¿Qué es exactamente USB?

La historia del USB es un relato interesante sobre la evolución de los estándares, que ilustra perfectamente que un desarrollo tecnológico sensato y coherente se traduce directamente en el confort de vida de todos nosotros.

En la cultura popular, se puede encontrar el estereotipo de una persona perdida en los estándares tecnológicos y la afirmación de que los diversos conectores utilizados en la electrónica de consumo o en las computadoras introducen confusión en la vida del usuario promedio. De hecho, en las últimas dos décadas del siglo XX, la revolución continua en el campo de la informática primero creó y luego profundizó el fenómeno conocido como "exclusión digital", a menudo comparado en naturaleza y efectos con el analfabetismo. Sin embargo, también hay que señalar que, junto con la informatización en curso, se intensificaron los esfuerzos para crear interfaces intuitivas y construir dispositivos accesibles para el aficionado. El conector USB, junto con el ratón de computadora o la pantalla táctil, es uno de los principales protagonistas de esta evolución – y todo indica que seguirá siéndolo en el futuro.

Y aunque al "ciudadano promedio" le basta con saber que su teléfono tiene un puerto USB C ("¡Y no quiero saber nada más!"), a nosotros, los entusiastas de la electrónica, esa simple información no nos satisface. Porque queremos saber qué ocurre realmente al conectar el cable.

En este artículo respondemos a las preguntas:

• ¿De dónde surgieron los conectores USB?
• ¿Cómo funciona el USB?
• ¿Qué significan los números y letras en la abreviatura USB?
• ¿Cuáles son los tipos de conectores USB?
• ¿El color del USB tiene importancia?
• ¿Qué es el USB C?
• ¿Para qué sirve USB Power Delivery y puede dañar la computadora?
• ¿Qué hay de nuevo en el estándar USB 4.0?

Breve génesis del estándar

El nombre del estándar USB ya dice mucho por sí mismo, es decir, en inglés Universal Serial Bus – bus serial universal. Otro artículo de la serie "Electrónica desde cero" sobre interfaces de comunicación ayudará a descifrar con precisión esta expresión.

Aquí nos limitamos a la información básica:

• Universal - es decir, desde el principio, los conectores USB estaban destinados a conectar diferentes dispositivos, en el rango más amplio posible.
• Bus es decir, una conexión física compuesta por varias líneas, adaptada para manejar un tipo específico de comunicación, generalmente entre múltiples transmisores/receptores.
• Serial - esta palabra se refiere al método de comunicación que consiste en transmitir datos en impulsos, es decir, bit por bit, a través de una sola línea (o dos líneas en ambas direcciones). Dado que en la configuración más simple los buses seriales solo necesitan un cable de transmisión, el cableado para tal comunicación es asequible y duradero, ya que puede contener conductores de un calibre relativamente grande.

La necesidad de desarrollar un estándar universal de conectores se volvió urgente en los años 90 del siglo XX. Las computadoras de la época tenían puertos seriales y paralelos realizados mediante conectores de diferentes formatos, a menudo con una especialización muy estrecha (entradas separadas y diferentes para teclados y ratones, otro tipo para el módem, otro tipo para el controlador de juegos). Permitían, es cierto, la comunicación con accesorios y periféricos, pero no los detectaban automáticamente, dejando la (no trivial) carga de configuración al usuario.

El símbolo USB refleja bien la idea detrás del estándar: la conectividad entre el punto principal y periféricos de diferentes tipos (con la posibilidad abierta de más comunicación).

Lo peor de todo es que los parámetros eléctricos de los estándares descritos eran subóptimos, requerían cantidades relativamente grandes de energía para realizar la comunicación en sí, aunque la corriente que proporcionaban era suficiente solo para alimentar los periféricos más simples o pasivos. El estándar USB ya desde el principio resolvía todos estos problemas:

• La operación Plug&Play, es decir, "conectar y usar", preveía comunicación automática entre dispositivos en el momento de su conexión, y por lo tanto: configuración automática realizada por software (por el sistema operativo de la computadora).
• USB tiene dos líneas dedicadas exclusivamente a la alimentación. Los parámetros eléctricos desde el principio eran suficientes para la mayoría de los dispositivos periféricos y se ampliaron en generaciones posteriores.

Principio de funcionamiento

Es necesario aclarar de inmediato que no profundizaremos en la especificación completa del protocolo USB, ya que el objetivo de este texto no es enseñar sobre el manejo del hardware de la interfaz. Sin embargo, echemos un vistazo a cómo funciona el USB en términos generales. Para aquellos interesados en los detalles, recomendamos la documentación precisa y disponible gratuitamente del estándar.

Construcción del cable

Aunque las generaciones modernas de USB prevén el uso de incluso una docena de líneas (sobre esto un poco más adelante), el número mínimo de conductores necesarios para establecer una conexión es 4. Tienen colores y funciones definidos por el estándar:

• V_BUS, conductor rojo, de alimentación con un potencial de 5V.
• GND, conductor negro es la masa, es decir, 0V. En los cables más baratos utilizados para cargar dispositivos portátiles, se utilizan cables de dos conductores, conectados solo a estas dos líneas.
• Los conductores verde y blanco, son respectivamente D+ y D- o DATA+ y DATA-. Estas conexiones son para la comunicación. USB, como muchas otras interfaces rápidas, se basa en la transmisión diferencial. Los valores binarios se presentan simultáneamente en dos líneas, pero con polaridad opuesta (el voltaje en una línea es el "opuesto" al voltaje en la otra). Esto permite lograr una resistencia óptima a las interferencias incluso en transmisiones que requieren alta frecuencia de señal. En USB se utiliza el método NRZI (Non Return to Zero Inverted), donde el bit 0 se representa invirtiendo los estados en las líneas D- y D+, y el bit 1 los deja en niveles inalterados. Las partes de la comunicación cambian/verifican el estado en las líneas en intervalos de tiempo específicos y de esta manera envían/reciben datos.

Conector USB A macho y conductores contenidos en el cable blindado.

¿Qué sucede al conectar el USB?

En la comunicación USB, las partes asumen el rol de host (es decir, "anfitrión" que gestiona el bus) o cliente (simplemente llamado device, es decir, "dispositivo"). Por supuesto, justo después de insertar el enchufe en el conector, estos dos circuitos no saben nada el uno del otro. Si el dispositivo USB se alimenta a través del bus, como es el caso de una memoria USB o un ratón de computadora, primero se enciende, por lo que no se realiza ninguna comunicación.

Datos

En primer lugar, el dispositivo informa al host a qué velocidad pretende comunicarse durante la iniciación – lo hace estableciendo un estado alto en la línea D- o D+. A partir de ese momento, la comunicación se realiza utilizando paquetes de 8 bytes enviados según la frecuencia indicada.

La primera transmisión es un paquete del host que informa al dispositivo sobre la dirección de 2 bytes asignada, que será válida en la comunicación mutua. El dispositivo responde con una confirmación (ACK del inglés acknowledgement).

En esta etapa, teóricamente, el bus USB ya puede servir para la comunicación (por ejemplo, entre circuitos digitales). En la práctica: la computadora (u otro circuito que actúe como principal) solicitará al dispositivo su descriptor, es decir, un conjunto de datos que describe el hardware conectado. Incluye información sobre la generación USB compatible, el tipo de dispositivo, el fabricante y el número de serie, etc. A menudo, ya sobre esta base, el sistema operativo puede seleccionar el controlador adecuado, es decir, el programa para manejar el hardware específico.

Por supuesto, esto es solo el comienzo de la "conversación", la iniciación completa del dispositivo puede ser muy compleja, pero eso es una cuestión específica para diferentes tipos de hardware. En las aplicaciones más simples (por ejemplo, proyectos que utilizan la interfaz FT232R), el circuito integrado conectado al USB se presentará como un controlador de puerto serial y de esta manera intermediará en la comunicación entre la computadora y el microcontrolador, transmitiendo de ida y vuelta cadenas de bytes que pueden ser recibidas/enviadas por un programa de terminal u otro software especialmente escrito. Y nada más. En otros casos, las capacidades del USB se utilizan mucho más ampliamente: los dispositivos pueden negociar la velocidad de transmisión (no se limita a las dos frecuencias utilizadas durante la iniciación), la funcionalidad, el protocolo, etc.

Alimentación

Si el cable USB se conecta al cargador más simple, en las líneas GND y V_BUS aparecerá un voltaje de 5V DC. A través del cable fluirá una corriente cuya intensidad dependerá de las características del dispositivo y del valor nominal que el cargador pueda proporcionar. Estos parámetros son descritos por un estándar separado (Battery Charging Specification), que en la última década ha sido revisado varias veces debido a la creciente demanda de dispositivos móviles.

El estándar USB también contempla la posibilidad de negociar voltajes y corrientes presentes en las líneas de alimentación. Ya el descriptor del dispositivo contiene datos sobre su especificación eléctrica, incluida la información sobre la fuente y los parámetros de alimentación. Las capacidades del USB en este campo se ampliaron con la introducción de la tecnología Power Delivery, que se describe más adelante en el texto.

Números y letras, explicación de las designaciones

El USB a menudo se percibe por los usuarios como una tecnología complicada. Tal vez esto se deba a los números, letras y abreviaturas que acompañan el nombre de esta interfaz. Pero no es una cuestión abrumadora si somos conscientes de la clara división en esta nomenclatura:

• letras se refieren al formato del conector;
• números indican la generación del USB (y en la práctica principalmente la velocidad de transmisión);
• abreviaturas designan tecnologías opcionales adicionales.

Generaciones del estándar

En los últimos 30 años, el estándar USB ha sido redefinido en varias generaciones. Aunque puede parecer que hay muchas, en realidad los cambios importantes no ocurrieron más de una vez cada 8 años. En el dinámico mercado de la electrónica, este es un ritmo excepcionalmente cauteloso. Veamos entonces las versiones más importantes del USB:

USB 1.0

Las primeras versiones del estándar no estaban previstas para la transmisión rápida de datos, por ejemplo, transferir archivos grandes a memorias portátiles. Los accesorios conectados a través del USB requerían un ancho de banda relativamente bajo, por lo que la velocidad estaba limitada a 1,5Mb/s y 12Mb/s. Estas frecuencias siguen en uso en la etapa de iniciación, lo que permite que incluso productos relativamente antiguos sigan siendo compatibles con las computadoras más modernas. Incluso algunos periféricos nuevos utilizan esta versión de la interfaz, ya que su implementación es económica y en muchas aplicaciones un método de comunicación más rápido es innecesario.

USB 2.0

La segunda generación de USB trajo un gran avance en la transmisión, acelerándola a 480Mb/s. También aumentaron las capacidades de corriente de la conexión, ahora alcanzando 1,5A a 5V DC, es decir, una potencia de hasta 7,5W. Estos parámetros permitieron utilizar el USB para cargar dispositivos móviles, pero también para alimentar de manera autónoma periféricos más exigentes, como discos duros portátiles o escáneres.

USB 3.0

Las versiones USB 3.0, y luego 3.1 y 3.2, introdujeron más mejoras en el campo de la transmisión de datos, que ahora alcanzó hasta 20Gb/s (el llamado SuperSpeed). Desafortunadamente, esto implicó un aumento en el número de líneas de transmisión, y por lo tanto el rediseño de los conectores y enchufes (sobre esto más adelante). Estos conectores se diseñaron para ser compatibles con generaciones anteriores de cables, y solo la velocidad máxima de transmisión requería el uso de un cable especial. Estas diferencias perdieron importancia con la introducción del formato USB C.

Tipos de conectores USB

Y aquí llegamos al tema que causa más confusión entre los consumidores comunes – los formatos de conectores. Las primeras especificaciones del USB eran extremadamente claras en este campo: solo debían existir dos tipos de enchufes: A y B. A estaba en el lado del host, es decir, la computadora, y el extremo B se colocaba en el conector del dispositivo periférico. Desafortunadamente, rápidamente se hizo evidente que la miniaturización requería el desarrollo de nuevos formatos más pequeños de conectores para clientes (B). Poco después, los fabricantes de laptops y tabletas, compitiendo por crear dispositivos cada vez más delgados y ligeros, también notaron el problema con las dimensiones del conector USB A clásico de bajo perfil. En respuesta a estas demandas, se creó el formato USB C, que es – se podría decir – una versión aún más universal de la interfaz universal, utilizando enchufes y conectores idénticos para todos los tipos de dispositivos.

	USB A	El formato de conector más básico utilizado principalmente en dispositivos tipo host y cargadores. Producido en masa en formatos para montaje en placas PCB en tecnología de orificio pasante (THT) y de montaje en superficie (SMD), así como como conectores para montaje en cable.
	USB B	Formato clásico de conector para clientes, todavía encontrado en algunos dispositivos periféricos, principalmente impresoras y escáneres.
	USB C	El conector USB C, cuya funcionalidad completa se describe más adelante en el texto, se caracteriza por su tamaño reducido y su construcción simétrica, lo que permite emparejarlo en dos orientaciones (giro de 180° respecto al eje del enchufe). Los conectores de este tipo a veces se fabrican en formato middle board mount, es decir, diseñados para su instalación en un corte de la placa PCB (como se muestra en la fotografía). De esta manera, se logra un perfil de conector muy bajo (menos de 1 mm sobre la superficie del circuito impreso).
	USB B mini	USB B mini fue el primer formato miniaturizado de USB que se implementó ampliamente en dispositivos portátiles, principalmente de mayor tamaño (por ejemplo, cámaras fotográficas). Desafortunadamente, esta variante resultó ser todavía demasiado grande para teléfonos inteligentes y otros dispositivos "de bolsillo".
	USB B micro	USB B micro es, junto con C, el formato más popular de conector USB compacto. Al igual que la versión mini, el conector tiene un pin adicional que se utiliza para la identificación de dispositivos al conectar dos dispositivos diseñados para funcionar en modo cliente (ver: sección USB OTG).

También hay que mencionar que, mientras tanto, se crearon varios formatos miniaturizados de USB, pero no gozaron de popularidad. Finalmente, la funcionalidad y capacidades del USB C hicieron que este conector se convirtiera en el estándar de facto en los mercados mundiales, e incluso en una norma oficial y legalmente requerida para dispositivos móviles distribuidos en los mercados de la Unión Europea.

Comparación de enchufes de diferentes formatos (a escala).

Colores de los conectores

Antes de pasar a las versiones específicas del estándar, vale la pena destacar que el color del conector (o más bien de su parte plástica) también tiene importancia. Aunque hay que señalar que los fabricantes de dispositivos no siempre utilizan el método de identificación por color. Sin embargo:

• los conectores de color blanco son compatibles con el estándar 1.0/1.1;
• el color negro es adecuado para dispositivos compatibles al menos con la generación 2.0;
• los enchufes y conectores azules tienen pines adicionales que permiten aprovechar al máximo la tecnología SuperSpeed ofrecida por USB 3.0;
• los raramente encontrados conectores turquesa indican la posibilidad de transmisión a una velocidad de 20Gb/s, que fue posible solo en la variante USB 3.2. A veces, en computadoras y laptops, también se pueden encontrar conectores USB A rojos: de esta manera se indica que el puerto puede proporcionar corrientes significativas (generalmente incluso después de apagar el dispositivo), lo que permite cargar teléfonos inteligentes, tabletas, etc.

Los conectores USB en la placa base de una PC están marcados como puertos de carga (rojos) y SuperSpeed (azules).

Tipos especiales de conectores para USB SuperSpeed

En varios lugares ya nos hemos encontrado con la tecnología SuperSpeed. Se presentó en la tercera generación del estándar. Fue un compromiso entre la compatibilidad retroactiva de los dispositivos USB (esperada por los consumidores) y una mayor aceleración de la transmisión. Como resultado, se presentaron nuevos formatos de enchufes y conectores, donde además de los 4 pines "clásicos" había 5 conexiones adicionales.

Las nuevas líneas incluyen una conexión adicional a masa (dren GND, nº 8 en la ilustración) y dos pares de señales diferenciales (6-7 y 9-10), uno para cada dirección de transmisión. Esto significa que las conexiones de este tipo permiten la transmisión de datos en modo full-duplex, es decir, simultáneamente en ambas direcciones.

El formato USB micro SS se diferencia claramente del estándar original, es el doble de ancho.

Desafortunadamente, la expansión de los conectores, junto con la proliferación de formatos miniaturizados, introdujo confusión en el estándar USB. En resumen, se estaba volviendo cada vez menos amigable para los usuarios, especialmente para las personas que no siguen las novedades tecnológicas. Además, los conectores compactos resultaron ser poco resistentes a los intentos accidentales de conectar el cable en polaridad invertida, con facilidad se podía dañar el conector. Afortunadamente, todos estos problemas fueron eliminados por el nuevo formato de conexión, es decir, USB C.

Conexiones del conector USB C

USB C en su versión completa tiene 12 conexiones, pero 24 pines. El número duplicado se debe a la característica mecánica de los enchufes, que pueden conectarse en ambas orientaciones, lo que facilita mucho su uso. Lo importante es que: incluso una versión tan expandida del conector para trabajar en el modo más básico (compatible con USB 1.0 y 2.0) todavía requiere solo cuatro líneas (ni siquiera cambiaron los colores recomendados de los cables). Por supuesto, en tal disposición mínima se deberían usar al menos 8 pines, permitiendo la conexión simétrica (es decir, "al revés"). En la práctica, de hecho, no siempre se utilizan todas las líneas de USB C y en dispositivos móviles a menudo se encuentran versiones simplificadas del conector (de 12 y 16 pines), sin las líneas adicionales para la transmisión acelerada. Para entender por qué una mayor reducción en el número de conexiones sería problemática, echemos un vistazo a la construcción de los conectores.

Todas las líneas del conector USB C (la ilustración muestra el conector, es decir, la versión femenina).

En la ilustración anterior se indica la disposición y funciones de los pines en el conector USB C. Su uso es el siguiente:

Estándares y conceptos relacionados

Con la expansión de la interfaz, al estándar USB comenzaron a acompañar otras tecnologías relacionadas, que pueden (aunque no necesariamente) ser implementadas en dispositivos. Nos encontraremos con sus nombres en la documentación de muchos equipos electrónicos, principalmente productos de consumo, como teléfonos inteligentes o computadoras.

USB OTG, es decir, On-The-Go

Hoy en día, incluso un teléfono común (sin mencionar una tableta) tiene suficiente potencia de cálculo para manejar periféricos que antes estaban reservados exclusivamente para computadoras. Un ejemplo pueden ser impresoras o dispositivos de entrada. La posibilidad de guardar fotografías tomadas con un teléfono inteligente en una memoria USB portátil no sería posible si el primero no actuara como host. En otras palabras: los dispositivos móviles cada vez más gestionan la comunicación del bus USB, e incluso sirven para proporcionar energía a los accesorios. Al mismo tiempo: deben ser capaces de funcionar como cliente (por ejemplo, al conectarse a una laptop). La tecnología USB OTG On-The-Go (de la frase en inglés que significa "USB en movimiento") prevé la posibilidad de negociar el rol de un dispositivo determinado. Actualmente, este método se implementa a nivel de software y puede realizarse con cualquier conector USB – aunque originalmente se preveía un tipo especial de conectores, AB, hoy en día prácticamente inexistente.

Power Delivery

El USB desempeña comúnmente el papel de conector de alimentación, convirtiéndose en el estándar para conexiones de corriente continua en dispositivos de consumo. Sin embargo, una laptop o un altavoz portátil requieren voltajes más altos y corrientes mayores que los pequeños accesorios (en su caso, 1,5A y 5V son suficientes para cargar rápidamente la batería). Para que los cargadores equipados con conectores USB puedan trabajar con diferentes tipos de equipos, en 2012 se presentó la especificación USB Power Delivery. Actualmente (2024) está vigente su tercera versión (USB-PD 3.1). La premisa es simple: los cargadores están equipados con un circuito "inteligente", es decir, un sistema realizado mediante un microcontrolador que negocia con el dispositivo conectado el valor de voltaje y corriente, que deben ser proporcionados (si el dispositivo no responde, es decir, no soporta USB-PD, los valores permanecen en el nivel estándar). El estándar define 8 perfiles de alimentación, para los cuales el voltaje alcanza un valor de 5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V o 48V, y la potencia máxima se encuentra en el rango de 0,1W hasta 240W. Para la comunicación entre el cargador y el receptor se utiliza el pin CC (destacado anteriormente) contenido en los conectores USB C.

Una mirada al futuro, es decir, USB4

Aunque puede que no nos demos cuenta, muchos de nosotros ya estamos utilizando dispositivos compatibles con la cuarta generación de USB. Se decidió llamarla USB4 (en lugar de USB 4.0). Es compatible con sistemas Windows (desde la versión 11), OS X (desde Big Sur) y núcleos Linux 5.6 en adelante (Android en dispositivos entregados desde 2020). El cambio principal es, por supuesto, otra aceleración de la transmisión, que ahora puede alcanzar hasta 80Gb/s (aunque hay que tener en cuenta que en la práctica pocos dispositivos son capaces de leer/escribir datos a esa velocidad). La cuarta generación permanece compatible hacia atrás, pero para aprovechar al máximo sus capacidades se requiere el uso de un cable con conectores USB C, fabricado según una especificación determinada. Vale la pena señalar que la velocidad vertiginosa de transmisión que actualmente ofrecen los puertos USB está haciendo que esta tecnología entre en el ámbito de los medios multimedia. Los dispositivos móviles, especialmente las tabletas, pueden conectarse a un monitor externo mediante un solo cable USB C o un adaptador de USB a conector HDMI. Es muy posible que en un futuro cercano el conector USB también reemplace esta interfaz.

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