LA GENIALIDAD EN ELECTRONICA
SYSTEM ON A CHIP
System-on-a-chip o SoC (sistema en chip, también referido como system-on-chip), describe la tendencia cada vez más frecuente de usar tecnologías de fabricación que integran todos o gran parte de los módulos que componen un computador o cualquier otro sistema informático o electrónico en un único circuito integrado o chip.
El diseño de estos sistemas puede estar basado en circuitos de señal digital, señal analógica, o incluso de señal mixta (tanto analógica como digital), y a menudo módulos o sistemas de radiofrecuencia (módulos de comunicación inalámbrica: Wi-Fi, Bluetooth, y otros).
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| SYSTEM ON A CHIP |
Un ámbito común de aplicación de la tecnología SoC son los sistemas embebidos.
La diferencia principal de un SoC con un microcontrolador tradicional no debe pasarse por alto, puesto que estos rara vez disponen de más de 100 kilobytes de memoria RAM (de hecho, lo más frecuente es que las memorias, tanto la RAM como la flash, de un microcontrolador consten de unos pocos kilobytes), y gran parte de estos son estructuras monochip, mientras que el término SoC es usado para procesadores más potentes y de arquitectura más compleja, como son los que integran los ordenadores y dispositivos actuales que dependen de chips o módulos de memoria externos para ser eficaces.
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| UN SOC TIPICO |
Para sistemas más grandes y complejos sería impropio hablar de SoC, convirtiéndose el término en tal caso, más en una mera referencia o directiva a seguir que en la propia realidad de éstos:
Aumentar la integración en un mismo chip con el objetivo de reducir costes y construir sistemas cada vez más reducidos (capaces de lo mismo o más que sistemas más antiguos y voluminosos).
Resultaría impropio, principalmente, porque los intereses de la mayoría de los proyectos desarrollados en esta área fijan sus objetivos en diseños tan específicos y complejos que no suelen permitir -debido al coste de estos- la implementación de todo el sistema en un solo chip. Estos suelen ser diseñados expresamente para una optimización en la realización de uno o varios de los procesos que suponen la mayor parte de su rutina cotidiana de funcionamiento.
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| INTEGRACION DE MODULOS |
Una alternativa al diseño y fabricación de un SoC -cuando esto no sea rentable, por ejemplo- para una determinada aplicación es un sistema System-in-package (ó SiP), que comprende un número determinado de chips ensamblados -no integrados como en un SoC- formando un solo paquete (de ahí el término). A pesar de esto, se estima que la fabricación en gran volumen de SoC será más y más rentable (por unidad) que la de sistemas SiP, debido a que el rendimiento de fabricación unitario para un SoC es mayor y su montaje y empaquetado mucho más sencillos.
Una tercera opción en la integración de sistemas electrónicos (presente, por ejemplo, en móviles de alta gama de hace menos de una década o minicomputadores basados en procesadores OMAP de Texas Instruments), es el apilado de diferentes capas de circuitos al ensamblarse el producto final (package-on-package, o PoP). Consiste, básicamente, en la soldadura de la placa/capa principal -normalmente la que contiene el procesador o circuito integrado primario- con placas superiores e/o inferiores mediante un entramado de esferas metálicas (encapsulado de tipo BGA, acrónimo de Ball Grid Array).
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| SYSTEM ON CHIP COMERCIAL |
Este ensamblado proporciona a la estructura una forma de sándwich a la vez que interconecta el procesador o circuito primario con, por ejemplo, los buses de memoria de una placa y capa diferentes que se apila con la principal. En algunos casos, cada una estas placas o capas independientes que formarán parte del producto final son fabricadas y distribuidas por empresas distintas entre sí, o de las que típicamente fabrican microcontroladores, microprocesadores y/o SoC.
PROCESO DE DISEÑO
Un SoC está constituido, por una parte, del hardware arriba descrito, y por otra del software que maneja el (o los) núcleo(s) del microcontrolador, procesador, o DSP, además de los periféricos y puertos o interfaces. Una buena planificación del diseño de un SoC tratará de desarrollar paralelamente la arquitectura física o hardware y el software.
La mayoría de SoC son desarrollados a partir de módulos de hardware básicos previamente testeados para la construcción de diversos elementos (listados anteriormente) más complejos junto con los controladores de software que proporcionan las instrucciones para su manejo. De gran importancia son las familias de protocolos de Internet que manejan interfaces universales como el famoso Universal Serial Bus.
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| DISEÑO MULTIFUNCIONAL |
Los módulos de hardware se posicionan sobre las placas de la manera más óptima (compactando en el espacio disponible la mayor cantidad posible de componentes) con ayuda de herramientas CAD, permitiendo elaborar un diseño previo de la arquitectura que se desea fabricar sin coste adicional. A su vez, los módulos de software se implementan en el sistema final usando potentes herramientas de desarrollo, conocidas como IDE y SDE.
Un paso clave en la confección del SoC es la emulación: el hardware se mapea tal y como será fabricado en una plataforma de emulación basada en un FPGA, que reproduce fielmente el comportamiento del SoC, con el fin de testear los módulos de software. Para ello, estos son cargados en la memoria volátil del emulador.
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| PLANTILLA CHIP MAESTRO |
Una vez puesta a punto, la plataforma es puesta en funcionamiento: tanto el hardware como el software réplicas del futuro SoC arrancan para ser testeados y depurados bajo las condiciones más próximas a la máxima velocidad de trabajo del SoC. (La emulación va generalmente precedida de una amplia simulación por software, de hecho, los FPGAs son usados principalmente para acelerar alguna parte concreta del proceso de simulación).
Tras la emulación satisfactoria del hardware del SoC, se procede a la fase de posicionamiento y encaminado de la circuitería (para lo cual se utilizan aplicaciones CAD, como ya se ha dicho antes), obteniendo el diseño más óptimo para su fabricación en serie.
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| SISTEMA INTEGRADO MONOCHIP |
Los chips son testeados y verificados para posibles correcciones lógicas antes de enviarse a fundición definitivamente. Esta tarea se denomina verificación funcional, y garantiza unos correctos funcionamiento, tiempo de operación y energía consumida, durante gran parte de su ciclo de vida (aunque el porcentaje del 70% a menudo asegurado por el fabricante es exagerado). HDLs como Verilog o VHDL son herramientas comúnmente usadas en el proceso de verificación. Debido a la creciente complejidad de los chips, se están empezando a usar HDLs más avanzados como son SystemVerilog, SystemC, e, ó OpenVera.
Los bugs encontrados durante la verificación son redactados en un informe enviado al diseñador, para su correspondiente reparación.
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| VISTA MICROSCOPICA SOC |
FABRICACION
Los SoC pueden ser fabricados usando diferentes tecnologías, incluyendo:
_Diseño a medida (Full Custom)
_Diseño basado en Celdas Estándares (Standard Cell)
_Diseño basado en 'Field-programmable gate array's o FPGAs
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| CHIP SOLUCION SOC |
No obstante, como en muchos proyectos VLSI, el coste total inicial es superior para un chip mayor que para la misma funcionalidad distribuida en chips más pequeños, debido a rendimientos más bajos por el reducido tamaño de la tecnología de fabricación, más propensa a fallos, y unos costes NRE más elevados (los costes NRE pueden entenderse como la inversión inicial para el desarrollo, investigación, fabricación y testeo de un producto nuevo, capital susceptible de no ser recuperado al no estar asegurado el volumen mínimo de ventas para la rentabilidad del producto).
Computadora Completa en un Solo Chip
C64 Direct-to-TV
C64 Direct-to-TV, abreviado C64DTV, es una implementación del ordenador Commodore 64 en un solo chip, dentro de un joystick con 30 juegos de ordenador incluidos. El diseño es similar al del clásico Atari 10-en-1 TV Game.
El circuito del C64-DTV fue diseñado por Jeri Ellsworth, una diseñadora autodidacta de circuitos que había diseñado anteriormente el C-One.
Tulip Computers (que adquirió el nombre de la marca Commodore en 1997) licenció los derechos a Ironstone Partners, que colaboró con DC Studios, Mammoth Toys, y The Toy: Lobster Company en el desarrollo y marketing de la unidad.1 La empresa QVC compró completamente la primera producción de 250.000 unidades y vendió 70.000 de ellas el primer día de ventas.
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| C64-DTV |
VERSIONES
Existen múltiples versiones del C64-DTV
La DTV1 (para televisión tipo NTSC) salió con 2 MB de ROM. Apareció por primera vez a finales de 2004 para el mercado americano y canadiense.
La DTV2 (llamada a veces C64D2TV) es una versión revisada para el mercado europeo y mundial (televisión tipo PAL), que apareció a finales de 2005. La ROM fue reemplazada por una memoria flash en estos dispositivos. Sin embargo, la versión DTV2/PAL sufre de un defecto de fábrica, que produce una pobre reproducción de colores (las resistencias de la red R-2R del DAC, tanto para la croma como para la luma, se han invertido).
En la DTV3, también PAL, se solucionó un problema con el blitter.
Otra variante del DTV es el volante de juegos de RadioShack "HUMMER Off-Road Racing Challenge".
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| C64-DTV |
ESPECIFICACIONES HARDWARE
Procesador principal
ASIC rodando internamente a 32 MHz, emulando a una CPU MOS 6510, MOS VIC-II, MOS SID, MOS CIA, y PLA
Caja/Conectores
Integrada en un Joystick (como si fuera conectado al puerto 2 de un C64 real)
Cinco botones adicionales (se comportan como algunas teclas)
Funciona solo a partir de cuatro pilas o baterías tipo AA
Video Compuesto y audio mono (con dos conectores tipo RCA)
Aspecto similar a un joystick Competition Pro
Gráficos
NTSC (DTV2 y siguientes: NTSC/PAL en el chip, solo PAL conectado para la venta en tienda)
Paleta reprogramable con 4 bits de luma ay 4 bits de croma
DTV2 y siguientes: Packed pixel "chunky" en modo de 256 colores, blitter añadido para transformación rápida de imágenes
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| COMPUTER IN JOYSTICK |
Sonido
Sin soporte para filtros SID
DTV2 y siguientes: sonido digital de 8 bit, opciones adicionales para generadores de envolvente
Memoria
DTV1: 128 KB RAM, 2 MB ROM
DTV2 y siguientes: 2MB de RAM, 2MB de flash
Motor DMA para transferencia de memoria entre RAM/RAM y ROM/RAM
DTV2 y siguientes: acceso adicional a la RAM usando conmutación de bancos y blitter
CPU
Emulación de un 6510 at 1 MHz
DTV2 y siguientes: CPU mejorada (modo fast/burst, registros y códigos de operación adicionales, soporte para operaciones ilegales en el 6510)
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| CHIP DEL C64-DTV |
MODIFICACIONES SOFTWARE
La DTV contiene memoria flash para el software. Una serie de herramientas han sido liberadas para compilar programas en imágenes flash DTV-compatibles y cargarlas en la DTV.
Personas hicieron sus propias compilaciones de juegos, añadiendo populares juegos (a veces adaptados a la DTV) que no estaban en el DTV original, añade menús de arranque para el desarrollo de software propio de forma más sencilla, o habilitar nuevas características, por ejemplo programas de transferencias como DTVtrans, para transferir datos desde el PC a la RAM de la DTV y viceversa, a través del puerto paralelo del PC (o por USB) y del puerto de joystick de la DTV.
Jeri Ellsworth, chica geek fuera de serie
Por: Jonathan P. Rodriguez / TeknoPLOF
Con cuarenta años recién cumplidos, Jeri Ellsworth es una mujer de las pocas de su generación que puede llamarse geek con mayúsculas, desde la ge hasta la ka. Es de esas frikichicas que tanto nos gusta dar a conocer por estos lares cibernéticos, pues representan un subconjunto pequeñito de la cultura digital que, gracias a Dios, cada vez es más amplio.
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| COMPUTERS MADE EASY |
Nacida en el estado de Oregón (EE. UU.), Jeri comenzó a cacharrear con el Commodore 64 de su hermano mayor cuando sólo era una niña. Aprendió a programar aquel aparatejo ochentero de 8 bits, hobby que compaginaba con las carreras de coches, una afición que compartía con su padre. El reto era tan jugoso que su padre y ella comenzaron a diseñar sus propios vehículos personalizados, y ella consiguió vender algunos de sus modelos de forma eventual. Esto propició que abandonara el colegio para continuar con este negocio.
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| LABORATORIO DE JERI ELLSWORTH |
Posteriormente, y contando únicamente con 21 años, dejó también el diseño de coches y, con una amiga, creó una nueva empresa dedicada al ensamblaje y venta de ordenadores PC basados de chips 486 de Intel. Desavenencias con su socia provocaron que se separara de ella para montar su propio negocio, una idea que llegó a convertirse en una cadena de cuatro tiendas de venta de equipos informáticos llamada Computers Made Easy. En el año 2000 vendió las tiendas y se trasladó a Washington para estudiar, durante un año, diseño de circuitos electrónicos en el Walla Walla College.
Después de ese año tuvo que abandonar los estudios por “incompatibilidades culturales”, lo que los americanos llaman cultural mismatch, que es esa situación en la que la educación del hogar de un estudiante choca con la del centro de estudios, provocando conflictos y conductas inapropiadas. Jeri ha llegado a decir que en el Walla Walla College estaba mal visto “cuestionar a los profesores”. Y es que ya se veía venir todo su potencial en aquella época.
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| PROYECTO COMMODORE |
Aquel mismo año 2000, la chica asistió a su primera exposición retro de ordenadores Commodore, donde presentó un vídeo con un prototipo del gadget que tenía en mente y que había venido desarrollando meses atrás. Aquel prototipo terminaría convirtiéndose en el C-One, primero, y después en el afamado C64 Direct-to-TV.
El C-One (2002) es una versión mejorada del antiguo Commodore 64 diseñado en una sola tarjeta de circuitería, lo que se conoce como Single Board Computer o SBC. Ese año 2002, Jeri rediseñó el chip utilizado en el C-One para que pudiera emular otras máquinas de ocho bits de principios de los ochenta, entre ellas un Commodore VIC-20 y un Sinclair ZX81. Tras presentarlo en una conferencia, la mujer recibió una oferta de trabajo de Mammoth Toys para trabajar en otro equipo Commodore más integrado aún. Apareció, pues, el C64 Direct-to-TV (2004), que fue un paso más allá, pues era un implementación del Commodore 64 en un único chip, metido dentro de un joystick de estilo antiguo y con 30 juegos incluidos, que se conectaba directamente al televisor vía RCA.
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| COMMODORE 64 - DTV - IN A JOYSTICK |
Ellsworth había conseguido retrotraerse a su infancia con los diseños basados en C64, algo que la hizo muy conocida y valorada en la escena retro.
El C64 Direct-to-TV fue licenciado a la empresa Tulip Computers, la cual produjo una primera remesa de 250.000 unidades, vendiendo 70.000 el primer día que se colocó en las estanterías. En total se vendieron más de medio millón de unidades en todo el mundo.
Desde aquel momento hasta la actualidad su ascenso como chica geek ha sido meteórico. Condujo un webcast durante seis meses; fue nombrada “MacGyver of the Day” por la web Lifehacker; ha publicado numerosos artículos técnicos en Internet sobre temas tan diversos como semiconductores de fabricación casera, pantallas electroluminiscentes o fabricación de lámparas de fósforo; ha hecho contribuciones significativas al campo del bricolaje doméstico con transistores; y fue contratada, durante un año, por Valve Corporation (junto con varios otros hackers de hardware notables) para trabajar en hardware para videojuegos; entre otras muchas cosas.
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| THE ELECTRONICS SHOW |
En mayo de 2013, Ellsworth anunció que había ingeniado un sistema de realidad aumentada, llamado castAR, con el también ingeniero Rick Johnson, que sería financiado a través de Kickstarter. Para ello pusieron en marcha una nueva empresa, Technical Illusions, y alcanzaron su objetivo de 400.000 dólares en la famosa web de crowdfunding en 56 horas. Al final, el proyecto recaudó algo más de 1,05 millones de dólares, un 263% más que la meta original.
Esta claro que Jeri Ellsworth no es una chica geek al uso. Ella tiene una capacidad especial que le hace desarrollar un potencial en su campo muy por encima de la media. Es uno más de los ejemplos de que el mundo de la tecnología, de la ingeniería y de la informática no es sólo cosa de hombres. Cada vez más mujeres son geeks y cada vez más de ellas descuellan por encima de la marabunta. Es un placer que los cerebros femeninos se sumerjan en estos mundos tecnológicos, seguramente así marcharán mejor las cosas.
