USB – Universal Serial Bus

Indice
1.
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