Cómo funcionan los puertos USB | Todo lo que debes saber

Casi cualquier computadora que compres hoy viene con uno o más conectores de bus serie universal. Estos conectores USB te permiten conectar ratones, impresoras y otros accesorios a tu computadora de forma rápida y sencilla.

El sistema operativo también admite USB, por lo que la instalación de los controladores del dispositivo también es rápida y sencilla. En comparación con otras formas de conectar dispositivos a tu computadora (incluidos puertos paralelos, puertos serie y tarjetas especiales que se instalan dentro de la carcasa de la computadora), los dispositivos USB son increíblemente simples.

En este artículo, veremos los puertos USB desde el punto de vista técnico y del usuario. Aprenderás por qué el sistema USB es tan flexible y cómo puede admitir tantos dispositivos con tanta facilidad: es realmente un sistema sorprendente.

Cualquiera que haya estado cerca de las computadoras por un tiempo sabe el problema que el Universal Serial Bus está tratando de resolver: en el pasado, conectar dispositivos a las computadoras ha sido un verdadero dolor de cabeza.

• Las impresoras estaban conectadas a puertos de impresora paralelos y la mayoría de las computadoras solo venían con uno. Cosas como los medios de almacenamiento externos, que necesitan una conexión de alta velocidad a la computadora, también usarían el puerto paralelo, a menudo con un éxito limitado y sin mucha velocidad.
• Los módems usaban el puerto serie, pero también lo hacían algunas impresoras y una variedad de cosas extrañas como asistentes digitales personales (PDA) y cámaras digitales. La mayoría de las computadoras tenían como máximo dos puertos serie y eran muy lentos en la mayoría de los casos.
• Los dispositivos que necesitaban conexiones más rápidas venían con sus propias tarjetas, que debían caber en una ranura para tarjetas dentro de la carcasa de la computadora. Desafortunadamente, el número de ranuras para tarjetas es limitado y algunas de ellas son difíciles de instalar.

El objetivo del USB es acabar con todos estos dolores de cabeza. El Universal Serial Bus te ofrece una forma única, estandarizada y fácil de usar de conectar hasta 127 dispositivos a una computadora.

Casi todos los periféricos que se fabrican ahora vienen en una versión USB. Una lista de muestra de dispositivos USB que puedes comprar hoy incluye:

• Impresoras
• Escáneres
• Ratones
• Palancas de mando
• Cámaras digitales
• Cámaras web
• Dispositivos de adquisición de datos científicos.
• Módems
• Altavoces
• Teléfonos
• Teléfonos de video
• Dispositivos de almacenamiento
• Conexiones de red

En la siguiente sección, veremos los cables y conectores USB que permiten que tu computadora se comunique con estos dispositivos.

Cables y conectores USB

Conectar un dispositivo USB a una computadora es simple: encuentra el conector USB en la parte posterior de tu máquina y conecta el conector USB en él.

Si es un dispositivo nuevo, el sistema operativo lo detecta automáticamente y solicita el disco del controlador. Si el dispositivo ya ha sido instalado, la computadora lo activa y comienza a hablar con él. Los dispositivos USB se pueden conectar y desconectar en cualquier momento.

Muchos dispositivos USB vienen con su propio cable incorporado y el cable tiene una conexión «A». De lo contrario, entonces el dispositivo tiene un enchufe que acepta un conector USB «B».

El estándar USB utiliza conectores «A» y «B» para evitar confusiones:

• Los conectores » A » se dirigen «aguas arriba» hacia la computadora.
• Los conectores » B » se dirigen «aguas abajo» y se conectan a dispositivos individuales.

Al usar diferentes conectores en el extremo ascendente y descendente, es imposible confundirse: si conectas el conector «B» de cualquier cable USB a un dispositivo, sabrás que funcionará. De manera similar, puedes conectar cualquier conector «A» a cualquier enchufe «A» y saber que funcionará.

Concentradores USB

La mayoría de las computadoras que compras hoy vienen con al menos una o dos tomas USB. Pero con tantos dispositivos USB en el mercado, es fácil que te quedes sin enchufes muy rápidamente. Por ejemplo, podría tener un teclado, un mouse, una impresora, un micrófono y una cámara web funcionando con tecnología USB, por lo que la pregunta obvia es: «¿Cómo se conectan todos los dispositivos?»

La solución sencilla al problema es comprar un concentrador USB económico. El estándar USB admite hasta 127 dispositivos y los concentradores USB forman parte del estándar.

Un hub normalmente tiene cuatro puertos nuevos, pero puede tener muchos más. Tú conectas el concentrador a tu computadora y luego conectas tus dispositivos (u otros concentradores) al concentrador. Al encadenar concentradores, puedes crear docenas de puertos USB disponibles en una sola computadora.

Los concentradores pueden estar encendidos o apagados. Como verás en la página siguiente, el estándar USB permite que los dispositivos obtengan energía de su conexión USB. Un dispositivo de alta potencia como una impresora o un escáner tendrá su propia fuente de alimentación, pero los dispositivos de baja potencia como ratones y cámaras digitales obtienen su energía del bus para simplificarlos. La energía (hasta 500 miliamperios a 5 voltios para USB 2.0 y 900 miliamperios para USB 3.0) proviene del ordenador.

Si tienes muchos dispositivos autoalimentados (como impresoras y escáneres), entonces tu concentrador no necesita energía; ninguno de los dispositivos que se conectan al concentrador necesita energía adicional, por lo que la computadora puede manejarlo. Si tienes muchos dispositivos sin alimentación, como ratones y cámaras, probablemente necesitas un concentrador con alimentación. El hub tiene su propio transformador y suministra energía al bus para que los dispositivos no sobrecarguen la alimentación del ordenador.

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El proceso USB

Cuando el host se enciende, consulta todos los dispositivos conectados al bus y asigna una dirección a cada uno. Este proceso se llama enumeración: los dispositivos también se enumeran cuando se conectan al bus. El anfitrión también averigua desde cada dispositivo qué tipo de transferencia de datos desea realizar:

• Interrupción: un dispositivo como un mouse o un teclado, que enviará muy pocos datos, elegiría el modo de interrupción.
• Masivo: un dispositivo como una impresora, que recibe datos en un paquete grande, utiliza el modo de transferencia masiva. Se envía un bloque de datos a la impresora (en fragmentos de 64 bytes) y se verifica para garantizar que sea correcto.
• Isócrono: un dispositivo de transmisión (como altavoces) utiliza el modo isócrono. Los datos se transmiten entre el dispositivo y el host en tiempo real y no hay corrección de errores.

El host también puede enviar comandos o consultar parámetros con paquetes de control.

A medida que se enumeran los dispositivos, el host realiza un seguimiento del ancho de banda total que solicitan todos los dispositivos isócronos y de interrupción. Pueden consumir hasta el 90 por ciento de los 480 Mbps de ancho de banda disponible (USB 3.0 aumenta esa velocidad a 4,8 gigabits por segundo).

Una vez agotado el 90 por ciento, el host niega el acceso a cualquier otro dispositivo isócrono o de interrupción. Los paquetes de control y los paquetes para transferencias masivas utilizan el ancho de banda sobrante (al menos el 10 por ciento).

El Universal Serial Bus divide el ancho de banda disponible en tramas y el host controla las tramas. Los fotogramas contienen 1500 bytes y cada milisegundo comienza un nuevo fotograma. Durante una trama, los dispositivos isócronos y de interrupción obtienen una ranura para que se les garantice el ancho de banda que necesitan. Las transferencias masivas y de control utilizan el espacio restante. Los enlaces técnicos al final del artículo contienen muchos detalles si deseas obtener más información.

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Funciones USB

El Bus Serie Universal tiene las siguientes características:

• La computadora actúa como anfitrión.
• Se pueden conectar hasta 127 dispositivos al host, ya sea directamente o mediante concentradores USB.
• Los cables USB individuales pueden tener una longitud de hasta 5 metros; con los concentradores, los dispositivos pueden estar a una distancia de hasta 30 metros (el valor de seis cables) del host.
• Con USB 2.0, el bus tiene una velocidad de datos máxima de 480 megabits por segundo (10 veces la velocidad de USB 1.0).
• Un cable USB 2.0 tiene dos cables de alimentación (+5 voltios y tierra) y un par de cables trenzados para transportar los datos. El estándar USB 3.0 añade cuatro cables más para la transmisión de datos. Mientras que USB 2.0 solo puede enviar datos en una dirección a la vez (ascendente o descendente), USB 3.0 puede transmitir datos en ambas direcciones simultáneamente.
• A través de los cables de alimentación, la computadora puede suministrar hasta 500 miliamperios de potencia a 5 voltios. Un cable USB 3.0 puede suministrar hasta 900 miliamperios de potencia.
• Los dispositivos de bajo consumo (como los ratones) pueden obtener energía directamente del bus. Los dispositivos de alta potencia (como las impresoras) tienen sus propias fuentes de alimentación y consumen una energía mínima del bus. Los concentradores pueden tener sus propias fuentes de alimentación para proporcionar energía a los dispositivos conectados al concentrador.
• Los dispositivos USB son intercambiables en caliente, lo que significa que puedes conectarlos al bus y desconectarlos en cualquier momento. Un cable USB 3.0 es compatible con puertos USB 2.0; no obtendrás la misma velocidad de transferencia de datos que con un puerto USB 3.0, pero los datos y la energía aún se transferirán a través del cable.
• La computadora host puede poner en suspensión muchos dispositivos USB cuando la computadora ingresa al modo de ahorro de energía.

Los dispositivos conectados a un puerto USB dependen del cable para transportar energía y datos.

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USB 2.0 y 3.0

El estándar para USB versión 2.0 se publicó en abril de 2000 y sirve como actualización para USB 1.1.

USB 2.0 (USB de alta velocidad) proporciona ancho de banda adicional para aplicaciones multimedia y de almacenamiento y tiene una velocidad de transmisión de datos 40 veces más rápida que USB 1.1. Para permitir una transición fluida tanto para los consumidores como para los fabricantes, USB 2.0 tiene total compatibilidad hacia adelante y hacia atrás con dispositivos USB originales y también funciona con cables y conectores fabricados para USB original.

Al admitir tres modos de velocidad (1,5, 12 y 480 megabits por segundo), USB 2.0 admite dispositivos de bajo ancho de banda, como teclados y ratones, así como dispositivos de alto ancho de banda, como cámaras web de alta resolución, escáneres, impresoras y sistemas de almacenamiento de alta capacidad. La implementación de USB 2.0 permitió a los líderes de la industria de PC seguir adelante con el desarrollo de periféricos de PC para complementar las PC de alto rendimiento existentes. Además de mejorar la funcionalidad y fomentar la innovación, USB 2.0 aumenta la productividad de las aplicaciones del usuario y permite al usuario ejecutar múltiples aplicaciones de PC a la vez o varios periféricos de alto rendimiento simultáneamente.

El estándar USB 3.0 (SuperSpeed USB) se hizo oficial el 17 de noviembre de 2008. USB 3.0 ofrece velocidades 10 veces más rápidas que USB 2.0 a 4,8 gigabits por segundo. Está destinado a aplicaciones como la transferencia de secuencias de vídeo de alta definición o la copia de seguridad de un disco duro completo en un disco externo. A medida que crece la capacidad del disco duro, también aumenta la necesidad de un método de transferencia de datos de alta velocidad.

La adopción del estándar USB 3.0 ha sido lenta. Los fabricantes de chips deben diseñar hardware de placa base que admita USB 3.0. Los propietarios de computadoras tienen la opción de comprar tarjetas que pueden instalar en sus computadoras para brindar compatibilidad con USB 3.0. Pero el soporte de hardware es solo una parte del problema: también necesita soporte de su sistema operativo. Aunque Microsoft anunció que Windows 7 eventualmente admitiría el estándar USB 3.0, la compañía envió su sistema operativo sin soporte USB 3.0. Las distribuciones recientes del sistema operativo Linux admiten USB 3.0.

Quizás no creas que los cables de transferencia de datos crean controversia. Pero algunos periodistas, como el escritor de ZDNet Adrian Kingsley-Hughes, sugieren que una de las razones por las que la adopción de USB 3.0 ha sido lenta es porque Intel ha retrasado la producción de placas base con soporte USB 3.0 a propósito para darle una ventaja inicial a uno de sus propios productos.

Ese producto es Light Peak, una tecnología de transferencia de datos que tiene una velocidad de transferencia de datos máxima inicial de 10 gigabits por segundo con velocidades teóricas futuras que alcanzan los 100 gigabits por segundo. Dado que Intel es un importante fabricante de chips, actualmente solo unas pocas computadoras con placas base fabricadas por otras compañías admiten USB 3.0.

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Los representantes de Intel niegan tales afirmaciones. Los ejecutivos de la compañía han dicho que la tecnología Light Peak no reemplazará los puertos USB y que tanto Light Peak como USB 3.0 funcionarán juntos. Mientras tanto, hoy en el mercado puedes encontrar ordenadores y accesorios que incorporan USB 3.0.