Por que o USB tem 4 linhas em vez de 3?


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USB especifica 4 pinos:

1.   VBUS   +5V
2.   D-     Data-
3.   D+     Data+
4.   GND    Ground

Por que isso não é 3? Os dados e a energia não poderiam compartilhar um terreno comum? Estou correto ao entender que D-é o motivo D+?


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Só para você saber: existem protocolos de fio único nos quais + 5V e dados são iguais. Não será rápido e seguro contra interferências, mas para algumas aplicações, menos fios é uma verdadeira vitória líquida. Outros, como USB e Ethernet, adicionam fios para obter mais energia e dados.
27411 Macke

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Uau, essa é uma pergunta surpreendentemente popular!
Rocketmagnet

Respostas:


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Não, D-não é chão. Os dados são enviados por uma linha diferencial , o que significa que D-é uma imagem espelhada D+, de modo que ambas as linhas de dados transmitem o sinal. O receptor subtrai D-de D+. Se algum sinal de ruído for captado pelos dois fios, a subtração o cancelará.

insira a descrição da imagem aqui

Portanto, a sinalização diferencial ajuda a suprimir o ruído. O mesmo acontece com o tipo de fiação, ou seja, par trançado . Se os fios funcionassem paralelamente, formariam um laço (estreito) que poderia captar interferência magnética. Mas, graças às torções, a orientação dos fios em relação ao campo muda continuamente. Uma corrente induzida será cancelada por uma corrente com o sinal oposto mais meia volta.
Suponha que você tenha uma perturbação trabalhando verticalmente no fio torcido. Você pode considerar cada meia torção como um pequeno laço captando a perturbação. Então é fácil ver que o próximo loop minúsculo vê o campo oposto (de cabeça para baixo, por assim dizer), de modo que cancela o primeiro campo. Isso acontece para cada par de meias voltas.
Um efeito de balanceamento semelhante ocorre para a capacitância aterrar. Em um par reto, um condutor mostra uma capacitância mais alta do que o outro, enquanto que em um par trançado, cada fio mostra a mesma capacitância.

insira a descrição da imagem aqui

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Cabos com vários pares trançados como cat5 têm um comprimento de torção diferente para cada par para minimizar a diafonia.


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@ pjc50 - Na verdade, eu o peguei na Wikipedia , mas se eu tivesse que desenhar eu mesmo usaria o Adobe Illustrator.
stevenvh

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@ pjc50 ou Inkscape, que é a alternativa de software livre mais popular (e realmente válida)
clabacchio

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Bem, eu sou novo em eletrônica. Quero perguntar, se o ruído era apenas no D +, como poderia ser cancelado? Então, estou dizendo, existe uma situação em que o ruído é apenas no D + ou D-?
Enes Unal

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@ Enes - Isso será insignificante devido à simetria da fiação: se você usar um fio arbitrário, não poderá dizer à vista qual é D+e qual é D-(exceto a codificação de cores, é claro). Isso significa ambos D+e D-será exposto à perturbação da mesma maneira. E quando o ruído é o mesmo em ambas as subtrações, o cancelará quase completamente.
Stevenvh 17/09/12

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@EnesUnal Um ponto interessante sobre o cabo de par trançado é que nenhum fio está permanentemente mais próximo do ruído ou interferência do que o outro fio. Ref: techtionary.com/members/slides/u/unbalun.swf
Subin Sebastian

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É um sinal diferencial (ou balanceado), em vez de um sinal de extremidade única (desbalanceada).

Isso significa que o receptor "mede" a tensão entre eles, e não entre um e o terra.
Digamos que D + esteja em 2V e D- esteja em 1V. Agora diga que o fio capta algum ruído externo (RF, zumbido da rede elétrica, etc.) É muito provável que os dois cabos captem o mesmo sinal de ruído, uma vez que são torcidos juntos e com a mesma impedância.
Digamos que captemos 50mV de ruído. Então agora o D + tem 2050mV e D- tem 1050mV - a diferença entre eles ainda é de 1V (1000mV), e é isso que o receptor "verá".
Se isso tivesse sido feito com um cabo de extremidade única, então D + (sem D-) estaria em 1050mV e o terra ainda estaria em 0V, para que o receptor visse 1050mV.

Isso é um pouco de simplificação demais (mas transmite o conceito básico) - o solo também pode captar algum ruído (ou tê-lo presente para começar), mas devido à impedância incompatível entre ele e o sinal, a quantidade de ruído apanhados em cada linha serão diferentes e essa diferença será vista no lado receptor. Também pode estar presente inicialmente (por exemplo, loop de aterramento), o que é um grande problema para sistemas de extremidade única.
Combinar as impedâncias das linhas em uma conexão balanceada é muito importante para uma boa rejeição no modo comum (ou seja, rejeição do sinal comum a ambos os sinais), pois só funciona se ambas as linhas captam exatamente a mesma quantidade de ruído. Os sinais não precisam ser simétricos. No entanto, o ruído é criado, desde que afete ambos os sinais igualmente e a rejeição do modo comum será muito boa.


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Na verdade, isso foi tentado uma vez: o Apple Desktop Bus (ADB) foi usado para conectar teclados e mouses a computadores Apple Macintosh desde 1986 até a Apple abandonar o USB em 1997 com o iMac.

Ele tinha quatro fios: 5V, terra, dados e comutador de energia. A linha do botão liga / desliga era apenas para o botão liga / desliga do teclado, que conectava a linha ao terra, e dizia à fonte de alimentação para iniciar a máquina. Tinha que ser o seu próprio fio, para que continuasse a funcionar mesmo que a linha de 5V estivesse desligada.

Fora isso, a linha de dados carregava tudo ... muito lentamente. O barramento nunca realmente progrediu além de ser um barramento de dispositivo de desktop, porque não apenas tinha um sinal de extremidade única, mas também tinha limites de comprimento (você obtém reflexos no final do barramento, pois não termina em cada extremidade).

Então a Intel decidiu usar a sinalização diferencial para USB. Se você deseja ter uma boa idéia de qual sinal diferencial compra, compare o desempenho em ruído do barramento RS-232 de extremidade única com o barramento diferencial RS-422. O RS-422 pode ser acionado por um cabo mais longo com menos tensão de fonte a uma determinada taxa de erro de bit.

Por que é isso? A versão longa faz uma palestra de um dia na aula de eletromagnetismo. A versão curta é que um sinal de ruído induz a mesma tensão nos dois fios de um par diferencial; portanto, o comparador na extremidade do receptor o cancela (ele rejeita muito bem a tensão no modo comum). Uma linha de extremidade única não tem garantia comparável, pois não há garantia de que a linha de terra e a linha de sinal captem o mesmo sinal de ruído; os terraços podem até ser conectados via terra do chassi e a corrente de retorno seguirá rotas completamente diferentes.


Você diz que o RS-422 pode ser conduzido por mais tempo que RS = 232 para uma determinada taxa de erro de bit; cabos RS-232 longos começam a detectar erros aleatórios? Eu esperava que, embora possa haver alguns comprimentos, exatamente na fronteira da usabilidade, em que uma determinada mensagem possa ter uma chance de 99% de passar sem corrupção, não haveria muita diferença entre o tamanho em que uma mensagem complexa poderia passar com 99% ou mais de chance de sucesso e a extensão em que teria 99% de chance de falha. A queda é gradual?
supercat

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As longas linhas RS-232 têm um grande problema que o RS-422 não possui: Como o "terra" é referenciado para desmodular o sinal, o erro cumulativo nesse "terra" causa estragos no receptor. Fica ainda pior quando o receptor e o driver não estão no mesmo terra (conectados a diferentes circuitos de energia, por exemplo) ou quando outras correntes que não a corrente de retorno do sinal estão nessa linha de aterramento. Qualquer queda de tensão na linha de terra, por qualquer motivo, reduz sua margem de ruído até que ela acabe. Basicamente, "terra" é uma ficção conveniente que falha em cabos longos.
Mike DeSimone 26/09

A queda não é realmente tão gradual, pois na maioria dos casos o ruído é muito menor que a margem entre VOH / VOL e VIH / VIL. O que acontece é que, em um determinado comprimento (longo), você começa a detectar erros visíveis, assim como a intensidade do ruído começa a ser igual ao limiar do receptor (ou seja, a tensão necessária para aumentar 0a 1ou a vice-versa) e depois como o cabo quanto mais tempo você recebe muito mais erros, até que ele desapareça completamente. Não é como a perda de r ^ -2 do rádio. (Back sobre o tema, no caso do ADB, o fio terra traz, além do sinal e corrente de retorno de energia.)
Mike DeSimone

O problema é mais tipicamente o aumento da intensidade do ruído ou o problema é que o sinal fica muito fraco para atingir o limiar de detecção de forma consistente nas bordas ascendentes e descendentes? Eu certamente já vi o último problema mais do que ruído em alta velocidade; o ruído se torna o problema predominante em velocidades mais baixas (com comprimentos de cabo maiores, velocidades mais baixas permitiriam)? Quanto ao ADB, acho que foi projetado para evitar que as pessoas tenham fios separados conectados ao PC para o mouse e o teclado. Pena que os designers modernos de PC não consideram essas coisas.
supercat

2
Na prática, o ADB não era tão confiável quando você tinha vários dispositivos. Eu tinha um joystick, acelerador, teclado e mouse e, se você não os colocasse na ordem certa, eles não funcionariam aleatoriamente. O joystick e o acelerador eram os culpados; eles tinham um monte de comprimento de cabo embutido, e foi adicionado. E, sim, o Mac não tinha RS-232 (é por isso que usei 422), mas um truque com o RS-422 é que você pode convertê-lo em RS-423 com o cabo (TX torna-se TX ; TX + não conectado, RX + a GND, RX- torna-se RX) e o RS-423 é compatível com o RS-232 em distâncias curtas.
Mike DeSimone 27/09

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Na verdade, muito USB possui 5 linhas, e não 4. (A quinta linha é para negociar quem é mestre em aplicativos OTG. Observe que isso é limitado a conectores mini e micro USB.)

Como outros já apontaram, as linhas D + e D- são um par diferencial. Como um receptor pode ignorar a tensão no modo comum, um par diferencial fornece melhor imunidade a ruídos do que um sinal de extremidade única. Logicamente, as linhas D + e D- são um único sinal.


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@ Kortuk: No mini e micro USB, existe um quinto pino de "ID" para o USB On-the-Go, onde qualquer dispositivo pode atuar como host. secure.wikimedia.org/wikipedia/en/wiki/USB#Physical_appearance
endolith

4
O quinto pino não é para negociação como tal - ele está fixo no conector e não atinge a outra extremidade. A idéia era indicar aos dispositivos OTG quando eles precisam assumir a função de host conectando a extremidade A. Também há um protocolo para alternar funções, mas esse é um nível muito mais alto.
Yann Vernier

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Não posso dizer definitivamente que essa é a única consideração a ser feita, mas isso não é para fundamentar, é para cancelamento de EMI. Os dados +/- fios são par trançado carregando sinais diferenciais.

É como você encontra em um cabo telefônico doméstico comum ou cabo de rede.


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O mecanismo de transmissão de dados diferencial D + D- é adotado para reduzir o ruído afetado, portanto, a largura de banda da transmissão pode ser altamente aumentada.

Como o USB, existem vários outros protocolos de transmissão que usam camada física diferencial. Alguns exemplos são RS485, Ethernet ...



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Mas, mesmo com dados diferenciais, há momentos em que a sinalização de extremidade única é usada no USB: O final do pacote é sinalizado com um zero de extremidade única (SE0), ou seja, D + e D- no estado baixo . Esse estado dura o tempo de 2 bits. se o SE0 durar mais de 10 ms, significa uma redefinição do barramento.

Essa sinalização de extremidade única torna o USB bastante sensível à interferência eletromagnética, como as que encontrei recentemente quando um motor de secador de cabelo estava causando muitas desconexões em um periférico USB próximo. E nenhum filtro de modo comum pode ser usado com eficácia, pois pode degradar o sinal SE0 ... Outro padrão bem concebido ...


Usar a sinalização de extremidade única para algumas condições que não exigem um tempo preciso (por exemplo, usá-lo para redefinição de barramento parece uma idéia perfeitamente adequada). Usar um SE0 de dois bits parece um pouco rápido; o que os receptores devem fazer se virem um SE0 de um bit? Ter o transmissor enviando um SE0 de três bits e o receptor procurar pelo menos dois pareceria muito melhor.
Supercat 15/11

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O Beyond Logic tem uma visão geral dos pontos essenciais da parte elétrica da especificação USB aqui (também em formato PDF aqui ):

... O USB usa um par de transmissão diferencial para dados. Isso é codificado usando NRZI e é pouco preenchido para garantir transições adequadas no fluxo de dados.

...

O receptor define um diferencial '1' como D + 200mV maior que D- e um diferencial '0' como D + 200mV menor que D-. A polaridade do sinal é invertida dependendo da velocidade do barramento.


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Agradecemos os links como um extra, mas se os links morrerem, sua resposta se tornará inútil. Você poderia dar um resumo aqui?
precisa saber é o seguinte

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Esta é uma resposta muito melhor devido ao resumo adicionado - Obrigado por fazer isso - mas você também precisa ter cuidado para evitar o plagarismo. O conteúdo do seu primeiro parágrafo é protegido por direitos autorais.
Kevin Vermeer

@KevinVermeer: ​​As citações não são plágio ou violação de direitos autorais.
endolith

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@endolith - Com a atribuição, eles não são plagarismo ou violação de direitos autorais. Editei a resposta para demonstrar uma melhor atribuição. Anteriormente, ninguém saberia que o parágrafo era principalmente uma citação. Agora é óbvio. Ao fazer uma cotação, use os recursos de cotação em bloco.
Kevin Vermeer

@ endolith: a atribuição protege contra plágio, mas as aspas atribuídas ainda podem ser violações de direitos autorais.
Ben Voigt
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