Projetar sistemas eletrônicos sempre envolve escolhas complexas, mas os projetos atuais desafiam os engenheiros mais do que nunca, com exigências por maior desempenho, mais recursos, formatos menores, menor consumo de energia, custos reduzidos — ou uma combinação desses requisitos.
Uma forma de enfrentar esses desafios é com o uso de lógica configurável. A lógica configurável funciona como se houvesse um pequeno FPGA (Field Programmable Gate Array) integrado ao seu microcontrolador (MCU). Em vez de depender apenas de software ou de hardware externo para lidar com funções lógicas, os projetistas podem incorporar funções personalizadas baseadas em hardware diretamente no microcontrolador. Isso reduz a dependência de componentes externos, acelera o processamento e otimiza o consumo de energia. Neste artigo, vamos explorar algumas das vantagens que a lógica configurável traz aos MCUs e analisar uma solução completa da Microchip Technology.
Aumentando o Desempenho
Reduzir o consumo de energia do microcontrolador (MCU) é essencial, pois impacta diretamente o consumo total do sistema. Como o MCU é o cérebro da aplicação, escolher o componente certo é fundamental para atender às exigências do projeto. Ele deve oferecer o desempenho necessário com margem para futuras atualizações. Além disso, contar com periféricos integrados para funções comuns simplifica o desenvolvimento, reduz a quantidade de componentes e economiza espaço na placa.
A Microchip Technology trouxe inovações ao universo dos MCUs ao incorporar periféricos essenciais diretamente no encapsulamento, permitindo que operem de forma independente da unidade central de processamento (CPU). Esses periféricos independentes do núcleo — conhecidos como CIPs (Core Independent Peripherals) — executam tarefas específicas sem a necessidade de intervenção da CPU, permitindo que ela permaneça em modo de baixo consumo ou se concentre em outras operações. Cada CIP é projetado para uma função específica, como monitoramento de segurança ou condicionamento de sinais, podendo ser configurado conforme a aplicação.
Os CIPs oferecem vantagens em relação às implementações baseadas exclusivamente na CPU, incluindo tempos de resposta mais rápidos, menor carga de processamento e menor uso de memória. Com isso, os projetistas conseguem otimizar seus sistemas tanto para eficiência energética quanto para uso de recursos.
Um Novo Nível de Flexibilidade
Embora os CIPs ofereçam funcionalidades pré-definidas para tarefas comuns, algumas aplicações exigem um nível ainda maior de flexibilidade. É nesse cenário que entram os blocos lógicos configuráveis (CLBs – Configurable Logic Blocks). Diferente dos CIPs, que são projetados para funções específicas, os CLBs permitem uma lógica totalmente personalizada, configurável conforme as necessidades do projeto.
A Microchip Technology levou a filosofia dos CIPs adiante ao introduzir os CLBs na família de microcontroladores PIC16F13145. Assim como os CIPs, os CLBs operam de forma independente do núcleo, mas não possuem uma função fixa. Sua arquitetura lógica reprogramável pode ser moldada para atender a uma ampla variedade de aplicações. Com isso, os CLBs oferecem todos os benefícios dos CIPs — como economia de energia, aumento de desempenho e maior integração — com a vantagem adicional de permitir a criação de soluções totalmente personalizadas.
O circuito CLB conta com 32 elementos lógicos básicos (BLEs – Basic Logic Elements) organizados em quatro blocos. Cada BLE pode ser configurado para simular portas lógicas (AND, OR, NAND, NOR), buffers/inversores, flip-flops tipo D ou J-K, além de multiplexadores (Figura 1).
O CLB também oferece suporte à configuração dinâmica, permitindo alterações em tempo real e lógica tri-state. Cada BLE pode se conectar internamente a outros blocos BLE, registradores e contadores, além de se integrar a periféricos externos, pinos de E/S, osciladores e até outros CIPs. Além disso, cada BLE possui uma lookup table (LUT) de 4 entradas, lógica combinacional e um flip-flop. A personalização dos blocos BLE pode ser feita por meio do sintetizador gráfico de CLB disponível na interface gráfica (GUI) do MPLAB® Code Configurator (MCC), da Microchip Technology. Essa ferramenta permite que os projetos sejam desenvolvidos e sintetizados visualmente, sem necessidade de codificação manual.
Exemplos Práticos de Aplicação com CLB
A lógica de interconexão (glue logic) é uma aplicação ideal para demonstrar as vantagens da tecnologia CLB. Atualmente, funções de interligação entre diferentes áreas do circuito — como portas lógicas ou adaptação de níveis de tensão — são implementadas com componentes discretos ou lógica programável externa. Com a tecnologia CLB, essas tarefas podem ser executadas de forma rápida e eficiente, sem a necessidade de adicionar mais componentes ao projeto. Além disso, a capacidade de reprogramação do CLB permite que a lógica de interconexão seja ajustada conforme as necessidades do sistema evoluem.
Outro uso ideal para os CLBs é na codificação e decodificação de sinais — tarefas repetitivas que se beneficiam da lógica programável. Um exemplo é a comunicação Power over Data Line (PoDL), cada vez mais adotada por sua construção simplificada, que utiliza apenas um par de fios para transmitir energia e dados. Essa comunicação emprega codificação Manchester para garantir a integridade dos dados, sincronizando os sinais nas extremidades e permitindo a detecção de erros (Figura 2). Soluções com codificadores discretos exigem componentes passivos volumosos, o que aumenta o tamanho e o custo da solução. O uso de CLBs agiliza o processo de codificação e possibilita taxas de transmissão mais altas.
Detecção de Falhas e Controle de Tempo com CLB
A tecnologia CLB pode oferecer vantagens significativas em relação às abordagens tradicionais na detecção de falhas. Muitos circuitos exigem monitoramento contínuo para identificar falhas comuns em tempo real e, quando detectadas, colocá-los rapidamente em um estado seguro. Como esses diagnósticos precisam ser realizados com alta velocidade e precisão, o uso de hardware é preferível devido às respostas mais rápidas e ao tempo determinístico. Já as soluções baseadas em software nos microcontroladores tendem a ser menos eficazes nesse cenário, pois as falhas não ocorrem em tempos previsíveis, e o tratamento de exceções código podem atrasar a resposta segura do sistema. Embora dispositivos lógicos programáveis discretos sejam usados com frequência para essa finalidade, eles aumentam os custos e o tempo de desenvolvimento. A tecnologia CLB permite alcançar o mesmo desempenho — ou até superior — utilizando apenas um chip.
O gerenciamento preciso do tempo e da ordem de energização também são fundamentais em sistemas embarcados complexos. Em projetos com restrições de energia, é essencial garantir que os eventos de energização e desligamento ocorram em uma ordem específica, a fim de preservar a integridade do sistema e evitar danos aos componentes. Normalmente, isso exige o uso de circuitos externos ou controle por software, o que pode aumentar a complexidade e os atrasos. Com os CLBs, a lógica de temporização e sequenciamento de energia pode ser integrada diretamente ao hardware, permitindo o controle preciso das fontes de alimentação sem necessidade de recursos adicionais.
Por fim, os CLBs também podem ser utilizados para criar redundância funcional, aumentando a confiabilidade do sistema. Por exemplo, uma função simples executada no microcontrolador pode ser espelhada em lógica CLB, funcionando como backup caso ocorra uma falha de software no processamento principal. Dessa forma, é possível aumentar a robustez do sistema sem comprometer a eficiência.
Conclusão
Os sistemas embarcados atuais são cada vez mais complexos e exigem eficiência energética, o que demanda microcontroladores que ofereçam mais do que apenas capacidade de processamento. Flexibilidade tornou-se essencial. Os CLBs da Microchip Technology trazem ao microcontrolador a capacidade de configuração típica dos FPGAs, reduzindo a necessidade de componentes externos, aumentando o desempenho e otimizando o consumo de energia.
Artigo escrito por Alistair Winning e publicado no blog da Mouser Electronics: Boost Microcontroller Performance with Configurable Logic | Bench
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
