USB (Bus de serie universal): qué es, tipos, conectores USB

El USB (Universal Serial Bus, Bus de serie universal), como su nombre lo sugiere, se basa en una arquitectura de tipo serial. Sin embargo, es una interfaz de entrada/salida mucho más rápida que los puertos seriales estándar. Te explicamos cuáles son los estándares USB y los diferentes tipos de conectores.

¿Cuál es la arquitectura de un puerto USB?

La arquitectura serial se utilizó para este tipo de puerto por dos razones principales: la arquitectura serial le brinda al usuario una velocidad de reloj mucho más alta que la interfaz paralela debido a que este tipo de interfaz no admite frecuencias demasiado altas (en la arquitectura de alta velocidad, los bits que circulan por cada hilo llegan con retraso y esto produce errores); los cables seriales resultan mucho más económicos que los cables paralelos.

¿Cuáles son los estándares USB?

A partir de 1995, el estándar USB se ha desarrollado para la conexión de una amplia gama de dispositivos.

• El estándar USB 1.0 es el más antiguo y ofrece dos modos de comunicación: 12 Mb/s en modo de alta velocidad y 1,5 Mbit/s de baja velocidad (188 kB/s).
• El estándar USB 1.1 brinda varias aclaraciones para los fabricantes de dispositivos USB, pero no cambia los rasgos de velocidad. Los dispositivos certificados por el estándar USB 1.1 llevan el siguiente logotipo:

• El estándar USB 2.0 permite alcanzar velocidades de transferencia de hasta 480 Mbit/s (60 MB/s). Los dispositivos certificados por el estándar USB 2.0 llevan el siguiente logotipo:

Si no lleva ningún logotipo, la mejor manera de determinar si un dispositivo es de USB de alta o baja velocidad es consultar la documentación del producto, siempre y cuando los conectores sean los mismos. La compatibilidad entre USB 1.0, 1.1 y 2.0 está garantizada. Sin embargo, el uso de un dispositivo USB 2.0 en un puerto USB de baja velocidad (es decir 1.0 o 1.1) limitará la velocidad a un máximo de 12 Mbit/s. Además, es probable que el sistema operativo muestre un mensaje que indique que la velocidad será restringida.

• El estándar USB 3.0 se conoce por alcanzar una velocidad superalta de hasta 600 MB/s y una tasa de transferencia de 4,8 Gbit/s.
• El estándar USB 3.1 duplica la velocidad del anterior, por lo que se le llama de velocidad superalta+, con una tasa de transferencia de hasta 10 Gbit/s (1,25 GB/s). Es común en conectores de tipo C, que veremos más adelante.
• El estándar USB 3.2 ofrece una tasa de transferencia de hasta 20 Gbit/s (2,5 GB/s).
• El estándar USB 4.0 (USB4) es el más reciente y veloz actualmente. Su tasa de transferencia puede llegar a ser de hasta 40 Gbit/s (5 GB/s).

¿Qué tipos de conectores USB existen?

• Los conectores conocidos como tipo A, cuya forma es rectangular y se utilizan, generalmente, para dispositivos que no requieren demasiado ancho de banda (como el teclado, el ratón, las cámaras web, etc.). Es el tipo de conector más común entre periféricos y ordenadores y se puede utilizar con los estándares USB 1.0, 2.0, 3.0 y 3.1.
• Los conectores conocidos como tipo B poseen una forma cuadrada y se utilizan principalmente para dispositivos de alta velocidad (impresoras y escáneres, etc.). Podrás encontrar dos subtipos de conectores de tipo B: el más común, que funciona con los estándares USB 1.0 y 2.0, y uno con una pestaña azul interna y una forma algo diferente (tipo B SuperSpeed), que usa el estándar USB 3.0.

• Los conectores USB tipo C (USB-C) son los más recientes y avanzados, por lo que se han convertido en los conectores estándar. A diferencia de los conectores tipo A y B, son reversibles gracias a su forma, lo que significa que puedes conectarlos por cualquier lado sin problema. Funciona con el estándar USB 4.0.
• Los conectores Mini-USB (Mini-A y Mini-B) son versiones pequeñas del tipo A y tipo B. Llegaron al mercado en 1998 bajo el estándar USB 1.1 para cámaras de fotos, móviles y reproductores, pero actualmente no se utilizan.
• Los conectores Micro-USB se desarrollaron para discos duros externos y también puedes encontrarlos en móviles antiguos o de gama de entrada y tabletas. Algunos funcionan con el estándar USB 2.0 y otros, con USB 3.0.

Los pines de los conectores USB tienen las siguientes funciones:

¿Cómo funciona la arquitectura USB?

Una característica de la arquitectura USB es que puede proporcionar fuente de alimentación a los dispositivos con los que se conecta, con un límite máximo de 15 V por dispositivo. Para poder hacerlo, utiliza un cable que consta de cuatro hilos (la conexión a tierra GND, la alimentación del BUS y dos hilos de datos llamados D- y D+).

El estándar USB permite que los dispositivos se encadenen mediante el uso de una topología en bus o de estrella. Por lo tanto, los dispositivos pueden conectarse entre ellos tanto en forma de cadena como en forma ramificada. La ramificación se realiza mediante el uso de cajas llamadas concentradores que constan de una sola entrada y varias salidas. Algunos son activos (es decir, suministran energía) y otros pasivos (la energía es suministrada por el ordenador).

La comunicación entre el host (equipo) y los dispositivos se lleva a cabo según un protocolo (lenguaje de comunicación) basado en el principio de red en anillo. Esto significa que el ancho de banda se comparte temporalmente entre todos los dispositivos conectados. El host (equipo) emite una señal para comenzar la secuencia cada un milisegundo (ms), el intervalo de tiempo durante el cual le ofrecerá simultáneamente a cada dispositivo la oportunidad de "hablar". Cuando el host desea comunicarse con un dispositivo, transmite una red (un paquete de datos que contiene la dirección del dispositivo cifrada en 7 bits) que designa un dispositivo, de manera tal que es el host el que decide "hablar" con los dispositivos. Si el dispositivo reconoce su dirección en la red, envía un paquete de datos (entre 8 y 255 bytes) como respuesta. De lo contrario, le pasa el paquete a los otros dispositivos conectados. Los datos que se intercambian de esta manera están cifrados conforme a la codificación NRZI.

Como la dirección está cifrada en 7 bits, 128 dispositivos (2^7) pueden estar conectados simultáneamente a un puerto de este tipo. En realidad, es recomendable reducir esta cantidad a 127 porque la dirección 0 es una dirección reservada. (consultar más adelante). Debido a la longitud máxima de 5 metros del cable entre los dos dispositivos y a la cantidad máxima de 5 concentradores (a los que se les suministra energía), es posible crear una cadena de 25 metros de longitud.

Los puertos USB admiten dispositivos Plug and play de conexión en caliente. Por lo tanto, los dispositivos pueden conectarse sin apagar el equipo (conexión en caliente). Cuando un dispositivo está conectado al host, detecta cuando se está agregando un nuevo elemento gracias a un cambio de tensión entre los hilos D+ y D-. En ese momento, el equipo envía una señal de inicialización al dispositivo durante 10 ms para después suministrarle la corriente eléctrica mediante los hilos GND y VBUS (hasta 100 mA). A continuación, se le suministra corriente eléctrica al dispositivo y temporalmente se apodera de la dirección predeterminada (dirección 0).

La siguiente etapa consiste en brindarle la dirección definitiva (este es el procedimiento de lista). Para hacerlo, el equipo interroga a los dispositivos ya conectados para poder conocer sus direcciones y asigna una nueva, que lo identifica por retorno. Una vez que cuenta con todos los requisitos necesarios, el host puede cargar el driver adecuado.

Las especificaciones completas del estándar USB pueden descargarse del sitio web USB Implementers Forum (Foro de Implementadores de USB): https://www.usb.org/documents