Puerto USB

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Instituto Tecnológico de Durango Ingeniería en Sistemas Computacionales Interfaces: Puerto USB Alumno: Sánchez Ruelas Aldo Daniel 08041124 Profesor: Hernández Marines Mario Gerardo Durango, Dgo. México Jueves 9 de junio del 2011

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Instituto Tecnológico de Durango

Ingeniería en Sistemas Computacionales

Interfaces: Puerto USB

Alumno:

Sánchez Ruelas Aldo Daniel 08041124

Profesor:

Hernández Marines Mario Gerardo

Durango, Dgo. México Jueves 9 de junio del 2011

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Índice

Introducción 2

Puerto USB (Universal Serial) 3

Características generales del USB 3

Tipos de puertos USB 5

Estándares y velocidades 5

Cables y conectores 9

Electrónica y transmisión del USB 10

Funcionamiento 12

Protocolo del bus 17

Identificación y diagnóstico 18

Conclusión 19

Bibliografía 19

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Introducción

En 1996, IBM, Intel, Northern Telecom, Compaq, Microsoft, Digital Equipment Corporation y NEC, siete empresas relacionadas al mundo de la tecnología y las comunicaciones crearon esta nueva forma de conectar diversos dispositivos a un solo servidor. De esta manera se fue dejando atrás los antiguos puertos en paralelo y serial y se aumentó la velocidad de trabajo de los dispositivos a 12 Mbps en promedio. Los equipos de Windows se adaptaron rápidamente a esta nueva tecnología, a lo que más tarde se sumaron los aparatos Macintosh.

Los aparatos conectados a un puerto USB estándar no necesitan estar enchufados a la corriente o disponer de baterías para funcionar. El propio puerto está diseñado para transmitir energía eléctrica al dispositivo conectado. Incluso puede haber varios aparatos conectados simultáneamente, sin necesidad de recurrir a una fuente de alimentación externa.

Una de sus principales características es su capacidad plug & play. Este concepto se refiere a la cualidad de que con sólo conectar el dispositivo al servidor central, éste sea capaz de interpretar la información almacenada y reproducirla inmediatamente. Es decir, que el computador y el aparato hablen el mismo idioma y se entiendan entre sí. Además, este sistema permite conectar y desconectar los diferentes dispositivos sin necesidad de reiniciar el equipo.

Esta forma de conexión también ha ido evolucionando en el tiempo. Desde 1996 ha mejorado su velocidad de transferencia de los datos de 12 Mbps a 480 Mbps. Lo último en esta tecnología es una extensión llamada ‘USB on the go’ que consiste en un puerto que puede actuar tanto de servidor como de dispositivo. Esto dependerá de la manera en que se conecta el cable.

La masificación de los puertos USB es cada día mayor. Además de la mejora en la velocidad de transferencia y su cualidad plug & play, su capacidad de conectar los aparatos es muy simple y no requiere de instalaciones complejas ni de intervenir en el hardware de los computadores. Hoy en día, es común que los discos duros traigan incorporados varios puertos USB para facilitar la conectividad de los aparatos.

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Puerto USB (Universal Serial Bus)

El puerto USB fue creado a principio de 1996. La sigla USB significa Bus Serie Universal (Universal Serial Bus) Se llama universal, porque todos los dispositivos se conecten al puerto. Conexión que es posible, porque es capaz de hacer conectar hasta un total de 127 dispositivos.

Unas de las razones más importantes dieron origen a este puerto fueron:

Conexión del PC con el teléfono. Fácil uso. Expansión del puerto.

Unas de las principales características más importantes de este puerto es que permite la conexión entre l PC y el teléfono, además, nos elimina la incomodidad al momento de ampliar el PC.

Cabe destacar que para hacer esto, se necesita abrir el case e introducir las tarjetas de expansión o cualquier dispositivo deseado y después configurar y reiniciar el PC. Por lo tanto se puede decir que con este puerto tienes la capacidad de almacenar hasta de 127 dispositivos periféricos simultáneamente.

Características generales del USB

La especificación del USB proporciona una serie de características que pueden ser distribuidas en categorías. Estas características son comunes para todas las versiones (desde la 1.0 hasta la 2.0).

Fácil uso para los usuarios

Modelo simple para el cableado y los conectores. Detalles eléctricos aislados del usuario (terminaciones del bus). Periféricos auto-identificativos. Periféricos acoplados y reconfigurados dinámicamente (Hot Swappable).

Flexibilidad

Amplio rango de tamaños de paquetes, permitiendo variedad de opciones de buffering de dispositivos.

Gran variedad de tasas de datos de dispositivos acomodando el tamaño de buffer para los paquetes y las latencias.

Control de flujo para el manejo del buffer construido en el protocolo.

Ancho de banda isócrono

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Se garantiza un ancho de banda y bajas latencias apropiadas para telefonía, audio.

Cantidad de trabajo isócrono que puede usar el ancho de banda completo del bus.

Control de flujo para el manejo del buffer construido en el protocolo.

Amplia gama de aplicaciones y cargas de trabajo

Adecuando el ancho de banda desde unos pocos kbps hasta varios Mbps. Soporta tanto el tipo de transferencia isócrono como el asíncrono sobre el

mismo conjunto de cables. Conexiones múltiples, soportando operaciones concurrentes de varios

dispositivos. Soporta hasta 127 dispositivos físicos. Soporta la transferencia de múltiples datos y flujos de mensajes entre el

host y los dispositivos.

Robustez

Manejo de errores y mecanismos de recuperación ante fallos implementados en el protocolo.

Inserción dinámica de dispositivos. Soporte para la identificación de dispositivos defectuosos.

Implementación de bajo coste

Sub canal de bajo coste a 1.5 Mbps. Conectores y cables de bajo coste. Adecuado para el desarrollo de periféricos de bajo coste.

Tipos de puertos USB

El puerto USB en general cuenta con 3 tipos, denominados A, B y mini.

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Estándares y velocidades

USB0.9

Primer borrador, publicado en Noviembre de 1995.

USB 1.0

Esta versión, publicada en Enero 1996, fue iniciada por el USB-IF cuyos integrantes ya comentábamos antes (Compaq, Digital Equipment Corp., IBM, Intel Corp., Microsoft Corp., NEC y Northern Telecom). Esta es la primera versión oficial que salió a la luz y que reúne todas las características arriba mencionadas, con un límite máximo de velocidad de 12 Mbps. Inicialmente la especificación USB fue diseñada para conectar eficientemente teléfonos a PCs. Sin embargo, este nuevo estándar de conectividad tuvo tanto éxito que el Foro de implementadores decidió empujar al USB como un estándar de PC, a pesar que el desarrollo de dispositivos USB para telefonía aún no se ha realizado.

En la siguiente tabla podemos observar el alcance de aplicación del USB con respecto a la velocidad máxima establecida por las características del bus. Esto es también aplicable a las versiones 1.x del bus.

USB 1.1

El objetivo de esta segunda versión, que salió a la luz en Septiembre de 1998, era solucionar problemas de ambigüedad en la especificación 1.0 para facilitar el

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trabajo a los desarrolladores tanto de software como de hardware sin que hubiera que hacer cambios en los dispositivos para hacerlos funcionar bajo esta versión. No se hicieron cambios en los controladores de host para mantener esta compatibilidad.

El alcance de aplicación de esta versión coincide con la de su predecesora, así como sus características generales.

Dado que el USB se le dio una aplicación distinta a la de las telecomunicaciones, IBM y Northern Telecom no continuaron como miembros. Para esta especificación solo quedaron Compaq, Intel, Microsoft y NEC ya que Digital Equipment Corp. es ahora parte de Compaq.

USB 2.0

Esta versión que salió al mercado a mitad del 2000, tras la unión al consorcio de otras 3 compañías (Hewlett Packard, Philips y Lucent), con lo que volvían a ser siete las integrantes del USB-IF.

Como principal característica nos encontramos con un aumento de velocidad hasta 480 Mbps (casi 40 veces la velocidad anterior) con una diferencia de coste casi mínimo. De este aumento de velocidad le viene el nombre de Hi-Speed, que es fácil de confundir con Full-Speed. Full-Speed era el término que se le daba a las versiones USB 1.x que alcanzaban 12 Mbps, por lo que se debe tener en cuenta a la hora de hablar sobre ello.

Este incremento de velocidad a permitido sustituir en muchos casos el interfaz SCSI por el USB.

En total USB 2.0 soporta tres tipos distintos de velocidad:

Hi-Speed 480 Mbps Full-Speed 12 Mbps Low-Speed 1.5 Mbps

El alcance de uso para la versión USB 2.0 se ve incrementada notablemente respecto a sus predecesoras.

USB 2.0 OTG

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USB OTG o "USB-On-The-Go" es un variación de la especificación USB 2.0 que permite a un sólo puerto actuar como servidor o como dispositivo, más concretamente permitiría comunicarse a todo tipo de unidades con USB directamente entre ellas sin la necesidad de ordenador. Incluso después de que el cable está conectado y las unidades se están comunicando, las dos unidades pueden "cambiar" de rol bajo el control de un programa.

En resumen, USB On-The-Go define las siguientes características añadidas a la especificación USB:

Un nuevo éstandar para conectores USB y cables (Miniconectores) El hecho de que dispositivos que antes eran solamente periféricos ahora

puedan ser hosts (dual-role devices) La capacidad de ser host y periféricos y cambiar dinámicamente de rol

según convenga (el uso del Host Negotiation Protocol o HNP para el cambio de rol)

Protocolo de petición sesión (Session Request Protocol o SRP) Requisitos de bajo consumo para promocionar el USB en dispositivos

alimentados con baterías (opción Micropower añadido a las ya existentes low y high power).

Esta tecnología podría ser muy útil para dispositivos como el PDA, donde el enlace USB podría conectarse a un PC como un dispositivo o conectarse como servidor a un teclado o ratón.

Se podrían imprimir fotos directamente desde la cámara digital o descargar canciones a través del móvil de tecnología WAP.

Para principios del 2004 se esperan los primeros dispositivos con esta tecnología.

USB 3.0

Súper alta velocidad (3.0): Tiene una tasa de transferencia de hasta 4.8 Gbps (600 MB/s). La velocidad del bus es diez veces más rápida que la del USB 2.0, debido

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a que han incluido 5 conectores extra, desechando el conector de fibra óptica propuesto inicialmente, y será compatible con los estándares anteriores. Usa un cable de 9 hilos. En Octubre de 2009 la compañía taiwanesa ASUS lanzó la primera placa base que incluía puertos USB3, tras ella muchas otras le han seguido y se espera que en 2012 ya sea el estándar de facto.

Cables y conectores

USB transfiere señales y energía a los periféricos utilizando un cable de 4 hilos, apantallado para transmisiones a 12 Mbps y no apantallado para transmisiones a 1.5 Mbps. En la figura 6 se muestra un esquema del cable, con dos conductores para alimentación y los otros dos para señal, debiendo estos últimos ser trenzados o no según la velocidad de transmisión.

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El calibre de los conductores destinados a alimentación de los periféricos varía desde 20 a 26 AWG, mientras que el de los conductores de señal es de 28 AWG. La longitud máxima de los cables es de 5 metros.

Por lo que respecta a los conectores hay que decir que son del tipo ficha (o conector) y receptáculo, y son de dos tipos: serie A y serie B. Los primeros presentan las cuatro patillas correspondientes a los cuatro conductores alineadas en un plano. El color recomendado es blanco sucio y los receptáculos se presentan en cuatro variantes: vertical, en ángulo recto, panel y apilado en ángulo recto así como para montaje pasamuro. Se emplean en aquellos dispositivos en los que el cable externo, está permanentemente unido a los mismos, tales como teclados, ratones, y hubs o concentradores.

Los conectores de la serie B presentan los contactos distribuidos en dos planos paralelos, dos en cada plano, y se emplean en los dispositivos que deban tener un receptáculo al que poder conectar un cable USB. Por ejemplo impresoras, scanner, y módems.

Electrónica y transmisión del USB

Interface física (eléctrica)

El interfaz de Bus Universal en Serie (USB) se identifica con este icono que se encuentra en la parte posterior de la computadora:

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Patillaje

The standard USB A plug (left) and B plug (right) Pin 1 VCC (+5 V) Pin 2 Data- Pin 3 Data+ Pin 4 Ground

El Bus Serial Universal transfiere señales de información y energía eléctrica a través de 4 cables, cuya disposición se muestra en las siguientes figuras.

Por su parte las señales se mueven sobre dos cables y entre segmentos comprendidos entre un par de dispositivos USB, con rangos de velocidad de 12Mbps o 1.5Mbps, para transmisiones de alta y baja velocidad respectivamente. Ambos modos de transmisión son controlados automáticamente por medio de los dispositivos USB de manera transparente al usuario. Es importante notar que siempre ha sido un serio problema manejar velocidades diferentes de transmisión de datos por un mismo cable, y esto no sería posible sin que todos los dispositivos estén preparados para tal efecto.

Los pulsos de reloj o sincronismo son transmitidos en la misma señal de forma codificada bajo el esquema NRZI (Non Return To Zero Invert), uno de los más interesantes sistemas de codificación de información que no vale la pena mencionarlo ahora por su complejidad  eléctrica-electrónica.

Los otros dos cables VBus y GND tienen la misión de llevar suministro eléctrico a los dispositivos, con una potencia de +5V para VBus. Los cables USB permiten una distancia que va de los pocos centímetros a varios metros, más específicamente 5 metros de distancia máxima entre un dispositivo USB y el siguiente. La Figura siguiente muestra el detalle.

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Conector Pin Señal

1 +5V

2 Datos -

3 Datos +

4 A Tierra

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Es importante indicar que los cables USB tienen protectores de voltaje a fin de evitar cualquier daño a los equipos, son estos mismos protectores los que permiten detectar un dispositivo nuevo conectado al sistema y su velocidad de trabajo.

Funcionamiento

Trabaja como interfaz para transmisión de datos y distribución de energía, que ha sido introducida en el mercado de PCs y periféricos para mejorar las lentas interfaces serie (RS-232) y paralelo. Esta interfaz de 4 hilos, 12 Mbps y "plug and play", distribuye 5V para alimentación, transmite datos y está siendo adoptada rápidamente por la industria informática.

Es un bus basado en el paso de un testigo, semejante a otros buses como los de las redes locales en anillo con paso de testigo y las redes FDDI. El controlador USB distribuye testigos por el bus. El dispositivo cuya dirección coincide con la

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que porta el testigo responde aceptando o enviando datos al controlador. Este también gestiona la distribución de energía a los periféricos que lo requieran.

Emplea una topología de estrellas apiladas que permite el funcionamiento simultáneo de 127 dispositivos a la vez. En la raíz o vértice de las capas, está el controlador anfitrión o host que controla todo el tráfico que circula por el bus. Esta topología permite a muchos dispositivos conectarse a un único bus lógico sin que los dispositivos que se encuentran más abajo en la pirámide sufran retardo. A diferencia de otras arquitecturas, USB no es un bus de almacenamiento y envío, de forma que no se produce retardo en el envío de un paquete de datos hacia capas inferiores.

El sistema de bus serie universal USB consta de tres componentes:

Controlador Hubs o Concentradores Periféricos

Controlador

Reside dentro del PC y es responsable de las comunicaciones entre los periféricos USB y la CPU del PC. Es también responsable de 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 para utilizarla siempre en las comunicaciones con el mismo. Si se producen errores durante la conexión, el controlador lo comunica a la CPU, que, a su vez, lo transmite al usuario. Una vez se ha producido la conexión correctamente, el

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controlador asigna al periférico los recursos del sistema que éste precise para su funcionamiento.

El controlador también es responsable del control de flujo de datos entre el periférico y la CPU.

Concentradores o hubs

Son distribuidores inteligentes de datos y alimentación, y hacen posible la conexión a un único puerto USB de 127 dispositivos. De una forma selectiva reparten datos y alimentación hacia sus puertas descendentes y permiten la comunicación hacia su puerta de retorno o ascendente. Un hub de 4 puertos, por ejemplo, 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 contiene la concentradora raíz. Este es el primer concentrador de toda la cadena que permite a los datos y a la energía pasar a uno o dos conectores USB del PC, y de allí a los 127 periféricos que, como máximo, puede soportar el sistema. Esto es posible añadiendo concentradores adicionales. Por ejemplo, si el PC tiene una única puerta USB y a ella le conectamos un hub o concentrador de 4 puertas, el PC se queda sin más puertas disponibles. Sin embargo, el hub de 4 puertas permite realizar 4 conexiones descendentes. Conectando otro hub de 4 puertas a una de las 4 puertas del primero, habremos creado un total de 7 puertas a partir de una puerta del PC. De esta forma, es decir, añadiendo concentradores, el PC puede soportar hasta 127 periféricos USB.

La mayoría de los concentradores se encontrarán incorporados en los periféricos. Por ejemplo, un monitor USB puede contener un concentrador de 7 puertas incluido dentro de su chasis. El monitor utilizará una de ellas para sus datos y control y le quedarán 6 para conectar allí otros periféricos.

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Periféricos

USB soporta periféricos de baja y media velocidad. Empleando dos velocidades para la transmisión de datos de 1. 5 y 12 Mbps se consigue una utilización más eficiente de sus recursos. Los periféricos de baja velocidad tales como teclados, ratones, joysticks, y otros periféricos para juegos, no requieren 12 Mbps. Empleando para ellos 1,5 Mbps, se puede dedicar más recursos del sistema a periféricos tales como monitores, impresoras, módems, scanner, equipos de audio, que precisan de velocidades más altas para transmitir mayor volumen de datos o datos cuya dependencia temporal es más estricta.

En las figuras 3 y 4 se puede ver cómo los hubs proporcionan conectividad a toda una serie de dispositivos periféricos

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Diagrama de capas

En el diagrama de capas de la figura 5 podemos ver cómo fluye la información entre las diferentes capas a nivel real y a nivel lógico.

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En dicha figura está materializada la conexión entre el controlador anfitrión o host y un dispositivo o periférico. Este está constituido por hardware al final de un cable USB y realiza alguna función útil para el usuario.

El software cliente se ejecuta en el host y corresponde a un dispositivo USB; se suministra con el sistema operativo o con el dispositivo USB. El software del sistema USB, es el que soporta USB en un determinado sistema operativo y se suministra con el sistema operativo independientemente de los dispositivos USB o del software cliente.

El controlador anfitrión USB está constituido por el hardware y el software que permite a los dispositivos USB ser conectados al anfitrión. Como se muestra en la figura 3, 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 es la que permite que el software del sistema USB realice operaciones genéricas USB con el dispositivo.

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La capa de función proporciona capacidades adicionales al host vía una adecuada capa de software cliente. Las capas de función y dispositivos 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.

Protocolo del bus

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 computador 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.

Identificación y diagnóstico

Windows dispone de un programa específico para ver los puertos USB reconocidos y sus parámetros de configuración, es el programa Usbview.exe, que puede encontrarse en el CD de instalación de Windows 98, en el directorio  Tools\Reskit\Diagnose

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En la figura se muestra el resultado de conectar distintos dispositivos a un hub externo colgado de una de las dos salidas USB que proporciona el hub raíz del sistema (señaladas Port1 y Port2).  Los cuatro puertos están ocupados por los siguientes dispositivos:

Grabadora DVD Disco de estado sólido (aparece como USB mass storage device) Webcam Scaner

Conclusión

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La tecnología USB permite conexiones en funcionamiento, para que los usuarios puedan incorporar una impresora fácilmente y cuando lo necesiten, en USB, es posible conectar hasta 127 dispositivos a nuestra computadora.

USB ha sido diseñado para las futuras generaciones de PC y deja la puerta abierta a un gran número de aplicaciones tales como audio digital y telefonía de banda ancha .

La compatibilidad universal de USB elimina los riesgos en las ofertas de una gama de productos, posibilitando a los fabricantes la creación de combinaciones innovadoras de PC, periféricos y software que cubran las necesidades de determinados segmentos de mercado. La norma USB simplifica los procesos de validación y los test de compatibilidad de diferentes combinaciones de hardware y software.

Tanto para las grandes como para las pequeñas empresas, la arquitectura de USB hace posible la fácil conexión a los PC de PBX y teléfonos digitales, sin requerir la instalación de tarjetas especiales de expansión. El ancho de banda de USB permite la conexión de interfaces de alta velocidad (RDSI, PRI, T1, E1) y posibilita la adaptación a normas de telefonía específicas de un país, sin tener que añadir tarjetas adicionales.

Bibliografía

http://www.zator.com/Hardware/H2_5_3.htm http://usuarios.multimania.es/kurganz/caracteristicas.html http://es.wikipedia.org/wiki/

Universal_Serial_Bus#Comparativa_de_Velocidades http://www.misrespuestas.com/que-es-un-puerto-usb.html http://www.monografias.com/trabajos34/puertos-computador/puertos-

computador.shtml#usb http://www.monografias.com/trabajos11/usbmem/usbmem.shtml http://mundogeek.net/archivos/2006/11/26/velocidad-firewire-usb-y-wifi/ http://www.monografias.com/trabajos75/puertos-usb-todos-sentidos/

puertos-usb-todos-sentidos2.shtml http://www.wikiciencia.org/informatica/hardware/usb/index.php

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