USB ( Universal Serial Bus), estándar de bus externo serie que soporta una rata de transferencia de datos de 12 Mbps a 4 hilos y distribuye energía a los periféricos que lo requieran. Un puerto USB simple puede ser usado para conecta 127 dispositivos periféricos, como, modems, teclados, ratones, monitores, etc., instalación de plug-and-play y hot plugging. Se introdujo en el mercado para mejorar las lentas interfaces series (RS-232) y paralelo. La conexión de periféricos a una PC a través del USB es automática, no es necesario la instalación de software o hardware adicionales ni reiniciar el controlador para ser reconocido.

Es un BUS basado en el paso de testigo, semejante a otros buses, como es el caso de las redes locales en anillo con paso de testigo y la red FDDI (Fibre Distribuited Data Interface). El controlador USB distribuye el testigo por el bus y el dispositivo cuya dirección coincida con la que porta el testigo responde aceptando o enviado datos al controlador.

El USB permite el funcionamiento de 127 dispositivos simultáneos porque emplea una topología de estrella que permite la conexión de éstos dispositivos a un bus lógico sin que los dispositivos que se encuentren más abajo en la pirámide sufran retardo. La estructura de capas del bus USB se presenta en la figura 1, donde observamos que el controlador anfitrión o host que controla todo el tráfico que circula por el bus se encuentra en la raíz o el vértice de las capas.

Figura 1. Estructura e capas del bus USB

El USB mejora las lentas interfaces series y paralelas porque no es un bus de almacenamiento y envío, lo que evita retardo en el envío de un paquete de datos hacia caparas inferiores. El sistema de bus serie universal consta de tres componentes:

Controlador. Reside en el PC y tiene la responsabilidad de:

• Las comunicaciones entre los periféricos USB y la CPU del PC,
• La admisión de los periféricos dentro del bus, tanto si se detecta una conexión como una desconexión.
• Para cada periférico añadido el controlador determina su tipo y le asigna una dirección lógica que será utilizada en la comunicación con el mismo.
• Si se producen errores durante la conexión, el controlador lo comunica al CPU y este lo transmite al usuario.
• Una vez se ha producido la conexión correctamente, el controlador asigna al periférico los recursos del sistema que éste precise para su funcionamiento.

Concentradores o Hubs. Son distribuidores inteligentes de datos y alimentación, también hacen posible la conexión a un único puerto USB de 127 dispositivos. La distribución de datos y alimentación hacia sus puertas descendentes la hace de forma selectiva y permite la comunicación hacia sus puertas de retorno o ascendente. Un Hubs de 4 puertos acepta datos del PC para un periférico por su puerta de retorno o ascendente y los distribuye a las 4 puertas descendentes si fuera necesario. Los concentradores también permiten las comunicaciones desde el periférico hacia el PC, aceptando datos en las 4 puertas descendentes y enviándolos hacia el PC por la puerta de retorno.

Además del controlador, el Pc también tiene el controlador raíz, el cual es el primer concentrador de toda la cadena que permite a los datos y la energía pasar a uno o dos conectores USB del PC y de allí a los 127 periféricos que puede soportar el sistema, conexiones que se logran de la manera siguiente: si la PC tiene una única puerta USB y a ella se conecta un Hub o concentrador de 4 puertas, el PC se queda sin más puertas disponibles, sin embargo, el hub de 4 puertas permite hacer 4 conexiones descendentes conectando otro hub de 4 puertas a una de las 4 puertas del primero, así estamos creando un total de 7 puertas a partir del PC, y añadiendo concentradores de esta forma el PC puede soportar los 127 periféricos. En la figura 2 se muestra la conectividad a una serie de dispositivos periféricos.

Figura 2. Esquema de conexión del bus USB

Diagrama de capas del USB. El diagrama muestra la conexión entre el controlador anfitrión o host con un dispositivo periférico y como fluye la información entre las diferentes capas a nivel real y a nivel lógico.

Figura 3. Capas del sistema de comunicaciones USB.

El software cliente se ejecuta en el host y corresponde a un dispositivo USB, es suministrado con el sistema operativo o con el dispositivo USB. El software del sistema USB soporta USB en un determinado sistema operativo, se suministra con el sistema operativo independientemente de los USB o del software cliente. El controlador anfitrión USB esta constituido por el hardware y el software que permite a los dispositivos USB ser conectados al anfitrión.

Como vemos en la figura 4, la conexión entre un host y un dispositivo requiere la interacción entre las capas. La capa de interfaz de bus USB proporciona la conexión física entre el host y el dispositivo, la capa de dispositivo USB permite que el software del sistema USB ejecute operaciones genéricas USB con el dispositivo.

La capa de función proporciona capacidades adicionales al host a través de una adecuada capa de software cliente. Las capas de función y dispositivo USB tienen cada una de ellas una visión de la comunicación lógica dentro de su nivel, aunque la comunicación entre ellas se hace realmente por la capa de interfaz de bus USB.

Periféricos. USB soporta periféricos de baja y media velocidad empleando dos velocidades para la transmisión de datos de 1,5 y 12 Mbps. Los periféricos de baja velocidad como teclado, ratones, joyticks emplea 1,5 Mbps, los periféricos como impresora, monitores, modems, scanners, equipos de audio, etc, que requieren mayor transmisión de datos emplea 12 Mbps.