BUS SERIE UNIVERSAL (USB)

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1.- Introducción.

La falta de flexibilidad en la reconfiguración de todo ordenador, ha sido siempre el enemigo de todas las personas que sin conocer mucho de computación y hardware, desearían mantener actualizado su ordenador. Ciertamente ha habido grandes progresos en este sentido, para esto, solo hay que nombrar adelantos en cuanto a interfaces gráficas se refiere; sabiendo que con Windows 95 es mucho más sencillo configurar una computadora que con DOS, y que las arquitecturas de BUS nueva como PCI, ISA P&P y PCMCIA se han constituido sujetos importantes en todo proceso de reconfiguración. Sin embargo, no todo es autoconfigurable, basta mencionar ejemplos como, algunas tarjetas de video, tarjetas de red, y tarjetas que son fabricadas bajo la arquitectura ISA, la cual al no demandar altas velocidades de transferencia de datos sirve para abaratar costos.

Todo lo dicho anteriormente, nos sirve para empezar a comprender, que en estos momentos existe una nueva tecnología para facilitar, por ejemplo: la reconfiguración de hardware, expansibilidad e interconexión del equipo con otros periféricos, etc. Este es el BUS SERIE UNIVERSAL (USB). En este trabajo se procederá a efectuar un estudio del mismo, tratando de dejar claro todos los beneficios que esta tecnología está aportando a los cambios técnicos que se están produciendo en el campo de la informática.

2.- Definición del Bus Serie Universal.

El bus universal en serie, consiste en una norma para bus periférico, desarrollado tanto por industrias de computación como de telecomunicaciones. USB permite adjuntar dispositivos periféricos al ordenador rápidamente, sin necesidad de reiniciarlo ni de volver a configurar el sistema. Los dispositivos con USB se configuran automáticamente tan pronto como se han conectado físicamente. En los ordenadores que cuentan con esta tecnología se pueden observar dos conectores de este tipo. Además, se pueden unir dispositivos USB en una cadena para conectar más de dos dispositivos al ordenador mediante otros periféricos USB que serán detallados mas adelante.

3.- Descripción General de la Tecnología USB.

Las siglas USB corresponden a Universal Serial Bus, Bus Serie Universal, por lo que como su nombre indica, se trata de un sistema de comunicación entre dispositivos electrónicos-informáticos que sólo transmite una unidad de información a la vez. El bus USB puede trabajar en dos modos, a baja velocidad (1,5 Mbps, para dispositivos como teclados, ratones, que no barajan grandes cantidades de información) y a alta velocidad (12 Mbps, para dispositivos como unidades de CDROM, altavoces, módems e ISDN, etcétera). En cuanto a la comodidad, el bus USB se compacta en un cable de cuatro hilos, dos para datos, dos para alimentación. Esto supone un gran ahorro, tanto de espacio como de material. De acuerdo a estos parámetros, una de las principales ventajas que se obtiene de USB es precisamente su diseño.

El USB organiza el bus en una estructura de árbol descendente, con múltiples dispositivos conectados a un mismo bus, en la que unos elementos especiales, llamados hubs (periférico que será descrito específicamente mas adelante), enrutan las señales en su camino desde un dispositivo al host o viceversa. Primero está el controlador del bus, éste es el interfaz entre el bus USB y el bus del ordenador. De él cuelgan los dispositivos USB. Los hubs, como son un dispositivo USB más, también cuentan. A un hube se puede conectar uno o más dispositivos, que a su vez pueden ser otros hubs, así tenemos varios dispositivos conectados a un sólo controlador; como máximo alrededor de 126.

Ahora, es conveniente resaltar que todos los dispositivos deben seguir reglas de comportamiento básicas, estandarizadas. Por tanto, todos los dispositivos se configuran de la misma forma, y es mucho más fácil gestionar los recursos que proveen; sin embargo, esto no significa que todos los dispositivos son iguales, sino, que todos tienen un sistema de configuración idéntico. Para proteger sus identidades, existe una clasificación estandarizada, (gestionada por el controlador) y en función de esa clasificación, los dispositivos se manejan de una forma u otra, siempre cumpliendo los estándares, permitiendo entre otras cosas, una simplificación en la gestión de los dispositivos, ya que un mismo drive sirve para varios dispositivos de diferentes tipos, aparte de poder tener un número casi ilimitado de dispositivos idénticos en un mismo sistema (siempre se pueden añadir nuevos controladores). Además, el hecho de que no tengamos que tocar (inicialmente) nada en el hardware del dispositivo en sí y que todo sea configurable por software nos lleva a la llamada tecnología Plug'n'Play (conectar y listo).

4.- Objetivos del USB.

Los objetivos de ésta tecnología, apuntan claramente hacia la vista del usuario, USB es una especificación que posibilita conectar dispositivos a un ordenador de forma encadenada, sin tener que abrir en absoluto la caja del ordenador o tener que insertar tarjetas. Todo dispositivo USB tiene la capacidad de ser conectado al ordenador en pleno funcionamiento, sin tener que reiniciarlo, además la configuración del dispositivo nuevo es inmediata y completamente transparente al usuario, tras lo cual el dispositivo está listo para ser empleado sin tocar un tornillo, ni jumpers, canales, IRQ's, etc. El proceso de conexión USB es tan sencillo como se muestra en la siguiente Figura.

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5.- Necesidad del USB.

Ha habido intentos de todos los tipos para ampliar las posibilidades de expansión de los PC´s, desde aumentar el número de puertos serie y paralelo, hasta "buses" específicos como el SCSI. El bus SCSI parecía ser la solución ideal, por velocidad y capacidad de transferencia y por el número de dispositivos conectables a la controladora SCSI, hasta 7 dispositivos en cadena y hasta 15 con Ultra Wide SCSI-2, pero su alto coste, junto con sus problemas de configuración, dieron lugar a la aparición del USB.

Aunque en estos tiempos, la tecnología ha avanzado de forma estratosférica, aun se observa la utilización de la transmisión serie en lugar de la paralela masiva; dado que un bus serie es mucho más fácil de cablear, mantener y fabricar, aunque este sea más lento (El puerto serie es capaz de transmitir hasta 112,5 KB/s y el puerto paralelo entre 600KB/s y 15MB/s). Esto de alguna manera implica que actualmente la mayoría de las computadoras, tienen un limite claro de expansibilidad. Un problema frecuente es contar con dos o más dispositivos que requieren del puerto paralelo, por ejemplo: la impresora, un escáner, etc., mas aun, los puertos serie y paralelos de los ordenadores no son tipo PnP, esto queda demostrado por ejemplo: cuando un usuario va a una tienda y solicita un dispositivo, el vendedor pregunta si desea el mismo interno o externo, para puerto serie o paralelo, con tecnología ISA o PCI, y así una serie de problemas. La tecnología USB ataca este problema frontalmente, brindando la posibilidad de conectar a una computadora, mas de un dispositivo, compatible y sencillamente. Sin embargo, la introducción de este bus, no marca un final drástico para los usuarios que poseen conectores serie RS-232 de 9 ó 25 pines, o bien paralelo (centronic) de 25 orificios; aun cuando los PC's que están disponibles en el mercado, siguen manteniendo estos puertos con sus características habituales, aunque con los beneficios que se pueden obtener de esta tecnología (USB), hace prever la desaparición absoluta a través de los años; de todas formas ya existen en el mercado adaptadores de serie y paralelo a USB, como se muestra en la siguiente figura:

En resumen, por ahora, los ordenadores personales no han de sufrir ningún cambio particular dentro de la forma tradicional a la que se esta acostumbrado. La única diferencia notable se hallará en la parte posterior de las mismas, donde podremos encontrar los dos conectores USB. Los mismos, provienen de un dispositivo cuyo cable se inserta en una nueva ranura de la placa base. En las siguientes figuras se pueden observar, el dispositivo de 2 conectores y la placa base respectivamente.

6.- Las Funciones USB y el Host USB.

Dentro de la terminología USB, el PC que soporta este tipo de bus, se denomina Host USB; mientras que por su parte y dentro de la misma terminología, todo periférico y/o dispositivo, se denomina Función USB, además de esta significación, no existe ningún otro termino oculto dentro de estas dos denominaciones.

HOST USB:

A diferencia de los dispositivos y los hubs, existe tan solo un host dentro del sistema USB, que como ya dijimos es el ordenador mismo, particularmente una porción del mismo denominado Controlador USB del Host. Este tiene la misión de hacer de interfaz entre el ordenador mismo y los diferentes dispositivos. Existen algunas particularidades respecto a este controlador. Su implementación es una combinación de hardware y software todo en uno, es decir Firmware. Puede proveer de uno o dos puntos de conexión iniciales, denominados Hub raíz, a partir de los cuales y de forma ramificada irán conectándose los periféricos.

FUNCIONES USB:

Dentro de la terminología USB, todos los dispositivos que pueden ser conectados a este bus, a excepción de los Hubs, se denominan Funciones. Son funciones típicas: el ratón, el monitor, modem, etc.

Las funciones o dispositivos periféricos, son capaces de recibir y transmitir información, ya sea del usuario o de control. El común denominador de todas las funciones USB es su cable y el conector del mismo, diseñado y fabricado de acuerdo a las especificaciones del bus, por lo que no cabe preocuparse por la compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes.

Un aspecto interesante de las funciones, es que pueden ser a la vez nuevos hubs. La siguiente figura muestra un esquema en el que el PC tiene tres puertos, la siguiente función que puede ser un monitor 4, el siguiente 3 y adicionalmente un Hub, provee 4 puertos mas, es un esquema tan sencillo, donde existen 14 puertos disponibles para todo tipo de periférico, entre los que podemos citar: ratón, lápiz óptico, teclado, impresora, un teléfono ISDN, etc.

HOST USB - HARDWARE Y SOFTWARE:

El computador o Host USB trabaja con los diferentes dispositivos valiéndose del controlador de host compuesto por una parte de hardware y otra de software, de esta forma conjunta, el host es responsable al nivel de hardware, de los siguientes aspectos dentro del sistema USB:

• Detectar tanto la conexión de nuevos dispositivos USB al sistema como el reconocimiento de aquellos ya conectados, y por supuesto, configurarlos y ponerlos a disposición del usuario, tarea que involucra acciones por software.

• Administrar y controlar el flujo de datos entre el host y los dispositivos USB, es decir el movimiento de información generada por el mismo usuario.

• Administrar y regular los flujos de control entre el host y los dispositivos USB, es decir la información que se mueve con el objeto de mantener el orden dentro de los elementos del sistema.

• Recolectar y resumir estadísticas de actividad y estado de los elementos del sistema.

• Proveer de una cantidad limitada de energía eléctrica para aquellos dispositivos que pueden abastecerse con tan solo la energía proveniente del computador (teclado, ratón son dos ejemplos claros).

Por otra parte, a nivel de software las funciones del controlador de Host se incrementan y complican:

• Enumeración y configuración de los dispositivos conectados al sistema.

• Administración y control de transferencias síncronas de información.

• Administración y control de transferencias asíncronas.

• Administración avanzada de suministro eléctrico a los diferentes dispositivos.

• Administración de la información del bus y los dispositivos USB.

7.- Características del USB.

En los anteriores párrafos, se había hablado de algunos beneficios que esta tecnología entregaba tanto al usuario como a las empresas fabricantes, pero las características de USB son muchas mas, aunque algunas revisten ciertos términos técnicos, vale la pena enumerar todas las características de este Bus:

• Todos los dispositivos USB deben tener el mismo tipo de cable y el mismo tipo de conector, más allá de la función que cumplan.

• Los detalles de consumo y administración eléctrica del dispositivo deben ser completamente transparentes para el usuario.

• El computador debe identificar automáticamente un dispositivo agregado mientras opera, y por supuesto configurarlo.

• Los dispositivos pueden ser desconectados mientras el computador está en uso.

• Deben poder compartir un mismo bus tanto dispositivos que requieren de unos pocos Kbps como los que requieren varios Mbps.

• Más de 127 dispositivos diferentes pueden estar conectados simultáneamente y operando con un mismo ordenador sobre el Bus Serial Universal.

• El bus debe permitir periféricos multifunción, es decir aquellos que pueden realizar varias tareas a la vez, como lo son algunas impresoras que adicionalmente son fotocopiadoras y máquinas de fax.

• Capacidad para manejo y recuperación de errores producidos por un dispositivo cualquiera.

• Soporte para la arquitectura Conectar y Operar (Plug&Play).

• Bajo costo.

• No se necesita un cable extra de alimentación - la mayoría de los periféricos USB obtienen la alimentación del bus USB, con lo cual no requieren un cable de alimentación adicional.

• Más rápido: USB transfiere los datos 10 veces más rápido que los puertos serie tradicionales.

Vale la pena mencionar que todos los puntos citados anteriormente son características disponibles del Bus Serial Universal, es decir que los usuarios pueden beneficiarse de absolutamente todas estas capacidades. Es importante destacar que esta especificación y como lo veremos en el siguiente punto, no es un trabajo superfluo, ya que ha sido estudiado hasta el detalle máximo. (Basta nuevamente recordar el gran soporte de esta tecnología).

Ahora vamos a proceder a la breve explicación de alguna de las características anteriores:

PLUG & PLAY 

El puerto USB, y por tanto todos los dispositivos con conexión USB, son verdaderamente Plug & Play, es decir, el dispositivo es detectado automáticamente al conectarlo al equipo y el sistema operativo instala el driver adecuado o nos pide el disco de instalación. Aún más, no es necesario apagar, ni siquiera re iniciar, el equipo para conectar o desconectar los dispositivos, cargándose y descargándose automáticamente de memoria el driver correspondiente.

 

 

RECURSOS DEL DISPOSITIVO

Quizá una de las mayores ventajas para los equipos actuales es el hecho de que el puerto USB solamente necesita una IRQ y una dirección de memoria y todos los dispositivos conectados a él, solamente necesitan una ID para su identificación (como en el bus SCSI) dentro de la cadena de 127 dispositivos, sin necesitar más recursos. Si tenemos en cuenta que los puertos estándar (dos serie, un paralelo, un PS/2 para ratón, uno para teclado, un puerto para joystick) consumen 5 IRQs, algunas DMA y múltiples direcciones de memoria, al utilizar dispositivos USB nos estamos ahorrando valiosos recursos del sistema.

 

SIMPLICIDAD

El manejo de los dispositivos USB se hace por software, concretamente por el propio sistema operativo, por lo que los dispositivos USB son más fáciles de fabricar y por tanto más baratos. Además, USB es una tecnología abierta por la que no hay que pagar derechos, lo que siempre abarata los costos de fabricación.

DISPOSITIVOS

Se pueden conectar hasta un total de 127 dispositivos en cadena o utilizando HUBs USB (concentradores de puertos USB), y cada dispositivo puede tener un cable de hasta 5 metros de longitud, frente a 1 metro para el puerto serie y 4 metros para el puerto paralelo. Además, conectándolos en cadena, el último dispositivo puede estar a 635 metros del ordenador.

Actualmente se encuentran en el mercado monitores, teclados, ratones, cámaras, joysticks, módem, escáneres, impresoras e incluso altavoces (sin necesidad de tarjeta de sonido) con conexión USB, dispositivos de almacenamiento unidad ZIP, CD-ROMs, discos duros externos, etc.

VELOCIDAD

El puerto serie es capaz de transmitir hasta 112,5 KB/s y el puerto paralelo entre 600KB/s y 15MB/s, pero el puerto USB es capaz de llegar a alcanzar entre 1,5MB/s y 12MB/s, por lo que es la conexión ideal para módem de 56K, escáneres (como alternativa de similar costo a los de puerto paralelo), CD-ROMs externos, dispositivos de copia de seguridad externos, etc.

PLATAFORMA

Para poder utilizar dispositivos USB, hay recordar que el sistema operativo instalado en nuestro equipo debe soportar este nuevo bus. Windows 95 en sus versiones OSR2.1 y OSR2.5 detecta el puerto USB y soporta dispositivos USB (la versión OSR2.0 también añadiendo el SUPLEMENTO USB), pero es realmente con el sistema operativo Windows 98 con los que los ya abundantes dispositivos USB no han dado problemas de instalación y funcionamiento, no dejando de lado las ultimas versiones de Windows NT.

Uno de los problemas del puerto USB es que suministra solamente 500 miliamperios de electricidad para los dispositivos conectados, que aunque es suficiente potencia para la mayoría de los dispositivos que se conectan a este puerto, resulta escaso cuando conectamos varios dispositivos sin fuente de alimentación propia. Lo que sí podemos hacer es comprar un HUB USB con toma de alimentación eléctrica, para proporcionar la potencia necesaria a aquellos dispositivos que lo requieran (especialmente escáneres e impresoras).

8.- Los Hub's USB.

Los Hubs son elementos claves dentro de la arquitectura USB. Adicionalmente, simplifican de gran manera la sencillez de la interconexión de dispositivos al ordenador. Las siguientes Figuras muestran hubs USB disponibles en el mercado.

Bajo una óptica eléctrica e informática, los hubs son concentradores cableados que permiten múltiples conexiones simultáneas. Su aspecto más interesante es la concatenación, función por la que a un hub se puede conectar otro y otro, ampliando la cantidad de puertos disponibles para periféricos

El hub USB tiene la capacidad de detectar si un periférico ha sido conectado a uno de sus puertos, notificando de inmediato al Controlador de Host en el ordenador, proceso que desata la configuración del equipo nuevo; adicionalmente, los hubs también son capaces de detectar la desconexión de un dispositivo, notificando al Controlador de Host que debe remover las estructuras de datos y programas de administración (drivers) del dispositivo retirado.

Otra de las funciones importantes de los hubs es la de aislar a los puertos de baja velocidad de las transferencias a alta velocidad, proceso sin el cual todos los dispositivos de baja velocidad conectados al bus entrarían en colapso. La protección de los dispositivos lentos de los rápidos ha sido siempre un problema serio dentro de las redes mixtas, como es USB.

El hub está compuesto por dos partes importantes: El Controlador del Hub y el Repetidor del Hub. El Repetidor del Hub tiene la función de analizar, corregir y retransmitir la información que llega al hub, hacia los puertos del mismo. Mantiene una memoria consistente en varios registros de interfaz que le permiten sostener diálogos con el host y llevar adelante algunas funciones administrativas además de las meramente operativas; mientras que el Controlador de Hub puede asemejarse a una pequeña CPU de supervisión de las múltiples funciones que deben desempeñar un hub.

9.- Conectores USB.

Existen dos tipos de conectores dentro del Bus Serial Universal. El conector Serie A está pensado para todos los dispositivos USB que trabajen sobre plataformas de PC's. Serán bastante comunes dentro de los dispositivos listos para ser empleados con host PC's, y lo más probables es que tengan sus propios cables con su conector serie A. Sin embargo, esto no se dará en todos los casos, existirán dispositivos USB que no posean cable incorporado, para los cuales el conector Serie B será una característica. Sin embargo este no es un problema, ya que ambos conectores son estructuralmente diferentes e insertarlos de forma errónea será imposible por la forma de las ranuras. La primera figura muestra los diferentes tipos de conectores USB, y la figura siguiente las respectivas ranuras.

10. - TOPOLOGÍA DEL BUS Y PROTOCOLO USB.

La forma física en la que los elementos se interconectan dentro del sistema USB, puede asemejarse a la topología en estrella. El centro de cada estrella es un hub, un dispositivo que por un lado se conecta al computador o a otro hub y por otro lado, permite conectar al mismo varios dispositivos o en su defecto nuevos hubs.

Esta disposición significa que los ordenadores con soporte para USB han de tener tan solo uno o dos conectores USB, pero ello no representa poder contar con tan solo dos dispositivos de esta clase. Muchos dispositivos USB han de traer conectores USB adicionales incorporados, por ejemplo un monitor puede tener 3 ó 4 conectores USB donde pueden ir el teclado, el ratón, y algún otro dispositivo. Por su parte el teclado puede tener otros más, y así sucesivamente hasta tener más de 127 dispositivos, todos funcionando simultáneamente.

El protocolo que lleva a cabo USB se describe a continuación:

Toda transferencia de datos o transacción que emplee el bus, involucra al menos tres paquetes de datos. Cada transacción se da cuando el Controlador de Host decide qué dispositivo hará uso del bus, para ello envía un paquete al dispositivo específico. Cada uno de los mismos tiene un número de identificación, otorgado por Controlador de Host cuando el ordenador arranca o bien cuando un dispositivo nuevo es conectado al sistema. De esta forma, cada uno de los periféricos puede determinar si un paquete de datos es o no para sí. Técnicamente este paquete de datos se denomina Paquete Ficha o Token Packet. Una vez que el periférico afectado recibe el permiso de transmitir, arranca la comunicación y sus tareas específicas; el mismo informará al host con otro paquete que ya no tiene más datos que enviar y el proceso continuará con el siguiente dispositivo.

Este protocolo tiene un sistema muy eficiente de recuperación de errores, empleando uno de los modelos más seguros como es el CRC (Código de Redundancia Cíclica). Y puede estar implementado al nivel de software y/o hardware de manera configurable. De hecho si el control es al nivel de hardware, no vale la pena activar el control por software, ya que sería duplicar tareas innecesariamente.

11.- Dispositivos USB.

Casi la mayoría de los periféricos actuales vienen para USB. Una lista de algunos dispositivos que se pueden comprar hoy día con disponibilidad USB son:

• Impresoras.

• Scanner.

• Mouse.

• Joysticks.

• Cámaras Digitales.

• Webcams.

• Módems.

• Teléfonos.

• Video Teléfonos.

• Unidades Zip.

• Conexiones a redes.

12.- Conclusión.

En conclusión los puertos USB permitirán disminuir los costos de los dispositivos periféricos, al no requerir tarjetas adicionales ni transformadores de energía; Simplificar su instalación al no tener que configurar cada dispositivo y utilizar un mismo conector para todos y acceder a mejores prestaciones dada la mayor velocidad del bus comparada con los puertos serie y paralelo.

USB sigue una especificación muy reservada, orientada a la comodidad de los usuarios y a la facilidad de manejo por personas sin formación técnica, así como la flexibilidad para ser adaptable a muchos usos.

Con la aparición de este nuevo estándar de comunicación de periféricos, los ordenadores tendrán acceso a la instalación de periféricos de una forma segura y rápida, actualmente la mayoría de ellos ya incluyen este tipo de conectores.

ANEXO 1: GLOSARIO DE TÉRMINOS.

Plug & Play : Los dispositivos son detectados automáticamente por el sistema operativo, el cuál carga los drivers correspondientes para el funcionamiento del dispositivo.

USB: Bus serie universal, tecnología de conexión.

DRIVERS: Programas o software, que es capaz de controlar un dispositivo, para su correcto funcionamiento.

HUBS: dispositivo que permite la conexión de otros dispositivos a la vez, dado por sus numerosas entradas o puertas.

BUS: Circuito de interconexión eléctrica para transmitir información.

BYTE: Conjunto de 8 bits. Representa un carácter en lenguaje binario.

BIT: Dígito binario, unidad mínima de información de los dos estados 0/1. Abreviación de Binary Digit que puede ser 0 o 1. Es la unidad básica de almacenamiento y proceso de una computadora. 8 bits = 1 byte.

FIRMWARE: Conjunto de programas de sólo lectura que contienen el algoritmo para una función específica. Algoritmo o pequeño programa de bajo nivel grabado en un EEPROM para uso del procesador. También se llama Microcode.

IRQ: Canal de interrupción. Línea directa entre el microprocesador y la tarjeta periférica para que ésta solicite atención del CPU.

ISA: Arquitectura de 16 bits para tarjetas y dispositivos

PROTOCOLO: Conjunto de reglas establecidas para fijar la forma en que se realizan las transacciones.

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CONECTOR TIPO A

CONECTOR TIPO B