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Aplica esta técnica sobre los MCUs y reducirás tamaño y consumo

Inhabilitar las compuertas lógicas inutilizadas en los microcontroladores puede ayudar a reducir el tamaño y elevar la eficiencia energética. En este documento se orienta sobre cómo realizarlo.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

¿Es posible reconfigurar físicamente un microcontrolador de tal forma que podamos reducir su tamaño y consumo de energía? La respuesta es sí.

El Dr. Rakesh Kumar, profesor investigador de la Universidad de Illinois para el departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación, compartió un modo para alcanzar este objetivo de una forma sencilla: eliminar las compuertas lógicas inutilizadas en los microcontroladores .

En su trabajo que fue cargado al repositorio del de la Universidad de Illinois, Kumar explica que aún en los sistemas embebidos es posible aplicar ciertas técnicas para incrementar los resultados esperados.

El especialista afirmó que los procesadores están rediseñados para la mayoría de aplicaciones en donde los procesadores más robustos son expresamente destinados a soportar equipos portátiles y sistemas del Internet de las Cosas, sin embargo, ejecutan una aplicación bastante simple, ni siquiera un sistema operativo, lo que significa que una gran parte de los nodos internos de un chip nunca se utilizan.

 

Lo anterior no solo aplica con los microprocesadores, también con los microcontroladores es recurrente caer en esta práctica, y para ello, Kumar y su equipo de colaboradores, incluyendo John Sartori, asistente del profesor, dieron a conocer los resultados de su trabajo en el que implementaron esta técnica en un MCU comercial.

Eh aquí la solución:

El primer paso es identificar cuáles compuertas lógicas del microcontrolador no serán requeridas por la aplicación o sistema que se ejecutará. Posteriormente, se remueven todas aquellas compuertas excedentes, llegando a lo que Kumar define como un “procesador a la medida”. El resultado es una versión física más pequeña y menos compleja que el MCU original, el cual ha sido reacondicionado para trabajar solamente la aplicación elegida.

Ilustración del análisis aplicado a la arquitectura del MCU.
   

“Nuestra propuesta se centra en estudiar cuánto hardware utilizará una aplicación específica, independientemente de sus entradas. Lo que resultará en una unión o un superconjunto de todos los posibles ‘paths’ que los datos podrán tomar. Después, procedemos a remover el hardware que no se requerirá”, declaró Kumar.

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Este método fue presentado el pasado mes de junio durante la celebración del cuadragésimo cuarto Congreso Internacional de Arquitectura de Cómputo, realizado en la ciudad de Toronto, Canadá.

El microcontrolador elegido por el Dr. Kumar fue un MSP430 de 16 de Texas Instruments, el cual está diseñado para trabajar con aplicaciones ligeras de bajo-costo, sistemas inalámbricos, o entornos con una tasa de consumo energético ultra pequeño.

Los investigadores utilizaron un microcontrolador MSP430 de Texas Instruments. En la parte inferior aparece el algoritmo de análisis de compuertas lógicas.
   

Este dispositivo fue reacondicionado a la medida para realizar tareas específicas como la Transformada Rápida de Fourier, actividades de auto-correlación y filtros de interpolación. Para ello, se tuvo que remover casi la mitad de las compuertas lógicas del MCU.

En su estudio, los científicos aseguran haber sometido otros 15 microcontroladores comercialmente populares e identificaron que todos ellos requieren como máximo el 60% de sus compuertas para realizar los procesos que habitualmente ejecutan en la mayoría de los proyectos implementados. En promedio, con esta técnica se logra miniaturizar un 40% el tamaño del circuito y se reduce su consumo eléctrico hasta por un 50%, esto último al recortar el tiempo que tardan las señales en recorrer las pistas debido a la mutilación de las compuertas.

Esquema donde se observa cuáles son las compuertas lógicas a manejar para la reingeniería.
   

“¡Es sorprende!” –reparó Sartori- “La mayoría de las personas piensa que un chip tan pequeño y simple, siempre utiliza toda su capacidad, pero para una aplicación específica, a menudo hay una gran cantidad de lógica que se puede eliminar en su totalidad, y el software seguirá funcionando perfectamente”, dijo.

Los investigadores aseguran que este método también funciona si se desea que el procesador ejecute dos o más aplicaciones, incluso si se busca que soporte un sistema operativo mas una aplicación al mismo tiempo. Otro software que los ingenieros probaron fue un sistema operativo de tiempo real, FreeRTOS, el cual simplemente requirió el 43% por ciento del procesador utilizado.

Tabla comparativa donde se muestra la aplicación de la técnica en dos diferentes microcontroladores, así como el ahorro de consumo y el tamaño alcanzados.
 
¿Un ASIC será mejor que este método?

Para quienes han implementado un ASIC (Circuito Integrado de Aplicaciones Específicas) estos dispositivos resultan más idóneos para asignar la capacidad exacta que necesita un software o una aplicación para ejecutarse, ya que como su nombre lo indica, los ASICs han sido creados exactamente para esto.

Pero tienen una desventaja, sus altos costos en relación a los microcontroladores. Así que un MCU pudiendo trabajar como un ASIC mediante la técnica propuesta por el Dr. Kumar, se convierte en la solución soñada.

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