El bus Serie Universal (USB) es una interfaz para establecer la comunicación entre los dispositivos y un controlador host (generalmente un ordenador personal). En la actualidad, el USB ha reemplazado a una variedad de interfaces de PC anteriores (como RS-232 en serie, puerto paralelo e incluso FireWire). Debido a la capacidad de suministrar energía a los dispositivos preiféricos, el USB se usa a menudo como cargador de energía para dispositivos portátiles.

Una arquitectura de sistema USB consiste en un controlador host, puertos USB y varios dispositivos conectados. Se pueden incluir concentradores USB adicionales que permiten ramificarse en una estructura de árbol con hasta cinco niveles. USB puede conectar periféricos de computadora como ratones, teclados, cámaras digitales, PDA, teléfonos móviles, impresoras, reproductores multimedia personales, dispositivos de Protocolo de Transferencia de medios (MTP), unidades flash, GPS, Adaptadores de red y discos duros externos. Para muchos de esos dispositivos, USB se ha convertido en el método de conexión estándar.

La interfaz USB tenía como objetivo eliminar la necesidad de agregar tarjetas de expansión al bus PCI o PCI-Express de la computadora, y mejorar las capacidades de plug-and-play al permitir que los dispositivos se intercambien en caliente o se agreguen al sistema sin reiniciar la computadora.

USB connectors

There are several types of USB connectors. El conector montado en el host o dispositivo se llama receptáculo, y el conector conectado al cable se llama enchufe. La especificación USB original detallaba los enchufes y tomacorrientes Estándar-A y Estándar-B. Actualmente se conocen 7 conectores USB: Estándar-A, Estándar-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, Tipo C. El pinout Mini-USB y el pinout Micro-USB son ligeramente diferentes: el USB estándar usa 4 pines, mientras que el Mini-USB y el Micro-USB usan un conector de 5 pines. El pasador adicional se utiliza como indicador de presencia del dispositivo conectado.

Señales de pinout USB

USB es un bus serie. Utiliza 4 cables blindados: dos para alimentación (+5v & GND) y dos para señales de datos diferenciales (etiquetadas como pinout D+ y D – in). Esquema de codificación NRZI (Non Return to Zero Invert) utilizado para enviar datos con un campo de sincronización para sincronizar los relojes de host y receptor. En el cable de datos USB, las señales de datos+ y datos se transmiten en un par trenzado. No se necesita terminación. La señalización diferencial semidúplex ayuda a combatir los efectos del ruido electromagnético en líneas más largas. Contrariamente a la creencia popular, D + y D – operan juntos; no son conexiones simples separadas. USB 2.0 proporciona una longitud de cable máxima de 5 metros para dispositivos que funcionan a alta velocidad.

Modos de transferencia USB

El bus serie Univeral admite modos de transferencia isócrona, de interrupción, Masiva y de control.

Especificaciones de interfaces USB.

Hay algunas versiones principales de USB conocidas hoy en día:

USB 1.0 – Baja velocidad o Velocidad completa

• lanzado en 1996.
• Especifica velocidades de datos de 1.5 Mbit/s (Ancho de banda bajo, se utiliza principalmente para Dispositivos de entrada Humana (HID), como teclados, ratones, joysticks y, a menudo, los botones de dispositivos de mayor velocidad, como impresoras o escáneres) y 12 Mbit / s (Ancho de banda completo).
• hoy en día todavía se usa en algunos dispositivos que no necesitan velocidades de transferencia de datos más rápidas.

USB 2.0-De alta velocidad

• lanzado en 2000
• además de USB 1.0, agrega una velocidad de señalización de 480 Mbit/s (Alta velocidad)
• compatible con USB 1.0, pero es posible que algunos hardware diseñados para USB 2.0 no funcionen con controladores host USB 1.0.

USB 3.0 – SuperSpeed

• lanzado en 2008
• velocidades de transmisión añadidas de hasta 5 Gbit/s (SuperSpeed)
• USB 3.1 lanzado en 2013 velocidad de transmisión SuperSpeed+ añadida de hasta 10 Gbit/s
• USB 3.2 lanzado en 2017 velocidad de transmisión SuperSpeed+ añadida de hasta 20 Gbit/s y modos de enlace múltiple

USB 1.0 y USB 2.0 comparten el mismo pinout de conector, el pinout USB 3.0 y el USB Tipo C cuentan con nuevos conectores con sus propios pinouts.

Un dispositivo USB debe indicar su velocidad tirando de la línea D+ o D a 3,3 voltios. Estas resistencias de tracción en el extremo del dispositivo también serán utilizadas por el host o concentrador para detectar la presencia de un dispositivo conectado a su puerto. Sin una resistencia de tracción, USB asume que no hay nada conectado al bus.

Para ayudar al usuario a identificar la velocidad máxima del dispositivo, un dispositivo USB a menudo especifica su velocidad en su cubierta con uno de los logotipos de marketing especiales USB.

Cuando el nuevo dispositivo se conecta por primera vez, el host lo enumera y carga el controlador de dispositivo necesario para ejecutarlo. La carga del controlador apropiado se realiza utilizando una combinación PID/VID (ID de producto/ID de proveedor) suministrada por el hardware conectado. Los controladores de host USB tienen sus propias especificaciones: UHCI (Interfaz de Controlador de Host Universal), OHCI (Interfaz de Controlador de Host Abierto) con USB 1.1, EHCI (Interfaz de Controlador de Host mejorado) se utiliza con USB 2.0.

Dispositivos alimentados por USB

El conector USB proporciona un solo cable de 5 voltios desde el que los dispositivos USB conectados pueden alimentarse solos. Se especifica un segmento dado del autobús para entregar hasta 500 mA. A menudo, esto es suficiente para alimentar varios dispositivos, aunque este presupuesto debe compartirse entre todos los dispositivos posteriores a un concentrador sin alimentación. Un dispositivo alimentado por bus puede usar tanta energía como permita el puerto al que está conectado.

Los concentradores alimentados por bus pueden seguir distribuyendo la energía suministrada por bus a los dispositivos conectados, pero la especificación USB solo permite un solo nivel de dispositivos alimentados por bus desde un concentrador alimentado por bus. Esto no permite la conexión de un concentrador alimentado por bus a otro concentrador alimentado por bus. Muchos concentradores incluyen fuentes de alimentación externas que alimentarán los dispositivos conectados a través de ellos sin tomar energía del bus. Los dispositivos que necesitan más de 500 mA o más de 5 voltios deben proporcionar su propia energía.

Cuando los dispositivos USB (incluidos los concentradores) se conectan por primera vez, son interrogados por el controlador host, que pregunta cuáles son sus requisitos de potencia máxima. Sin embargo, parece que cualquier carga conectada al puerto USB puede ser tratada por el sistema operativo como dispositivo. El sistema operativo host normalmente realiza un seguimiento de los requisitos de energía de la red USB y puede advertir al operador de la computadora cuando un segmento determinado requiere más energía de la disponible y puede apagar los dispositivos para mantener el consumo de energía dentro del recurso disponible.

USB consumo de energía:

Para reconocer la carga de la batería, un puerto de carga dedicado coloca una resistencia no superior a 200 Ω en los terminales D+ y D.

Modo de cargador dedicado:

Un cargador USB simple debe incorporar una resistencia de 200 Ohmios entre los cables D+ y D (a veces, el cortocircuito D+ y D – juntos son suficientes). El dispositivo entonces no intentará transmitir o recibir datos, pero puede dibujar hasta 1.8 A, si el suministro puede proporcionarlo.

Voltaje USB:

El voltaje suministrado por un host o un puerto de concentrador alimentado está entre 4,75 V y 5,25 V. La caída de tensión máxima para los concentradores alimentados por bus es de 0,35 V desde su host o concentrador al puerto de salida de los concentradores. Todos los concentradores y funciones deben poder enviar datos de configuración a 4,4 V, pero solo las funciones de baja potencia deben funcionar a este voltaje. El voltaje de funcionamiento normal para las funciones es mínimo de 4,75 V.

Blindaje de cable USB:

El blindaje solo debe conectarse a tierra en el host. Ningún dispositivo debe conectar el blindaje a tierra.

Cables de cable USB:

Blindado:
Datos: 28 AWG trenzado
Potencia: 28 AWG – 20 AWG non-twisted

Non-shielded:
Data: 28 AWG non-twisted
Power: 28 AWG – 20 AWG non-twisted