USB

Universal Serial Bus (USB) es un estándar de la industria que establece especificaciones para cables, conectores y protocolos para conexión, comunicación y suministro de energía (interfaz) entre computadoras, periféricos y otras computadoras. Existe una amplia variedad de hardware USB, incluidos 14 tipos de conectores diferentes, de los cuales USB-C es el más reciente y el único que actualmente no está obsoleto.

Lanzado por primera vez en 1996, los estándares USB son mantenidos por el USB Implementers Forum (USB-IF). Las cuatro generaciones de USB son: USB 1.x, USB 2.0, USB 3.x y USB4.

Resumen

USB fue diseñado para estandarizar la conexión de periféricos a computadoras personales, tanto para comunicarse como para suministrar energía eléctrica. Ha reemplazado en gran medida a las interfaces, como los puertos serie y los puertos paralelos, y se ha convertido en un lugar común en una amplia gama de dispositivos. Ejemplos de periféricos que se conectan a través de 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.

Referencia rápida del tipo de conector

Cada conexión USB se realiza mediante dos conectores: un enchufe (o receptáculo) y un enchufe. En la siguiente tabla, se muestran esquemas solo para los enchufes, aunque para cada uno hay un enchufe (o enchufes) correspondiente.

Enchufes disponibles por estándar USB

Estándar	USB 1.0 1996	USB 1.1 1998	USB 2.0 2001	USB 2.0 revisada	USB 3.0 2008	USB 3.1 2013	USB 3.2 2017	USB4 2019	USB4 V2 2022
Tasa máxima de transferencia	12 Mbps		480 Mbps		5 Gbps	10 Gbps	20 Gbps	40 Gbps	80 Gbps
Conector tipo A							Deprecated
Conector tipo B							Deprecated
Conector Mini-A	—				Deprecated
Conector Mini-B	—				Deprecated
Conector Mini-AB	—				Deprecated
Conector Micro-A	—						Deprecated
Conector micro-B	—						Deprecated
Conector micro-AB	—						Deprecated
Conector tipo C	Compatibilidad backwards solamente		(Agrandado para mostrar detalles)

Objetivos

El Universal Serial Bus se desarrolló para simplificar y mejorar la interfaz entre las computadoras personales y los dispositivos periféricos, como teléfonos celulares, accesorios de computadora y monitores, en comparación con el estándar previamente existente o propietario ad hoc interfaces

Desde la perspectiva del usuario de la computadora, la interfaz USB mejora la facilidad de uso de varias maneras:

• La interfaz USB es autoconfiguración, eliminando la necesidad de que el usuario ajuste la configuración del dispositivo para la velocidad o formato de datos, o configure interrupciones, direcciones de entrada/salida o canales de acceso directo a la memoria.
• Los conectores USB están estandarizados en el host, por lo que cualquier periférico puede utilizar la mayoría de los receptáculos disponibles.
• USB aprovecha plenamente la potencia de procesamiento adicional que se puede poner económicamente en dispositivos periféricos para que puedan gestionarse. Como tal, los dispositivos USB a menudo no tienen configuraciones de interfaz ajustables al usuario.
• La interfaz USB es hot-swappable (los dispositivos pueden ser intercambiados sin reiniciar el ordenador host).
• Los dispositivos pequeños pueden ser alimentados directamente desde la interfaz USB, eliminando la necesidad de cables de alimentación adicionales.
• Debido a que el uso del logotipo USB sólo se permite después de las pruebas de cumplimiento, el usuario puede tener confianza en que un dispositivo USB funcionará como se espera sin una interacción extensa con la configuración y configuración.
• La interfaz USB define protocolos para la recuperación de errores comunes, mejorando la confiabilidad sobre interfaces anteriores.
• Instalar un dispositivo que se base en el estándar USB requiere mínima acción del operador. Cuando un usuario conecta un dispositivo en un puerto en un ordenador de ejecución, se configura completamente automáticamente utilizando controladores de dispositivo existentes, o el sistema le pide al usuario que localice un controlador, que luego se instala y configura automáticamente.

El estándar USB también brinda múltiples beneficios para los fabricantes de hardware y los desarrolladores de software, específicamente en la relativa facilidad de implementación:

• El estándar USB elimina el requisito de desarrollar interfaces patentadas a nuevos periféricos.
• La amplia gama de velocidades de transferencia disponibles desde una interfaz USB se adapta a dispositivos que van desde teclados y ratones hasta streaming de interfaces de vídeo.
• Una interfaz USB se puede diseñar para proporcionar la mejor latencia disponible para funciones críticas de tiempo o se puede configurar para realizar transferencias de antecedentes de datos a granel con poco impacto en los recursos del sistema.
• La interfaz USB se generaliza sin líneas de señal dedicadas a una sola función de un dispositivo.

Limitaciones

Al igual que con todos los estándares, USB posee múltiples limitaciones en su diseño:

• Los cables USB están limitados en longitud, ya que el estándar estaba destinado a periféricos en la misma mesa, no entre habitaciones o edificios. Sin embargo, un puerto USB puede conectarse a una puerta de entrada que accede a dispositivos distantes.
• Las tasas de transferencia de datos USB son más lentas que las de otras interconexiones como 100 Gigabit Ethernet.
• USB tiene una topología estricta de la red de árboles y un protocolo maestro/esclavo para abordar dispositivos periféricos; esos dispositivos no pueden interactuar entre sí excepto a través del host, y dos anfitriones no pueden comunicarse directamente sobre sus puertos USB. Una extensión a esta limitación es posible a través de USB On-The-Go in, Dual-Role-Devices y puente de protocolo.
• Un anfitrión no puede transmitir señales a todos los periféricos a la vez; cada uno debe ser abordado individualmente.
• Aunque existen convertidores entre ciertas interfaces heredadas y USB, podrían no proporcionar una implementación completa del hardware legado. Por ejemplo, un convertidor USB a paralelo puede funcionar bien con una impresora, pero no con un escáner que requiere el uso bidireccional de los pines de datos.

Para un desarrollador de productos, el uso de USB requiere la implementación de un protocolo complejo e implica un uso "inteligente" controlador en el dispositivo periférico. Los desarrolladores de dispositivos USB destinados a la venta pública generalmente deben obtener una ID de USB, lo que requiere que paguen una tarifa al Foro de implementadores de USB (USB-IF). Los desarrolladores de productos que utilizan la especificación USB deben firmar un acuerdo con USB-IF. El uso de los logotipos de USB en el producto requiere cuotas anuales y membresía en la organización.

Historia

El USB básico Trident Logotipos

Logo USB en la cabeza de un conector USB-A estándar

Un grupo de siete empresas comenzó el desarrollo de USB en 1995: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC y Nortel. El objetivo era hacer que sea 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 velocidades de transferencia de datos para dispositivos externos y funciones Plug and Play. Ajay Bhatt y su equipo trabajaron en el estándar en Intel; Intel produjo los primeros circuitos integrados compatibles con USB en 1995.

A partir de 2008, alrededor de 6 mil millones de puertos e interfaces USB estaban en el mercado global y alrededor de 2 mil millones se vendían cada año.

USB 1.x

Lanzado en enero de 1996, USB 1.0 especificó velocidades de señalización de 1,5 Mbit/s (Baja banda ancha o Baja velocidad) y 12 Mbit/s (Velocidad completa ). No permitía cables de extensión, debido a limitaciones de tiempo y potencia. Pocos dispositivos USB llegaron al mercado hasta que se lanzó USB 1.1 en agosto de 1998. USB 1.1 fue la primera revisión que fue ampliamente adoptada y condujo a lo que Microsoft denominó "PC sin legados".

Ni USB 1.0 ni 1.1 especificaron un diseño para ningún conector más pequeño que el tipo A o el tipo B estándar. 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 del periférico). No se conocía ningún conector tipo A en miniatura hasta que se introdujo el USB 2.0 (revisión 1.01).

USB 2.0

El logo USB Hi-Speed

Una tarjeta de expansión PCI USB 2.0

USB 2.0 se lanzó en abril de 2000, agregando una tasa de señalización máxima más alta de 480 Mbit/s (rendimiento de datos teórico máximo de 53 MByte/s) denominada Alta velocidad o Alto ancho de banda, además de la tasa de señalización USB 1.x Full Speed de 12 Mbit/s (rendimiento de datos teórico máximo de 1,2 MByte/s).

Se han realizado modificaciones a la especificación USB a través de avisos de cambio de ingeniería (ECN). Los más importantes de estos ECN están incluidos en el paquete de especificaciones USB 2.0 disponible en USB.org:

• Mini-A y Mini-B
• Cables y conectores Micro-USB Especificación 1.01
• InterChip USB Suplemento
• Suplemento sobre la marcha 1.3 USB On-The-Go permite que dos dispositivos USB se comuniquen entre sí sin requerir un host USB separado
• Especificación de carga de batería 1.1 Añadido soporte para cargadores dedicados, comportamiento de cargadores de host para dispositivos con baterías muertas
• Especificación de carga de batería 1.2: con mayor corriente de 1,5 A en puertos de carga para dispositivos no configurados, permitiendo la comunicación de alta velocidad mientras tiene una corriente de hasta 1,5 A
• Link Power Management Adición ECN, que añade un dormir estado de poder

USB 3.x

El logo SuperSpeed USB

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 Conferencia de desarrolladores de SuperSpeed USB.

USB 3.0 agrega un modo de transferencia SuperSpeed, con enchufes, receptáculos y cables compatibles con versiones anteriores. Los enchufes y receptáculos SuperSpeed se identifican con un logotipo distintivo e inserciones azules en los receptáculos de formato estándar.

El bus SuperSpeed proporciona un modo de transferencia a una velocidad nominal de 5,0 Gbit/s, además de los tres modos de transferencia existentes. Su eficiencia depende de una serie de factores, incluida la codificación de símbolos físicos y la sobrecarga del nivel de enlace. A una tasa de señalización de 5 Gbit/s con codificación de 8b/10b, cada byte necesita 10 bits para transmitirse, por lo que el rendimiento bruto es de 500 MB/s. Cuando se consideran el control de flujo, la trama de paquetes y la sobrecarga del protocolo, es realista transmitir 400 MB/s (3,2 Gbit/s) o más a una aplicación. La comunicación es full-duplex en el modo de transferencia SuperSpeed; los modos anteriores son semidúplex, arbitrados por el host.

USB-A 3.1 Gen 1 (anteriormente conocido como USB 3.0; puertos USB 3.2 Gen 1x1) renombrados

Los dispositivos de baja y alta potencia siguen funcionando con este estándar, pero los dispositivos que usan SuperSpeed pueden aprovechar la mayor corriente disponible de entre 150 mA y 900 mA, respectivamente.

USB 3.1, lanzado en julio de 2013, tiene dos variantes. El primero conserva el modo de transferencia SuperSpeed de USB 3.0 y tiene la etiqueta USB 3.1 Gen 1, y la segunda versión presenta un nuevo SuperSpeed+ modo de transferencia bajo la etiqueta de USB 3.1 Gen 2. SuperSpeed+ duplica la tasa máxima de señalización de datos a 10 Gbit/s, al tiempo que reduce la sobrecarga de codificación de línea a solo un 3 % al cambiar el esquema de codificación a 128b/132b.

USB 3.2, lanzado en septiembre de 2017, conserva los modos de datos USB 3.1 SuperSpeed y SuperSpeed+ existentes, pero presenta dos nuevos modos de transferencia SuperSpeed+ a través de la nuevo conector USB-C con velocidades de datos de 10 y 20 Gbit/s (1,25 y 2,5 GB/s). El aumento en el ancho de banda es el resultado de la operación de varios carriles sobre los cables existentes que estaban destinados a las capacidades flip-flop del conector USB-C.

USB 3.0 también introdujo el protocolo UASP, que generalmente proporciona velocidades de transferencia más rápidas que el protocolo BOT (Transferencia solo a granel).

Esquema de nombres

Una visión general del nuevo esquema de nombres para USB 3.2 (deprendido a partir de septiembre de 2022).

A partir del estándar USB 3.2, USB-IF introdujo un nuevo esquema de nombres. Para ayudar a las empresas con la marca de los diferentes modos de transferencia, USB-IF recomendó marcar los modos de transferencia de 5, 10 y 20 Gbit/s como SuperSpeed USB 5Gbps, SuperSpeed USB 10Gbps y SuperSpeed USB 20Gbps, respectivamente. A partir de septiembre de 2022, este esquema de nombres está obsoleto.

USB4

El logotipo de USB4 40Gbps certificado y Trident Logotipos

La especificación USB4 fue publicada el 29 de agosto de 2019 por el USB Implementers Forum.

USB4 se basa en el protocolo Thunderbolt 3. Admite un rendimiento de 40 Gbit/s, es compatible con Thunderbolt 3 y retrocompatible con USB 3.2 y USB 2.0. La arquitectura define un método para compartir dinámicamente un único enlace de alta velocidad con múltiples tipos de dispositivos finales que sirve mejor para la transferencia de datos por tipo y aplicación.

La especificación USB4 establece que USB4 admitirá las siguientes tecnologías:

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. Lanzado en 2020.

La especificación USB4 2.0 fue publicada el 1 de septiembre de 2022 por el USB Implementers Forum.

Esquema de nombres de septiembre de 2022

Una visión general del esquema de nombres USB que se puso en marcha en septiembre de 2022.
(Se muestra una mezcla de especificaciones USB y sus nombres de marketing, porque las especificaciones a veces se utilizan erróneamente como nombres de marketing)

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 XGbps", donde X es la velocidad de transferencia en Gb/s. La descripción general de los nombres y logotipos actualizados se puede ver en la tabla adyacente.

Historial de versiones

Versiones de lanzamiento

Estándares relacionados con la energía

Diseño del sistema

Un sistema USB consta de un host con uno o más puertos de bajada y varios 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 solo controlador de host. Los dispositivos USB están conectados en serie a través de concentradores. El concentrador integrado en el controlador de host se denomina concentrador raíz.

Un dispositivo USB puede constar de varios subdispositivos lógicos que se denominan funciones de dispositivo. Un dispositivo compuesto puede proporcionar varias funciones, por ejemplo, una cámara web (función de dispositivo de video) 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.

Los endpoints USB residen en el dispositivo conectado: los canales al host se denominan tubos.

La comunicación del dispositivo USB se basa en tuberías (canales lógicos). Una canalización es una conexión desde el controlador de host a una entidad lógica dentro de un dispositivo, denominada 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 in y 16 out), aunque es raro tener tantos. El dispositivo define y numera los puntos finales 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 tubería: flujo y mensaje.

• A Mensaje tubo es bidireccional y se utiliza para control transferencias. Las tuberías de mensaje se utilizan típicamente para comandos cortos y simples al dispositivo, y para respuestas de estado del dispositivo, utilizado, por ejemplo, por el número de tubería de control de autobús 0.
• A streaming tubería es un tubo uni-directional conectado a un endpoint uni-directional que transfiere datos usando un isocrono, interrumpida, o v) transferencia:

  Transferencias insocrónicas

  A cierta tasa de datos garantizada (para datos de transmisión de ancho de banda fijo) pero con posible pérdida de datos (por ejemplo, audio o vídeo en tiempo real)

  Transferencias interrumpidas

  Dispositivos que necesitan respuestas rápidas garantizadas (latencia limitada) como dispositivos de señalización, ratones y teclados

  Transferencias a granel

  Grandes transferencias esporádicas usando todo el ancho de banda disponible, pero sin garantías en ancho de banda o latencia (por ejemplo, transferencias de archivos)

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 es del host al punto final, el host envía un paquete de SALIDA (una especialización de un paquete TOKEN) con la dirección del dispositivo y el número del punto final deseados. Si la transferencia de datos es del dispositivo al host, el host envía un paquete IN en su lugar. Si el punto final de destino es un punto final 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 es ignorado De lo contrario, se acepta y se puede iniciar la transacción de datos. Un punto final bidireccional, por otro lado, acepta paquetes IN y OUT.

Dos receptáculos USB 3.0 Standard-A (izquierda) y dos receptáculos USB 2.0 Standard-A (derecha) en el panel frontal de un ordenador

Los puntos finales se agrupan en interfaces y cada interfaz está asociada con una sola función de dispositivo. Una excepción a esto es el punto final cero, que se usa para la configuración del dispositivo y no está asociado con ninguna interfaz. Una función de un solo dispositivo compuesta por interfaces controladas de forma independiente se denomina dispositivo compuesto. Un dispositivo compuesto solo tiene una única 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 de dispositivos USB. La enumeración comienza enviando una señal de reinicio al dispositivo USB. La tasa de datos del dispositivo USB se determina durante la señalización de reinicio. Después del reinicio, el host lee la información del dispositivo USB y se le asigna al dispositivo una dirección única de 7 bits. Si el dispositivo es compatible con el host, los controladores de dispositivo necesarios para comunicarse con el dispositivo se cargan y el dispositivo se establece en un estado configurado. Si se reinicia el host USB, el proceso de enumeración se repite para todos los dispositivos conectados.

El controlador de 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 de host. En USB 2.0, el controlador de host sondea el bus en busca de tráfico, generalmente en forma de turnos rotativos. 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 concentrador o por puerto.

Debido a que hay dos controladores independientes en cada host USB 3.0, los dispositivos USB 3.0 transmiten y reciben velocidades de datos USB 3.0, independientemente de los dispositivos USB 2.0 o anteriores conectados a ese host. Las velocidades de datos operativas para dispositivos anteriores se configuran de forma heredada.

Clases de dispositivos

La funcionalidad de un dispositivo USB se define mediante 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:

Almacenamiento masivo USB / Unidad USB

Una unidad flash, un dispositivo de almacenamiento masivo USB típico

Un adaptador M.2 (2242) de estado sólido (SSD) conectado al adaptador USB 3.0 y conectado al ordenador.

La clase de dispositivo de almacenamiento masivo USB (MSC o UMS) estandariza las conexiones a los 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 arrancar una tarjeta SD bloqueada contra escritura con un adaptador USB es especialmente ventajosa para mantener la integridad y el estado impecable y no corruptible del medio de arranque.

Aunque la mayoría de las computadoras personales desde principios de 2005 pueden arrancar desde dispositivos de almacenamiento masivo USB, el USB no está diseñado como un bus principal para el almacenamiento interno de una computadora. Sin embargo, USB tiene la ventaja de permitir el intercambio en caliente, lo que lo hace útil para periféricos móviles, incluidas unidades de varios tipos.

Varios fabricantes ofrecen unidades de disco duro USB portátiles externas o gabinetes vacíos para unidades de disco. Estos 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 de la competencia 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 de VoIP) sin necesidad de instalarlas en la computadora host.

Protocolo de transferencia de medios

Microsoft diseñó el Protocolo de transferencia de medios (MTP) para brindar un acceso de mayor nivel 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 se diseñó para su uso con reproductores multimedia portátiles, pero desde entonces se ha adoptado como el protocolo de acceso de almacenamiento principal del sistema operativo Android desde la versión 4.1 Jelly Bean, así como Windows Phone 8 (los dispositivos 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.

Dispositivos de interfaz humana

Por lo general, los ratones y teclados USB se pueden usar con computadoras más antiguas que tienen conectores PS/2 con la ayuda de un pequeño adaptador de USB a PS/2. Para mouse y teclados compatibles con protocolo dual, se puede usar un adaptador 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 mediante el protocolo apropiado. También existen convertidores que conectan teclados y ratones PS/2 (generalmente uno de cada uno) a un puerto USB. Estos dispositivos presentan dos terminales HID al sistema y utilizan un microcontrolador para realizar la traducción bidireccional de datos entre los dos estándares.

Mecanismo de actualización de firmware del dispositivo

Actualización de firmware del dispositivo (DFU) es un mecanismo independiente del proveedor y del dispositivo para actualizar el firmware de los dispositivos USB con versiones mejoradas proporcionadas por sus fabricantes, que ofrece (por ejemplo) una forma de implementar el firmware corrección de errores. 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.

DFU también puede dar al usuario la libertad de flashear dispositivos USB con firmware alternativo. Una consecuencia de esto es que los dispositivos USB después de volver a flashearlos pueden actuar como varios tipos de dispositivos inesperados. Por ejemplo, un dispositivo USB que el vendedor pretenda que sea solo una unidad flash puede "suplantar" un dispositivo de entrada como un teclado. Consulte BadUSB.

Transmisión de audio

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 clase de audio, como micrófonos, altavoces, auriculares, teléfonos, instrumentos musicales, etc. El grupo de trabajo ha publicado tres versiones de las especificaciones del dispositivo de audio: Audio 1.0, 2.0 y 3.0, denominado "UAC" o "ADC".

UAC 3.0 presenta principalmente mejoras para los dispositivos portátiles, como la reducción del uso de energía al expandir los datos y permanecer en modo de bajo consumo con más frecuencia, y dominios de energía para diferentes componentes del dispositivo, lo que les permite apagarse cuando no se usan..

UAC 2.0 introdujo soporte para USB de alta velocidad (además de Full Speed), lo que permite un mayor ancho de banda para interfaces multicanal, frecuencias de muestreo más altas, latencia inherente más baja y una mejora de 8 veces en la resolución de tiempo en modos sincrónicos y adaptativos. UAC2 también introdujo el concepto de dominios de reloj, que proporciona información al host sobre qué terminales de entrada y salida obtienen sus relojes de la misma fuente, así como soporte mejorado para codificaciones de audio como DSD, efectos de audio, agrupación de canales, controles de usuario y descripciones de dispositivos.

Sin embargo, los dispositivos UAC 1.0 siguen siendo comunes debido a su compatibilidad multiplataforma sin controladores, y también en parte debido a que Microsoft no implementó UAC 2.0 durante más de una década después de su publicación, y finalmente agregó compatibilidad con Windows. 10 a través de Creators Update el 20 de marzo de 2017. UAC 2.0 también es compatible con MacOS, iOS y Linux; sin embargo, Android solo implementa un subconjunto de UAC 1.0.

USB proporciona tres tipos de sincronización isócrona (ancho de banda fijo), todos los cuales son utilizados por dispositivos de audio:

• Asincrónico – El ADC o DAC no se sincronizan con el reloj del ordenador anfitrión en absoluto, operando un reloj de funcionamiento libre local al dispositivo.
• Sincrónico – El reloj del dispositivo se sincroniza con las señales USB start-of-frame (SOF) o Bus Interval. Por ejemplo, esto puede requerir sincronizar un reloj de 11.2896 MHz a una señal SOF de 1 kHz, una multiplicación de frecuencia grande.
• Adaptador – El reloj del dispositivo se sincroniza con la cantidad de datos enviados por marco por el host

Si bien la especificación USB originalmente describía el modo asíncrono que se usaba en "altavoces de bajo costo" y el modo adaptativo en "altavoces digitales de gama alta", 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. En realidad, todos los tipos pueden ser de alta o baja calidad, según la calidad de su ingeniería y la aplicación. 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.

Conectores

Los conectores que el comité de USB especifica son compatibles con una serie de objetivos subyacentes de USB y reflejan las lecciones aprendidas de los muchos 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. Los documentos de especificación USB oficiales también definen periódicamente el término macho para representar el enchufe y hembra para representar el receptáculo.

El conector USB estándar Tipo-A. Este es uno de muchos tipos de conector USB.

El diseño pretende dificultar la inserción incorrecta de un conector USB en su receptáculo. La especificación USB requiere que el enchufe del cable y el receptáculo estén marcados para que el usuario pueda reconocer la orientación correcta. Sin embargo, el conector USB-C es reversible. Los cables USB y los dispositivos USB pequeños se mantienen en su lugar gracias a la fuerza de agarre del receptáculo, sin tornillos, clips o giros manuales como usan 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 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, cables Y/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 estándar 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, de modo 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 clavijas de datos, lo que permite que cualquier dispositivo USB compatible se cargue o funcione con un cable USB estándar. Los cables de carga proporcionan conexiones de alimentación, pero no de datos. En un cable solo de carga, los cables de datos están en cortocircuito en el extremo del dispositivo; de lo contrario, el dispositivo puede rechazar el cargador como inadecuado.

Cableado

Una variedad de cables USB para la venta en Hong Kong

El estándar USB 1.1 especifica que un cable estándar puede tener una longitud máxima de 5 metros (16 ft 5 in) con dispositivos que funcionan a máxima velocidad (12 Mbit/s) y una longitud máxima de 3 metros (9 ft 10 in) con dispositivos que funcionan a baja velocidad (1,5 Mbit/s).

USB 2.0 ofrece una longitud máxima de cable de 5 metros (16 ft 5 in) para dispositivos que funcionan a alta velocidad (480 Mbit/s).

El estándar USB 3.0 no especifica directamente una longitud máxima de cable, solo requiere que todos los cables cumplan con una especificación eléctrica: para cableado de cobre con hilos AWG 26, la longitud práctica máxima es de 3 metros (9 pies 10 pulgadas).

Cables puente USB

Los cables puente USB o los cables de transferencia de datos se pueden encontrar en el mercado y ofrecen conexiones directas de PC a PC. Un cable puente es un cable especial con un chip y componentes electrónicos activos en el medio del cable. El chip en el medio del cable actúa como un 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 usaba un cable puente USB especial para transferir archivos personales y configuraciones 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, el cable puente a veces puede denominarse cable Easy Transfer.

Muchos puentes USB/cables de transferencia de datos 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 solo 2 o 3 veces más rápidos dado su diseño.

La especificación USB 3.0 introdujo un cable cruzado A-to-A sin alimentación para conectar dos PC. Estos no están destinados a la transferencia de datos, pero están destinados a usos de diagnóstico.

Conexiones USB de doble función

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 es compatible con 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, así como un controlador de función. Si bien esto se puede esperar en una plataforma móvil, como una tableta o un teléfono, las computadoras de escritorio y las computadoras portátiles a menudo no admitirán roles duales.

Poder

Los conectores USB ascendentes suministran energía a una CC nominal de 5 V a través del pin V_BUS a los dispositivos USB descendentes.

Dispositivos de baja y alta potencia

Los dispositivos de bajo consumo pueden consumir como máximo 1 unidad de carga, y todos los dispositivos deben actuar como dispositivos de bajo consumo cuando comienzan como no configurados. 1 unidad de carga es 100 mA para dispositivos USB hasta USB 2.0, mientras que USB 3.0 define una unidad de carga como 150 mA.

Los dispositivos de alta potencia (como una unidad de disco duro USB típica de 2,5 pulgadas) consumen al menos 1 unidad de carga y como máximo 5 unidades de carga (5x100mA = 500 mA) para dispositivos hasta USB 2.0 o 6 unidades de carga (6x150mA = 900 mA) para dispositivos SuperSpeed (USB 3.0 y superior).

Para reconocer el modo de carga de la batería, un puerto de carga dedicado coloca una resistencia que no supera los 200 Ω entre los terminales D+ y D−. Carriles de datos en cortocircuito o casi en cortocircuito con menos de 200 Ω de resistencia en el "D+" y "D−" Los terminales significan un puerto de carga dedicado (DCP) con tasas de carga indefinidas.

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.

Señalización

Las señales USB se transmiten mediante señalización diferencial en cables de datos de par trenzado con 90 Ω ± 15 % de impedancia característica. Las especificaciones USB 2.0 y anteriores definen un solo par en semidúplex (HDx). USB 3.0 y especificaciones posteriores definen un par para compatibilidad con USB 2.0 y dos o cuatro pares para transferencia de datos: dos pares en dúplex completo (FDx) para variantes de un solo carril (requiere conectores SuperSpeed); cuatro pares en dúplex completo para variantes de doble carril (×2) (requiere conector USB-C).

Tasa de nombre	Nombre antiguo	Primera publicación (Standard)	Codificación	Pares de datos	Nominal Tasa	Comercialización USB-IF Nombre	Logotipos
Baja velocidad	No aparece	USB 1.0	NRZI	1 HDx	1,5 Mbit/s	USB de tamaño básico
Full-Speed					12 Mbit/s
Alta velocidad		USB 2.0			480 Mbit/s	USB de alta velocidad
USB 3.2 Gen 1×1	USB3.0; USB3.1 Gen 1	USB 3.0	8b/10b	2 FDx	5 Gbit/s	Superspeed USB 5Gbps
USB3.2 Gen2×1	USB3.1Gen2	USB 3.1	128b/132b	2 FDx	10 Gbit/s	Superspeed USB 10Gbps
USB 3.2 Gen 1×2	No aparece	USB 3.2	8b/10b	4 FDx × 2	10 Gbit/s	—
USB 3.2 Gen 2×2			128b/132b	4 FDx ×2	20 Gbit/s	SuperSpeed USB 20Gbps
USB4 Gen 2×1		USB4	64b/66b	2 FDx	10 Gbit/s	—
USB4 Gen 2×2			64b/66b	4 FDx ×2	20 Gbit/s	USB4 20Gbps
USB4 Gen 3×1			128b/132b	2 FDx	20 Gbit/s	—
USB4 Gen 3×2			128b/132b	4 FDx ×2	40 Gbit/s	USB4 40Gbps

• Baja velocidad (LS) y Full-speed (FS) Los modos utilizan un solo par de datos, etiquetado D+ y D−, en medio dúplex. Los niveles de señal transmisibles son 0,0–0,3 V para lógica baja, y 2.8–3.6 V para el nivel lógico alto. Las líneas de señal no están terminadas.
• Alta velocidad (HS) modo utiliza el mismo par de alambre, pero con diferentes convenciones eléctricas. Tensiones de señal inferiores de 10 a 10 mV para abajo y 360 a 440 mV para el nivel lógico alto, y la terminación de 45 Ω a tierra o 90 Ω diferencial para coincidir con la impedancia del cable de datos.
• SuperSpeed (SS) añade dos pares adicionales de alambre retorcido blindado (y nuevos conectores ampliados en su mayoría compatibles). Estos están dedicados a la operación SuperSpeed de dúplex completo. El enlace SuperSpeed funciona independientemente del canal USB 2.0, y tiene prioridad en la conexión. La configuración de enlaces se realiza utilizando LFPS (Señal de frecuencias mínimas, aproximadamente a 20 MHz de frecuencia), y las características eléctricas incluyen de-emfasis de tensión en lado transmisor, e igualación lineal adaptativa en lado receptor para combatir pérdidas eléctricas en líneas de transmisión, y por lo tanto el enlace introduce el concepto de capacitación en relación con los vínculos.
• SuperSpeed+ (SS+) utiliza el aumento de la tasa de datos (modo Gen 2×1) y/o el carril adicional en el conector USB-C (modo Gen 1×2 y Gen 2×2).

Una conexión USB siempre se establece entre un host o concentrador en el extremo del conector A y un dispositivo o concentrador 'ascendente'. puerto en el otro extremo.

Capa de protocolo

Durante la comunicación USB, los datos se transmiten como paquetes. Inicialmente, todos los paquetes se envían desde el host a través del concentrador raíz y, posiblemente, de más concentradores, a los dispositivos. Algunos de esos paquetes dirigen un dispositivo para enviar algunos paquetes en respuesta.

Transacciones

Las transacciones básicas de USB son:

• Transacciones externas
• IN transactions
• Transmisión SETUP
• Cambio de transferencia de control

Estándares relacionados

El logo Wireless USB

USB agnóstico de medios

El USB Implementers Forum 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. Wireless USB es una tecnología de reemplazo de cable y utiliza tecnología inalámbrica de banda ultraancha para velocidades de datos de hasta 480 Mbit/s.

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 usan MA-USB se marcarán como 'Con tecnología de MA-USB', siempre que el producto califique para su programa de certificación.

Interchip USB

InterChip USB es una variante de chip a chip que elimina los transceptores convencionales que se encuentran en USB normal. La capa física HSIC utiliza aproximadamente un 50 % menos de energía y un 75 % menos de área de placa en comparación con USB 2.0. Es un estándar alternativo a SPI e I2C.

USB‑C

USB-C (oficialmente USB Type-C) es un estándar que define un nuevo conector y varias funciones de conexión nuevas. Entre ellos, admite 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, lo que permite conectar una pantalla, como un monitor de computadora o un televisor, a través de USB-C.

DisplayLink

DisplayLink es una tecnología que permite conectar múltiples 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 propietaria, no estandarizada por el USB Implementers Forum y normalmente requiere un controlador de dispositivo separado en la computadora.

Comparaciones con otros métodos de conexión

IEEE 1394

Al principio, USB se consideró un complemento de la tecnología IEEE 1394 (FireWire), que se diseñó como un bus serie de gran ancho de banda que interconecta de manera eficiente periféricos como unidades de disco, interfaces de audio y equipos de video. En el diseño inicial, USB funcionaba a una velocidad de datos mucho más baja y utilizaba hardware menos sofisticado. Era adecuado para pequeños periféricos como teclados y dispositivos señaladores.

Las diferencias técnicas más significativas entre FireWire y USB incluyen:

• Las redes USB utilizan una topología de estrellas atadas, mientras que las redes IEEE 1394 utilizan una topología de árboles.
• USB 1.0, 1.1 y 2.0 utilizan un protocolo "hablar-cuando-hablar-to", lo que significa que cada periférico se comunica con el host cuando el host solicita específicamente que se comunique. USB 3.0 permite comunicaciones iniciadas por dispositivos hacia el host. Un dispositivo FireWire puede comunicarse con cualquier otro nodo en cualquier momento, sujeto a condiciones de red.
• Una red USB se basa en un solo host en la parte superior del árbol para controlar la red. Todas las comunicaciones están entre el anfitrión y un periférico. En una red FireWire, cualquier nodo capaz puede controlar la red.
• El USB funciona con una línea de alimentación de 5 V, mientras que FireWire suministra 12 V y teóricamente puede suministrar hasta 30 V.
• Los puertos USB estándar pueden proporcionar desde los típicos 500 mA/2.5 W de corriente, sólo 100 mA de los puertos no-hub. USB 3.0 y USB On-The-Go suministra 1.8 A/9.0 W (para carga de batería dedicada, 1,5 A/7.5 W ancho de banda completo o 900 mA/4.5 W ancho de banda alto), mientras que FireWire puede en teoría suministrar hasta 60 vatios de potencia, aunque 10 a 20 vatios es más típico.

Estas y otras diferencias reflejan los diferentes objetivos de diseño de los dos buses: el USB se diseñó para la simplicidad y el bajo costo, mientras que el FireWire se diseñó para un alto rendimiento, particularmente en aplicaciones sensibles al tiempo, como audio y video. Aunque similar en la tasa de transferencia máxima teórica, FireWire 400 es más rápido que USB 2.0 de gran ancho de banda en uso real, especialmente en uso de gran ancho de banda, como discos duros externos. El nuevo estándar FireWire 800 es dos veces más rápido que FireWire 400 y más rápido que USB 2.0 de gran ancho de banda, tanto en teoría como en la práctica. 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.

Ethernet

Los estándares IEEE 802.3af, 802.3at y 802.3bt Power over Ethernet (PoE) especifican esquemas de negociación de energía más elaborados que USB. 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 en red dentro de edificios. Sin embargo, USB es más económico que PoE siempre que la distancia sea corta y la demanda de energía sea baja.

Los estándares de Ethernet requieren aislamiento eléctrico entre el dispositivo conectado a la red (computadora, teléfono, etc.) y el cable de red hasta 1500 V CA o 2250 V CC durante 60 segundos. USB no tiene tal requisito, ya que fue diseñado para periféricos estrechamente asociados con una computadora host y, de hecho, conecta los terrenos periféricos y host. Esto le da a Ethernet una ventaja de seguridad significativa sobre USB con periféricos como cable y módems DSL conectados a cableado externo que pueden asumir voltajes peligrosos bajo ciertas condiciones de falla.

MIDI

La definición de clase de dispositivo USB para dispositivos MIDI transmite datos de música de interfaz digital de instrumentos musicales (MIDI) a través de USB. 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.

USB es competitivo para dispositivos de bajo costo y físicamente adyacentes. Sin embargo, Power over Ethernet y el estándar de conexión MIDI tienen una ventaja en los dispositivos de gama alta que pueden tener cables largos. USB puede causar problemas de bucle de tierra entre equipos, porque conecta referencias de tierra en ambos transceptores. Por el contrario, el estándar de conexión MIDI y Ethernet tienen un aislamiento incorporado a 500V o más.

ESATA/eSATAp

El conector eSATA es un conector SATA más robusto, diseñado para conectarse 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 por eSATA aparece como un dispositivo SATA ordinario, lo que brinda un rendimiento completo y una compatibilidad total asociada con las unidades internas.

eSATA no suministra energía a dispositivos externos. Esta es una desventaja creciente en comparación con 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 cada vez menos energía, lo que reduce 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 una computadora portátil, eSATAp generalmente solo suministra 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, como USB, admite la conexión en caliente, aunque esto puede estar limitado por los controladores del sistema operativo y el firmware del dispositivo.

Rayo

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.

Thunderbolt 2 utiliza la agregación de enlaces para combinar los dos canales de 10 Gbit/s en un canal bidireccional de 20 Gbit/s.

Thunderbolt 3 usa el conector USB-C. Thunderbolt 3 tiene dos canales físicos bidireccionales 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 proporcionar compatibilidad con dispositivos USB. También son capaces de proporcionar el modo alternativo DisplayPort a través del conector USB-C, lo que convierte a un puerto Thunderbolt 3 en un superconjunto de un puerto USB 3.1 Gen 2 con modo alternativo DisplayPort.

DisplayPort Alt Mode 2.0: USB 4 admite DisplayPort 2.0 en su modo alternativo. DisplayPort 2.0 puede admitir una resolución de 8K a 60 Hz con color HDR10. 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 las ocho líneas de datos a la vez.

Después de que la especificación se hizo 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.

Interoperabilidad

Hay varios convertidores de protocolo disponibles que convierten las señales de datos USB hacia y desde otros estándares de comunicación.

Amenazas a la seguridad

• USB Killer
• Las versiones de Legacy de Windows serían, por defecto, las unidades de flash USB autorun que fueron insertadas. Esto fue deshabilitado en Windows XP.