Periférico de Lógica Configurable (CCL/CLB): concepto, arquitectura y casos de uso
Resumen
Generar señales de temporización precisa en microcontroladores suele requerir bit-banging, es decir, que la CPU dedique ciclos completos a cambiar pines con exactitud de nanosegundos, lo que limita el tiempo disponible para otras tareas. Los periféricos de lógica configurable—también conocidos como CCL, CLC, CLB, UDB, entre otros—permiten delegar estas funciones al hardware, logrando respuesta determinista y liberando recursos del procesador.
Estos bloques de lógica programable integrados en el microcontrolador utilizan LUTs (tablas de verdad), biestables y rutas de señal internas para crear puertas lógicas, temporizadores y máquinas de estados que funcionan de forma autónoma, sin intervención de la CPU. Esto permite mantener latencias de apenas nanosegundos y operar incluso en modo de bajo consumo. El resultado es una ejecución en tiempo real, menor carga de firmware y la posibilidad de eliminar componentes externos, simplificando el diseño y
1. ¿Qué es un periférico CCL/CLB?
En esencia, un CCL/CLB es una matriz de lógica basada en LUTs (look-up tables).
Cada LUT guarda una tabla de verdad para hasta 3-4 señales; su salida puede registrarse en un flip-flop y encaminarse hacia otras LUTs, periféricos internos o pines de E/S.
A diferencia de un FPGA completo, el número de células lógicas es reducido—del orden de decenas—pero suficiente para “pegar” señales, generar pulsos o implementar autómatas simples.
1.1 Filosofía de funcionamiento
- Entradas múltiples: pines, salidas de temporizadores, buses SPI/UART, clocks internos, incluso bits de registros.
- Lógica combinacional: la LUT evalúa la tabla de verdad a cada ciclo de reloj.
- Lógica secuencial: flip-flops D, JK o latches permiten memorizar estados, dividir frecuencias y construir contadores o máquinas de estados.
- Bloques de temporización: contadores de pocos bits, filtros antirebote y detectores de flanco integrados eliminan glitch y generan pulsos precisos.
- Enrutamiento flexible: crossbars o sistemas de eventos enlazan las salidas con otros periféricos para disparar ADCs, reiniciar timers o conmutar PWM, sin software de por medio.
2. Bloques internos habituales
| Bloque | Función principal | Nota |
|---|---|---|
| LUT (1–4 entradas) | Implementa cualquier puerta lógica mediante tabla de verdad | Suele haber 2–32 por dispositivo. |
| Flip-Flops / Latches | Almacenan el resultado de la LUT por flanco o nivel, útiles para divisores, FF tipo D/JK/T | |
| Contadores cortos | Generan retardos o ventanas temporales de pocos ciclos | Normalmente 3–8 bits. |
| Detectores de flanco | Transforman transiciones en pulsos de anchura fija; vital para eliminar rebotes | |
| Filtros / Sincronizadores | Alinean señales asíncronas al reloj del CCL y filtran glitches | |
| Crossbar / Event System | Red de conmutación que conecta entradas y salidas de la lógica con otros periféricos (timers, ADC, GPIO) | |
| Rutas a pines GPIO | Permiten exponer la señal lógica al exterior sin ocupar CPU |
3. Aplicaciones típicas
- Glue logic: reemplazar CI 74HC con puertas programables internas.
- Drivers de comunicación de un solo hilo (p.ej. LEDs WS2812, protocolos IR) generados íntegramente en hardware.
- Decodificadores de cuadratura o encoder para motores, sin latencia de CPU.
- Filtro y temporización de botones (debounce) autónomos.
- Generadores de PWM o modulación exótica para convertir timers básicos en controladores avanzados.
- Máquinas de estados finitos pequeñas que reaccionan en nanosegundos a eventos críticos.
- Divisores de reloj y contadores rápidos útiles en aplicaciones de medición de frecuencia.
4. Ventajas clave
- Tiempo real determinista: la lógica se ejecuta en paralelo al CPU con retardos << 1 µs, ideal para señales críticas .
- Menor carga de firmware: libera ciclos de procesador y evita interrupciones complejas .
- Reducción de componentes: puertas externas, drivers dedicados o CPLDs pueden desaparecer, simplificando la PCB y bajando costes.
- Consumo optimizado: la lógica sigue funcionando en Sleep, reduciendo mA en aplicaciones IoT o portátiles.
Comparativa con otras tecnologías de lógica embebida en microcontroladores
| Familia MCU / Fabricante | Tecnología de lógica programable | Recursos lógicos disponibles | Flexibilidad de configuración | Facilidad de uso (herramientas) |
|---|---|---|---|---|
| Microchip PIC16F13145 (8-bit PIC) | CLB – Configurable Logic Block (antes CLC – Logic Cell) | ~32 BLEs (LUTs de 4 entradas c/u con FF) en 4 celdas lógicas; contador 3-bit integrado. | Permite lógica combinacional y secuencial básica dentro del MCU. Se integra con muchos periféricos internos y pines I/O (PPS), soporta configuraciones dinámicas en tiempo real. Ideal para implementar puertas, flips-flops, one-shots, pequeños state machines, generadores de pulsos, etc. | Alta – Microchip ofrece herramienta gráfica (MPLAB Code Configurator / CLB Synthesizer) para diseñar la lógica esquemáticamente o importando módulos Verilog. Curva de aprendizaje moderada, pero buena documentación y ejemplos. |
| TI C2000 (MCUs 32-bit orientados a control digital) | CLB – Configurable Logic Block (C2000) | Varios bloques lógicos por chip (ej. 4 tiles). Cada CLB tile incluye LUTs de 3–4 entradas, múltiples máquinas de estado (FSM) programables y contadores de hasta 32 bits, interconectados mediante matriz configurable. | Muy alta – Diseñado para ampliar periféricos de control en tiempo real. Puede implementarse lógica combinacional compleja y secuencial avanzada (ej: control de motores, codificadores, protocolos seriales especializados) sin necesidad de FPGA externa. El CLB puede tomar señales internas/externas vía crossbar y generar salidas a pines o módulos. | Media – Texas Instruments provee una herramienta de configuración (CLB Tool) integrada en su IDE (CCS). Se puede diseñar gráficamente la lógica y cargarla en el MCU. La documentación es completa, pero el uso del CLB puede requerir familiaridad con conceptos de diseño digital. |
| Infineon/Cypress PSoC 4/5 (ARM Cortex-M) | UDB – Universal Digital Blocks | Hasta varias unidades UDB por micro (ej: 4 en PSoC4, 24 en PSoC5). Cada UDB contiene 2 pequeños PLDs (macrocélulas lógicas programables) + una unidad datapath de 8 bits (ALU, registros, FIFO). Interconexión a través de matriz de señal digital (DSI). | Muy flexible – Las UDB permiten crear tanto lógica combinacional personalizada como componentes digitales completos (UARTs, timers, PWMs extras, controladores de comunicación, etc.). Se pueden encadenar bloques para funciones más grandes. Prácticamente cualquier circuito digital de pequeña escala (hasta 8 bits) puede implementarse en estos bloques programables. | Media/Alta – Se usa el entorno PSoC Creator, con diseño mediante esquemáticos o código HDL simple. La curva de aprendizaje es baja para funciones sencillas (arrastrando componentes lógicos predefinidos) pero aumenta si se diseñan lógicas complejas desde cero. La integración con firmware es fluida mediante APIs autogeneradas. |
| STMicroelectronics STM32 (diversas series ARM Cortex-M) | (Sin bloque lógico dedicado) Uso de periféricos genéricos (Timers + DMA) | N/A (no poseen LUTs programables generalizadas). Se aprovechan temporizadores avanzados, controladores DMA, triggers y interrupt event routing para lograr funciones lógicas. Ej: temporizador + DMA para generar trenes de pulsos con patrones temporizados en GPIO. | Limitada – Aunque no hay una “FPGA interna”, es posible configurar ciertos patrones y enlaces de periféricos para emular lógica discreta. Ejemplo: usar un timer en modo PWM para formar un pulso y encadenar vía DMA la actualización de su ciclo de trabajo bit a bit, logrando salir una señal tipo WS2812 sin intervención del CPU. Sin embargo, la flexibilidad es menor comparada con las LUT dedicadas; está restringido a lo que permiten los timers, comparadores y DMAs (orientado a generación de formas de onda, demodulación de señales, etc.). | Baja – No existe una GUI específica para “lógica configurable”. Se realiza mediante la configuración manual de periféricos estándar usando herramientas como STM32CubeMX (por ejemplo, configurando un TIM con DMA y haciendo routing de señales). Lograr ciertas funciones requiere creatividad y conocimiento profundo de los módulos (p.ej., abusar de timers y DMAs en modos inusuales), por lo que la implementación es menos directa. |
Ejemplo práctico: driver de tiras LED WS2812
Para el protocolo WS2812 (~800 kHz), un firmware clásico ejecutado en un PIC consumiría casi el 100 % de la CPU. Con la CLB bastan unas LUT y un contador interno: el SPI del micro envía el flujo de bits y la lógica configurable les da el ancho de pulso exacto. Consulta la implementación paso a paso en el repositorio pic16f13145-spi-ws2812 y en el artículo de All About Circuits para detalles completos.
En la práctica, este circuito permite que la tira de LEDs WS2812 se controle prácticamente solo con hardware: el programador simplemente carga los datos de color en el buffer del SPI (por ejemplo usando DMA, o en un bucle mientras la transmisión anterior aún está en curso) y la lógica configurable se encarga de temporizarlos y formatearlos correctamente.
Conclusión
Los periféricos CCL/CLB sitúan lógica programable justo donde más se necesita: dentro del microcontrolador. Ofrecen latencia ínfima, operan con independencia de la CPU y suprimen componentes externos, dando lugar a diseños más compactos y económicos.
¿Quieres aprovechar esta tecnología en tu próximo proyecto?
Contacta con InnovaPCB: diseñamos soluciones embebidas a medida, implementamos drivers lógicos y optimizamos tu hardware para obtener la máxima eficiencia y fiabilidad.