Puerto USB – Historia, diseño y características generales

Se ha convertido en uno de los puertos más importantes en la actualidad, y todo se conecta a través de este conector. El puerto USB se ha convertido en un estándar vital para todo tipo de usuarios y nadie contempla un equipo sin una gran cantidad de estos puertos. El Universal Serial BUS (USB) ha tenido muchos intentos de ser reemplazado, pero no se ha conseguido.

Vamos a repasar en este artículo la historia  de este conector y ver un poco por encima las características de las versiones más modernas. Este tipo de conector ha sido desarrollado para la comunicación y suministro de energía entre una computadora y periféricos. La primera versión de conector fue en 1996 y desde entonces se encarga de mantenerlo y de su estándar el USB Implementer Forum (USB-IF)

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Historia puerto USB

El inicio del desarrollo fue en 1994 y estaba liderado por Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC y Nortel. Se buscaba desarrollar un conector sencillo para periféricos que reemplazará los toscos y complejos conectores existentes. También se buscaba abordar los problemas de usabilidad de la época y simplificar al máximo la configuración de software. Adicionalmente se buscaba ofrecer mayores velocidades de datos para dispositivos externos.

Ajay Bhatt y su equipo trabajaron en el desarrollo de este estándar en Intel, creándose los primeros circuitos integrados por parte de Intel en 1995. El estándar USB 1.0 se introdujo en enero de 1996 con una transmisión de datos de 1.5Mbit/s en velocidad baja y 12Mbit/s en velocidad completa.

Los primeros diseños requerían de un bus de 5Mbit/s de una sola velocidad. Se añade la baja velocidad para admitir periféricos de bajo coste con cables sin blindaje. La velocidad de 12Mbit/s estaba especialmente destinada a dispositivos de alta velocidad, como son impresoras o unidades de disquete. La velocidad baja de 1.5Mbit/s  se desarrolló para la transferencia de datos de periféricos como teclados, ratones y joysticks.

Microsoft Windows 95 OSR 2.1 fue el primer sistema operativo en ofrecer soporte a este conector en agosto de 1997. La primera versión completamente comercial se denominó USB 1.1 y se lanzó en septiembre de 1998.

El primer dispositivo en ofrecer este tipo conectividad fue el Apple iMac, que con su gran éxito, hizo que se popularizara este puerto. La decisión de Apple de eliminar todos los puertos heredados de iMac, los fabricantes desarrollador PC sin legado. Esto hizo que rápidamente se estandarizara.

Evolución temporal puerto USB

La USB Implementers Forum (USB-IF) ratificó en el año 2001 el estándar 2.0 lanzado en el mes de abril del año 2000. Quienes se encargaron de desarrollar este estándar fueron: Hewlett-Packard, Intel, Lucent Technologies (la actual Nokia), NEC y Philips. Se trabajó para ofrecer un gran salto de velocidad de transferencia de datos, pasando de los 12Mbit/s del USB 1.1 a los 480Mbit/s de la versión 2.0. Hablamos de una mejora de velocidad de x40 veces.

Dicho estándar 2.0 fue reemplazado el 12 de noviembre de 2008 por el estándar 3.0. Se mejoró drásticamente la transferencia de datos, llegando hasta los 5Gbit/s, se redujo el consumo, se aumentó la potencia de salida y se ofrecía retrocompatibilidad con la versión 2.0. El estándar 3.0 integra un bus de mayor velocidad, denominado SuperSpeed en paralelo con el estándar 2.0. Los primeros equipos en integrar este estándar se lanzaron en enero de 2010.

Se calcula que en 2008 habían en todo el mundo más de 6.000 millones de puertos e interfaces de este tipo en el mercado. Aproximadamente se calcula que cada año se añadían 2.000 millones de puertos e interfaces USB.

En diciembre de 2014 la USB-IF publicó las especificaciones del puerto USB 3.1, USB Power Delivery 2.0 y el conector Type-C. Se incluyen dentro del estándar internacional IEC 62680 (Interfaces de bus serie universal para datos y energía). Las especificaciones del USB 3.2 se publicó en septiembre de 2017.

USB-IF publicó las especificaciones del estándar USB4 el pasado 29 de agosto de 2019. 

Objetivo estándar USB

Se buscaba con la interfaz USB la simplificación y la mejora de los conectores de los ordenadores personales y los periféricos. Anteriormente las interfaces o eran muy toscas o eran soluciones propias de cada fabricante. El bus serie universal facilita la usabilidad de las siguientes maneras:

• Dispone de autoconfiguración, eliminando la necesidad del usuario de ajustar parámetros como la velocidad o de formato de los datos. También suprime ajustes como las interrupciones, direcciones E/S o canales de acceso directo a la memoria
• El conector USB está estandarizado para el host
• USB aprovecha al máximo el potencial de los periféricos de administrarse por sí mismos. Los dispositivos con este estándar a menudo no tienen interfaz de ajuste por parte del usuario
• Intercambiable en caliente
• Pequeños dispositivos se pueden alimentar directamente mediante esta interfaz, eliminando la necesidad de cables adicionales
• Este certificado solo se obtiene después de realizar pruebas de cumplimiento del estándar. Ofrece al usuario confiabilidad en que los dispositivos basados en este estándar funcionarán correctamente sin problemas
• Se definen protocolos de recuperación de errores comunes, mejorando la fiabilidad
• Instalar un dispositivo USB requiere una cantidad de acciones muy pequeñas por parte del operador. Cuando conectamos un dispositivo basado en este estándar, este se configura automáticamente mediante el controlador de dispositivos existente

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Beneficios para desarrolladores de hardware y/o software

Sobre todo ofrece ventajas en la simplicidad de su implementación:

• Estándar USB suprime la necesidad de desarrollar interfaces propietarios para nuevos periféricos
• Soporta una gran cantidad de velocidades de transferencia, adaptándose a teclados, ratones  o cualquier otro periférico
• USB permite adaptar el diseño para obtener la mejor latencia posible para funciones críticas o podemos configurarlo para transferencias en segundo plano de datos masivos con un impacto bajo en los recursos del sistema
• Interfaz Universal Serial Bus se generaliza sin líneas de señal dedicadas a una sola función de un dispositivo

Limitaciones del estándar USB

Pese a sus bondades, el bus serie universal tiene ciertas limitaciones respecto a su diseño:

• Los cables tienen una longitud limitada debido a que el estándar se limita a periféricos cercanos. Esto quiere decir que se mueve en el ámbito de la mesa de trabajo, no soportando comunicación entre habitaciones o edificios. Un puerto de este tipo, sin embargo, se puede conectar a una puerta de enlace para acceder a dispositivos distantes
• Tiene una topología de red de árbol estricta y protocolo maestro/esclavo para conexión de periféricos. Impide a los dispositivos interactuar entre sí, necesitando un host, y tampoco permite a dos host comunicarse mediante este tipo de puertos. Existe una extensión a esta limitación mediante el USB On-The-Go
• Host puede mandar señales a todos los periféricos basados en este estándar de manera simultánea, pero debe dirigirse a ellos individualmente. Dispositivos periféricos de muy alta velocidad requieren velocidades sostenidas no disponibles en este estándar.
• Existen conversores entre interfaces heredadas y este estándar, posiblemente no ofrezcan una implementación completa con el hardware heredado. Por ejemplo, un convertidor de USB a paralelo puede manejar bien una impresora, pero no con un escáner que necesite el uso bidireccional de los pines de datos

Para los desarrolladores de dispositivos, este estándar requiere implementar un protocolo complejo y un controlador ‘inteligente’ dentro del dispositivo. Los desarrolladores de estos dispositivos para la venta al público generalista requiere de la obtención de un ID USB. Esto implica que deben pagar una tarifa a la IF-USB y firmar un acuerdo con esta organización. Además, usar el logotipo de este estándar requiere de cuotas anuales y membresías en el organismo.

Versiones previas del estándar

Repasamos las versiones del estándar previas al lanzamiento oficial:

• Noviembre de 1994 – USB 0.7
• Diciembre de 1994 – USB 0.8
• Abril de 1995 – USB 0.9
• Agosto de 1995 – USB 0.99
• Noviembre de 1995 – USB 1.0 Relase Candidate

Estándar USB 1.x

La primera versión del estándar USB 1.0 fue lanzado en enero de 1996 y tenía dos tipos de velocidades. La baja velocidad ofrecía una velocidad de transferencia de datos de 1.5Mbit/s y una velocidad máxima de 12Mbit/s. Este estándar no permite cables de Extension o monitorización de paso, debido a las limitaciones de tiempo y potencia.

Esta primera versión de este estándar no fue apenas adoptado, fue con la versión 1.1, lanzado en agosto de 1998, cuando se empezó a adoptar. Dicha versión fue la primera en tener amplia adopción y Microsoft lo designo como “PC sin legado”.

Ambas versiones de este tipo de conector se limitaban al Type-A y el Type-B, este último una versión compacta del Type-A. Destacar que aparecieron muchos diseños para un conector Type-B miniaturizado integrados en muchos periféricos. Esto provoco la falta de uniformidad en el estándar USB 1.x y obstaculizo el tratamiento de periféricos. No se desarrolló una versión más compacta del conector Type-A hasta el USB 2.0 rev 1.01.

Estándar USB 2.0

Dicho estándar se lanzó en abril de 2020 y pasa a ofrecer una tasa de velocidad de 480Mbit/s (60MB/s). Este estándar de velocidad se denominó como ‘alta velocidad’ o ‘ancho de banda alto’. Las modificaciones de las especificaciones de este conector se ha realizado mediante Engineering Change Notices (ECN). Las modificaciones más importantes son:

• Conector Mini-A y Mini-B
• Especificación 1.01 de cables y conectores micro USB
• Suplemento USB InterChip
• Complemento On-The-Go USB 1.3 que hace posible que dos dispositivos con este conector se comuniquen entre sí sin necesidad de un host independiente
• Especificaciones de carga de batería 1.1: Añadido soporte para cargadores dedicados, compartiendo cargadores de host para dispositivos con baterías agotadas
• Especificaciones de carga de batería 1.2: Con una corriente de 1.5A en los puertos de carta para dispositivos no configurados, lo que permite la comunicación de alta velocidad mientras se ofrece una corriente de 1.5A y una corriente máxima de 5A
• Anexo ECN de administración de energía de enlace que añade un estado de energía de reposo

Estándar USB 3.x

Las especificaciones de este estándar fue lanzada oficialmente el 12 de noviembre de 2008, desarrollado por USB-IF. Su anuncio oficial fue el 17 de noviembre de 2008 durante la SuperSpeed USB Developers Conference.

Dicha primera versión ofrecería una transferencia SuperSpeed, siendo compatible con enchufes y cables de versiones anteriores. Todos los dispositivos SuperSpeed se identifican en el logotipo y en los conectores, que pasaron a ser azules.

SuperSpeed ofrece una velocidad de transferencia nominal de 5.0Gbit/s, siendo también compatible con los tres modos de transferencia compatibles. La eficiencia depende de varios factores, incluida la codificación de símbolos físicos y la sobrecarga a nivel de vínculo. Bajo velocidades de señalización de 5Gbit/s con codificación 8b/10, cada byte necesita de 10bits para transmisión, así que el rendimiento sin procesado es de 500MB/s. Si se consideran aspectos como el control de flujo, el encuadre de paquetes y la sobrecarga de protocolo, se reduce a los 400MB/s (3.2Gbit/s)

Los dispositivos de baja potencia y alta potencia pueden funcionar igualmente bajo este estándar. Aquellos dispositivos basados en SuperSpeed permiten aprovechar el aumento de la corriente entre 150-900mA.

Este estándar ofrece soporte para el protocolo UASP, que ofrece velocidades de transferencia generalmente más rápidas que el protocolo Bulk-Only-Transfer.

Versión USB 3.1

Esta versión de dos variantes fue lanzada en julio de 2013. La Gen1 conserva el modo de transferencia SuperSpeed y la Gen2 introduce una nueva versión de este modo de transferencia SuperSpeed+. La versión SuperSpeed+ ofrece el doble de velocidad máxima de señal de datos, pasando a ser de 10Gbit/s. Al ismo tiempo, esta variante ofrece una reducción de la sobrecarga en la codificación de línea en solo un 3% pasando a un esquema de codificación de 128b/132b.

Versión USB 3.2

Esta es la última versión y fue introducida en septiembre de 2017. Conserva los modos de transferencia de datos SuperSpeed y SuperSpeed+, pero se añaden dos nuevos modos de transferencia para SuperSpeed+ mediante el conector USB Type-C que ofrece velocidades de datos de 1.25GB/s y 2.5GB/s. El aumento del ancho de banda es el resultado de la operación de varios carriles existentes que fueron diseñados para las capacidades flip-flop del conector Type-C

Esquema de nomenclatura

Estándar USB4

La especificación fue lanzada el 29 de septiembre. Este estándar se basa en las especificaciones del protocolo Thunderbolt 3, ofreciendo una velocidad de transferencia de datos de 40Gbit/s. Esta arquitectura establece un método para compartir un único enlace de alta velocidad para varios tipos de dispositivos finales de manera dinámica, buscando la mejor transferencia de datos según tipo y aplicación.

Durante el CES 2020, tanto la USB-IF como Intel destacaron que permitirían que USB4 admita todas las funciones opciones de Thunderbolt 4. Los primeros productos compatibles con este estándar se espera que sean los Intel Tiger Lake y AMD Zen3 que llegarían a finales de 2020.