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Tendencias de los sistemas integradosOportunidades y retos de la tecnologa de sistemas en chips y de sistemas integrados interconectados en la automatizacin industrialGrant Martin, Richard Zurawski

Courtesy Philips

Los avances de la tecnologa de procesos y la disponibilidad de nuevas herra-mientas de diseo estn ampliando el campo de aplicacin de los sistemas integrados, que se implementan como conjunto de chips en una placa o como conjunto de mdulos en un circuito integrado. La tecnologa de sistemas en chips (SoC, System-on-Chip) se est extendiendo actualmente en la automatiza-cin industrial para crear complejos dispositivos inteligentes de campo. Esta tendencia va acompaada de la adopcin de diseos basados en plataformas, lo que facilita el diseo y la verificacin de sistemas complejos SoC con una amplia reutilizacin del hardware y software IP (Propiedad Intelectual). Otro importante aspecto de la evolucin de los sistemas integrados es la tendencia a interconec-tar nodos integrados aplicando tecnologas de redes especializadas, conocidas frecuentemente como sistemas integrados interconectados (NES, Networked Embedded Systems).

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Tendencias de los sistemas integrados

La tecnologa SoC (System-on-Chip), una revolucin del diseo de circui-tos integrados (CI), ha sido posible gra-cias a los avances de la tecnologa de procesos, que permiten integrar los principales componentes y subsistemas de un producto electrnico en un solo chip o juego integrado de chips [1]. Es-te desarrollo ha sido muy bien acogido por los diseadores de chips comple-jos, ya que permite la mxima integra-cin posible para obtener ms rendi-miento con menor consumo de energa y ofrece otras ventajas de coste y tama-o. Estos factores son muy importantes para el diseo y la utilizacin de SoC es, con gran probabilidad, una de las principales decisiones del desarrollo de sistemas integrados en tiempo real.Un procesador SoC es un circuito inte-grado complejo, o juego integrado de chips, que combina los principales ele-mentos o subsistemas funcionales de un producto completo. Los diseos SoC ms exigentes incluyen al menos un

procesador programable y a menudo una combinacin de un procesador de control RISC y un DSP de procesado de seales digitales. Tambin incluyen es-tructuras de comunicaciones sobre chips: bus o buses de procesadores y de perifricos y, en ocasiones, un bus de sistema de alta velocidad. Para los pro-cesadores SoC es muy importante que el chip tenga unidades de memoria jerar-quizadas y enlaces con memorias exter-nas. Para la mayora de las aplicaciones de proceso de seales se proporciona por medio de hardware cierto grado de unidad funcional de aceleracin, que consigue ms rendimiento y menos con-sumo de energa. Para la interconexin con el exterior, el diseo de SoC incluye varios bloques de proceso de perifricos compuestos por componentes analgi-cos e interfaces digitales (por ejemplo, para buses de sistema en el nivel de tar-jeta o panel posterior). La futura tecno-loga SoC puede incorporar sensores y actuadores basados en sistemas micro-

electro-mecnicos, o proce samiento qu-mico (laboratorio en un chip) 1 .Entre los diseos SoC ms interesantes, que comprenden hardware y software, estn los procesadores programables, los sistemas operativos en tiempo real y otros elementos de software dependien-tes del hardware. As pues, el diseo y uso de SoC implica, adems del hard-ware, diseo e ingeniera en el nivel de sistemas, compromisos de hardware-software y particiones, as como arqui-tectura, diseo e implementacin de software.

Sistemas en chips programables Recientemente se ha ampliado el campo de aplicacin de SoC. Adems de circui-tos integrados personalizados (custom IC), circuitos integrados de aplicacin especfica (ASIC) o componentes estn-dar de aplicacin especfica (ASSP), el nuevo planteamiento incluye ahora el diseo y uso de partes lgicas reconfi-gurables y complejas con procesadores integrados. En algunos casos se incorpo-ran, adems, otros bloques de elemen-tos con propiedad intelectual, disponi-bles en el mercado, como procesadores, memorias o funciones especiales para aplicaciones, que se adquieren a terce-ros.Xilinx (Virtex-II PRO Platform FPGA, Virtex-IV) y Altera (SOPC) son algunas empresas que ofrecen estas matrices FPGA de puertas programables por el usuario. Esta tendencia hacia la tecnolo-ga SoC combina gran nmero de circui-tos lgicos reconfigurables con procesa-dores RISC (reduced instruction set computing) integrados, para aplicar a un diseo combinaciones flexibles y adap-tables de proceso de hardware y soft-ware. Los algoritmos con gran conteni-do de lgica de control y gran flujo de datos de proceso pueden dividirse en el procesador RISC de control, cuya lgica reconfigurable acelera el hardware. La combinacin resultante no maximiza el rendimiento ni minimiza el consumo de energa ni los costes, en comparacin con custom IC o ASIC/ASSP para las mismas funciones, pero a cambio es muy flexible para modificar el diseo en el campo y evita los grandes costes de ingeniera que provocan los cambios en el campo. Por tanto las nuevas aplica-ciones e interfaces y los algoritmos me-jorados pueden ser transferidos a pro-ductos que ya estn en funcionamiento real.

Tecnologas de sistemas integrados

1 Dispositivo SoC tpico para aplicaciones de consumo

Acceso a memoria externa

FlashRAMDMA

ICacheDCache

Microprocesador DSP

Bus perifrico

PLL

Test

PCI

USB

Puente de bus

Audio CODEC

RAMFlash

DCacheICacheBus de sistema

Descodificatin MPEG

Video I/F

Disk Controller

100 base-T

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Tendencias de los sistemas integrados

Otros productos para este campo son los ncleos de proceso e interfaces for-mados por bloques de multiplicacin y acumulacin (MAC, MultiplyACcumula-te), destinados al procesado de imge-nes y de seales de flujo de datos DSP, y las interfaces serie de alta velocidad para la comunicacin por cable, entre ellos los bloques serializadores/de-seria-lizadores SERDES. Los SoC de integra-cin de sistemas en chip programable no son especficos de una aplicacin, pero tampoco completamente genricos.Queda por ver si los SoC tendrn xi-to en aplicaciones de consumo de gran volumen o quedarn limitados a dos campos principales: la rpida creacin de prototipos de diseos que sern reorientados hacia implementa-ciones ASIC o ASSP y los elementos de gama superior, relativamente caros, de infraestructura de comunicaciones, que requieren flexibilidad in situ y pa-ra los cuales se pueden aceptar mayo-res costes y ms consumo de energa junto con un rendimiento menor.

Otras soluciones, como las estructuras lgicas del tipo matrices de puertas de metal programables, junto con subsiste-mas de procesadores residentes y otros ncleos como los ofrecidos por ASIC Estructurados de LSI Logic (RapidChip) y NEC (Instant Silicon Solutions Pla-tform) son formas de SoC intermedias entre el proceso full mask y las matri-ces de puertas programables por el usuario. Este caso tiene dos inconve-nientes especficos: lentitud de la crea-cin de diseos (de un da a varias se-manas); ms trabajo de ingeniera no re-currente que en FPGA (pero mucho me-nos que un juego completo de msca-ras); menos costes, ms rendimiento y menos consumo de energa que FPGA (del orden del 1530% peor que con ASIC). Actualmente hay otros plantea-mientos mixtos de inters, como el caso de ASIC/ASSP con una regin FPGA en un chip, para dar ms opciones a los equipos de diseo. Otra variante es la combinacin de un procesador configu-rable implementado en parte y perma-nentemente en silicio, junto con una re-gin FPGA que se utiliza para la exten-sin de instrucciones y otras implemen-taciones de hardware de campo. La compaa de semiconductores Stretch inc, por ejemplo, utiliza el procesador configurable Tensilica en este tipo de plataforma SoC 1 .

Plataformas y plataformas programablesDurante los ltimos aos el diseo se ha concentrado en los SoC complejos y en la reutilizacin de componentes virtua-les, el llamado diseo basado en plata-forma [1, 2], una metodologa de dise-o planificado que reduce el tiempo y el trabajo requeridos adems de los riesgos inherentes al disear y verificar un SoC complejo. Para ellos se reutilizan ampliamente combinaciones de hard-ware [3] y software [4] con propiedad in-telectual. A diferencia de la reutilizacin de IP bloque por bloque, el diseo ba-sado en plataforma ensambla grupos de componentes para constituir una arqui-tectura de plataforma reutilizable, la cual, a su vez se combina con libreras de componentes virtuales de hardware y software ya verificados y caracterizados, para aplicaciones especficas, formando una plataforma de integracin SoC.Varias razones explican la creciente po-pularidad del diseo con base en plata-formas: diseo ms productivo, menos riesgos, ms facilidad de uso de compo-nentes virtuales ya integrados, prove-nientes de otros campos de diseo, y reutilizacin de arquitecturas SoC crea-das por expertos. Entre las plataformas industriales estn las aplicaciones com-

pletas para productos especficos como Philips Nexperia y TI OMAP [5], las SOPC reconfigurables y las basadas en procesadores. Las plataformas basadas en procesadores, como ARM PrimeXsys, utilizada por numerosos procesadores Tensilica extendidos y configurados, se concentran en el procesador, en la arquitectura de bus requerida y en los perifricos bsicos, as como en los sistemas operativos en tiempo real y en los programas bsicos de control. FPGA y los dispositivos SOPC constitu-yen una metaplataforma, es decir, una plataforma para crear plataformas. Estos dispositivos contienen capacidades bsi-cas ms genricas y procesadores inte-grad