El USB (Universal Serial Bus) es un protocolo avanzado de comunicaciones serie diseñado para la transferencia de datos y el suministro de energía entre dispositivos electrónicos. Se utiliza ampliamente para interconectar periféricos con una computadora mediante un único estándar físico y lógico. El sistema permite comunicación entre equipos terminales de datos (DTE) y equipos de comunicación de datos (DCE), con intercambio de información a distintas velocidades.

• Cable USB de cuatro conductores: Conjunto de interconexión que integra dos líneas de alimentación y un par diferencial de datos dentro de una misma cubierta protectora. (4-wire USB cable: Interconnection assembly that integrates two power conductors and one differential data pair within a single protective jacket.)
• VBUS (+5 V): Línea de alimentación positiva que suministra energía eléctrica desde el host o hub hacia el dispositivo conectado. (VBUS (+5 V): Positive power supply line that provides electrical energy from the host or hub to the connected device.)
• Masa o tierra: Conductor de referencia eléctrica común que actúa como retorno de corriente y estabiliza el potencial del sistema. (Ground: Common electrical reference conductor that serves as the current return path and stabilizes system potential.)
• Línea de datos D+: Conductor positivo del par diferencial que transporta la señal digital complementaria junto con D−. (D+ data line: Positive conductor of the differential pair that carries the complementary digital signal along with D−.)
• Línea de datos D−: Conductor negativo del par diferencial que transmite la señal inversa respecto a D+, permitiendo detección por diferencia de tensión. (D− data line: Negative conductor of the differential pair that carries the inverse signal relative to D+, enabling detection by voltage difference.)
• Par trenzado: Conjunto de dos conductores entrelazados helicoidalmente que reduce interferencias electromagnéticas y diafonía durante la transmisión de datos. (Twisted pair: Two helically intertwined conductors that reduce electromagnetic interference and crosstalk during data transmission.)
• Señalización diferencial: Técnica de transmisión en la que la información se codifica como diferencia de tensión entre dos líneas, mejorando la inmunidad al ruido. (Differential signaling: Transmission technique in which information is encoded as the voltage difference between two lines, improving noise immunity.)
• Cubierta o chaqueta del cable: Envolvente aislante que protege mecánicamente a los conductores internos contra abrasión, humedad y esfuerzos mecánicos. (Cable jacket: Insulating outer covering that mechanically protects the internal conductors against abrasion, moisture, and mechanical stress.)
• Conductores de alimentación: Cables destinados al transporte de energía eléctrica (VBUS y GND) para el funcionamiento de dispositivos periféricos. (Power conductors: Wires intended to carry electrical energy (VBUS and GND) for the operation of peripheral devices.)
• Conductores de datos: Cables destinados exclusivamente a la transmisión de información digital de alta velocidad entre host y dispositivo. (Data conductors: Wires dedicated exclusively to high-speed digital information transfer between host and device.)
• Blindaje electromagnético: Protección metálica opcional que reduce la captación o emisión de interferencias, mejorando la integridad de la señal. (Electromagnetic shielding: Optional metallic protection that reduces interference pickup or emission, improving signal integrity.)
• Integridad de señal: Capacidad del enlace físico para mantener la forma y amplitud correctas de la señal digital sin distorsión significativa. (Signal integrity: Ability of the physical link to preserve correct waveform shape and amplitude of the digital signal without significant distortion.)
• Interferencia electromagnética: Perturbación externa que puede inducir ruido o errores en las líneas de datos si no se emplea par trenzado o blindaje adecuado. (Electromagnetic interference: External disturbance that may introduce noise or errors into data lines if twisted pair or proper shielding is not used.)

Fig : Cable USB de 4 hilos (VBUS, GND, D+, D−; par trenzado)

Una característica central del USB es la existencia de múltiples modos de velocidad. En low-speed la tasa de transferencia es de 1,5 Mbit/s; en full-speed se eleva a 12 Mbit/s; y en high-speed puede alcanzar hasta 480 Mbit/s. Esta flexibilidad permite conectar desde dispositivos simples (mouse, teclado) hasta equipos de mayor demanda (impresoras, escáneres, cámaras, memorias externas).

El cable USB típico es un sistema de cuatro conductores: VBUS (+5 V) (alimentación), GND (masa o referencia), y las líneas D+ y D− para datos. Las líneas de datos forman un par trenzado y emplean señalización diferencial, lo cual mejora la inmunidad al ruido y reduce interferencias, ya que la información se interpreta por la diferencia de tensión entre D+ y D−. La impedancia característica del cable es del orden de 90 Ω.

Topología de red USB

• Interconexiones USB: Conjunto de conexiones eléctricas que enlazan el host, hubs y dispositivos mediante líneas diferenciales de datos y alimentación de energía. (USB interconnections: Electrical links that connect the host, hubs, and devices using differential data lines and power supply conductors.)
• Controlador anfitrión: Circuito principal que administra el bus, inicia todas las comunicaciones, asigna direcciones y controla el flujo de datos entre dispositivos. (Host controller: Main circuit that manages the bus, initiates all communications, assigns addresses, and controls data flow between devices.)
• Hub raíz con transceptor: Módulo del host que contiene la electrónica de transmisión y recepción que conecta físicamente el controlador al bus USB. (Root hub with transceiver: Host module that contains the transmitting and receiving electronics that physically connect the controller to the USB bus.)
• Dispositivo o función: Equipo final conectado al bus que ejecuta una tarea específica, como teclado, mouse, impresora o memoria. (Function or device: End equipment connected to the bus that performs a specific task such as a keyboard, mouse, printer, or storage device.)
• Concentrador (hub): Dispositivo que amplía el número de puertos USB permitiendo la conexión de múltiples periféricos a un mismo host. (Hub: Device that expands the number of USB ports allowing multiple peripherals to be connected to the same host.)
• Sentido ascendente: Dirección de transmisión de datos desde el dispositivo hacia el host. (Upstream: Direction of data transmission from the device toward the host.)
• Sentido descendente: Dirección de transmisión de datos desde el host hacia los dispositivos conectados. (Downstream: Direction of data transmission from the host toward the connected devices.)
• Línea VBUS (+5 V): Conductor que suministra alimentación eléctrica a los dispositivos USB directamente desde el host o hub. (VBUS (+5 V): Conductor that provides electrical power to USB devices directly from the host or hub.)
• Masa o tierra: Referencia común de potencial eléctrico del sistema, utilizada como retorno de corriente. (Ground: Common electrical reference potential used as the current return path.)
• Líneas de datos D+ y D−: Par de conductores que transportan información digital mediante señalización diferencial para reducir interferencias. (D+ and D− data lines: Pair of conductors that carry digital information using differential signaling to reduce noise and interference.)
• Par diferencial: Conjunto de dos cables trenzados que transmiten señales por diferencia de tensión, mejorando la inmunidad al ruido electromagnético. (Differential pair: Two twisted wires that transmit signals by voltage difference, improving immunity to electromagnetic noise.)
• Impedancia característica: Impedancia propia del cable, aproximadamente 90 Ω, que minimiza reflexiones y pérdidas en la transmisión de alta velocidad. (Characteristic impedance: Cable’s inherent impedance, approximately 90 Ω, which minimizes reflections and losses during high-speed transmission.)
• Resistencia pull-down: Resistencia de aproximadamente 15 kΩ conectada a masa en el host para mantener las líneas de datos en nivel bajo cuando el bus está inactivo. (Pull-down resistor: Approximately 15 kΩ resistor connected to ground in the host to keep the data lines low when the bus is idle.)
• Resistencia pull-up: Resistencia de aproximadamente 1,5 kΩ ubicada en el dispositivo que eleva el nivel de D+ o D− para indicar presencia y velocidad de operación. (Pull-up resistor: Approximately 1.5 kΩ resistor in the device that raises D+ or D− to indicate presence and operating speed.)
• Identificación de velocidad: Método mediante el cual el host detecta si el dispositivo es low-speed o full-speed según la línea que presenta tensión de polarización. (Speed identification: Method by which the host detects whether the device is low-speed or full-speed depending on which line is biased high.)
• Transceptor USB: Circuito integrado que combina transmisores y receptores para enviar y recibir señales diferenciales en el bus. (USB transceiver: Integrated circuit that combines transmitters and receivers to send and receive differential signals on the bus.)
• Transceptor de velocidad completa: Interfaz electrónica preparada para operar a 12 Mbit/s. (Full-speed transceiver: Electronic interface designed to operate at 12 Mbit/s.)
• Transceptor de baja velocidad: Interfaz electrónica destinada a dispositivos de 1,5 Mbit/s. (Low-speed transceiver: Electronic interface intended for devices operating at 1.5 Mbit/s.)
• Distribución de energía por el bus: Sistema mediante el cual el host suministra alimentación eléctrica a los dispositivos conectados sin necesidad de fuentes externas. (Bus power distribution: System by which the host supplies electrical power to connected devices without requiring external power supplies.)

Figura : Interconexiones USB (pull-up/pull-down; 90 Ω).

El USB usa una arquitectura en estrella jerárquica. El sistema se organiza alrededor de:

• Host (anfitrión): controlador principal que inicia y coordina todas las transferencias, administra el bus, asigna direcciones, controla el flujo de datos y, en muchos casos, suministra energía.
• Hub: dispositivo que expande el número de puertos y permite conectar múltiples equipos. Puede alimentarse desde el host o mediante una fuente externa.
• Function (dispositivo): periférico final que cumple una función específica (por ejemplo, mouse, teclado, impresora, escáner, etc.). Responde a las órdenes del host.

En USB, los dispositivos no se comunican entre sí directamente: la comunicación se realiza siempre bajo control del host.

La identificación automática del modo de velocidad se implementa con resistencias: el host incorpora pull-down de 15 kΩ en D+ y D−, mientras que el dispositivo incorpora un pull-up de 1,5 kΩ hacia una fuente de tensión. Si el pull-up está en D+, el dispositivo se anuncia como full-speed; si está en D−, se anuncia como low-speed. El host detecta qué línea presenta el nivel correspondiente y configura el enlace.

Cada equipo usa transceptores con receptores diferenciales para D+/D− y receptores de tipo single-ended para funciones de control. La transmisión se realiza mediante buffers de salida tri-estado, que pueden habilitarse o quedar en alta impedancia para evitar conflictos en el bus. Cuando el host transmite, habilita sus buffers de salida y el dispositivo los deshabilita; cuando el dispositivo transmite, ocurre lo inverso.

Señalización y formas de onda

Los datos se transportan como señales diferenciales con niveles típicos del orden de V_OH(min) ≈ 2,8 V y V_OL(max) ≈ 0,3 V. Los estados lógicos se describen como J y K, y su interpretación puede invertirse dependiendo de si la operación es low-speed o full/high-speed. El punto de cruce entre ambas líneas se asocia al concepto de punto de cruce de tensión (voltage crossover point).

Los tiempos de conmutación (rise/fall) son más lentos en low-speed (del orden de decenas a centenas de ns) y más rápidos en full-speed (del orden de pocos ns a decenas de ns), lo cual condiciona el ancho de banda del sistema.

El USB es un bus sondeado (polled bus): el host inicia todas las transacciones. Las comunicaciones se realizan mediante paquetes (por ejemplo, token packets) que indican el tipo de operación, la dirección del dispositivo y el número de endpoint. El dispositivo direccionado se selecciona decodificando los campos de dirección y responde según corresponda.

En la fase de enumeración, el host asigna una dirección única a cada dispositivo y determina si el equipo conectado es un hub o una función. Si es un hub, el host administra además los dispositivos conectados a ese hub y los puntos terminales asociados.

Resumen de ideas clave

• Bus serie con señalización diferencial en D+ y D−.
• Alimentación integrada a través de VBUS (+5 V) y GND.
• Arquitectura host–hub–device (estrella jerárquica).
• Modos: 1,5 Mbit/s (low), 12 Mbit/s (full), 480 Mbit/s (high).
• Detección de velocidad con pull-up 1,5 kΩ y pull-down 15 kΩ.
• Buffers tri-estado y control de transmisión para evitar conflictos.
• Comunicación controlada por el host, con direccionamiento y endpoints.