrolador para realizar a tradução bidirecional de dados entre os dois padrões.

Mecanismo de atualização de firmware do dispositivo

Device Firmware Upgrade (DFU) é um mecanismo independente de fornecedor e dispositivo para atualizar o firmware de dispositivos USB com versões aprimoradas fornecidas por seus fabricantes, oferecendo (por exemplo) uma maneira de implantar correções de bugs de firmware. Durante a operação de atualização do firmware, os dispositivos USB mudam seu modo de operação tornando-se efetivamente um programador PROM. Qualquer classe de dispositivo USB pode implementar esse recurso seguindo as especificações oficiais da DFU.

O DFU também pode dar ao usuário a liberdade de atualizar dispositivos USB com firmware alternativo. Uma consequência disso é que os dispositivos USB, depois de serem atualizados novamente, podem atuar como vários tipos de dispositivos inesperados. Por exemplo, um dispositivo USB que o vendedor pretende que seja apenas uma unidade flash pode "falsificar" um dispositivo de entrada como um teclado.

Transmissão de áudio

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, fones de ouvido, telefones, instrumentos musicais, etc. O grupo de trabalho publicou três versões de áudio especificações do dispositivo: Áudio 1.0, 2.0 e 3.0, referido como "UAC" ou "ADC".

O UAC 3.0 introduz principalmente melhorias para dispositivos portáteis, como redução do uso de energia ao estourar os dados e permanecer no modo de baixo consumo de energia com mais frequência, e domínios de energia para diferentes componentes do dispositivo, permitindo que sejam desligados quando não estiverem em uso.

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, menor latência inerente, e melhoria de 8 × na resolução de tempo em modos síncronos e adaptativos. O UAC2 também introduziu o conceito de domínios de relógio, que fornece informações ao host sobre quais terminais de entrada e saída derivam seus relógios da mesma fonte, bem como suporte aprimorado para codificações de áudio como DSD, efeitos de áudio, agrupamento de canais, controles de usuário e descrições de dispositivos.

Os dispositivos UAC 1.0 ainda são comuns, no entanto, devido à sua compatibilidade sem driver de plataforma cruzada, e também em parte devido à falha da Microsoft em implementar o UAC 2.0 por mais de uma década após sua publicação, tendo finalmente adicionado suporte ao Windows 10 por meio de o Creators Update em 20 de março de 2017. O UAC 2.0 também é compatível com MacOS, iOS e Linux, no entanto, o Android também implementa apenas um subconjunto do UAC 1.0.

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

• Assíncrono – O ADC ou DAC não está sincronizado com o relógio do computador host, operando com um relógio de funcionamento livre local para o dispositivo.
• Síncrono – O relógio do dispositivo é sincronizado com os sinais USB start-of-frame (SOF) ou Bus Interval. Por exemplo, isso pode exigir a sincronização de um clock de 11,2896 MHz com um sinal SOF de 1 kHz, uma grande multiplicação de frequência.
• Adaptive – O relógio do dispositivo é sincronizado com a quantidade de dados enviados por quadro pelo host

Enquanto a especificação USB originalmente descrevia o modo assíncrono sendo usado em "alto-falantes de baixo custo" e o modo adaptativo em "alto-falantes digitais de ponta", a percepção oposta existe no mundo hi-fi, onde o modo assíncrono é anunciado como um recurso, e os modos adaptativo/síncrono têm má reputação. Na realidade, todos os tipos podem ser de alta ou baixa qualidade, dependendo da qualidade de sua engenharia e da aplicação. Assíncrono tem a vantagem de ser desvinculado do relógio do computador, mas a desvantagem de exigir conversão de taxa de amostragem ao combinar várias fontes.

Os conectores especificados pelo comitê USB suportam uma série de objetivos subjacentes do USB e refletem as lições aprendidas com os muitos conectores usados ​​pela indústria de computadores. O conector fêmea montado no host ou dispositivo é chamado de receptáculo, e o conector macho conectado ao cabo é chamado de plugue.^{(2–5 – 2–6)} Os documentos oficiais de especificação USB também definem periodicamente o termo macho para representar o plugue e fêmea para representar o receptáculo.

 

O design destina-se a dificultar a inserção incorreta de um plugue USB em seu receptáculo. A especificação USB exige que o plugue e o receptáculo do cabo sejam marcados para que o usuário possa reconhecer a orientação correta. 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 botões giratórios como alguns conectores usam.

 

Os diferentes plugues A e B evitam a conexão acidental de duas fontes de energia. No entanto, parte dessa topologia direcionada é perdida com o advento de conexões USB multifuncionais (como USB On-The-Go em smartphones e roteadores Wi-Fi alimentados por USB), que exigem A-para-A, B-para-B e, às vezes, cabos Y/splitter.

Os tipos de conectores USB se multiplicaram à medida que a especificação avançava. A especificação USB original detalhava 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 rebaixados em comparação com os pinos de alimentação, para que o dispositivo possa ser ligado antes de estabelecer uma conexão de dados. Alguns dispositivos operam em modos diferentes dependendo se a conexão de dados é feita. As docas de carregamento fornecem energia e não incluem um dispositivo host ou pinos de dados, permitindo que qualquer dispositivo USB capaz 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 de carga, os fios de dados estão em curto na extremidade do dispositivo, caso contrário, o dispositivo pode rejeitar o carregador como inadequado.

 

O padrão USB 1.1 especifica que um cabo padrão pode ter um comprimento máximo de 5 metros (16 pés 5 pol.) dispositivos operando em baixa velocidade (1,5 Mbit/s).

O USB 2.0 fornece um comprimento máximo de cabo de 5 metros (16 pés e 5 pol.) para dispositivos funcionando em alta velocidade (480 Mbit/s).

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 cabeamento de cobre com fios AWG 26, o comprimento máximo prático é de 3 metros (9 pés 10 pol.).

Cabos ponte USB

Cabos de ponte USB ou cabos de transferência de dados podem ser encontrados no mercado, oferecendo conexões diretas de PC para PC. Um cabo ponte é um cabo especial com um chip e componentes eletrônicos ativos no meio do cabo. O chip no meio do cabo atua como um periférico para ambos os computadores e permite a comunicação ponto a ponto entre os computadores. 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 ponte USB especial para transferir arquivos e configurações pessoais 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 ponte às vezes pode ser referenciado como cabo Easy Transfer.

Muitos cabos de ponte USB / transferência de dados 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.^{[carece de fontes?]}

A especificação USB 3.0 introduziu um cabo cruzado A-para-A sem energia para conectar dois PCs. Estes não se destinam à transferência de dados, mas destinam-se a usos de diagnóstico.

Conexões USB de função dupla

Os cabos de ponte USB tornaram-se menos importantes com os recursos de dispositivo USB de dupla função introduzidos com a especificação USB 3.1. De acordo com as especificações mais recentes, o USB suporta a maioria dos cenários conectando sistemas diretamente com um cabo Type-C. Para que o recurso funcione, no entanto, os sistemas conectados devem oferecer suporte à troca de função. Os recursos de função dupla exigem que haja dois controladores no sistema, bem como um controlador de função. Embora isso possa ser esperado em uma plataforma móvel, como um tablet ou telefone, os PCs de mesa e laptops geralmente não oferecem suporte a funções duplas.

Os conectores USB upstream fornecem energia a 5 Vcc nominal através do pino V_BUS para dispositivos USB downstream.

Dispositivos de baixa e alta potência

Os dispositivos de baixo consumo de energia podem consumir no máximo 1 unidade de carga e todos os dispositivos devem atuar como dispositivos de baixo consumo de energia ao iniciar como não configurados. 1 unidade de carga é de 100 mA para dispositivos USB até USB 2.0, enquanto o USB 3.0 define uma unidade de carga como 150 mA.

Dispositivos de alta potência (como uma unidade de disco rígido USB típica de 2,5 polegadas) consomem pelo menos 1 unidade de carga e no máximo 5 unidades de carga (5x100mA = 500 mA) para dispositivos até USB 2.0 ou 6 unidades de carga (6x150mA = 900 mA) para dispositivos SuperSpeed ​​(USB 3.0 e superior).

Para reconhecer o modo de carregamento da bateria, uma porta de carregamento dedicada coloca uma resistência não superior a 200 Ω nos terminais D+ e D−. Faixas de dados em curto ou quase em curto com menos de 200 Ω de resistência nos terminais "D+" e "D−" significam uma porta de carregamento dedicada (DCP) com taxas de carregamento indefinidas.

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.

Os sinais USB são transmitidos usando sinalização diferencial em fios de dados de par trançado com 90 Ω ± 15% de impedância característica. USB 2.0 e especificações anteriores definem um único par em half-duplex (HDx). As especificações USB 3.0 e posteriores definem um par para compatibilidade com USB 2.0 e dois ou quatro pares para transferência de dados: dois pares em full-duplex (FDx) para variantes de faixa única (requer conectores SuperSpeed); quatro pares em full-duplex para variantes de pista dupla (×2) (requer conector USB-C).

Modos de transferência de dados USB

Nome da taxa	Antigo nome	Primeira publicação (padrão)	Codificação	Pares de dados	Taxa nominal	Nome de marketing USB-IF	Logo
Low-Speed	Does not appear	USB 1.0	NRZI	1 HDx	1.5 Mbit/s	Basic-Speed USB
Full-Speed					12 Mbit/s
High-Speed		USB 2.0			480 Mbit/s	Hi-Speed USB
USB 3.2 Gen 1×1	USB 3.0; USB 3.1 Gen 1	USB 3.0	8b/10b	2 FDx	5 Gbit/s	SuperSpeed USB 5Gbps
USB 3.2 Gen 2×1	USB 3.1 Gen 2	USB 3.1	128b/132b	2 FDx	10 Gbit/s	SuperSpeed USB 10Gbps
USB 3.2 Gen 1×2	Does not appear	USB 3.2	8b/10b	4 FDx ×2	10 Gbit/s	—
USB 3.2 Gen 2×2			128b/132b	4 FDx ×2	20 Gbit/s	SuperSpeed USB 20Gbps
USB4 Gen 2×1		USB4	64b/66b	2 FDx	10 Gbit/s	—
USB4 Gen 2×2			64b/66b	4 FDx ×2	20 Gbit/s	USB4 20Gbps
USB4 Gen 3×1			128b/132b	2 FDx	20 Gbit/s	—
USB4 Gen 3×2			128b/132b	4 FDx ×2	40 Gbit/s	USB4 40Gbps