Universal Serial Bus ( USB ) es un estándar industrial que permite el intercambio de datos y la entrega de energía entre muchos tipos diferentes de dispositivos electrónicos. Especifica su arquitectura, en particular su interfaz física , y protocolos de comunicación para la transferencia de datos y suministro de energía hacia y desde hosts , como computadoras personales , hacia y desde dispositivos periféricos , por ejemplo, pantallas, teclados y dispositivos de almacenamiento masivo, y hacia y desde hubs intermedios , que multiplican el número de puertos de un host. [2]
USB fue diseñado originalmente para estandarizar la conexión de periféricos a computadoras, reemplazando varias interfaces como puertos serie , puertos paralelos , puertos de juegos y puertos ADB . [3] Las versiones anteriores de USB se volvieron comunes en una amplia gama de dispositivos, como teclados, ratones, cámaras, impresoras, escáneres, unidades flash, teléfonos inteligentes, consolas de juegos y bancos de energía. [4] Ha evolucionado hasta convertirse en un estándar para reemplazar prácticamente todos los puertos comunes en computadoras, dispositivos móviles, periféricos, fuentes de alimentación y muchos otros dispositivos electrónicos pequeños.
En el estándar actual, el conector USB-C reemplaza a los numerosos conectores para alimentación (hasta 240 W), pantallas (p. ej. DisplayPort, HDMI) y muchos otros usos, así como a todos los conectores USB anteriores.
A partir de 2024, [actualizar]USB consta de cuatro generaciones de especificaciones: USB 1.x, USB 2.0, USB 3. x y USB4 . USB4 mejora la transferencia de datos y la funcionalidad de suministro de energía con
una arquitectura de túnel orientada a la conexión diseñada para combinar múltiples protocolos en una única interfaz física, de modo que la velocidad total y el rendimiento del USB4 Fabric se puedan compartir dinámicamente. [2]
USB4 soporta especialmente la tunelización de los protocolos Thunderbolt 3 , concretamente PCI Express (PCIe, interfaz de carga/almacenamiento) y DisplayPort (interfaz de visualización). USB4 también agrega interfaces de host a host. [2]
Cada subversión de especificación admite diferentes velocidades de señalización desde 1,5 y 12 Mbit/s en total en USB 1.0 hasta 80 Gbit/s (en cada dirección) en USB4. [5] [6] [7] [2] USB también proporciona energía a dispositivos periféricos; Las últimas versiones del estándar amplían los límites de suministro de energía para la carga de baterías y dispositivos que requieren hasta 240 vatios ( USB Power Delivery (USB-PD) ). [8] A lo largo de los años, se ha adoptado USB (-PD) como formato de carga y fuente de alimentación estándar para muchos dispositivos móviles, como teléfonos móviles, lo que reduce la necesidad de cargadores propietarios. [9]
El USB fue diseñado para estandarizar la conexión de periféricos a computadoras personales, tanto para intercambiar datos como para suministrar energía eléctrica. Ha reemplazado en gran medida a interfaces como los puertos serie y los puertos paralelos y se ha convertido en algo común en una amplia gama de dispositivos. Ejemplos de periféricos que se conectan mediante USB incluyen teclados y ratones de computadora, cámaras de video, impresoras, reproductores multimedia portátiles, teléfonos digitales móviles (portátiles), unidades de disco y adaptadores de red.
Los conectores USB han ido sustituyendo cada vez más a otros tipos como cables de carga de dispositivos portátiles.
Las interfaces de conectores USB se clasifican en tres tipos: los diversos conectores heredados Tipo A (ascendente) y Tipo B (descendente), que se encuentran en hosts , concentradores y dispositivos periféricos ; y el moderno conector Tipo-C ( USB-C ) (que a partir de 2014 comienza a reemplazar todos los conectores heredados y es el único conector aplicable para USB4).
Los conectores tipo A y tipo B vienen en tamaños estándar, mini y micro. El formato estándar era el más grande y se utilizaba principalmente para equipos de escritorio y periféricos más grandes. Los conectores Mini-USB (Mini-A, Mini-B, Mini-AB) se introdujeron para dispositivos móviles, pero fueron rápidamente reemplazados por conectores Micro-USB más delgados (Micro-A, Micro-B, Micro-AB). El conector tipo C, también conocido como USB-C , no es exclusivo de USB, es el único estándar actual para USB, es necesario para USB4 y también lo exigen otros estándares, incluidos los modernos DisplayPort y Thunderbolt. Es reversible y puede admitir varias funcionalidades y protocolos, incluido USB; algunos son obligatorios, muchos opcionales, según el tipo de hardware: host, dispositivo periférico o concentrador. [10] [11]
Las especificaciones USB brindan compatibilidad con versiones anteriores, pero esto generalmente resulta en una disminución en las velocidades de señalización, la potencia máxima ofrecida y otras capacidades proporcionadas. La especificación USB 1.1 reemplaza a USB 1.0. La especificación USB 2.0 es compatible con versiones anteriores de USB 1.0/1.1. La especificación USB 3.2 reemplaza a USB 3.1 (y USB 3.0) y al mismo tiempo incluye la especificación USB 2.0. USB4 "reemplaza funcionalmente" a USB 3.2 y al mismo tiempo mantiene el bus USB 2.0 funcionando en paralelo. [5] [6] [7] [2]
La especificación USB 3.0 definió una nueva arquitectura y protocolo, denominado SuperSpeed (también conocido como SuperSpeed USB , comercializado como SS ), que incluía un nuevo carril para un nuevo esquema de codificación de señal (símbolos 8b/10b, 5 Gbps; también conocido como Gen 1 ) que proporciona transferencias de datos full-duplex que requerían físicamente cinco cables y pines adicionales, preservando al mismo tiempo la arquitectura y los protocolos USB 2.0 y, por lo tanto, manteniendo los 4 pines/cables originales para la compatibilidad con versiones anteriores del USB 2.0, lo que da como resultado 9 cables (con 9 o 10 pines en el conector). interfaces; el pin ID no está cableado) en total.
La especificación USB 3.1 introdujo un sistema SuperSpeed mejorado , al tiempo que preserva la arquitectura y el protocolo SuperSpeed ( SuperSpeed USB ), con una arquitectura y un protocolo SuperSpeedPlus adicionales (también conocido como SuperSpeedPlus USB ) que agregan un nuevo esquema de codificación (símbolos 128b/132b, 10 Gbps; también conocido como Gén 2 ); durante algún tiempo comercializado como SuperSpeed+ ( SS+ ).
La especificación USB 3.2 agregó un segundo carril al sistema Enhanced SuperSpeed además de otras mejoras, de modo que la parte del sistema USB SuperSpeedPlus implementa los modos de operación Gen 1×2 , Gen 2×1 y Gen 2×2 . Sin embargo, la parte SuperSpeed USB del sistema aún implementa el modo de operación Gen 1×1 de un carril . Por lo tanto, las operaciones de dos carriles, a saber, USB 3.2 Gen 1× 2 (10 Gbit/s) y Gen 2× 2 (20 Gbit/s), solo son posibles con USB-C Fabrics con todas las funciones. [7] A partir de 2023, [actualizar]rara vez se implementan; Intel, sin embargo, empieza a incluirlos en sus modelos de procesadores SoC de 11ª generación, pero Apple nunca los proporcionó. Por otro lado, USB 3.2 Gen 1(×1) (5 Gbit/s) y Gen 2(×1) (10 Gbit/s) es bastante común desde hace algunos años.
Cada conexión USB se realiza mediante dos conectores: un receptáculo y un enchufe . Las imágenes muestran solo receptáculos:
El Universal Serial Bus fue desarrollado para simplificar y mejorar la interfaz entre computadoras personales y dispositivos periféricos, como teléfonos celulares, accesorios de computadora y monitores, en comparación con interfaces propietarias ad hoc o estándar previamente existentes . [12]
Desde la perspectiva del usuario de la computadora, la interfaz USB mejora la facilidad de uso de varias maneras:
El estándar USB también proporciona múltiples beneficios para los fabricantes de hardware y desarrolladores de software, específicamente en la relativa facilidad de implementación:
Como ocurre con todos los estándares, USB posee múltiples limitaciones en su diseño:
Para un desarrollador de productos, el uso de USB requiere la implementación de un protocolo complejo e implica un controlador "inteligente" en el dispositivo periférico. Los desarrolladores de dispositivos USB destinados a la venta pública generalmente deben obtener una identificación USB, lo que requiere que paguen una tarifa al USB Implementers Forum (USB-IF). Los desarrolladores de productos que utilizan la especificación USB deben firmar un acuerdo con USB-IF. El uso de los logotipos USB en el producto requiere cuotas anuales y membresía en la organización. [12]
Un grupo de siete empresas comenzó el desarrollo de USB en 1995: [16] Compaq , DEC , IBM , Intel , Microsoft , NEC y Nortel . El objetivo era hacer que fuera fundamentalmente más fácil conectar dispositivos externos a las PC reemplazando la multitud de conectores en la parte posterior de las PC, abordando los problemas de usabilidad de las interfaces existentes y simplificando la configuración del software de todos los dispositivos conectados a USB, además de permitir una mayor tasas de transferencia de datos para dispositivos externos y funciones Plug and Play . [17] Ajay Bhatt y su equipo trabajaron en el estándar en Intel; [18] [19] Los primeros circuitos integrados compatibles con USB fueron producidos por Intel en 1995. [20]
Lanzado en enero de 1996, USB 1.0 especificaba velocidades de señalización de 1,5 Mbit/s ( bajo ancho de banda o baja velocidad ) y 12 Mbit/s ( velocidad máxima ). [21] No permitía cables de extensión, debido a limitaciones de tiempo y energía. Pocos dispositivos USB llegaron al mercado hasta que se lanzó USB 1.1 en agosto de 1998. USB 1.1 fue la primera revisión ampliamente adoptada y condujo a lo que Microsoft denominó " PC sin legado ". [22] [23] [24]
Ni USB 1.0 ni 1.1 especificaron un diseño para ningún conector más pequeño que el estándar tipo A o tipo B. Aunque aparecieron muchos diseños para un conector tipo B miniaturizado en muchos periféricos, la conformidad con el estándar USB 1. x se vio obstaculizada al tratar periféricos que tenían conectores en miniatura como si tuvieran una conexión atada (es decir, sin enchufe ni receptáculo en el extremo periférico). No se conocía ningún conector tipo A en miniatura hasta que USB 2.0 (revisión 1.01) introdujo uno.
USB 2.0 se lanzó en abril de 2000, agregando una velocidad de señalización máxima más alta de 480 Mbit/s (rendimiento máximo de datos teórico 53 MByte/s [25] ) denominada Alta velocidad o Alto ancho de banda , además de la señalización USB 1.x Full Speed velocidad de 12 Mbit/s (rendimiento máximo de datos teórico 1,2 MByte/s [26] ).
Las modificaciones a la especificación USB se realizaron mediante avisos de cambios de ingeniería (ECN). Los más importantes de estos ECN se incluyen en el paquete de especificaciones USB 2.0 disponible en USB.org: [27]
La especificación USB 3.0 se publicó el 12 de noviembre de 2008, y su gestión se transfirió del USB 3.0 Promoter Group al USB Implementers Forum (USB-IF) y se anunció el 17 de noviembre de 2008 en la SuperSpeed USB Developers Conference. [29]
USB 3.0 agrega un modo de operación SuperSpeed , con enchufes, receptáculos y cables asociados compatibles con versiones anteriores . Los enchufes y receptáculos SuperSpeed están identificados con un logotipo distintivo e inserciones azules en receptáculos de formato estándar.
El bus SuperSpeed proporciona un modo de funcionamiento a una velocidad de 5,0 Gbit/s, además de los tres modos de funcionamiento existentes. Su eficiencia depende de una serie de factores que incluyen la codificación de símbolos físicos y la sobrecarga a nivel de enlace. A una velocidad de señalización de 5 Gbit/s con codificación 8b/10b , cada byte necesita 10 bits para transmitir, por lo que el rendimiento bruto es de 500 MB/s. Cuando se consideran el control de flujo, el entramado de paquetes y la sobrecarga de protocolo, es realista transmitir 400 MB/s (3,2 Gbit/s) o más a una aplicación. [30] : 4–19 La comunicación es full-duplex en el modo de operación SuperSpeed; Los modos anteriores son semidúplex, arbitrados por el host. [31]
Los dispositivos de baja y alta potencia siguen operativos con este estándar, pero los dispositivos que utilizan SuperSpeed pueden aprovechar el aumento de corriente disponible de entre 150 mA y 900 mA, respectivamente. [30] : 9–9
USB 3.1 , lanzado en julio de 2013, tiene dos variantes. El primero conserva el modo de funcionamiento SuperSpeed de USB 3.0 y tiene la nueva etiqueta USB 3.1 Gen 1 , [32] [33] y la segunda versión introduce un nuevo modo de funcionamiento SuperSpeedPlus bajo la etiqueta USB 3.1 Gen 2 (comercializado como SuperSpeed+ USB ). . SuperSpeed+ duplica la velocidad máxima de señalización de datos a 10 Gbit/s (posteriormente (USB 3.2) comercializado como SuperSpeed USB 10 Gbps ), al tiempo que reduce la sobrecarga de codificación de línea a solo el 3 % al cambiar el esquema de codificación a 128b/132b . [32] [34]
USB 3.2 , lanzado en septiembre de 2017, [35] conserva los modos de funcionamiento USB 3.1 SuperSpeed y SuperSpeedPlus existentes , pero introduce dos nuevos modos de funcionamiento SuperSpeedPlus con el nuevo USB-C Fabric con velocidades de señalización de 10 y 20 Gbit/s (velocidades de datos nominales de 1212 y 2424 MB/s). El aumento en el ancho de banda es el resultado de la operación de varios carriles sobre cables existentes que estaban destinados a las capacidades flip-flop del conector USB-C. [36]
USB 3.0 también introdujo el protocolo SCSI conectado por USB (UASP) , que proporciona velocidades de transferencia generalmente más rápidas que el protocolo BOT (Bulk-Only-Transfer).
A partir de la especificación USB 3.2, USB-IF introdujo un nuevo esquema de nombres. [37] Para ayudar a las empresas con la marca de los diferentes modos de operación, USB-IF recomendó marcar los modos de operación de 5, 10 y 20 Gbit/s como SuperSpeed USB 5Gbps , SuperSpeed USB 10Gbps y SuperSpeed USB 20Gbps , respectivamente. [38]
La especificación USB4 fue publicada el 29 de agosto de 2019 por el USB Implementers Forum. [39]
La especificación USB4 2.0 fue publicada el 1 de septiembre de 2022 por el USB Implementers Forum. [40]
USB4 se basa en el protocolo Thunderbolt 3 . [41] Admite un rendimiento de 40 Gbit/s, es compatible con Thunderbolt 3 y es compatible con USB 3.2 y USB 2.0. [42] [43] La arquitectura define un método para compartir dinámicamente un único enlace de alta velocidad con múltiples tipos de dispositivos finales que sirve mejor a la transferencia de datos por tipo y aplicación.
La especificación USB4 establece que USB4 admitirá las siguientes tecnologías: [39]
Durante CES 2020 , USB-IF e Intel declararon su intención de permitir productos USB4 que admitan todas las funciones opcionales como productos Thunderbolt 4 . Se espera que los primeros productos compatibles con USB4 sean la serie Tiger Lake de Intel y la serie de CPU Zen 3 de AMD , lanzadas en 2020.
Debido a los confusos esquemas de nombres anteriores, USB-IF decidió cambiarlo una vez más. A partir del 2 de septiembre de 2022, los nombres comerciales siguen la sintaxis "USB x Gbps", donde x es la velocidad de transferencia en Gb/s. [44] En la tabla adyacente se puede ver una descripción general de los nombres y logotipos actualizados.
Los modos de funcionamiento USB 3.2 Gen 2×2 y USB4 Gen 2×2 – o: USB 3.2 Gen 2×1 y USB4 Gen 2×1 – no son intercambiables ni compatibles; Todos los controladores participantes deben operar con el mismo modo.
Un sistema USB consta de un host con uno o más puertos orientados hacia abajo (DFP), [52] y múltiples periféricos, formando una topología de estrella escalonada . Se pueden incluir concentradores USB adicionales , lo que permite hasta cinco niveles. Un host USB puede tener varios controladores, cada uno con uno o más puertos. Se pueden conectar hasta 127 dispositivos a un único controlador host. [53] [30] : entre 8 y 29 dispositivos USB están conectados en serie a través de concentradores. El concentrador integrado en el controlador del host se denomina concentrador raíz .
Un dispositivo USB puede constar de varios subdispositivos lógicos a los que se hace referencia como funciones del dispositivo . Un dispositivo compuesto puede proporcionar varias funciones, por ejemplo, una cámara web (función de dispositivo de vídeo) con un micrófono incorporado (función de dispositivo de audio). Una alternativa a esto es un dispositivo compuesto , en el que el host asigna a cada dispositivo lógico una dirección distinta y todos los dispositivos lógicos se conectan a un concentrador integrado que se conecta al cable USB físico.
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La comunicación del dispositivo USB se basa en tuberías (canales lógicos). Una tubería es una conexión desde el controlador de host a una entidad lógica dentro de un dispositivo, llamada punto final . Debido a que las tuberías corresponden a puntos finales, los términos a veces se usan indistintamente. Cada dispositivo USB puede tener hasta 32 puntos finales (16 de entrada y 16 de salida ), aunque es raro tener tantos. Los puntos finales los define y numera el dispositivo durante la inicialización (el período posterior a la conexión física llamado "enumeración") y, por lo tanto, son relativamente permanentes, mientras que las tuberías se pueden abrir y cerrar.
Hay dos tipos de canalizaciones: flujo y mensaje.
Cuando un host inicia una transferencia de datos, envía un paquete TOKEN que contiene un punto final especificado con una tupla de (dirección_dispositivo, número_punto_final) . Si la transferencia se realiza desde el host al punto final, el host envía un paquete OUT (una especialización de un paquete TOKEN) con la dirección del dispositivo y el número de punto final deseados. Si la transferencia de datos se realiza desde el dispositivo al host, el host envía un paquete IN. Si el punto extremo de destino es un punto extremo unidireccional cuya dirección designada por el fabricante no coincide con el paquete TOKEN (por ejemplo, la dirección designada por el fabricante es IN mientras que el paquete TOKEN es un paquete OUT), el paquete TOKEN se ignora. En caso contrario, se acepta y se puede iniciar la transacción de datos. Por otro lado, un punto final bidireccional acepta paquetes de ENTRADA y SALIDA.
Los puntos finales se agrupan en interfaces y cada interfaz está asociada con una única función del dispositivo. Una excepción a esto es el punto final cero, que se utiliza para la configuración del dispositivo y no está asociado con ninguna interfaz. Una función de dispositivo único compuesta de interfaces controladas independientemente se denomina dispositivo compuesto . Un dispositivo compuesto solo tiene una dirección de dispositivo porque el host solo asigna una dirección de dispositivo a una función.
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 de señalización del dispositivo USB se determina durante la señalización de reinicio. Después del reinicio, el host lee la información del dispositivo USB y al dispositivo se le asigna una dirección única de 7 bits. Si el dispositivo es compatible con el host, se cargan los controladores de dispositivo necesarios para comunicarse con el dispositivo y el dispositivo se configura en un estado configurado. Si se reinicia el host USB, el proceso de enumeración se repite para todos los dispositivos conectados.
El controlador host dirige el flujo de tráfico a los dispositivos, por lo que ningún dispositivo USB puede transferir datos en el bus sin una solicitud explícita del controlador host. En USB 2.0, el controlador host sondea el bus en busca de tráfico, generalmente en forma circular . El rendimiento de cada puerto USB está determinado por la velocidad más lenta del puerto USB o del dispositivo USB conectado al puerto.
Los concentradores USB 2.0 de alta velocidad contienen dispositivos llamados traductores de transacciones que convierten entre buses USB 2.0 de alta velocidad y buses de velocidad completa y baja. Puede haber un traductor por hub o por puerto.
Debido a que hay dos controladores separados en cada host USB 3.0, los dispositivos USB 3.0 transmiten y reciben a velocidades de señalización USB 3.0 independientemente de los dispositivos USB 2.0 o anteriores conectados a ese host. Las tasas de señalización operativa para dispositivos anteriores se establecen de forma heredada.
La funcionalidad de un dispositivo USB está definida por un código de clase enviado a un host USB. Esto permite que el host cargue módulos de software para el dispositivo y admita nuevos dispositivos de diferentes fabricantes.
Las clases de dispositivos incluyen: [55]
La clase de dispositivo de almacenamiento masivo USB (MSC o UMS) estandariza las conexiones a dispositivos de almacenamiento. Inicialmente destinado a unidades magnéticas y ópticas, se ha ampliado para admitir unidades flash y lectores de tarjetas SD . La capacidad de iniciar una tarjeta SD bloqueada contra escritura con un adaptador USB es particularmente ventajosa para mantener la integridad y el estado impecable y no corruptible del medio de inicio.
Aunque la mayoría de las computadoras personales desde principios de 2005 pueden arrancar desde dispositivos de almacenamiento masivo USB, el USB no está pensado como un bus principal para el almacenamiento interno de una computadora. Sin embargo, el USB tiene la ventaja de permitir el intercambio en caliente , lo que lo hace útil para periféricos móviles, incluidas unidades de diversos tipos.
Varios fabricantes ofrecen unidades de disco duro USB portátiles externas o cajas vacías para unidades de disco. Ofrecen un rendimiento comparable al de las unidades internas, limitado por la cantidad y los tipos de dispositivos USB conectados y por el límite superior de la interfaz USB. Otros estándares competidores para la conectividad de unidades externas incluyen eSATA , ExpressCard , FireWire (IEEE 1394) y, más recientemente, Thunderbolt .
Otro uso de los dispositivos de almacenamiento masivo USB es la ejecución portátil de aplicaciones de software (como navegadores web y clientes VoIP) sin necesidad de instalarlos en la computadora host. [59] [60]
El Protocolo de transferencia de medios (MTP) fue diseñado por Microsoft para brindar acceso de nivel superior al sistema de archivos de un dispositivo que el almacenamiento masivo USB, a nivel de archivos en lugar de bloques de disco. También tiene funciones DRM opcionales . MTP fue diseñado para usarse con reproductores multimedia portátiles , pero desde entonces se adoptó como el protocolo principal de acceso al almacenamiento del sistema operativo Android desde la versión 4.1 Jelly Bean y Windows Phone 8 (los dispositivos con Windows Phone 7 habían usado el protocolo Zune). una evolución de MTP). La razón principal de esto es que MTP no requiere acceso exclusivo al dispositivo de almacenamiento como lo hace UMS, lo que alivia posibles problemas en caso de que un programa de Android solicite el almacenamiento mientras está conectado a una computadora. El principal inconveniente es que MTP no es tan compatible fuera de los sistemas operativos Windows.
Por lo general, se puede usar un mouse o teclado USB con computadoras más antiguas que tienen puertos PS/2 con la ayuda de un pequeño adaptador de USB a PS/2. Para ratones y teclados con soporte de protocolo dual, se puede usar un adaptador pasivo que no contenga circuitos lógicos : el hardware USB en el teclado o mouse está diseñado para detectar si está conectado a un puerto USB o PS/2 y comunicarse usando el protocolo adecuado. [ cita necesaria ] También existen convertidores activos que conectan teclados y ratones USB (generalmente uno de cada) a puertos PS/2. [61]
La actualización de firmware del dispositivo (DFU) es un mecanismo genérico para actualizar el firmware de dispositivos USB con versiones mejoradas proporcionadas por sus fabricantes, que ofrece (por ejemplo) una forma de implementar correcciones de errores de firmware. Durante la operación de actualización del firmware, los dispositivos USB cambian su modo de funcionamiento convirtiéndose efectivamente en un programador PROM . Cualquier clase de dispositivo USB puede implementar esta capacidad siguiendo las especificaciones oficiales de DFU. Hacerlo permite el uso de herramientas de host compatibles con DFU para actualizar el dispositivo. [58] [62] [63]
DFU se utiliza a veces como protocolo de programación de memoria flash en microcontroladores con funcionalidad de cargador de arranque USB incorporada.[64]
El Grupo de Trabajo de Dispositivos USB ha establecido especificaciones para la transmisión de audio y se han desarrollado e implementado estándares específicos para usos de clases de audio, como micrófonos, parlantes, auriculares, teléfonos, instrumentos musicales, etc. El grupo de trabajo ha publicado tres versiones de audio. especificaciones del dispositivo: [65] [66] USB Audio 1.0, 2.0 y 3.0, denominado "UAC" [67] o "ADC". [68]
UAC 3.0 introduce principalmente mejoras para dispositivos portátiles, como un uso reducido de energía al compartir datos y permanecer en modo de bajo consumo con mayor frecuencia, y dominios de energía para diferentes componentes del dispositivo, lo que permite apagarlos cuando no están en uso. [69]
UAC 2.0 introdujo soporte para USB de alta velocidad (además de velocidad completa), lo que permite un mayor ancho de banda para interfaces multicanal, frecuencias de muestreo más altas, [70] menor latencia inherente, [71] [67] y una mejora de 8 veces en la resolución de sincronización en Modos sincrónico y adaptativo. [67] UAC2 también introdujo el concepto de dominios de reloj, que proporciona información al host sobre qué terminales de entrada y salida derivan sus relojes de la misma fuente, así como soporte mejorado para codificaciones de audio como DSD , efectos de audio, agrupación de canales, usuario. controles y descripciones de dispositivos. [67] [72]
Sin embargo, los dispositivos UAC 1.0 siguen siendo comunes debido a su compatibilidad multiplataforma sin controlador, [70] y también en parte debido a que Microsoft no implementó UAC 2.0 durante más de una década después de su publicación, habiendo finalmente agregado soporte a Windows 10 a través de la Actualización de creadores del 20 de marzo de 2017. [73] [74] [72] UAC 2.0 también es compatible con macOS , iOS y Linux , [67] sin embargo , Android solo implementa un subconjunto de la especificación UAC 1.0. [75]
USB proporciona tres tipos de sincronización isócrona (ancho de banda fijo), [76] todos los cuales son utilizados por dispositivos de audio: [77]
Si bien la especificación USB originalmente describía el uso del modo asíncrono en "altavoces de bajo costo" y el modo adaptativo en "altavoces digitales de alta gama", [81] existe la percepción opuesta en el mundo de la alta fidelidad , donde el modo asíncrono se anuncia como una característica. , y los modos adaptativos/sincrónicos tienen mala reputación. [82] [83] [75] En realidad, todos los tipos pueden ser de alta o baja calidad, dependiendo de la calidad de su ingeniería y la aplicación. [79] [67] [84] Asíncrono tiene la ventaja de estar desvinculado del reloj de la computadora, pero la desventaja de requerir conversión de frecuencia de muestreo cuando se combinan múltiples fuentes.
Los conectores que especifica el comité USB respaldan una serie de objetivos subyacentes del USB y reflejan las lecciones aprendidas de los numerosos conectores que ha utilizado la industria informática. El conector hembra montado en el host o dispositivo se llama receptáculo y el conector macho conectado al cable se llama enchufe . [30] : 2–5 – 2–6 Los documentos oficiales de especificación USB también definen periódicamente el término macho para representar el enchufe y hembra para representar el receptáculo. [85]
El diseño está destinado a dificultar la inserción incorrecta de un enchufe USB en su receptáculo. La especificación USB requiere que el enchufe y el receptáculo del cable estén marcados para que el usuario pueda reconocer la orientación adecuada. [30] Sin embargo, el enchufe USB-C es reversible. Los cables USB y los dispositivos USB pequeños se mantienen en su lugar mediante la fuerza de agarre del receptáculo, sin tornillos, clips ni giros como lo utilizan algunos conectores.
Los diferentes enchufes A y B evitan la conexión accidental de dos fuentes de alimentación. Sin embargo, parte de esta topología dirigida se pierde con la llegada de las conexiones USB multipropósito (como USB On-The-Go en teléfonos inteligentes y enrutadores Wi-Fi alimentados por USB), que requieren A-to-A, B- a B y, a veces, a Y/cables divisores.
Los tipos de conectores USB se multiplicaron a medida que avanzaba la especificación. La especificación USB original detallaba enchufes y receptáculos estándar A y B. Los conectores eran diferentes para que los usuarios no pudieran conectar un receptáculo de computadora a otro. Los pines de datos en los enchufes estándar están empotrados en comparación con los pines de alimentación, para que el dispositivo pueda encenderse antes de establecer una conexión de datos. Algunos dispositivos funcionan en diferentes modos dependiendo de si se realiza la conexión de datos. Las bases de carga suministran energía y no incluyen un dispositivo host ni pines de datos, lo que permite que cualquier dispositivo USB compatible se cargue o funcione desde un cable USB estándar. Los cables de carga proporcionan conexiones de alimentación, pero no de datos. En un cable de sólo carga, los cables de datos están en cortocircuito en el extremo del dispositivo; de lo contrario, el dispositivo puede rechazar el cargador por considerarlo inadecuado.
El estándar USB 1.1 especifica que un cable estándar puede tener una longitud máxima de 5 metros (16 pies 5 pulgadas) con dispositivos funcionando a máxima velocidad (12 Mbit/s) y una longitud máxima de 3 metros (9 pies 10 pulgadas) con Dispositivos que funcionan a baja velocidad (1,5 Mbit/s). [86] [87] [88]
USB 2.0 proporciona una longitud máxima de cable de 5 metros (16 pies 5 pulgadas) para dispositivos que funcionan a alta velocidad (480 Mbit/s). [88]
El estándar USB 3.0 no especifica directamente una longitud máxima de cable, y solo requiere que todos los cables cumplan con una especificación eléctrica: para cableado de cobre con cables AWG 26, la longitud práctica máxima es de 3 metros (9 pies 10 pulgadas). [89]
En el mercado se pueden encontrar cables puente USB o cables de transferencia de datos que ofrecen conexiones directas de PC a PC. Un cable puente es un cable especial con un chip y electrónica activa en el medio del cable. El chip en el medio del cable actúa como periférico para ambas computadoras y permite la comunicación de igual a igual entre las computadoras. Los cables puente USB se utilizan para transferir archivos entre dos computadoras a través de sus puertos USB.
Popularizada por Microsoft como Windows Easy Transfer , la utilidad de Microsoft utilizaba un cable puente USB especial para transferir archivos y configuraciones personales desde una computadora que ejecutaba una versión anterior de Windows a una computadora que ejecutaba una versión más nueva. En el contexto del uso del software Windows Easy Transfer , a veces se puede hacer referencia al cable puente como cable Easy Transfer .
Muchos cables de transferencia de datos/puente USB siguen siendo USB 2.0, pero también hay varios cables de transferencia USB 3.0. A pesar de que USB 3.0 es 10 veces más rápido que USB 2.0, los cables de transferencia USB 3.0 son sólo 2 o 3 veces más rápidos dado su diseño. [ se necesita aclaración ]
La especificación USB 3.0 introdujo un cable cruzado A a A sin alimentación para conectar dos PC. Estos no están destinados a la transferencia de datos, sino a usos de diagnóstico.
Los cables puente USB se han vuelto menos importantes con las capacidades de dispositivo USB de doble función introducidas con la especificación USB 3.1. Según las especificaciones más recientes, USB admite la mayoría de los escenarios que conectan sistemas directamente con un cable tipo C. Sin embargo, para que la capacidad funcione, los sistemas conectados deben admitir el cambio de roles. Las capacidades de doble función requieren que haya dos controladores dentro del sistema, además de un controlador de función . Si bien esto puede esperarse en una plataforma móvil como una tableta o un teléfono, las computadoras de escritorio y portátiles a menudo no admiten funciones duales. [90]
Los conectores USB ascendentes suministran energía a una CC nominal de 5 V a través del pin V_BUS a dispositivos USB descendentes.
Tenga en cuenta que esto describe el modelo de distribución de energía de USB que existía antes de Power-Delivery (USB-PD). Antes de PD, el USB proporcionaba hasta 7,5 W a través de conectores tipo A y tipo B, y hasta 15 W a través de USB-C. Toda la alimentación USB pre-PD se proporciona a 5 V.
Para un host que proporciona energía a los dispositivos, USB tiene un concepto de carga unitaria . Cualquier dispositivo puede consumir energía de una unidad y los dispositivos pueden solicitar más energía en estos pasos discretos. No es necesario que el host proporcione la energía solicitada y un dispositivo no puede consumir más energía de la negociada.
Se dice que los dispositivos que no consumen más de una unidad son dispositivos de bajo consumo . Todos los dispositivos deben actuar como dispositivos de bajo consumo cuando comienzan sin configurar. Para dispositivos USB hasta USB 2.0, una unidad de carga es de 100 mA (o 500 mW), mientras que USB 3.0 define una unidad de carga como 150 mA (750 mW). Los USB-C Fabrics con todas las funciones pueden admitir dispositivos de bajo consumo con una carga unitaria de 250 mA (o 1250 mW).
Los dispositivos que consumen más de una unidad son dispositivos de alta potencia (como las típicas unidades de disco duro de 2,5 pulgadas). USB hasta 2.0 permite que un host o concentrador proporcione hasta 2,5 W a cada dispositivo, en cinco pasos discretos de 100 mA, y los dispositivos SuperSpeed (USB 3.0 y superiores) permiten que un host o concentrador proporcione hasta 4,5 W en seis pasos de 150 mA. USB-C admite dispositivos de alta potencia con hasta 7,5 W, en seis pasos de 250 mA. Los USB-C Fabrics con todas las funciones pueden admitir hasta 15 W.
Para reconocer el modo de carga de la batería, un puerto de carga dedicado coloca una resistencia que no excede los 200 Ω en los terminales D+ y D−. Los carriles de datos en cortocircuito o casi en cortocircuito con menos de 200 Ω de resistencia en los terminales "D+" y "D-" significan un puerto de carga dedicado (DCP) con tasas de carga indefinidas. [91] [92]
Además del USB estándar, existe un sistema patentado de alta potencia conocido como PoweredUSB , desarrollado en la década de 1990 y utilizado principalmente en terminales de punto de venta, como cajas registradoras.
Las señales USB se transmiten mediante señalización diferencial en cables de datos de par trenzado con una impedancia característica de 90 Ω ± 15 % . [93] USB 2.0 y especificaciones anteriores definen un único par en semidúplex (HDx). Las especificaciones USB 3.0 y posteriores definen un par dedicado para compatibilidad con USB 2.0 y dos o cuatro pares para transferencia de datos: dos pares en full-duplex (FDx) para variantes de un solo carril requieren conectores SuperSpeed; cuatro pares en full-duplex para variantes de dos carriles (×2) requieren conectores USB-C. USB4 Gen 4 requiere el uso de los cuatro pares pero permite la configuración de pares asimétricos; [94] en este caso se usa un carril para los datos ascendentes y los otros tres para los datos descendentes o viceversa. USB4 Gen 4 utiliza modulación de amplitud de pulso en 3 niveles, lo que proporciona un trit de información por cada baudio transmitido, la frecuencia de transmisión de 12,8 GHz se traduce en una velocidad de transmisión de 25,6 GBd [95] y la traducción de 11 bits a 7 trit proporciona una velocidad de transmisión máxima teórica de poco más de 40,2 Gbit/s. [96]
Una conexión USB siempre se realiza entre un extremo A , ya sea un host o un puerto descendente de un concentrador, y un extremo B , ya sea un dispositivo periférico o el puerto ascendente de un concentrador. Históricamente, esto quedaba claro por el hecho de que los hosts solo tenían puertos Tipo A y los dispositivos periféricos solo tenían Tipo B, y cada cable (válido) tenía un enchufe Tipo A y un enchufe Tipo B. USB-C (Tipo-C) es un conector único que reemplaza a todos los conectores Tipo-A y Tipo-B ( conectores heredados ), por lo que cuando ambos lados son equipos modernos con puertos USB-C negocian cuál es el host (A) y cuál es el dispositivo (B).
Durante la comunicación USB, los datos se transmiten en forma de paquetes . Inicialmente, todos los paquetes se envían desde el host a través del concentrador raíz, y posiblemente más concentradores, a los dispositivos. Algunos de esos paquetes dirigen a un dispositivo para que envíe algunos paquetes en respuesta.
Las transacciones básicas de USB son:
El Foro de Implementadores de USB presentó el estándar de comunicación inalámbrica Media Agnostic USB (MA-USB) v.1.0 basado en el protocolo USB el 29 de julio de 2015. El USB inalámbrico es una tecnología de reemplazo de cables y utiliza tecnología inalámbrica de banda ultraancha para velocidades de datos de hasta 480 Mbit/s. [100]
El USB-IF utilizó la especificación WiGig Serial Extension v1.2 como base inicial para la especificación MA-USB y es compatible con SuperSpeed USB (3.0 y 3.1) y Hi-Speed USB (USB 2.0). Los dispositivos que utilizan MA-USB tendrán la marca "Desarrollado por MA-USB", siempre que el producto califique en su programa de certificación. [101]
InterChip USB es una variante de chip a chip que elimina los transceptores convencionales que se encuentran en el USB normal. La capa física de HSIC utiliza aproximadamente un 50 % menos de energía y un 75 % menos de área de placa en comparación con USB 2.0. [102] Es un estándar alternativo a SPI e I2C .
USB-C (oficialmente USB Type-C ) es un estándar que define un nuevo conector y varias funciones de conexión nuevas. Entre ellos admite el Modo Alternativo , que permite transportar otros protocolos a través del conector y cable USB-C. Esto se usa comúnmente para admitir los protocolos DisplayPort o HDMI , que permiten conectar una pantalla, como un monitor de computadora o un televisor , a través de USB-C.
Todos los demás conectores no son capaces de realizar operaciones de dos carriles (Gen 1×2 y Gen 2×2) en USB 3.2, pero se pueden utilizar para operaciones de un carril (Gen1×1 y Gen2×1). [103]
DisplayLink es una tecnología que permite conectar varias pantallas a una computadora a través de USB. Se introdujo alrededor de 2006 y, antes de la llegada del modo alternativo a través de USB-C, era la única forma de conectar pantallas a través de USB. Es una tecnología patentada, no estandarizada por el USB Implementers Forum y normalmente requiere un controlador de dispositivo independiente en la computadora.
Al principio, el USB se consideró un complemento a la tecnología FireWire ( IEEE 1394 ), que fue diseñada como un bus serie de gran ancho de banda que interconecta eficientemente periféricos como unidades de disco, interfaces de audio y equipos de video. En el diseño inicial, el USB funcionaba a una velocidad de datos mucho menor y utilizaba hardware menos sofisticado. Era adecuado para periféricos pequeños como teclados y dispositivos señaladores.
Las diferencias técnicas más importantes entre FireWire y USB incluyen:
Estas y otras diferencias reflejan los diferentes objetivos de diseño de los dos buses: USB fue diseñado para ser simple y de bajo costo, mientras que FireWire fue diseñado para un alto rendimiento, particularmente en aplicaciones urgentes como audio y video. Aunque similar en la velocidad de señalización máxima teórica, FireWire 400 es más rápido que el USB 2.0 de alto ancho de banda en uso real, [104] especialmente en uso de alto ancho de banda, como discos duros externos. [105] [106] [107] [108] El nuevo estándar FireWire 800 es dos veces más rápido que FireWire 400 y más rápido que USB 2.0 de alto ancho de banda, tanto en teoría como en la práctica. [109] Sin embargo, las ventajas de velocidad de FireWire se basan en técnicas de bajo nivel como el acceso directo a la memoria (DMA), que a su vez han creado oportunidades para vulnerabilidades de seguridad como el ataque DMA .
El conjunto de chips y los controladores utilizados para implementar USB y FireWire tienen un impacto crucial en la cantidad de ancho de banda prescrito por la especificación que se logra en el mundo real, junto con la compatibilidad con los periféricos. [110]
Los estándares IEEE 802.3af , 802.3at y 802.3bt Power over Ethernet (PoE) especifican esquemas de negociación de energía más elaborados que los USB con alimentación. Funcionan a 48 V CC y pueden suministrar más energía (hasta 12,95 W para 802.3af , 25,5 W para 802.3at también conocido como PoE+ , 71 W para 802.3bt también conocido como 4PPoE ) a través de un cable de hasta 100 metros en comparación con USB 2.0, que proporciona 2,5 W con una longitud máxima de cable de 5 metros. Esto ha hecho que PoE sea popular para teléfonos VoIP , cámaras de seguridad , puntos de acceso inalámbrico y otros dispositivos conectados en red dentro de edificios. Sin embargo, USB es más barato que PoE siempre que la distancia sea corta y la demanda de energía sea baja.
Los estándares de Ethernet requieren un aislamiento eléctrico entre el dispositivo en red (computadora, teléfono, etc.) y el cable de red de hasta 1500 V CA o 2250 V CC durante 60 segundos. [111] USB no tiene tal requisito ya que fue diseñado para periféricos estrechamente asociados con una computadora host y, de hecho, conecta las tierras del periférico y del host. Esto le da a Ethernet una importante ventaja de seguridad sobre USB con periféricos como módems de cable y DSL conectados a cableado externo que puede asumir voltajes peligrosos bajo ciertas condiciones de falla. [112] [113]
La definición de clase de dispositivo USB para dispositivos MIDI transmite datos musicales de la interfaz digital de instrumentos musicales ( MIDI ) a través de USB. [114] La capacidad MIDI se amplía para permitir hasta dieciséis cables MIDI virtuales simultáneos , cada uno de los cuales puede transportar los dieciséis canales y relojes MIDI habituales.
El USB es competitivo para dispositivos físicamente adyacentes y de bajo costo. Sin embargo, Power over Ethernet y el estándar de conector MIDI tienen una ventaja en dispositivos de alta gama que pueden tener cables largos. El USB puede causar problemas de bucle de tierra entre equipos, porque conecta referencias de tierra en ambos transceptores. Por el contrario, el conector MIDI estándar y Ethernet tienen un aislamiento integrado de 500 V o más.
El conector eSATA es un conector SATA más robusto , destinado a la conexión a discos duros externos y SSD. La velocidad de transferencia de eSATA (hasta 6 Gbit/s) es similar a la de USB 3.0 (hasta 5 Gbit/s) y USB 3.1 (hasta 10 Gbit/s). Un dispositivo conectado mediante eSATA aparece como un dispositivo SATA normal, brindando rendimiento completo y compatibilidad total asociada con las unidades internas.
eSATA no suministra energía a dispositivos externos. Esta es una desventaja cada vez mayor en comparación con el USB. Aunque los 4,5 W del USB 3.0 a veces son insuficientes para alimentar discos duros externos, la tecnología avanza y los discos externos necesitan gradualmente menos energía, lo que disminuye la ventaja de eSATA. eSATAp (alimentación a través de eSATA; también conocido como ESATA/USB) es un conector introducido en 2009 que suministra energía a los dispositivos conectados mediante un nuevo conector compatible con versiones anteriores. En un portátil, eSATAp normalmente suministra sólo 5 V para alimentar un HDD/SSD de 2,5 pulgadas; en una estación de trabajo de escritorio, también puede suministrar 12 V para alimentar dispositivos más grandes, incluidos HDD/SSD de 3,5 pulgadas y unidades ópticas de 5,25 pulgadas.
La compatibilidad con eSATAp se puede agregar a una máquina de escritorio en forma de un soporte que conecta los recursos SATA, de alimentación y USB de la placa base.
eSATA, al igual que USB, admite conexión en caliente , aunque esto puede estar limitado por los controladores del sistema operativo y el firmware del dispositivo.
Thunderbolt combina PCI Express y Mini DisplayPort en una nueva interfaz de datos en serie. Las implementaciones originales de Thunderbolt tienen dos canales, cada uno con una velocidad de transferencia de 10 Gbit/s, lo que da como resultado un ancho de banda unidireccional agregado de 20 Gbit/s. [115]
Thunderbolt 2 utiliza agregación de enlaces para combinar los dos canales de 10 Gbit/s en un canal bidireccional de 20 Gbit/s. [116]
Thunderbolt 3 y Thunderbolt 4 utilizan USB-C . [117] [118] [119] Thunderbolt 3 tiene dos canales bidireccionales físicos de 20 Gbit/s, agregados para aparecer como un único canal bidireccional lógico de 40 Gbit/s. Los controladores Thunderbolt 3 pueden incorporar un controlador USB 3.1 Gen 2 para brindar compatibilidad con dispositivos USB. También son capaces de proporcionar el modo alternativo DisplayPort, así como DisplayPort sobre USB4 Fabric, lo que hace que la función de un puerto Thunderbolt 3 sea un superconjunto de la de un puerto USB 3.1 Gen 2.
Modo alternativo DisplayPort 2.0: USB4 (que requiere USB-C) requiere que los concentradores admitan DisplayPort 2.0 a través de un modo alternativo USB-C. DisplayPort 2.0 puede admitir una resolución de 8K a 60 Hz con color HDR10. [120] DisplayPort 2.0 puede usar hasta 80 Gbit/s, que es el doble de la cantidad disponible para datos USB, porque envía todos los datos en una dirección (al monitor) y, por lo tanto, puede usar los ocho cables de datos a la vez. [120]
Después de que la especificación quedó libre de regalías y la custodia del protocolo Thunderbolt se transfirió de Intel al USB Implementers Forum, Thunderbolt 3 se implementó efectivamente en la especificación USB4, con compatibilidad con Thunderbolt 3 opcional pero recomendada para productos USB4. [121]
Hay varios convertidores de protocolo disponibles que convierten señales de datos USB hacia y desde otros estándares de comunicación.
Debido a la prevalencia del estándar USB, existen muchos exploits que utilizan el estándar USB. Uno de los mayores ejemplos de esto hoy en día se conoce como USB Killer , un dispositivo que daña los dispositivos enviando pulsos de alto voltaje a través de las líneas de datos.
En las versiones de Microsoft Windows anteriores a Windows XP , Windows ejecutaba automáticamente un script (si estaba presente) en ciertos dispositivos mediante ejecución automática , uno de los cuales son los dispositivos de almacenamiento masivo USB, que pueden contener software malicioso. [122]
En aplicaciones donde la latencia de transmisión es importante, UAC2 ofrece una reducción de hasta 8 veces respecto a UAC1.
... Cada método de cronometraje tiene ventajas y desventajas y aplicaciones que se adaptan mejor.
ADC-2 se refiere a la definición de clase de dispositivo USB para dispositivos de audio, versión 2.0.
Todos los sistemas operativos (Win, OSX y Linux) admiten USB Audio Class 1 de forma nativa.
Esto significa que no necesita instalar controladores, es plug&play.
Tenga en cuenta que el USB de velocidad completa tiene una latencia intrínseca mucho mayor de 2 ms.
La compatibilidad con Clase 2 permite frecuencias de muestreo mucho más altas, como PCM de 24 bits/384 kHz y DSD (DoP) hasta DSD256.
¡Ahora tenemos soporte nativo para dispositivos USB Audio 2.0 con un controlador de clase de bandeja de entrada!
Esta es una versión anterior del controlador que no tiene todas las funciones habilitadas.
El submodo síncrono no se usa comúnmente con audio porque tanto el host como el periférico están a merced del reloj USB.
El PCM2906C emplea la arquitectura SpAct™, el sistema exclusivo de TI que recupera el reloj de audio de los datos del paquete USB.
Las primeras interfaces de reproducción USB utilizaban el modo síncrono, pero adquirieron reputación por la mala calidad del reloj recuperado (y la consiguiente mala calidad de reproducción).
Esto se debió principalmente a deficiencias en la implementación del cronometraje más que a deficiencias inherentes del enfoque.
El hecho de que no haya una línea de reloj dentro del cable USB da como resultado un cable más delgado, lo cual es una ventaja.
Pero, no importa qué tan buenos sean los osciladores de cristal en los extremos de envío y recepción, siempre habrá alguna diferencia entre los dos...
El DAC USB síncrono es la calidad más baja de los tres... Adaptativo... significa que no hay un reloj maestro continuo y preciso en el DAC, lo que provoca fluctuaciones en la transmisión de audio.
... Asíncrono: este es el más complejo de implementar, pero supone una gran mejora con respecto a los otros tipos.
El modo síncrono no se utiliza en un DAC de calidad porque genera mucha inestabilidad.
... asíncrono es el mejor de estos modos.
Algunos fabricantes pueden hacerle creer que las transferencias USB asíncronas son superiores a las transferencias USB adaptativas y que, por tanto, debe creer en la solución asíncrona.
Esto no es más cierto que decir que "debes" sostener el tenedor con la mano izquierda.
De hecho, si sabes lo que estás haciendo, te alimentarás con cualquiera de las manos.
La cuestión realmente tiene que ver con las buenas prácticas de ingeniería.
