USB: qué es, usos y cómo funciona el bus serie universal

La primera versión del Bus Serie Universal se creó en 1995. Esta nueva tecnología se convirtió en un éxito inmediato. Desde la introducción del USB, los fabricantes de dispositivos electrónicos pensaron en cómo podría utilizarse en el futuro. Hoy en día, el USB conecta un ordenador u otros dispositivos, como ordenadores portátiles y reproductores MP3, a dispositivos periféricos.

El bus fue presentado por siete empresas que representan a los líderes de la industria de la tecnología de la información: Compaq, IBM, Intel, Microsoft, NEC, Northern Telecom y Digital Equipment Corporation (DEC).

Varios años antes, los adoptantes y desarrolladores de USB celebraron una reunión llamada Plugfest en un hotel especial de California para probar sus dispositivos. Seleccionaron un hotel que incluía habitaciones para dormir y para hacer pruebas. La reunión duró tres días. Durante la reunión, los representantes de unas 50 empresas conectaron sus dispositivos USB a un sistema anfitrión general.

El logotipo del dispositivo USB también tiene su propia historia. El logotipo del USB estuvo en desarrollo durante varios meses.

• 1994 - Siete empresas se unen para iniciar el desarrollo del USB.
• 1995 - 340 empresas formaron el Foro de Implementación del USB.
• 1996 - Ya se estaban desarrollando más de quinientos productos USB en todo el mundo.
• 1997 - El Foro de Implementación del USB se enriqueció con 60 empresas más.
• 1998 - El USB se convierte en la tecnología más popular del mercado de la electrónica.
• 2000 - La introducción del USB 2.0. Hoy en día representa el dispositivo USB más utilizado.
• 2005 - El USB se convierte en inalámbrico.
• 2008 - Se presenta el USB 3.0. Es más de 10 veces más rápido que el USB 2.0.
• 2013 - Se presenta el USB 3.1. Es aproximadamente el doble de rápido que el USB 3.0.
• 2015 - Se introduce el USB Tipo-C. Se trata de un conector reversible, lo que significa que se puede enchufar en ambos sentidos.
• 2019 - Se presenta el USB 4. Es más de 8 veces más rápido que el USB 3.0.

En la actualidad, se utilizan cinco estándares USB diferentes: USB 1.0, USB 1.1, USB 2.0, USB 3.0 y USB 3.1. El USB 3.1 se lanzó en 2016 y duplicó la velocidad del 3.0. Utiliza opcionalmente un conector diferente llamado USB Tipo-C, que es reversible (lo que significa que se puede conectar en ambos sentidos). El USB 1.0 ya apenas se utiliza.

El USB ofrece cinco velocidades de transferencia diferentes: 1,5 MBit por segundo (denominada baja velocidad), 12 MBit por segundo (Full Speed), 480 MBit/segundo (Hi Speed), 5Gbit por segundo (denominada super velocidad) y 10 Gbit/s ("super velocidad+"). La alta velocidad sólo está disponible en USB 2.0 y posteriores, y la súper velocidad sólo está disponible en USB 3.0. Estas velocidades son tasas de bits en bruto (en millones de bits por segundo). La velocidad de datos real suele ser inferior debido a la sobrecarga del protocolo.

Para utilizar la tasa de transferencia de alta velocidad, tanto el controlador USB como el dispositivo conectado deben ser compatibles con ella. El USB es compatible con las versiones anteriores. Se pueden conectar juntos dispositivos y controladores USB más rápidos y más lentos, pero funcionarán a la velocidad más lenta.

A partir de 2022, casi todos los ordenadores que se venden hoy en día tienen puertos USB, y la mayoría de ellos son compatibles con USB 3.0 o posterior y tienen al menos un puerto USB-C. Los Macbooks de Apple sólo tienen puertos USB-C. Sin embargo, el número de puertos que tienen suele ser limitado. Lo habitual es que tengan entre dos y cuatro puertos. El USB permite conectar concentradores USB para añadir más puertos USB.

Los propios concentradores también cumplen con uno de los estándares USB. Los dispositivos conectados a un concentrador USB 2.0 sólo irán tan rápido como las tasas del USB 2.0. Los dispositivos conectados a un controlador posterior pueden utilizar estándares diferentes.

El USB fue diseñado para ser fácil de usar. Los ingenieros aprendieron de otros conectores antes de diseñar los conectores USB. Hay 3 conectores.

• Tipo A, comúnmente utilizado en el extremo del cable del ordenador
• Micro-A (raro)
• Tipo B, en el extremo periférico, poco frecuente salvo en las impresoras
• Micro-B, en el extremo periférico, para la mayoría de los smartphones
• Tipo C, en cualquiera de sus extremos. A partir de 2022, muchos ordenadores, teléfonos y periféricos lo utilizan.

Usabilidad

• No es posible enchufar un conector USB A o B al revés. No pueden entrar al revés, y es obvio por la mirada y la sensación kinestésica, cuando entra correctamente. Sin embargo, a veces el usuario no entiende o no ve cómo va el conector, por lo que puede ser necesario probar de ambas maneras.
• Los conectores USB de tipo C pueden enchufarse en ambos sentidos. No importa en qué sentido se enchufe el conector.
• No es necesario empujar o tirar muy fuerte para enchufarlo o desenchufarlo. Esto estaba en la especificación. Los cables USB y los pequeños dispositivos USB se mantienen en su sitio gracias a la fuerza de agarre del receptáculo. El USB no necesita tornillos, clips u otros elementos de sujeción. La fuerza necesaria para hacer o romper una conexión es pequeña. Esto permite que las conexiones se realicen en posiciones incómodas o por personas con discapacidades motrices.
• Antes de la llegada del tipo C, los conectores imponían la topología dirigida de una red USB. El USB no admite redes cíclicas, por lo que los conectores de dispositivos USB incompatibles son a su vez incompatibles. A diferencia de otros sistemas de comunicación (por ejemplo, el cableado RJ-45), antes de la llegada del USB-On-The-Go (OTG) casi nunca se utilizaban cambiadores de género, lo que dificultaba la creación de una red USB cíclica.

Durabilidad

• Los conectores están diseñados para ser resistentes. Los primeros diseños de conectores eran frágiles, con clavijas u otros componentes delicados que podían doblarse o romperse fácilmente, incluso si se trataban con cuidado. Los contactos eléctricos de un conector USB están protegidos por una lengüeta de plástico. Todo el conjunto del conector suele estar protegido además por una funda metálica que lo envuelve. Como resultado, los conectores USB pueden ser manipulados, insertados y retirados con seguridad, incluso por un niño pequeño.
• La construcción del conector siempre garantiza que la vaina externa del enchufe entre en contacto con su homólogo en el receptáculo antes de que se conecten los cuatro conectores que lo componen. Esta vaina suele estar conectada a la toma de tierra del sistema, lo que permite que las cargas estáticas, que de otro modo serían dañinas, se descarguen de forma segura por esta vía (en lugar de hacerlo a través de los delicados componentes electrónicos). Este medio de envoltura también significa que hay un grado (moderado) de protección contra las interferencias electromagnéticas que se ofrece a la señal USB mientras viaja a través del par de conectores acoplados (este es el único lugar en el que el par de datos, por lo demás trenzado, debe viajar una distancia en paralelo). Además, las conexiones de alimentación y común se realizan después de la toma de tierra del sistema pero antes de las conexiones de datos. Este tipo de sincronización escalonada de la conexión permite un intercambio en caliente seguro y se ha utilizado en conectores de la industria aeroespacial.
• Los micro receptáculos USB más recientes están diseñados para permitir hasta 10.000 ciclos de inserción y extracción entre el receptáculo y la clavija, en comparación con los 500 del receptáculo USB y Mini-USB estándar. Esto se consigue añadiendo un dispositivo de bloqueo y desplazando el conector de resorte de la clavija al enchufe, de modo que la parte más estresada se encuentra en el lado del cable de la conexión. Este cambio se hizo para que el conector del cable (relativamente barato) soportara el mayor desgaste en lugar del dispositivo micro-USB.

Compatibilidad

• El estándar USB especifica tolerancias relativamente grandes para los conectores USB que cumplen con la norma. Esto se hace para minimizar las incompatibilidades en los conectores producidos por diferentes proveedores (un objetivo que se ha logrado con mucho éxito). A diferencia de la mayoría de las demás normas sobre conectores, la especificación USB también define los límites del tamaño de un dispositivo de conexión en la zona que rodea a su enchufe. Esto se hizo para evitar que un dispositivo bloquee los puertos adyacentes debido a su tamaño. Los dispositivos conformes deben encajar dentro de las restricciones de tamaño o admitir un cable de extensión conforme que lo haga.
• También es posible la comunicación bidireccional. Por lo general, los cables sólo tienen enchufes, y los anfitriones y dispositivos sólo tienen receptáculos: los anfitriones tienen receptáculos de tipo A y los dispositivos de tipo B. Los enchufes de tipo A sólo se unen con receptáculos de tipo A, y los de tipo B con los de tipo B. Sin embargo, una extensión del USB llamada USB On-The-Go permite que un solo puerto actúe como anfitrión o como dispositivo, según el extremo del cable que se conecte a la toma de la unidad. Incluso después de que el cable esté conectado y las unidades estén hablando, las dos unidades pueden "intercambiar" los extremos bajo el control del programa. Esta facilidad está dirigida a unidades como las PDA, en las que el enlace USB podría conectarse al puerto anfitrión de un PC como dispositivo en un caso, pero conectarse como anfitrión mismo a un dispositivo de teclado y ratón en otro caso.

Un sistema USB tiene un diseño asimétrico. Está formado por un host, varios puertos USB descendentes y múltiples dispositivos periféricos conectados en una topología de estrella. Se pueden incluir concentradores USB adicionales en los niveles, lo que permite la ramificación en una estructura de árbol con hasta cinco niveles.

Un host USB puede tener varios controladores de host. Cada controlador de host proporciona uno o más puertos USB. Hasta 127 dispositivos, incluidos los del hub, pueden conectarse a un solo controlador de host.

Los dispositivos USB se conectan en serie a través de concentradores. Siempre hay un hub conocido como el hub raíz. El hub raíz está integrado en el controlador del host. Existen concentradores especiales, llamados "concentradores compartidos". Estos permiten que varios ordenadores accedan a los mismos dispositivos periféricos. Funcionan conmutando el acceso entre los ordenadores, de forma manual o automática. Son populares en entornos de pequeñas oficinas. En términos de red, hacen converger las ramas en lugar de divergirlas.

Un dispositivo USB físico puede tener varios subdispositivos lógicos que se denominan funciones del dispositivo. Un solo dispositivo puede proporcionar varias funciones, por ejemplo, una cámara web (función de dispositivo de vídeo) con un micrófono incorporado (función de dispositivo de audio).

La comunicación del dispositivo USB se basa en tuberías (canales lógicos). Las tuberías son conexiones desde el controlador del host a una entidad lógica del dispositivo denominada punto final. El término punto final se utiliza ocasionalmente para referirse incorrectamente a la tubería. Un dispositivo USB puede tener hasta 32 tuberías activas, 16 hacia el controlador anfitrión y 16 hacia fuera del controlador.

Cada punto final puede transferir datos en una sola dirección, ya sea dentro o fuera del dispositivo, por lo que cada tubería es unidireccional. Los puntos finales se agrupan en interfaces y cada interfaz está asociada a una única función del dispositivo. Una excepción a esto es el punto final cero, que se utiliza para la configuración del dispositivo y que no está asociado a ninguna interfaz.

Cuando un dispositivo USB se conecta por primera vez a un host USB, se inicia el proceso de enumeración del dispositivo USB. La enumeración comienza enviando una señal de reinicio al dispositivo USB. La velocidad del dispositivo USB se determina durante la señal de reinicio. Tras el reinicio, la información del dispositivo USB es leída por el host, y luego se le asigna al dispositivo una dirección única de 7 bits. Si el dispositivo es compatible con el anfitrión, se cargan los controladores de dispositivo necesarios para comunicarse con él y el dispositivo pasa a un estado configurado. Si el host USB se reinicia, el proceso de enumeración se repite para todos los dispositivos conectados.

El controlador del anfitrión sondea el bus en busca de tráfico, normalmente de forma rotatoria, por lo que ningún dispositivo USB puede transferir datos en el bus sin una petición explícita del controlador del anfitrión.

Controladores de host

El hardware del ordenador que contiene el controlador del host y el concentrador raíz tiene una interfaz para el programador. Se denomina Dispositivo Controlador del Host (HCD) y está definido por el implementador del hardware.

Para el USB 1.0 y 1.1, había dos implementaciones diferentes de HCD, la Open Host Controller Interface (OHCI) y la Universal Host Controller Interface (UHCI). OHCI fue desarrollada por Compaq, Microsoft y National Semiconductor, UHCI por Intel.

VIA Technologies obtuvo la licencia del estándar UHCI de Intel; todos los demás implementadores de chipset utilizan OHCI. La UHCI se basa más en el software. Esto significa que la UHCI requiere un poco más de procesador que la OHCI, pero es más fácil y barata de fabricar. Al haber dos implementaciones diferentes, los proveedores de sistemas operativos y de hardware tenían que desarrollar y probar ambas. Esto aumentó el coste.

La especificación USB no especifica ninguna interfaz HCD y no se ocupa de ella. En otras palabras, el USB define el formato de transferencia de datos a través del puerto, pero no el sistema por el que el hardware USB se comunica con el ordenador en el que se encuentra.

Durante la fase de diseño del USB 2.0, la USB-IF insistió en que sólo había una implementación. La implementación HCD del USB 2.0 se denomina Enhanced Host Controller Interface (EHCI). Sólo la EHCI puede soportar transferencias de alta velocidad (480 Mbit/s). La mayoría de los controladores EHCI basados en PCI cuentan con otras implementaciones HCD denominadas "controlador de host complementario" para soportar la velocidad máxima (12 Mbit/s) y pueden utilizarse para cualquier dispositivo que pretenda ser miembro de una determinada clase. Se supone que un sistema operativo implementa todas las clases de dispositivos, por lo que puede proporcionar controladores genéricos para cualquier dispositivo USB. Las clases de dispositivos son decididas por el Grupo de Trabajo de Dispositivos del Foro de Implementadores de USB.

Clases de dispositivos USB

Las clases de dispositivos incluyen:

Nota clase 0: Utilizar la información de clase en los Descriptores de Interfaz. Esta clase base está definida para ser utilizada en los Descriptores de Dispositivo para indicar que la información de clase debe ser determinada a partir de los Descriptores de Interfaz en el dispositivo.

• FireWire