La interfaz USB está por todas partes: en portátiles, móviles, coches o televisores inteligentes. Originalmente, se diseñó para mejorar los antiguos métodos de comunicación en serie y paralelo de los periféricos, pero su capacidad de alimentación para el funcionamiento y la carga ha crecido considerablemente.
El USB se ha convertido en un servicio básico, como el enchufe de CA que tienen los electrodomésticos, y se suele dar por sentado, ya sea para cargar un dispositivo o para transferir un archivo. El USB funciona! Actualmente, el conector USB-C es mucho más que un elemento para la conectividad y la carga; se ha convertido en un método popular para conectar muchos periféricos, como un monitor externo a un ordenador portátil.

En este artículo, descubriremos hasta qué punto la interfaz USB está por todas partes, veremos cómo ha evolucionado el estándar y hablaremos de los cambios que el tipo de conector USB ha experimentado

Sea donde sea: USB
Es fácil subestimar el enorme impacto que la interfaz USB ha tenido en nuestra manera de adoptar e interactuar cotidianamente con la tecnología. Desde sus inicios hace un par de décadas, los conectores USB se han vuelto tan comunes como las llaves de casa. Muchas veces, conectamos un USB y nos olvidamos, como ocurre con el teclado de un ordenador de sobremesa. En otros casos, podemos conectarlo y desconectarlo varias veces al día, como hacemos con un móvil en el sistema de infoentretenimiento de un coche. Por la noche, muchos de nosotros conectamos el móvil, el seguidor de actividad de fitnes o la tableta a enchufes de CA con USB para cargarlos y tenerlos listos para el día siguiente. Los conectores USB se usan cada vez más para la alimentación que para transferir datos, lo que demuestra hasta qué punto hemos acabado dependiendo de esta interfaz.

La evolución del USB
La primera categoría del bus serie universal (USB), el USB 1.0, nació en 1996, a cargo del USB Implementers Forum (USB-IF). Su establecimiento estuvo respaldado por algunos de los principales distribuidores de hardware de aquella época, como Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC y Nortel, con la idea original de establecer un método estándar para conectar ordenadores y periféricos.
El crecimiento brutal de ordenadores de sobremesa y periféricos (discos duros externos, teclados, ratones, impresoras, cámaras web, reproductores multimedia portátiles, etc.) hizo que nacieran muchos métodos de conexión que, a veces, eran exclusivos. El hecho de que no hubiera un estándar de conexión limitaba el crecimiento del mercado para los distintos fabricantes independientes de periféricos. A mitad de los 90, los métodos habituales para conectar periféricos eran el puerto serie RS232 y la interfaz Centronics paralela; ninguno de estos métodos ofrecía alimentación y, en ambos casos, hacían falta ciertos conocimientos técnicos para la configuración. Otros conectores eran el IBM PS/2, DIN y SCSI.
Desde el principio, la especificación del USB precisaba de una interfaz sencilla. Esto implicaba que no necesitara configuración y que se pudiera conectar/desconectar en funcionamiento, de modo que fuese posible poner y quitar dispositivos sin interrumpir el funcionamiento del ordenador principal. Casi todos los periféricos correspondientes necesitaban alimentación, así que el USB 1.0 tenía una capacidad de 5 VCC/0,5 A/2,5 W. Al alimentar el periférico, ya no hacía falta usar cables y fuentes de alimentación adicionales. El USB también especificaba un pequeño número de tipos de conector para periféricos y para el dispositivo principal. Las características eléctricas eran extremadamente sencillas: cable de cuatro hilos, dos para alimentación y un par trenzado para los datos. Durante la primera década del USB, nacieron multitud de tipos, aunque muchos ya han quedado obsoletos. A veces, la especificación del conector, como tipo A, se confundía con la del bus, como USB 3.1. (ver la imagen 1).

A lo largo de los años, la especificación USB ha seguido evolucionando, tanto en las tasas de transferencia de señalización de datos como en la alimentación. El USB 1.0 original establecía dos tasas de señalización (12 Mbits/s y 1,5 Mbits/s). Para minimizar la terminología técnica para el público en general, cada especificación de velocidad tenía un nombre no técnico. El estándar de 12 Mbit/s se llamó «USB Full Speed» y el de 1,5 Mbits/s se llamó «USB Low Speed». El USB-IF mantuvo esta estrategia con el USB 2.0 en 2000 (el estándar de 480 Mbit/s se denominó «High Speed») y, en 2008, el USB 3.0, con capacidad de 5 Gbit/s se llegó a conocer como «SuperSpeed USB» (ver imagen 2).

En 2013, USB 3.1 SuperSpeed+ ofrecía hasta 10 Gbit/s y el USB 3.2, in 2017, introdujo un método de dos líneas, lo que dobló la tasa hasta llegar a 20 Gbit/s. En poco más de una década, las tasas de transferencia se multiplicaron por 1666, y la adopción del USB se generalizó rápidamente. El USB también superó a otras tecnologías competidoras durante aquella época, como el Firewire, un método de Apple más rápido, pero más complejo en su uso.
El USB 3.0 permitió varias iteraciones de velocidad de transmisión de datos y, lo que es más importante, el anuncio del tipo de conector USB-C. Este conector destaca porque se puede usar con un rango de dispositivos aún más amplio y por el hecho de que no hay que conectarlo en una posición determinada. El USB-C se ha establecido rápidamente como el método principal para cargar y alimentar dispositivos portátiles, desde móviles hasta ordenadores portátiles. La función de alimentación ha aumentado hasta llegar a la de un adaptador de alimentación convencional. Además, el USB-C y el USB 3.0 introdujeron una gama distinta de tensiones de salida: 9, 12, 15 y 20 V.

El USB siempre ha intentado mantener sus objetivos originales. La longitud de los cables se ha mantenido relativamente corta, con la idea de conectar dispositivos que se encuentren en la misma ubicación física que el dispositivo principal, en lugar de emplearse en la creación de redes. Además, la topología de conexión exige que toda la comunicación pase por el controlador principal. Los dispositivos no se pueden conectar y comunicar directamente entre sí.

Arquitectura y conceptos del USB
El USB funciona con una topología de estrella con distintos niveles, en la que el controlador o dispositivo principal u hospedador «ascendente» suele estar en un ordenador. Se pueden conectar, como máximo, 127 dispositivos a un solo controlador mediante distintos centros. Los periféricos conectados se ordenan de acuerdo con los tipos de clase (HMI, transmisión multimedia, etc.). Cada dispositivo, como un teclado, se identifica de forma exclusiva con una dirección y, normalmente, tres canales de punto de conexión lógicos. Cada punto de conexión tiene una función determinada, y la especificación alberga hasta 32 puntos de conexión en un solo dispositivo (ver la imagen 4).

La comunicación entre el controlador hospedador y el dispositivo se lleva a cabo mediante canales bidireccionales, tanto de control como de datos. Las funciones de estos canales dependen de la clase de dispositivo, lo que suele definir los tipos de transferencia de datos. Hay cuatro tipos de transferencia de datos: control, interrupción, masiva e isócrona.
La imagen 5 muestra los atributos de cada tipo de transferencia de datos, con un ejemplo de caso de uso para cada uno.

El proceso de inicialización del dispositivo (enumeración) se genera al conectar un dispositivo USB a un controlador hospedador. Este paso implica que el hospedador envíe una señal de reinicio al dispositivo y le solicite los parámetros para establecer cuál es la clase del dispositivo y la velocidad de transferencia. Tras recibir estos datos, el controlador hospedador le asigna al dispositivo una dirección exclusiva de 7 bits; tras esto, la comunicación puede comenzar.

Si desea obtener una explicación más detallada y técnica sobre la arquitectura y el funcionamiento del USB, encontrará recursos interesantes en el sitio web de USB-IF. La nota sobre la aplicación de Infineon (anteriormente Cypress) AN57294 también aporta una explicación detallada del funcionamiento del USB 2.0.

La especificación USB4 gracias a una evolución continua
A finales de 2019, el USB-IF anunció la especificación USB4. Sobre la base de USB 2.0 y USB 3.4, el USB4 se basa principalmente en el protocolo Thunderbolt. Se logra una transferencia de datos de hasta 40 Gbits/s gracias a dos líneas con conectores USB tipo C y cables certificados. Hay muchos protocolos de datos y visualización que pueden compartir eficazmente la capacidad de ancho de banda máxima del USB4. Se mantiene la retrocompatibilidad del USB 2.0 y, como novedad, el USB4 es compatible con dispositivos Thunderbolt 3. El USB-IF se ha marcado como uno de los objetivos del USB4 liderar la convergencia hacia el USB tipo C en el futuro, a fin de evitar la confusión creada por muchos tipos de conectores antiguos. Algunos sectores creativos, como la animación o la edición de vídeo, llevan tiempo disfrutando de las excelentes tasas de transferencia de Thunderbolt 3, así que la integración en USB4 abrirá la puerta a muchos casos de uso nuevos. El USB4 también puede incluir otros protocolos de transferencia populares, como PCIe y DisplayPort.
Si desea obtener una introducción detallada sobre el USB4, la presentación USB4 System Overview del USB-IF le resultará especialmente interesante.
El USB-IF no ha dejado de establecer servicios de prueba y cumplimiento para los fabricantes de dispositivos. Debido a que el tipo C se ha asentado en las aplicaciones de carga y alimentación y a que el USB4 está creciendo en una gama cada vez más amplia de periféricos, el USB-IF ha creado el sitio web EnablingUSB, donde se ven los nuevos logotipos usados para que los consumidores sean conscientes de la certificación de un producto.

Productos USB
Mouser ofrece una amplia gama de productos USB de los distribuidores más importantes, a fin de ayudar a los ingenieros durante el desarrollo y la producción de aplicaciones USB.
Algunos ejemplos son una gama de módulos de evaluación de USB tipo C de FTDI Chip. Los módulos FT233HP y FT4233HP ofrecen conectividad USB tipo C de alta velocidad con dos puertos tipo C. Uno de ellos puede funcionar como sumidero para recibir energía o como puerto de alimentación. El segundo puerto solo puede actuar como sumidero. Los puertos son compatibles con muchos perfiles de alimentación USB 3.0, entre 5 y 20 V. Algunas de las opciones de conectividad serie del huésped son UART, SPI, I2C y JTAG. Los módulos incluyen los CI de puente USB de alta velocidad de FTDI, FT233HP y FT4233. Estos dispositivos USB 3.0 disponen de un controlador RISC de 32 bits y ofrecen compatibilidad con los estándares USB 2.0 de 480 Mbits/s y 12 Mbits/s.
Las gamas USB58x y USB59x (Microchip Technology) de CI de puente inteligente compatible con USB 3.1 Gen 1 pueden implementar seis o siete puertos descendentes USB 3.1 Gen 1, e incluyen la tecnología de división de puertos de Microchip, con la que un puerto descendente USB se puede dividir para dispositivos USB 3.1 y USB 2.0 al mismo tiempo. Las funciones de puente del USB58 y el USB59 les permiten usar interfaces I2C, SPI o GPIO por USB de forma fluida. La placa de evaluación Microchip EVB-USB5816 es una plataforma de demostración y generación de prototipos perfecta para la serie USB5816 de CI de puente. La imagen 5 muestra la arquitectura interna del CI de puente Microchip USB5816, con los seis puertos descendentes y un puerto ascendente.

En aplicaciones de alimentación USB, el CI controlador USB tipo C EZ-PD CCG3PA de Infineon/Cypress es ideal para distintas aplicaciones de carga para móviles y tabletas. Utiliza un núcleo procesador Arm-Cortex-M0, y tiene funciones de protección contra fallos en el sistema (como por tensión baja, tensión alta o corriente alta en la salida); además, cumple con las especificaciones de USB-IF Power Delivery 3.0.

USB: cada vez más fuerte
El bus serie universal se ha convertido en la interfaz por cable definitiva de corto alcance y alta velocidad para prácticamente cualquier tipo de dispositivo. En los últimos años, con la llegada de los conectores USB tipo C y con el énfasis en la alimentación, el USB ha dado pasos adicionales para aumentar aún más su atractivo y popularidad.
Integrar la conectividad y capacidad de alimentación del USB en las especificaciones de un diseño es algo esencial para los ingenieros de hardware y los desarrolladores de sistemas integrados. Los distribuidores de semiconductores más importantes ofrecen una amplia gama de interfaces, controladores y CI de alimentación compatibles con el USB-IF, que pueden usarse como la base para un diseño. Las placas de evaluación, los kits de desarrollo y los diseños de referencia contribuyen a acelerar el proceso que va desde el concepto inicial de un diseño hasta la realidad.

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Mouser Electronics
Distribuidor autorizado