USB – Universal Serial Bus

Indice1. Introducción 2. USB (Universal Serial Bus) 3. Firewire 4. USB vs. Fireware 5. Bibliografía

1. Introducción

Hoy día resulta muy interesante observar como los avances tecnológicos nos sorprenden por la evolución tan rápida que presentan y algo que gusta es que cada vez son más fáciles de usar para cualquier persona, es decir, se están volviendo muy amigables y no necesitas ser un experto para poder comprender su funcionamiento, usarlos o instalarlos, este es el caso de Universal Serial Bus, mejor conocido como USB.

Uno de los principales propósitos del presente, es dar a conocer la tecnología que rondará nuestros ordenadores en los próximos meses. Muy poca gente conoce las especificaciones técnicas. No existe casi tiempo para dedicar a la culturización y expansión de nuestros conocimientos, es por eso que el presente trata de orientarse a instruir a los lectores sobre esta tecnología que ya se está difundiendo masivamente. Tanto el USB como el IEEE 1394 (Firewire), que se dieron a conocer debido sobre todo a la lista de tecnologías contenidas en Windows 98, es un nuevo bus que permite conectar una serie de dispositivos con una velocidad de datos que varia de baja a media-rápida. En el fondo son similares, pero, como se verá más adelante, tienen diferencias tanto en aplicaciones como en prestaciones. No se harán competencia uno con otro y convivirán pacíficamente en un mismo ordenador. Lo mejor de todo es el tipo de cosas que se pueden conectar a estos. Éstas incluyen discos duros, DVD-ROMs y CD-ROMs de alta velocidad, impresoras, escáneres… y la novedad: cámaras de fotos digitales, videocámaras DV, televisiones… teclados, mouses y un sin fin de dispositivos. De hecho, ya hay disponibles muchos elementos. Gracias a estos medios de comunicación, se podrán conectar cámaras digitales y de DV sin la necesidad de incómodas tarjetas que vienen opcionalmente con estos aparatos y sin tener que diferenciar el sitio donde conectar a cada quien. Y ahora, ¿cómo se conecta todo esto al ordenador?. Por el momento, se hará con controladoras PCI,

Para terminar esta introducción, se mostrará el cable y el conector que se usa. Curiosamente, este último está basado en el que se usa para conectar dos Game Boy.

2. USB (Universal Serial Bus)

USB. Historia. En un principio teníamos la interfaz serie y paralelo, pero era necesario unificar todos los conectores creando uno más sencillo y de mayores prestaciones. Así nació el  USB (Universal Serial Bus) con una velocidad de 12Mb/seg. y como su evolución, USB 2.0, apodado USB de alta velocidad, con velocidades en este momento de hasta 480Mb/seg., es decir, 40 veces más rápido que las conexiones mediante cables USB 1.1. Un puerto USB puede llegar a transmitir a velocidades entre 1,5 Mb/segundo y 12 Mbps; un puerto paralelo entre 600 Kb/s a 1,5 Mb/s y un puerto serial puede llegar hasta 112 Kb/s. USB es una nueva arquitectura de bus o un nuevo tipo de bus desarrollado por un grupo de siete empresas (Compaq, Digital Equipment Corp, IBM PC Co., Intel, Microsoft, NEC y Northern Telecom) que forma parte de los avances plug-and-play y permite instalar periféricos sin tener que abrir la máquina para instalarle hardware, es decir, basta con que conectes dicho periférico en la parte posterior de tu computador y listo.

¿Qué es?. USB Universal Serial Bus es una interfase plug&play entre la PC y ciertos dispositivos tales como teclados, mouses, scanner, impresoras, módems, placas de sonido, camaras, etc). Una característica importante es que permite a los dispositivos trabajar a velocidades mayores, en promedio a unos 12 Mbps, esto es más o menos de 3 a 5 veces más rápido que un dispositivo de puerto paralelo y de 20 a 40 veces más rápido que un dispositivo de puerto serial.

¿Cómo funciona?. Trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de energía, que ha sido introducida en el mercado de PC´s y periféricos para mejorar las lentas interfaces serie (RS-232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12 Mbps y "plug and play", distribuye 5V para alimentación, transmite datos y está siendo adoptada rápidamente por la industria informática. Es un bus basado en el paso de un testigo, semejante a otros buses como los de las redes locales en anillo con paso de testigo y las redes FDDI. El controlador USB distribuye testigos por el bus. El dispositivo cuya dirección coincide con la que porta el testigo responde aceptando o enviando datos al controlador. Este también gestiona la distribución de energía a los periféricos que lo requieran. Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento simultáneo de 127 dispositivos a la vez. En la raíz o vértice de las capas, está el controlador anfitrión o host que controla todo el tráfico que circula por el bus. Esta topología permite a muchos dispositivos conectarse a un único bus lógico sin que los dispositivos que se encuentran más abajo en la pirámide sufran retardo. A diferencia de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envío, de forma que no se produce retardo en el envío de un paquete de datos hacia capas inferiores. Como detalle sorprendente es que cada puerto utiliza una única solicitud de interrupción (IRQ) independientemente de los periféricos que tenga conectados (sea 1 ó 127) por lo tanto no hay riesgo de conflictos entre una cantidad de dispositivos que de otra forma no podrían ser conectados por falta de recursos; de la misma manera tampoco utilizan DMA (asignación de memoria).

El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes:

• Controlador.
• Hubs o Concentradores.
• Periféricos.

Diagrama de capas. En la figura de la derecha podemos ver cómo fluye la información entre las diferentes capas a nivel real y a nivel lógico. Figura 1 y 2 En dicha figura está materializada la conexión entre el controlador anfitrión o host y un dispositivo o periférico. Este está constituido por hardware al final de un cable USB y realiza alguna función útil para el usuario.

El software cliente se ejecuta en el host y corresponde a un dispositivo USB; se suministra con el sistema operativo o con el dispositivo USB. El software del sistema USB, es el que soporta USB en un determinado sistema operativo y se suministra con el sistema operativo independientemente de los dispositivos USB o del software cliente. El controlador anfitrión USB está constituido por el hardware y el software que permite a los dispositivos USB ser conectados al anfitrión. Como se muestra en la figura 3, la conexión entre un host y un dispositivo requiere la interacción entre las capas. La capa de interfaz de bus USB proporciona la conexión física entre el host y el dispositivo. La capa de dispositivo USB es la que permite que el software del sistema USB realice operaciones genéricas USB con el dispositivo.

Figura 3 La capa de función proporciona capacidades adicionales al host vía una adecuada capa de software cliente . Las capas de función y dispositivos USB tienen cada una de ellas una visión de la comunicación lógica dentro de su nivel, aunque la comunicación entre ellas se hace realmente por la capa de interfaz de bus USB .

Controlador El controlador reside dentro del PC y es responsable de las comunicaciones entre los periféricos USB y la CPU del PC. Es también responsable de la admisión de los periféricos dentro del bus, tanto si se detecta una conexión como una desconexión. Para cada periférico añadido, el controlador determina su tipo y le asigna una dirección lógica para utilizarla siempre en las comunicaciones con el mismo. Si se producen errores durante la conexión, el controlador lo comunica a la CPU, que, a su vez, lo transmite al usuario. Una vez se ha producido la conexión correctamente, el controlador asigna al periférico los recursos del sistema que éste precise para su funcionamiento. El controlador también es responsable del control de flujo de datos entre el periférico y la CPU.

Concentradores o hubs Son distribuidores inteligentes de datos y alimentación, y hacen posible la conexión a un único puerto USB de 127 dispositivos. De una forma selectiva reparten datos y alimentación hacia sus puertas descendentes y permiten la comunicación hacia su puerta de retorno o ascendente. Un hub de 4 puertos, por ejemplo, acepta datos del PC para un periférico por su puerta de retorno o ascendente y los distribuye a las 4 puertas descendentes si fuera necesario. Los concentradores también permiten las comunicaciones desde el periférico hacia el PC, aceptando datos en las 4 puertas descendentes y enviándolos hacia el PC por la puerta de retorno. Además del controlador, el PC también contiene el concentrador raíz. Este es el primer concentrador de toda la cadena que permite a los datos y a la energía pasar a uno o dos conectores USB del PC, y de allí a los 127 periféricos que, como máximo, puede soportar el sistema. Esto es posible añadiendo concentradores adicionales. Por ejemplo, si el PC tiene una única puerta USB y a ella le conectamos un hub o concentrador de 4 puertas, el PC se queda sin más puertas disponibles. Sin embargo, el hub de 4 puertas permite realizar 4 conexiones descendentes. Conectando otro hub de 4 puertas a una de las 4 puertas del primero, habremos creado un total de 7 puertas a partir de una puerta del PC. De esta forma, es decir, añadiendo concentradores, el PC puede soportar hasta 127 periféricos USB. La mayoría de los concentradores se encontrarán incorporados en los periféricos. Por ejemplo, un monitor USB puede contener un concentrador de 7 puertas incluido dentro de su chasis. El monitor utilizará una de ellas para sus datos y control y le quedarán 6 para conectar allí otros periféricos. Figura 4 y 5

Cables y conectores. USB 1.1 transfiere señales y energía a los periféricos utilizando un cable de 4 hilos, apantallado para transmisiones a 12 Mbps y no apantallado para transmisiones a 1.5 Mbps. En la figura 6 se muestra un esquema del cable, con dos conductores para alimentación y los otros dos para señal, debiendo estos últimos ser trenzados o no según la velocidad de transmisión. El calibre de los conductores destinados a alimentación de los periféricos varía desde 20 a 26 AWG, mientras que el de los conductores de señal es de 28 AWG. La longitud máxima de los cables es de 5 metros. Por lo que respecta a los conectores hay que decir que son del tipo ficha (o conector ) y receptáculo, y son de dos tipos: serie A y serie B . Los primeros presentan las cuatro patillas correspondientes a los cuatro conductores alineadas en un plano. El color recomendado es blanco sucio y los receptáculos se presentan en cuatro variantes: vertical, en ángulo recto, panel y apilado en ángulo recto así como para montaje pasamuro. Se emplean en aquellos dispositivos en los que el cable externo, está permanentemente unido a los mismos, tales como teclados, ratones, y hubs o concentradores. Los conectores de la serie B presentan los contactos distribuidos en dos planos paralelos, dos en cada plano, y se emplean en los dispositivos que deban tener un receptáculo al que poder conectar un cable USB. Por ejemplo impresoras, scanner, y módems . Aplicaciones actuales y posibilidades a futuro.

• Discos duros de estado sólido portátiles.
• Adaptadores de video para monitores de PC.
• Grabadores de audio y video sobre bus USB.
• Conexiones de PC a PC a través de puertos USB.
• Sustitución de los puertos serie y paralelo.

En las placas que se venden actualmente, especialmente si son en formato ATX, el conector del bus USB está presente como un estándar, a veces hasta por duplicado. Como se aprecia en la imagen, es un pequeño rectángulo, del tamaño aproximado de una clavija telefónica (pero distinta de éstas).

Ultimas innovaciones y noticias sobre el hardware. Nuevos estándares comenzaron a aparecer y USB 1.1 quedó medio obsoleto, pues no estaba acorde a las velocidades de transferencia del momento. Así, el puerto IEEE-1394 conocido en el ambiente Mac como FireWire y en los PC como iLink- sobrepasó en velocidad al USB, y bastante: 400 mbps. Es cierto que para muchos periféricos esta velocidad es demasiada, no es necesaria, pero para algunos dispositivos es una cosa fundamental. Por ejemplo, los discos duros, los copiadores de CD, o las videocámaras digitales. La cantidad de información que necesitan transferir en poco tiempo es mucha, y los 12 mbps no fueron suficientes. FireWire fue el rey de estos productos. A mediados del 2001 se presentó la nueva maravilla de los puertos, USB 2.0. Con una velocidad de transferencia de 480 mbps, sobrepasó al estándar 1394. La poderosa firma Intel no se demoró mucho en subirse al carro de la victoria y decir que sus chips vendrían integrados con esta nueva versión, que entre sus gracias está que es absolutamente compatible con la versión anterior. Si se tienen dispositivos USB 1.1, no hay problema en conectarlos al puerto USB 2.0.

Desventajas El ancho de banda debe repartirse entre los dispositivos, lo que no importa mucho si estamos conectando otro ratón, pero que nos indica que conectar 126 impresoras al mismo puerto USB e intentar imprimir en todas a la vez no es una buena idea. Sin embargo, parece un ancho suficiente para utilizar algunos dispositivos portátiles como las unidades Zip, mientras no intentemos usarlos a la vez que una impresora, un módem y un escáner USB (combinación ciertamente improbable). Necesita de un PC que coordine su actividad a través de un controlador, pero esto lo hace de fácil fabricación y económico de implementar.

3. Firewire

IEEE 1394 o Firewire. Historia Apple inventó el FireWire a mediados de los 90 y lo mimó hasta convertirlo en el estándar multiplataforma IEEE 1394. FireWire es una tecnología para la entrada/salida de datos en serie a alta velocidad y la conexión de dispositivos digitales como videocámaras o cámaras fotográficas digitales y ordenadores portátiles o de sobremesa. Ampliamente adoptado por fabricantes de periféricos digitales como Sony, Canon, JVC y Kodak, el FireWire se ha convertido en el estándar establecido tanto para consumidores como para profesionales. FireWire es uno de los estándares de periféricos más rápidos que se han desarrollado, característica que lo hace ideal para su uso con periféricos del sector multimedia (como cámaras de vídeo) y otros dispositivos de alta velocidad como, por ejemplo, lo último en unidades de disco duro e impresoras. Se ha convertido en la interfaz preferida de los sectores de audio y vídeo digital, reúne numerosas ventajas, entre las que se encuentran la elevada velocidad, la flexibilidad de la conexión y la capacidad de conectar un máximo de 63 dispositivos. Además de cámaras y equipo de vídeo digital, la amplia gama de productos FireWire comprende reproductores de vídeo digital, sistemas domésticos para el ocio, sintetizadores de música, escáneres y unidades de disco duro.

¿Qué es? Con un ancho de banda 30 veces mayor que el conocido estándar de periféricos USB 1.1, el FireWire 400 se ha convertido en el estándar más respetado para la transferencia de datos a alta velocidad. Apple fue el primer fabricante de ordenadores que incluyó FireWire en toda su gama de productos. Una vez más, Apple ha vuelto a subir las apuestas duplicando la velocidad de transferencia con su implementación del estándar IEEE 1394b FireWire 800.

¿Cómo funciona? FireWire 800 (Fireware 2 y/o IEEE1394b) La velocidad sobresaliente del FireWire 800 frente al USB 2.0 convierten al primero en un medio mucho más adecuado para aplicaciones que necesitan mucho ancho de banda, como las de gráficos y vídeo, que a menudo consumen cientos o incluso miles de megabytes de datos por archivo. Por ejemplo, una hora de vídeo en formato DV ocupa unos 13.000 megabytes (13 GB). Otras de sus ventajas son, por ejemplo: Arquitectura altamente eficiente. IEEE 1394b reduce los retrasos en la negociación, mientras la 8B10B (8 bits se codifican en 10 bits. Este código fue desarrollado por IBM y permite suficientes transiciones de reloj, la codificación de señales de control, detección de errores. El código 8B10B es similar a 4B5B de FDDI, el que no fue adoptado debido al pobre equilibrio de corriente continua) reduce la distorsión de señal y aumenta la velocidad de transferencia. Mejor vivencia como usuario. Da igual cómo conectes tus dispositivos entre ellos, FireWire 800 funciona a la perfección. Por ejemplo, puedes incluso enlazar a tu Mac la cadena de dispositivos FireWire 800 por los dos extremos para mayor seguridad durante acontecimientos en directo. Compatibilidad retroactiva. Los fabricantes han adoptado el FireWire para una amplia gama de dispositivos, como videocámaras digitales, discos duros, cámaras fotográficas digitales, audio profesional, impresoras, escáneres y electrodomésticos para el ocio. Los cables adaptadores para el conector de 9 contactos del FireWire 800 te permiten utilizar productos FireWire 400 en el puerto FireWire 800. FireWire 800 comparte las revolucionarias prestaciones del FireWire 400: Flexibles opciones de conexión. Conecta hasta 63 ordenadores y dispositivos a un único bus: puedes incluso compartir una cámara entre dos Mac’s o PC’s. Distribución en el momento. Fundamental para aplicaciones de audio y vídeo, donde un fotograma que se retrasa o pierde la sincronización arruina un trabajo, el Firewire puede garantizar una distribución de los datos en perfecta sincronía. Alimentación por el bus. Mientras el USB 2.0 permite la alimentación de dispositivos sencillos y lentos que consumen un máximo de 2,5 W, como un ratón, los dispositivos Firewire pueden proporcionar o consumir hasta 45 W, más que suficiente para discos duros de alto rendimiento y baterías de carga rápida. Conexiones de enchufar y listo. No tienes más que enchufar un dispositivo para que eche a andar.

Ventajas de Firewire

• Alcanzan una velocidad de 400 megabits por segundo. es hasta cuatro veces más rápido que la red Ethernet 100Base-T y 40 veces más rápido que la red Ethernet 10-Base-T.
• Soporta la conexión de hasta 63 dispositivos con cables de una longitud máxima de 425 cm.
• No es necesario apagar un escáner o una unidad de CD antes de conectarlo o desconectarlo, y tampoco requiere reiniciar la computadora.
• Los cables FireWire se conectan muy fácilmente: no requieren números de identificación de dispositivos, conmutadores DIP, tornillos, cierres de seguridad ni terminadores.
• FireWire funciona tanto con Macintosh como con PC.
• FireWire 400 envía los datos por cables de hasta 4,5 metros de longitud. Mediante fibra óptica profesional, FireWire 800 puede distribuir información por cables de hasta 100 metros, lo que significa que podrías disparar ese CD hasta la otra punta de un campo de fútbol cada diez segundos.
• ni siquiera necesitas ordenador o dispositivos nuevos para alcanzar estas distancias. Siempre que los dispositivos se conecten a un concentrador FireWire 800, puedes enlazarlos mediante un cable de fibra óptica súpereficiente.

Aplicaciones de Fireware La revolución en el vídeo La edición de vídeo digital con FireWire ha permitido que tuviera lugar una revolución en la producción del vídeo con sistemas de escritorio. La incorporación de FireWire en cámaras de vídeo de bajo costo y elevada calidad permite la creación de vídeo profesional en la Macintosh. Atrás quedan las carísimas tarjetas de captura de vídeo y las estaciones de trabajo con dispositivos SCSI de alto rendimiento. FireWire permite la captura de vídeo directamente de las nuevas cámaras de vídeo digital con puertos FireWire incorporados y de sistemas analógicos mediante conversores de audio y vídeo a FireWire.

Redes IP sobre Firewire Funcionamiento Como explica , "con este software instalado, se pueden utilizar entre ordenadores Macintosh y periféricos los protocolos IP existentes, incluyendo AFP, HTTP, FTP, SSH, etcétra. En todos los casos, se puede utilizar Rendezvous para su configuración, resolución de nombres y descubrimiento." Si unimos la posibilidad de usar las conexiones Firewire para crear redes TCP/IP a las prestaciones de Firewire 2 (Fireware 800), tenemos razones muy serias para que Apple recupere rápidamente la atención de los fabricantes de periféricos… y dé una alegría a los usuarios de aplicaciones que requieren gran ancho de banda en redes locales, como todas las relacionadas con el vídeo digital. Por no hablar de meter la nariz en un posible mercado nuevo.

4. USB vs. Fireware

Comparando USB con Firewire. Mucha gente confunde el 1394 y el Universal Serial Bus (USB). Es incomprensible. Ambos son tecnologías que persiguen un nuevo método de conectar múltiples periféricos a un ordenador. Ambos permiten que los periféricos sean añadidos o desconectados sin la necesidad de reiniciar. Ambos usan cables ligeros y flexibles con un empleo sencillo, y conectores duraderos. Pero allí terminan los parecidos. Aunque los cables de 1394 y USB pueden parecer a la vista los mismo, la cantidad de datos que por ellos transcurre es bastante diferente. Como muestra la tabla de abajo, la velocidad y la capacidad de transferencia marca la principal distinción entre estas dos tecnologías:

Hoy por hoy, el 1394 ofrece una transferencia de datos 16 veces superior a la ofrecida por el USB. Y se ampliará en los próximos meses. Eso es porque el USB fue diseñado para no prevenir futuros aumentos de velocidad en su capacidad de transferencia de datos. Por otro lado, el 1394 tiene bien definidos otros tipos de ancho de banda, con velocidad incrementada a 400 Mbps (50 MB/s)  y posiblemente 800 Mbps (100 MB/s) esperado para 1998, y 1 Gbps+ (125 MB/s) y más allá en los próximos años. Tantos incrementos en la capacidad de transferencia de datos serán requeridos para los dispositivos que la requieren, tales como HDTV, cajas de mezclas digitales y sistemas de automatización caseros que planean incorporar interfaces 1394. Todo esto no significa que el 1394 gane la "guerra" de interfaces. No hay necesidad de ello. La mayoría de los analistas industriales esperan que los conectores 1394 y USB coexistirán pacíficamente en los ordenadores del futuro. Reemplazarán a los conectores que podemos encontrar hoy en las partes de atrás de los PC's. USB se reservará para los periféricos con un pequeño ancho de banda (ratones, teclados, módems), mientras que el 1394 será usado para conectar la nueva generación de productos electrónicos de gran ancho de banda. FireWire y USB se han abierto camino en la industria informática y electrónica de consumo. El USB es la tecnología preferida para la mayoría de ratones, teclados y otros dispositivos de entrada de información de banda estrecha. Por ejemplo, el USB también está muy extendido en cámaras fotográficas digitales de consumo, impresoras, escáneres, joysticks y similares. FireWire, gracias a su mayor ancho de banda, longitud de cable y alimentación por el bus, es más adecuado para aplicaciones de vídeo digital (DV), audio profesional, discos duros, cámaras fotográficas digitales de alto nivel y aparatos de ocio domésticos.

5. Bibliografía

• Firewire
• http://www.apple.com/es/firewire/
• IEEE 1394 Firewire
• http://www.duiops.net/hardware/articulo/ie31394f.htm
• USB 2.0
• http://www.duiops.net/hardware/articulo/usb20.htm
• USB versus IEEE 1394
• http://www.domotica.net/USB_versus_IEEE_1394.htm
• USB
• http://www.monografias.com/trabajos11/usbmem/usbmem
• El USB: uno para todos…
• http://www.conozcasuhardware.com/articulo/futur2.htm
• Redes IP sobre Firewire
• http://www.macuarium.com/actual/noticias/2002/12/06_firewirewarmsup

Autor:

Juan Carlos Rivas

Caracas, Marzo de 2003 Ministerio de Educación Universidad Central de Venezuela Facultad de Ingeniería Escuela de Eléctrica Departamento de Comunicaciones