UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Depa amen o de Elec ónica y Elec omagne ismo
Mic ochips con olucionado es AER pa a
p ocesado asínc ono neoco ical de in o mación
senso ial isual codi icada en e en os
Memo ia p esen ada po
LUIS ALEJANDRO CAMUÑAS MESA
pa a op a al í ulo de doc o .
Se illa, Ma zo 2010.
Mic ochips con olucionado es AER pa a
p ocesado asínc ono neoco ical de in o mación
senso ial isual codi icada en e en os
Memo ia p esen ada po
LUIS ALEJANDRO CAMUÑAS MESA
pa a op a al í ulo de doc o .
Se illa, Ma zo 2010.
Di ec o
D . Be nabé Lina es Ba anco
Codi ec o es
D a. Te esa Se ano Go a edona D . An onio José Acos a Jiménez
Tesis ealizada en el Ins i u o de Mic oelec ónica de Se illa, Cen o Nacional de
Mic oelec ónica (IMSE-CNM), pe enecien e al Consejo Supe io de In es igaciones
Cien í icas (CSIC)
UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Depa amen o de Elec ónica y Elec omagne ismo
Mic ochips con olucionado es AER pa a
p ocesado asínc ono neoco ical de in o mación
senso ial isual codi icada en e en os
Memo ia p esen ada po
LUIS ALEJANDRO CAMUÑAS MESA
Di ec o
D . Be nabé Lina es Ba anco
Codi ec o es
D a. Te esa Se ano Go a edona D . An onio José Acos a Jiménez
UNIVERSIDAD DE SEVILLA
Depa amen o de Elec ónica y Elec omagne ismo

Ag adecimien os
Cuando el p esen e documen o empezó a oma o ma, supe que con él cul-
minaba una e apa impo an e de mi ida, e inmedia amen e después u e
cla o que no había llegado has a aquí solo, sino que había mucha gen e
de ás de mí a lo la go de odos es os años. Así comenzó la sección de ag a-
decimien os.
Al p incipio pensé engloba oda es a sección dando g acias a la ida, que
me ha dado an o, pe o pa a aho a me paga de echos de au o a los he ede-
os de Viole a Pa a decidí ecu i a mis p opias palab as.
Resul a impensable empeza a habla sin menciona en p ime luga a las
pe sonas que me han di igido du an e es os años, sin los cuales es a esis no
exis i ía. Po eso quie o comenza dando las g acias a Be nabé po habe me
guiado pacien emen e has a aquí, po supues o con la ayuda pe manen e de
Te esa y An onio, que siemp e han enido un momen o pa a esol e mis
dudas y co egi mis e o es.
Muchas o as pe sonas han sido impo an es en el desa ollo de es e abajo,
an as que es di ícil nomb a las a odas. Po una pa e, odos los compañe os
que han o mado pa e de mi g upo de in es igación, especialmen e Ra a,
que con su abajo ma có el camino que yo con inué. Y po o a pa e, los
compañe os del Depa amen o de A qui ec u a y Tecnología de Compu a-
do es, po acili a siemp e mi labo en el labo a o io.
Es ine i able eco da ambién a los demás g upos con los que u e la sue e
de colabo a en el p oyec o CAVIAR, an o de la Uni e sidad de Oslo como
de la Uni e sidad de Zü ich, donde an bien me acogie on du an e mi es an-
cia en ie as hel é icas.
No puedo deja de menciona a an os compañe os que han pasado po el
Ins i u o de Mic oelec ónica de Se illa a lo la go de es e iempo, de los que
an o he ap endido, especialmen e a los que han es ado compa iendo despa-
cho conmigo cada día, y que han dejado de se solamen e compañe os pa a
con e i se en amigos.
Todos es os ag adecimien os han es ado e e idos al ámbi o labo al, pe o
lógicamen e po encima de odo nunca pod é e mina de da les las g acias a
mis pad es, po que odo lo que soy se lo debo a ellos, y ienen el eno me
mé i o de habe conseguido da me odas las opo unidades que ellos nunca
u ie on.
En el ámbi o o ma i o, es a esis supone una me a impo an e as oda una
ida es udiando, así que no puedo ol ida que la p ime a pe sona que eje -
ció de p o eso a conmigo ue mi he mana. Po eso y po habe es ado siem-
p e a mi lado le doy las g acias, sin ol ida me de mi cuñado Ra a, cuyo
apoyo en los úl imos años ha sido muy impo an e pa a mí.
A la ho a de e e i me a los amigos, ni siquie a es necesa io que los nomb e,
po que ellos ya saben pe ec amen e quiénes son y cuán o les ag adezco que
hayan es ado conmigo siemp e que lo he necesi ado.
Mucho más que ag adecimien o le debo a Ca men, po hace que odo enga
sen ido, po se mi única ce eza en un mundo de ince idumb es, po juga
odos los días con la luz del Uni e so.
Obligado ya po la excesi a ex ensión de es a sección, doy po cumplida la
ación de ag adecimien os insis iendo en que odos los aquí nomb ados ie-
nen una pa e de “culpa” en la inalización de es e abajo.
i
Índice
CAPÍTULO 1
In oducción.................................................................1
1.1. An eceden es ............................................................................. 1
1.2. Obje i os ................................................................................... 4
1.3. Es uc u a del documen o.......................................................... 5
CAPÍTULO 2
Sis emas de p ocesamien o basados en e en os.......7
2.1. In oducción .............................................................................. 7
2.2. Rep esen ación isual basada en o og amas............................ 8
2.3. Rep esen ación isual basada en e en os................................ 10
2.3.1. Ven ajas del sis ema basado en e en os............................. 12
2.3.2. Tipos de codi icación......................................................... 14
2.4. El p o ocolo Add ess E en Rep esen a ion (AER)................ 15
2.4.1. Ven ajas de AER................................................................ 18
In oducción
4
Al emula el compo amien o del ce eb o median e una es uc u a de
sis emas con olucionado es como se mues a en la Fig. 1.1, nos encon a-
mos una impo an e limi ación. Cada uno de los con olucionado es incluye
una g an can idad de unidades de p ocesamien o (píxeles), cada uno de los
cuales necesi a comunica se con odos los píxeles de los con olucionado es
de la siguien e capa, pa a así pode imi a la es uc u a del ce eb o. Sin
emba go, los sis emas elec ónicos imponen cie as limi aciones ísicas a la
ho a de in e conec a poblaciones de píxeles del o den de in eg adas en
dis in os chips. Pa a eso u ilizamos el p o ocolo AER (Add ess E en
Rep esen a ion). G acias a es e p o ocolo, una g an can idad de neu onas
in eg adas en un chip pueden comunica se con las neu onas de o o chip
mul iplexando las conexiones en un único bus digi al asínc ono. Así, los
e en os gene ados po cada neu ona se p opagan a a és de buses AER
en e las dis in as capas de los sis emas de p ocesamien o.
1.2. Obje i os
En es e abajo, se p esen an dos e siones di e en es de mic ochips
con olucionado es comple amen e digi ales basados en el p o ocolo AER
pa a sis emas de p ocesamien o isual basados en e en os. Es os chips
cons i uyen la unidad básica pa a cons ui sis emas complejos mul icapa a
pa i de la in e conexión en se ie y en pa alelo de di e en es mues as de los
mismos. Cada uno de ellos pe mi e ealiza con oluciones con ke nel p o-
g amable de un amaño máximo de .
La p ime a e sión de chip Con 1 ope a sob e un a ay de píxeles de
amaño , aunque es á diseñado pa a pode cons ui sis emas equi-
alen es de mayo esolución conec ando a ias mues as en pa alelo. La
segunda e sión Con 2 cuen a con un amaño 4 eces mayo , píxe-
les, y además implemen a la uncionalidad mul ike nel. Es a uncionalidad
pe mi e p og ama a ios ke nels di e en es den o de un mismo chip (has a
32) pa a que és e pueda ecibi e en os de a ios chips di e en es de una
capa an e io , y aplica le a cada uno de ellos un ke nel di e en e en unción
de su o igen. Es o es á especialmen e indicado pa a acili a la implemen a-
ción de sis emas mul icapa, a imi ación de la co eza ce eb al, y siguiendo
103
32 32×
32 32×
64 64×

5
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
las es uc u as ípicas del pa adigma conocido como “Con olu ional Neu al
Ne wo ks”.
En el p esen e documen o se desc iben de alladamen e las a qui ec u-
as de cada una de las dos e siones p opues as de chips de con olución, así
como algunos esul ados expe imen ales ob enidos.
1.3. Es uc u a del documen o
El documen o es á es uc u ado de la siguien e o ma. En p ime luga ,
en el Capí ulo 2 se p esen an las en ajas de los sis emas de p ocesamien o
isual basados en e en os, en e a los adicionales sis emas basados en
o og amas. Es e capí ulo incluye ambién una desc ipción del p o ocolo
AER, imp escindible pa a cons ui sis emas de p ocesamien o po e en os.
El Capí ulo 3 hace un epaso sob e las es uc u as mul icapa bioinspi adas
de p ocesamien o de imagen, jus i icando el uso de la ope ación de con o-
lución como unidad básica de es e ipo de sis emas, desc ibiendo ambién la
a qui ec u a p opues a pa a los chips de con olución basados en AER. En el
Capí ulo 4 se desc ibe en de alle el píxel de con olución como base de los
chips p opues os, analizando las dos e siones di e en es, mien as que en el
Capí ulo 5 se de allan el es o de ci cui os pe i é icos incluidos en los chips
de con olución. El Capí ulo 6 mues a exhaus i os esul ados expe imen a-
les ob enidos a pa i de las dos e siones Con 1 y Con 2. Po úl imo, el
Capí ulo 7 p esen a las conclusiones.
In oducción
6
7
CAPÍTULO 2
Sis emas de
p ocesamien o basados
en e en os
2.1. In oducción
A la ho a de hace p ocesamien o de isión en iempo eal, los sis emas
adicionales basados en o og amas ienen impo an es limi aciones. El
p incipal mo i o de es as limi aciones es la p opia na u aleza secuencial de
sensado y p ocesado o og ama a o og ama. Si compa amos los sis emas
a i iciales de p ocesamien o de imagen con la o ma de lle a a cabo las
mismas a eas po pa e del ce eb o humano, podemos saca una conclusión
in e esan e: la unidad de p ocesamien o básica del ce eb o, la neu ona, es
mucho más len a que cualquie o denado a la ho a de hace una ope ación
sencilla, pe o aun así, el ce eb o es mucho más e icien e g acias a su modo
de uncionamien o basado en el pa alelismo.
Mien as que las ep esen aciones clásicas de imágenes po o og amas
ienen un ca ác e secuencial (es deci , has a que no se e mina de ejecu a
una a ea sob e un o og ama comple o no se puede pasa a la siguien e
a ea), los sis emas biológicos se basan en la ejecución en pa alelo de
muchas ac i idades di e en es. Pa a implemen a es e pa alelismo, cada
neu ona en ía pulsos de in o mación a o as muchas neu onas simul ánea-
Sis emas de p ocesamien o basados en e en os
8
men e. De es e modo, la in o mación ya no se p ocesa en o ma de o og a-
mas, sino en o ma de pulsos, ambién llamados e en os.
Po o a pa e, pa a que el sis ema basado en e en os sea e icien e es
necesa io que haya una masi a in e conexión en e neu onas que pe mi a
que la in o mación se p ocese en pa alelo. Pa a pe mi i esa g an capacidad
de in e conexión en e neu onas se u iliza el p o ocolo AER (Add ess E en
Rep esen a ion), que pe mi e que dos g andes poblaciones de neu onas se
comuniquen en e sí mul iplexando las conexiones a a és de un único bus
común.
En es e capí ulo se jus i ica la u ilización de sis emas de p ocesamien o
de imagen basados en e en os. Pa a ello, en la Sección 2.2 se desc iben los
sis emas adicionales basados en o og amas, mien as que en la Sección
2.3 se de allan los sis emas de p ocesamien o po e en os, poniendo espe-
cial én asis en las p incipales en ajas que p esen a sob e el an e io . Po
úl imo, en la Sección 2.4 se desa olla el p o ocolo AER.
2.2. Rep esen ación isual basada en o og a-
mas
Al a a sob e el p ocesamien o de imágenes, una de las p ime as
cues iones que enemos que conside a es de qué o ma se ep esen an las
imágenes pa a pode abaja con ellas. En el caso más gené ico de imáge-
nes en mo imien o, el concep o de o og ama se encuen a an a aigado a
los sis emas de isión que con ecuencia se da po supues o, ya que adi-
cionalmen e ha sido así.
La imagen en el mundo eal es con inua an o en el espacio como en el
iempo, así que el p ime paso es mues ea en el iempo, es deci , cap u a
imágenes es á icas a in e alos egula es [1]. Cada una de es as imágenes es
un o og ama. De es e modo, se cap u an o og amas a in e alos egula es
y al ep oduci los odos seguidos p oducen pa a el ojo humano la sensación
de mo imien o, como mues a la Fig. 2.1. Pa a ello es undamen al una
buena elección del iempo de mues eo . De o ma habi ual se usa la e-
cuencia de o og ama , exp esada en o og amas po segundo ( ps)
T
s
s
1T
s
⁄=
9
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
o He zios. Las ecuencias de o og ama de algunos de los sis emas más
conocidos an desde los 16-18 Hz que se empeza on a u iliza du an e los
iempos del cine mudo has a los 24 Hz usados en el cine ac ual. En cuan o a
la ele isión, exis en a ios es ánda es de codi icación. Tan o el sis ema
PAL (Phase Al e ning Line) [3] como el SECAM (Séquen iel Couleu à
Mémoi e), u ilizados en Eu opa, Asia, A ica, Oceanía y pa e de Sudamé-
ica, mues ean a 25 Hz, que es la mi ad de la ecuencia de la co ien e
eléc ica usada en es os luga es (50 Hz). Sin emba go, el sis ema NTSC
(Na ional Tele ision Sys em Commi ee) [4] ex endido en la mayo pa e de
Amé ica y Japón iene una ecuencia de mues eo de 29.97 Hz, que es p ác-
icamen e la mi ad de la ecuencia de la co ien e eléc ica que en es os paí-
ses es de 60 Hz.
De es e modo, los sis emas adicionales de p ocesamien o de imagen
basados en o og amas se compo an concep ualmen e según se indica en la
Fig. 2.2. La cáma a o senso cap u a una imagen es á ica cada ,
almacenando la in o mación de cada uno de los píxeles. Cuando se a a de
FIGURA 2.1.
Secuencia de un caballo de ca e as galopando publicada po
Eadwea d Muyb idge en 1887 en Philadelphia [2]. Con 16 o og amas ec ea
la sensación de mo imien o al ep oduci las odas seguidas.
T o og ama

Sis emas de p ocesamien o basados en e en os
10
u iliza es os o og amas como en adas de un sis ema de p ocesamien o,
nos encon amos una se ie de limi aciones. En p ime luga , se pie de la
in o mación de cualquie cambio que ocu a en e dos ins an es de mues eo
, haciendo imposible la aplicación a un sis ema que se mue a a una elo-
cidad mayo que el p opio iempo de mues eo. Po o a pa e, en el caso de
que la mayo pa e de la imagen no cambie en e dos ins an es de mues eo
(o incluso la imagen en e a pe manezca in a iable), el sis ema a a cap u a
y p ocesa un o og ama comple o, aunque de ello no ob enga ninguna
in o mación. Así pues, los sis emas de p ocesamien o basados en o og a-
mas no si en pa a aplicaciones de al a elocidad, pe o además son eno me-
men e ine icien es pa a aplicaciones de baja elocidad. Una consecuencia
de es a ine iciencia es que en cada ins an e de mues eo hay que p ocesa
una g an can idad de in o mación (la imagen comple a), lo que puede aca-
ea una conside able ca ga compu acional. Sin emba go, pa a una aplica-
ción en iempo eal odo el p ocesamien o iene que habe e minado an es
de que se cap u e el siguien e o og ama, limi ando ambién las posibilida-
des de lle a a cabo una compu ación más compleja sob e la imagen de
en ada.
2.3. Rep esen ación isual basada en e en os
Los ce eb os biológicos no p ocesan la isión o og ama a o og ama,
sino que es án basados en e en os [5]. En una e ina, cada píxel en ía un
pulso ( ambién llamado e en o) al có ex ce eb al cuando su ni el de ac i i-
dad alcanza un umb al, de modo que la in o mación se ansmi e con o me
FIGURA 2.2.
Desc ipción concep ual del p ocesamien o de imágenes basado en
o og amas.
T
i
11
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
se p oduce, sin espe a que llegue un ins an e de mues eo a i icial que no
gua da ninguna elación con la ealidad. De es e modo, una e ina se
enca ga de sensa una de e minada p opiedad (que puede se po ejemplo un
cambio en la in ensidad [6] o el con as e espacial [7]), y cuando de ec a un
ni el de e minado de esa p opiedad en un píxel cualquie a en ía un e en o
(que habi ualmen e incluye la in o mación de qué píxel lo ha gene ado).
Así, cada ez que se p oduce un e en o se ac ualiza el es ado de odo el sis-
ema, aunque es o sólo a ec a a las pa es de la imagen que apo an alguna
in o mación, e i ando la ca ga compu acional innecesa ia.
Obse ando la Fig. 2.3 se puede en ende con acilidad cómo se lle a a
cabo el p oceso de sensado en un sis ema basado en e en os. Mien as que
la cáma a de la pa e supe io de la imagen cap u a un o og ama a in e a-
los egula es de , el senso de la pa e in e io gene a e en os de
salida de o ma con inua, codi icando de es e modo la in o mación de lo
que es á ocu iendo en cada momen o en una zona cualquie a de la imagen.
Así, el sis ema de compu ación ac ualiza su es ado después de cada e en o,
e ec uando ope aciones de meno ca ga compu acional que en el caso del
FIGURA 2.3.
Compa ación a ni el concep ual en e el sensado y p ocesamien o
de imagen basado en o og amas y basado en e en os.
T ame
Sis emas de p ocesamien o basados en e en os
12
sis ema basado en o og amas, ya que los e en os sólo a ec an en gene al a
una pa e educida de la imagen.
Pa a en ende las en ajas de los sis emas de p ocesamien o de imáge-
nes basados en e en os, lo mejo es compa a su compo amien o empo al
con los sis emas basados en o og amas, al como emos a con inuación.
2.3.1. Ven ajas del sis ema basado en e en os
La g an en aja inhe en e a los sis emas de p ocesamien o basados en
e en os se encuen a en el hecho de que la in o mación más ele an e se
en ía (y po lo an o se p ocesa) en p ime luga . Es o ocu e pa a las dis in-
as o mas de codi ica la in o mación en e en os [8], [9]. Una posibilidad
es que la in o mación se codi ique en el o den en el que se p oducen los
e en os, es deci , la neu ona que en ía un e en o en p ime luga es la más
ac i a, lo que signi ica que su en ada es la más in ensa. O as opciones
se ían codi ica la in o mación en la asa de e en os p oducidos po una
neu ona, o en el e aso de los e en os espec o a un iempo pe iódico de
e e encia. En cualquie caso, los p ime os e en os gene ados siemp e se án
aquellos pe enecien es a las neu onas cuyas en adas sean más in ensas. De
es e modo, los p ime os pulsos en iados codi ican el agmen o más impo -
an e de la in o mación, lo que implica que se puede hace un p ocesa-
mien o ap oximado en un in e alo de iempo ealmen e pequeño, omando
sólo unos pocos e en os iniciales. Es o es algo que el p ocesamien o po
o og amas no pe mi e, ya que siemp e p ocesa imágenes comple as.
Es a en aja se puede ap ecia mejo obse ando la compa ación en e
el compo amien o empo al de un sis ema basado en o og amas y uno
basado en e en os, al como mues a la Fig. 2.4. En la pa e supe io de la
imagen, obse amos cómo esponde un sis ema de sensado y p ocesamien o
basado en o og amas an e un suceso p oducido en el in e alo empo al
en e y . Debido a la p opia na u aleza del p ocesamien o basado en
o og amas, independien emen e del ins an e en el que se p oduzca el
suceso, la in o mación p oducida no llega al sis ema de compu ación has a
que el o og ama comple o es á o almen e disponible en el ins an e , con
un e aso añadido debido al iempo de ansmisión. Sólo a pa i de ese
momen o el sis ema de compu ación comienza a p ocesa la in o mación
0
T1
T1
∆
13
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
ecibida, lo cual lle a á un iempo ela i amen e la go debido a la g an
can idad de in o mación innecesa ia incluida en el o og ama. Sólo en on-
ces se ob iene la in o mación deseada de econocimien o. Sin emba go,
obse ando en la pa e in e io el sis ema basado en e en os, emos cómo
cada píxel de ec a inmedia amen e un cambio en la ealidad y lo en ía al
sis ema de compu ación con un e aso . Cada e en o a da un iempo
muy pequeño (del o den de los nanosegundos) en se p ocesado. Además,
dado que los p ime os e en os son los que po an la p incipal in o mación,
ni siquie a es necesa io p ocesa odos los e en os pa a que el sis ema de
compu ación pueda ealiza el econocimien o deseado, ob eniendo un
esul ado mucho más ápido que el sis ema an e io , incluso an es del ins-
an e de mues eo .
FIGURA 2.4.
Compa ación de la espues a empo al en e un sis ema basado en
o og amas y uno basado en e en os.
TFC
∆'
Te
T1
Sis emas de p ocesamien o basados en e en os
20
añadi una ope ación lógica en e odas las líneas de Acknowledge an es de
llega al emiso , pe mi iendo con ello compa i el bus AER, como se mues-
a en la Fig. 2.8. Dicha ope ación lógica es á basada en elemen os-C, los
cuales asegu an que no se p oduci á ningún cambio de es ado a la salida
mien as las en adas engan dis in os alo es. Así, solamen e en el caso de
que odas las señales de en ada se pongan de acue do la salida cambia á.
En el caso con a io, si que emos que a ios emiso es compa an el bus
de salida, la con igu ación no es an inmedia a. Si di ec amen e pe mi ié a-
mos a a ios emiso es esc ibi sob e el bus digi al, se ía imposible ges iona
los con lic os, así que es necesa io añadi algún ipo de a bi ación. En [44]
se p oponen dos posibles al e na i as. La p ime a de ellas, ep esen ada en
la Fig. 2.9, consis e en añadi un ci cui o de a bi ación ex e no a los emiso-
es AER, el cual se enca ga ía de limi a el acceso de cada uno de dichos
FIGURA 2.9.
A qui ec u a de un sis ema AER mul i-emiso .

21
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
emiso es al bus común. De es e modo, cuando un chip quie e asmi i un
e en o ac i a su señal de Reques ( ), y cuando el a bi a-
do es é lib e en onces copia á en el bus común el da o en cues ión, ac i-
ando la señal Rqs que llega al ecep o . Una ez que el ecep o esponde,
se libe a el a bi ado y se puede ansmi i o o e en o gene ado po cual-
quie a de los emiso es.
La o a p opues a pa a cons ui sis emas AER mul i-emiso consis e
en modi ica lige amen e el p o ocolo de los chips emiso es pa a que se
comuniquen en e ellos conec ándose en o ma de á bol. De es e modo,
se ía posible que los buses AER de odos ellos se conec a an en e sí di ec-
amen e, ya que cada emiso solamen e esc ibi ía en dicho bus cuando
ecibe pe miso del sis ema global. Es básicamen e la misma idea que la p o-
pues a an e io , con la di e encia de que la a bi ación se lle a a cabo en los
p opios emiso es. La en aja es que nos pe mi e compa i el bus di ec a-
men e, pe o con el incon enien e de modi ica lige amen e el p o ocolo y
añadi una cie a complicación in e na a los emiso es.
Con es as ideas básicas, se pueden plan ea pequeñas a iaciones
dando luga a di e en es al e na i as. Una de ellas consis e en elimina cual-
quie componen e ex e no a los p opios chips AER modi icando el p o o-
colo como mues a la Fig. 2.10. De es e modo, cuando uno de los emiso es
ac i a la señal de Rqs , aún no ha pues o el da o en el bus común, sino que
espe a a que el ecep o ac i e la señal Ack, indicándole que iene pe miso
pa a pone lo. Así, en es e esquema mul i-emiso el Ack uel e sólo a uno de
Rqs i
i1…n,=
FIGURA 2.10.
Diag ama empo al del p o ocolo AER modi icado pa a sis ema
mul i-emiso .
Sis emas de p ocesamien o basados en e en os
22
los emiso es, y po an o el ecep o iene que gene a an as señales de Ack
como emiso es haya. En [45], [46] se p opone SCX (Silicon Co ex), una
in aes uc u a con igu able de comunicación AER que se puede usa pa a
p oba la comunicación en e chips en sis emas neu omó icos con di e en-
es conec i idades.
O a al e na i a es añadi a cada uno de los chips AER una e apa de
a bi ación in e na pa a conec a los en cascada. De es a o ma, cuando el
p ime o de los chips quie e emi i un e en o, la pe ición iene que pasa po
odos los demás chips de la cadena, y sólo cuando odos ellos le den paso se
en ia á. El p oblema de es e esquema es que no a a de la misma o ma a
odos los emiso es, ya que in luye el o den en el que se conec en en la cas-
cada. No obs an e, es a asime ía se pod ía compensa incluyendo algún
mecanismo que penalice a cada chip en unción de la posición que ocupe en
la cadena, haciendo que en caso de colisión engan que espe a más los que
engan una posición “p e e en e”.
En la p esen e esis se ha op ado po u iliza placas auxilia es pa a
implemen a sis emas mul i-emiso o mul i- ecep o . Es as placas, en de ini-
i a, siguen los esquemas desc i os en Fig. 2.8 y Fig. 2.9, y desde el pun o
de is a de nues os chips hacen que cada enlace se ges ione siemp e pun o
a pun o [47], [48].
23
CAPÍTULO 3
Sis emas de con olución
mul icapa
3.1. In oducción
Los sis emas biológicos de isión no solamen e es án basados en el
p ocesamien o po e en os como se desc ibe en el capí ulo an e io , sino
que quizás una de sus p incipales ca ac e ís icas que lo hacen posible es la
es uc u a mul icapa del ce eb o.
La in o mación óp ica (in o mación senso ial, en gene al) cap u ada
po la e ina y ans o mada en pulsos eléc icos es p ocesada po una se ie
de capas que o man el có ex isual. Cada una de es as capas es á o mada
po g andes can idades de neu onas in e conec adas de o ma masi a. De
o ma gene al, una neu ona de una capa es á conec ada con muchas neu o-
nas de la siguien e capa, de modo que los e en os emi idos po ella son eci-
bidos po lo que llamamos un campo p oyec i o de la capa que se encuen a
a con inuación.
Así, la in o mación cap u ada po una zona conc e a de la e ina se p o-
paga con g an elocidad po cada una de las capas del có ex, que se enca -
gan de de ec a la o ma de los obje os obse ados po la e ina. Cada
in e conexión en e una neu ona y su campo p oyec i o co espondien e
Sis emas de con olución mul icapa
24
cuen a con unos pesos especí icos, en p incipio di e en es pa a cada neu-
ona. No obs an e, en las p ime as capas del có ex los pesos son bas an e
ap oximados pa a las dis in as neu onas de una misma capa, de o ma que
es a in e conexión en e capas se puede desc ibi como una con olución.
Así pues, el sis ema comple o se puede ap oxima como un sis ema de con-
oluciones mul icapa. Po eso, el obje i o de es a esis es el desa ollo de
bloques con olucionado es que se puedan conec a o mando un sis ema
mul icapa, y emula el compo amien o de los sis emas de p ocesamien o de
isión.
Las Con olu ional Neu al Ne wo ks (Redes Neu onales de Con olu-
ciones) u ilizan es a idea de capas de neu onas in e conec adas con pesos
compa idos pa a lle a a cabo di e sas aplicaciones [49], como econoci-
mien o de ca ac e es [50], [51] (sis emas de isión), o de onemas [52], [53]
o palab as habladas [54] (en sis emas acús icos). Todos es os sis emas se
basan en capas de con oluciones in e conec adas en e sí con pesos con i-
gu ables.
A con inuación, en la Sección 3.2 se desc iben los concep os básicos
de la ope ación de con olución, así como la o ma de implemen a la
median e un sis ema AER. Después, en la Sección 3.3 se p o undiza sob e
los sis emas bioinspi ados de p ocesamien o mul icapa de isión, des a-
cando una he amien a so wa e de simulación de es as es uc u as. Po
úl imo, en la Sección 3.4 se desc ibe en un p ime ni el la a qui ec u a de
chip de con olución p opues a, así como la capacidad de in e conexión en
sis emas mul icapa que p esen a.
3.2. Con olución 2-D
3.2.1. Ope ación ma emá ica
Pa a un sis ema lineal e in a ian e en el iempo como el de la Fig. 3.1
(LTI, en sus siglas inglesas) con espues a al impulso , siendo la señal
de en ada dependien e del iempo, se puede calcula la señal de salida
como:
h ( )
x ( )
y ( )
25
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
(EQ 3.1)
Dicha ope ación se denomina con olución en e y , y se
exp esa median e la no ación .
Si en luga de a a con señales con inuas en el iempo, nues o sis-
ema unciona en iempo disc e o, la in eg al se con ie e en un suma o io y
la exp esión de la con olución pasa a se [55]:
(EQ 3.2)
Conside ando que no sólo es emos abajando con señales disc e as en
el iempo, sino ambién ini as, el esul ado de la con olución se á ambién
una señal ini a, exp esada median e la ecuación (3.3):
(EQ 3.3)
De es e modo, si enemos una señal de en ada con alo es
(es deci , que es dis in a de pa a ), y una espues a al
impulso con alo es (es dis in a de pa a ), la con-
FIGURA 3.1.
Rep esen ación de un sis ema lineal e in a ian e en el iempo
(LTI).
y ( ) hτ( )x τ–( ) τd
∞–
∞
∫
=
x ( )
h ( )
y ( ) x ( ) h ( )⊗=
y n( ) x n( ) h n( )⊗ h m( )x n m–( )
m∞–=
∞
∑
= =
x n( ) h n( )⊗ h m( )x n m–( )
m0=
n
∑
=
x n( )
Nx
0
0n Nx1–≤ ≤
h n( )
Nh
0
0n Nh1–≤ ≤

Sis emas de con olución mul icapa
26
olución end á alo es no nulos. Es o se puede
obse a en el ejemplo de la Fig. 3.2.
Una ez desc i a la ope ación de la con olución unidimensional, es
sencillo ex ende la pa a el caso de dos dimensiones, simplemen e conside-
ando que las señales dependen de dos a iables [56]. El caso de con-
y n( )
NyNxNh1–+=
FIGURA 3.2.
Ejemplo de con olución unidimensional en e una secuencia
con y una espues a al impulso con ,
ob eniéndose una señal con
x n( )
Nx7=
h n( )
Nh4=
y n( )
NyNxNh1–+ 10= =
x y( , )
27
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
oluciones 2-D es el que nos in e esa, ya que se aplica a las imágenes. De
es e modo, conside amos que las a iables e se co esponden con las
coo denadas ho izon al y e ical, y aplicamos la ope ación de con olución
a una imagen de en ada pa a ob ene una imagen de salida .
A la espues a al impulso la denominamos ke nel de la con olución ,
y ob enemos la exp esión:
(EQ 3.4)
Es a exp esión mues a una in e sión ho izon al en las posiciones del
ke nel en e a la imagen de en ada al calcula la con olución. Sin
emba go, a la ho a de implemen a es e cálculo habi ualmen e p escindimos
de dicha in e sión, ya que se puede elimina de iniendo el ke nel adecuada-
men e. Además, en g an pa e de los casos, las sime ías que p esen an los
ke nels hacen que la exp esión (3.4) sea equi alen e.
El signi icado de es a exp esión se puede comp ende mejo con ayuda
de la Fig. 3.3. En ella emos una imagen de en ada de píxeles, y un
ke nel de amaño . La imagen de salida, esul ado de calcula la con-
olución en e ambos, se ob iene aplicando el ke nel cen ado sob e cada
x
y
I x y( , )
O x y( , )
K x y( , )
O x y,( ) I x y,( ) K x y,( )⊗ K m n,( )I x m–y n–,( )
n
∑
m
∑
= =
FIGURA 3.3.
Desc ipción de una con olución bidimensional en e una imagen
de en ada de amaño y un ke nel de amaño
X Y( , )
M N( , )
X Y×
M N×
Sis emas de con olución mul icapa
28
uno de los píxeles de la imagen de en ada, y e ec uando la suma del alo
de odos los píxeles del ecinda io pesados po los alo es co espondien es
del ke nel. En el ejemplo de la Fig. 3.4 enemos una imagen de en ada de
píxeles y un ke nel de amaño . En la imagen de salida se mues-
a el esul ado de la con olución pa a un solo píxel, conc e amen e el
. Vemos cómo el ke nel se aplica sob e el ecinda io de dicho píxel, y
se calcula la ope ación:
De es e modo, el alo de cada píxel de salida se calcula desplazando el
ke nel sob e la imagen de en ada y e ec uando la misma ope ación.
FIGURA 3.4.
Ejemplo de cómo se calcula el esul ado de una con olución pa a
un píxel. El es o de los píxeles se calcula ían del mismo modo.
5 5×
3 3×
4 2,( )
O4 2,( ) 1 0⋅2 2⋅3 1–⋅1 1⋅2 3⋅3 0⋅1 2–⋅2 0⋅3 1 9=⋅+ + + + + + + +=
29
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
3.2.2. Con olución basada en AER
Una ez desc i a la ope ación ma emá ica de la con olución bidimen-
sional, aho a se a a de implemen a dicha ope ación median e un sis ema
basado en AER. Pa a ello, en p ime luga es necesa io ol e a la idea de
p ocesamien o de imágenes basado en e en os del capí ulo an e io .
Si es u ié amos a ando con sis emas adicionales de p ocesamien o
po o og amas, se pod ía a a cada imagen como una ma iz con sus
co espondien es alo es numé icos y se pod ía e ec ua la ope ación ma e-
má ica al cual ha sido de inida. Sin emba go, en los sis emas de p ocesa-
mien o po e en os no con amos con una imagen comple a, sino que se an
p oduciendo e en os que de algún modo codi ican el es ado de los píxeles
de la imagen en iempo eal. De es e modo, la con olución se lle a a cabo
de la o ma indicada en la Fig. 3.5. En ella emos cómo cada ez que se
ecibe un e en o con una di ección cualquie a , la ope ación no se
limi a al píxel con dicha di ección, sino que le a ec a a un cie o ecinda io
al ededo de dicho píxel. Así, el e en o le llega a cada píxel del ecinda io
con un cie o peso en unción de su posición a a és de la aplicación del
ke nel. Cada píxel del a ay almacena el alo , y con o me an llegando
más e en os el ke nel se sigue sumando sob e el ecinda io co espondien e
a la di ección de dichos e en os. De es a mane a se consigue que en cada
momen o el a ay de píxeles con enga el esul ado de calcula la con olu-
ción sob e la imagen de en ada.
Sin emba go, pa a que se a e e dade amen e de una con olución
basada en AER el esul ado de la ope ación debe es a ambién codi icado
en e en os. Po ello, cada píxel de con olución consis i á en una neu ona
In eg a e&Fi e, que cuando alcance un alo umb al es ablecido gene a á
un e en o de salida, ob eniéndose un lujo de e en os que se co esponde
con el esul ado de la ope ación de con olución. Es o nos pe mi i á encade-
na con olucionado es AER en cascada, haciendo que la salida de uno sea
la en ada del siguien e, o bien en pa alelo, c eando sis emas complejos
mul icapa.
x y,( )
Sis emas de con olución mul icapa
36
Con el obje i o de aslada oda es a expe iencia en sis emas de p oce-
samien o mul icapa basados en o og amas al más e icien e p ocesamien o
po e en os, se lle ó a cabo el p oyec o eu opeo CAVIAR, donde se desa-
olló una a qui ec u a AER compues a po una se ie de bloques (en e
ellos, con olucionado es [32]) que pe mi e con una g an e sa ilidad la
implemen ación de aplicaciones pa a p ocesamien o de imagen y econoci-
mien o y seguimien o de obje os [72], como la mos ada en la Fig. 3.9 que
desc ibimos a con inuación.
Un sis ema mecánico o a o io (1 en la Fig. 3.9) hace gi a un ozo de
papel blanco con dos cí culos de di e en e adio y algunas o as o mas
geomé icas usadas como dis acción. El sis ema de isión se enca ga de
segui a ambos cí culos y disc imina en e ellos. Un pa de espejos con o-
lados po se omo o es (2) cambia el pun o de is a de la e ina AER (3), la
cual en ía sus e en os de salida a una placa de moni o ización (4) y a un
mappe (5) an es de alcanza la placa de con olucionado es (6) con 4 chips
en su in e io . Las salidas de es os chips de con olución se en ían, a a és
de o a placa de moni o ización (7) y o a de mapeo (8), al chip de obje o
WTA (Winne Takes All) (9), que a su ez en ía su salida a un moni o (10)
que po una pa e la en ía a un mic ocon olado (11) que se enca ga de
line
chip
lea ning
chip
moni o
USB
98
11
1514131210
mappe
USB
mappe
USB
mappe
USB
mappe
Mic ocon olle
1
2
345
6
7
USB
Con olu ion
chip
Con olu ion
chip
Spli e Me ge
e ina
chip USB
moni o
Con olu ion
chip
Con olu ion
chip
mi o s
mo ing
s imulus
objec
chip
delay
USB
moni o
FIGURA 3.9.
Diag ama de bloques del mon aje expe imen al desa ollado po el
p oyec o eu opeo CAVIAR pa a un sis ema de isión AER de seguimien o de
obje os.

37
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
ajus a los espejos (2) pa a cen a el cí culo de ec ado, y po o a pa e la
en ía al sis ema de ap endizaje, que consis e en un mappe (12), un chip de
línea de e aso (13), o o mappe (14) y un chip clasi icado de ap endizaje
(15), que se enca ga de clasi ica las ayec o ias del cí culo en e dis in os
ipos.
La e ina de con as e empo al gene a e en os AER con un espacio de
di ecciones de píxeles, mien as que cada chip de con olución
iene una esolución de . Sin emba go, la placa de 4 chips de con o-
luciones conec ados en modo mosaico se ía capaz de p ocesa el espacio de
di ecciones comple o, aunque sólo puede gene a salidas pa a los
píxeles cen ales. Pa a esol e es e p oblema se añade la e apa de mapeo
(5) que se enca ga de submues ea la imagen desde los píxeles
has a . De es e modo, la placa de con olución gene a salidas pa a
odo el espacio isual de la e ina. Los chips de con olución u ilizan ke nels
ci cula es de un de e minado diáme o, los cuales de ec an la posición del
cen o de o mas ci cula es de en ada de dicho diáme o.
El mappe (8) uel e a submues ea el espacio de di ecciones has a
los píxeles de en ada del chip de obje o WTA, el cual se enca ga
de p opo ciona las coo denadas del cen o del cí culo de ec ado de o ma
limpia. Es as coo denadas, al se en iadas al subsis ema de con ol, hacen
que el mic ocon olado ac úe sob e dos se omo o es que sos ienen dos
espejos. Un espejo es á en posición e ical y es con olado po la coo de-
nada-y de la salida del chip de obje o, mien as que el o o es á en posición
ho izon al y es con olado po la coo denada-x. Así, la coo denada p opo -
cionada po el chip de obje o indica la des iación de la posición del cí culo
de ec ado sob e el cen o del espacio isual, de modo que el mic ocon ola-
do es á p og amado pa a hace ce o dicha des iación, man eniendo cen-
ado el cí culo co espondien e.
Po o a pa e, el chip de línea de e aso con ie e la in o mación em-
po al de los e en os gene ados po el chip de obje o WTA en in o mación
espacial, ob eniendo un cie o pa ón espacial. Es e pa ón espacial es clasi-
icado po el chip de ap endizaje según pa ones de e en os, o mados po
e en os coinciden es en dis in as localizaciones espaciales, o según pa o-
nes de ac i idad, o mados po ac i idades medias de e en os coinciden es
en di e en es localizaciones.
128 128×
32 32×
64 64×
128 128×
64 64×
32 32×
Sis emas de con olución mul icapa
38
3.3.2. Implemen ación so wa e basada en AER: aplicacio-
nes
Siendo el obje i o de es a esis el desa ollo de chips de con olución
que nos pe mi an la implemen ación de sis emas modula es a g an escala, es
undamen al con a ambién con la capacidad de es udia desde un pun o de
is a eó ico la o ma de ensambla , con igu a , p og ama y en ena es os
sis emas. Es deci , a pa i de los chips de con olución AER desa ollados
en el p esen e abajo, pa a lle a a cabo una aplicación conc e a se á nece-
sa io en p ime luga encon a la es uc u a je á quica óp ima, así como los
ke nels de con olución más indicados, o qué o os pa áme os debe ían se
ajus ados. Pa a ello, es de g an ayuda el simulado de compo amien o AER
desa ollado po J. A. Pé ez-Ca asco en Visual C++ [73], el cual nos pe -
mi e hace una desc ipción de compo amien o de cualquie módulo AER
eal (en nues o caso, los con olucionado es), y ensambla sis emas com-
plejos con g an can idad de módulos. Así podemos ob ene una es imación
ealis a del esul ado de es e ipo de sis emas mul icapa an es de lle a a
cabo la implemen ación ha dwa e.
Con es e simulado de compo amien o se han podido comp oba las
eno mes posibilidades que ienen es e ipo de a qui ec u as pa a emula el
compo amien o del ce eb o. Po ejemplo, en [74] se p esen a la simulación
de compo amien o de un sis ema de econocimien o de ca ac e es, que con-
segui ía disc imina en e dis in as le as en iempos in e io es a , a
pesa de inclui en dicho p ocesamien o has a 52 con oluciones. Es o nos
da una idea de la apidez de es os sis emas mul icapa AER. En la Fig. 3.10
se puede e el esquema mul icapa implemen ado po el simulado . Como
se indica en la p opia igu a, el sis ema es á diseñado pa a disc imina en e
7 ca ac e es di e en es esc i os a mano, p oduciendo e en os solamen e po
una de las 7 salidas de la cua a y úl ima capa, en unción de la le a que se
co esponda con los e en os de en ada del sis ema.
También se han ob enido esul ados sa is ac o ios u ilizando es e simu-
lado pa a en ena sis emas de econocimien o de ex u as, como se mues-
a en [75], [76]. En la Fig. 3.11 se puede e la a qui ec u a p opues a en
dicho ejemplo, donde la p ime a capa incluye 24 módulos de con olución
10µs
39
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
en pa alelo, implemen ando un banco de il os de Gabo con 4 escalas y 6
o ien aciones di e en es.
FIGURA 3.10.
Esquema del sis ema AER implemen ado con el simulado pa a
econocimien o de le as.
FIGURA 3.11.
Esquema del sis ema AER implemen ado con el simulado pa a
econocimien o de ex u as.
Sis emas de con olución mul icapa
40
3.4. El chip de con olución AER
Una ez desc i a la mo i ación de es e abajo, así como el ma co
donde se encuad a, es el momen o de pasa a desc ibi el obje i o básico de
es a esis: el diseño del chip de con olución AER.
Den o del obje i o de diseña una a qui ec u a mul ichip compleja,
con igu able y e sá il que nos pe mi a implemen a sis emas neu onales, el
elemen o undamen al pa a pode cons ui es e ipo de sis emas es el chip
de con olución. En [77] se p opone una a qui ec u a pa a la ealización de
con oluciones bidimensionales en iempo eal basada en sis emas de isión
AER, con algunas es icciones sob e los ke nels pe mi idos, debiendo se
és os descomponibles en sus coo denadas (un ke nel de la o ma
).
En [78] se desc ibe un chip de con olución basado en in eg ado es
analógicos. Las p incipales limi aciones que p esen a es e chip son:
1.
la necesidad de calib ación pa a compensa el misma ch en e ansis o-
es,
2.
una educida esolución de sólo 3 bi s (incluso después de la calib a-
ción), debido a la ope ación en baja co ien e de los ansis o es,
3.
un iempo de la encia de e en os al o (de al ededo de ) debido a los
e asos de los componen es analógicos en los píxeles pola izados pa a
bajo consumo.
Es as limi aciones se han esuel o en los chips desa ollados en la p e-
sen e esis. Al usa píxeles comple amen e digi ales, desapa ece la necesi-
dad de calib ación (con su co espondien e cos e en é minos de á ea y de
consumo) y la p ecisión iene dada po el amaño de los egis os imple-
men ados en dichos píxeles. Además, al p escindi de componen es analógi-
cos de bajo consumo la ope ación es mucho más ápida, alcanzando
la encias de e en os an bajas como [79].
En es a esis se p oponen dos chips de con olución di e en es, aunque
ambos es án basados en píxeles comple amen e digi ales, y pe mi en el uso
x y,( )
F x y,( ) H x( )V y( )=
1ms
150ns
41
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
de ke nels de amaño y o ma a bi a ios. El amaño es á limi ado po la
memo ia del ke nel, que en nues o caso has sido de .
3.4.1. A qui ec u a
Desde el pun o de is a de la desc ipción de diag ama de bloques, los
dos chips de con olución diseñados pa a la p esen e esis (que llama emos
Con 1 y Con 2) compa en la a qui ec u a de la Fig. 3.12. En ambos casos,
el chip ecibe e en os AER de en ada (el bus Add ess_in, más las señales
del p o ocolo asínc ono Rqs _in y Ack_in), que ep esen an in o mación
isual p oceden e de la e apa an e io , y gene a e en os AER de salida (el
bus Add ess_ou , más las señales del p o ocolo asínc ono Rqs _ou y
Ack_ou ) que ep esen an el esul ado de la ope ación de con olución. Los
bloques que se mues an en la Fig. 3.12, que es án desc i os en de alle en los
siguien es capí ulos, son los siguien es:
1.
A ay de píxeles, de amaño en el caso de Con 1, siendo
ampliado has a en Con 2, cuad uplicando su esolución espa-
cial.
2.
Memo ia RAM es á ica in eg ada en el p opio chip, donde se almacena
el ke nel codi icado en complemen o a 2. En ambos chips el amaño de
la RAM es de da os, aunque Con 1 sólo pe mi e p og ama un
único ke nel mien as que Con 2 pe mi e p og ama en un p opio chip
has a 32 ke nels di e en es, implemen ando así el sis ema mul ike nel,
desc i o más adelan e.
3.
Con olado sínc ono, que se enca ga de secuencia odas las ope acio-
nes necesa ias pa a cada e en o de en ada, así como del mecanismo de
ol ido, que es independien e de la llegada de e en os.
4.
Gene ado de eloj de al a elocidad, de ecuencia con olable, que se
u iliza pa a el con olado sínc ono.
5.
Regis os de con igu ación, que almacenan una se ie de pa áme os ca -
gados a a és de un pue o se ie.
6.
In e so de complemen o a 2, es un bloque que cambia el signo del ke -
nel an es de aplica lo sob e los píxeles si el e en o de en ada es nega-
i o.
32 32×
32 32×
64 64×
32 32×

Sis emas de con olución mul icapa
42
7.
Bloque de desplazamien o ho izon al, pa a alinea adecuadamen e el
ke nel almacenado en la RAM con las coo denadas del e en o de
en ada.
8.
Gene ado AER, bloque asínc ono enca gado de a bi a en e los e en-
os gene ados po los píxeles y en ia los a la siguien e e apa del sis ema
mul ichip.
FIGURA 3.12.
A qui ec u a común de los chips Con 1 y Con 2
43
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
El uncionamien o del chip es el siguien e: cuando el con olado sín-
c ono de ec a un lanco de bajada en la señal de en ada Rqs _in, las coo de-
nadas del e en o que apa ecen en el bus Add ess_in se cap u an y se
comple a el handshaking asínc ono. En onces, el con olado u iliza la
in o mación ela i a al amaño del ke nel (que ha sido almacenada p e ia-
men e en los egis os de con igu ación) pa a calcula los lími es del campo
p oyec i o asociados a la di ección del e en o. Es e cálculo puede implica
es si uaciones dis in as:
1.
que el campo p oyec i o caiga comple amen e den o del a ay de píxe-
les,
2.
que caiga pa cialmen e den o del a ay,
3.
o que es é comple amen e ue a del a ay.
Si es amos en el caso 3, el con olado di ec amen e desca a el e en o
y se queda espe ando que llegue el siguien e. Sin emba go, en cualquie a de
las o as dos posibles si uaciones, el con olado calcula el desplazamien o
ho izon al izquie da/de echa en e las columnas de la RAM donde se alma-
cena el ke nel y las columnas del campo p oyec i o en el a ay de píxeles. A
con inuación, habili a la suma ila po ila de los alo es del ke nel sob e los
píxeles co espondien es. De es e modo, después de ecibi un e en o de
en ada, los píxeles que se encuen an den o del campo p oyec i o ac uali-
zan su es ado. En el caso de que alguno de ellos alcance el umb al p og a-
mado, és e ese ea su p opio es ado y gene a un e en o que, as se
a bi ado po el bloque asínc ono gene ado AER, es en iado al ex e io con
sus co espondien es señales de handshaking. Pa alelamen e a es e p ocesa-
mien o po e en o, hay un mecanismo de ol ido global que es común pa a
odos los píxeles.
El bloque asínc ono gene ado de AER sigue la écnica de lec u a de
e en os en pa alelo po ilas [41]. De es e modo, los e en os se a bi an po
ilas (pa a una misma ila, odas las señales de pe ición de e en o imple-
men an una OR cableada). Una ez que el a bi ado po ilas esponde,
odos los e en os gene ados po es a ila se almacenan en la pe i e ia supe-
io , libe ando el a bi ado po ilas. Así, és e puede a ende la pe ición de
o a ila mien as odos los e en os de la ila an e io son emi idos al ex e-
io en modo á aga.
x y,( )
Sis emas de con olución mul icapa
44
En gene al, ya que los ke nels de con olución pueden ene an o alo-
es posi i os como nega i os, los e en os de salida gene ados po un chip
de con olución ambién end án signo. En un sis ema mul icapa, las ope a-
ciones de con olución se pueden ejecu a en cascada, lo que implica que un
chip de con olución gené ico debe se capaz de maneja e en os de en ada
con signo, y de p oduci e en os de salida con signo. Po es e mo i o, los
chips de con olución desa ollados en el p esen e abajo incluyen un bi de
signo an o en el bus AER de en ada como en el de salida, así como pa a
los alo es almacenados en la RAM (codi icados en complemen o a 2). Los
píxeles deben se capaces ambién de ejecu a sumas con signo y p oduci
e en os posi i os o nega i os. Cuando es á p ocesando un e en o nega i o,
el con olado habili a el bloque in e so de complemen o a 2 pa a cambia
el signo de los alo es del ke nel an es de se sumado sob e los píxeles.
En cuan o al mecanismo de ol ido, és e ambién es manejado po el
con olado sínc ono. El obje i o de dicho mecanismo es que los alo es
absolu os almacenados en los píxeles se dec emen en a un i mo p og ama-
ble, pa a que és os puedan “ol ida ” su es ado as un iempo con olado.
3.4.2. Es uc u a mul ichip p opues a
Como se ha enido comen ando a lo la go de odo el capí ulo, el obje-
i o de es e abajo no se limi a al diseño de las dos e siones de chip de
con olución Con 1 y Con 2, sino que ambos ci cui os es án ideados pa a
o ma es uc u as mul ichip complejas. Pa a ello, en un p ime ni el desc i-
bimos la con igu ación en mosaico y el sis ema mul ike nel, pa a después
comen a la idea gene al de es uc u a mul ichip p opues a.
1.
Con igu ación en mosaico.
Ambos chips de con olución ienen 14 bi s de di ecciones en el bus de
en ada AER, 7 pa a cada coo denada. Así pues, son capaces de e un
espacio de di ecciones de . Sin emba go, las dimensiones del
a ay de píxeles son de en el caso de Con 1 y de en el
caso de Con 2. De es e modo, ambos chips o ecen la posibilidad de con i-
gu a la di ección base del a ay, pe mi iendo así conec a a ios chips en
pa alelo pa a emula el compo amien o de un único chip de mayo es
dimensiones. En el caso de Con 1, pod íamos c ea un mosaico de
128 128×
32 32×
64 64×
4 4×
45
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
chips pa a ene un a ay equi alen e de , mien as que con
Con 2 se ía su icien e con un mosaico de chips.
Un ejemplo de con igu ación en mosaico se mues a en la Fig. 3.13. En
ella podemos e un a ay de chips de con olución, cada uno de ellos
de , o mando en o al un único a ay de píxeles. En el
sis ema de la igu a puede ocu i que llegue un e en o de en ada al que al
aplica el ke nel de con olución el campo p oyec i o caiga epa ido en e 4
chips di e en es. Así pues, cada uno de los 16 chips del a ay ecibi ía dicho
e en o, y eniendo en cuen a sus p opias coo denadas calcula ía si alguna
pa e del campo p oyec i o le co esponde a él. Si la espues a es nega i a,
lo igno a ía, y si es a i ma i a p ocede ía a suma el ke nel sob e los píxeles
co espondien es. De es e modo, el sis ema se compo a e dade amen e
como un único a ay de amaño o al. Pa a que es o uncione co ec amen e
128 128×
2 2×
FIGURA 3.13.
Con igu ación en mosaico con a ios chips pa a p ocesa
imágenes mayo es.
4 4×
32 32×
128 128×
El píxel de con olución
52
pe mi iendo que los iones la a a iesen (el sodio en e y el po asio salga).
De es e modo, la pola idad de la memb ana se in ie e, y como consecuen-
cia se p oduce un impulso eléc ico. El po encial de in e sión causa que la
pe meabilidad de la memb ana uel a a cambia , y la neu ona uel a a su
es ado de eposo.
El po encial de in e sión se p opaga a lo la go del axón, y p oduce la
emisión de neu on ansmiso es en las dend i as. Como consecuencia, las
neu onas p oducen enes de pulsos cuya ecuencia es p opo cional a la
can idad de neu o ansmiso es ecibidos a su en ada. Una ca ac e ís ica de
es e mecanismo es que las neu onas más ac i as emi i án pulsos más ápido
que las demás. De es e modo, la in o mación más impo an e se p opaga
mucho más ápido po las di e en es capas de neu onas a lo la go del ce e-
b o pa a p oduci espues as muy ápidas con sólo una pequeña can idad de
pulsos.
En cuan o a las sinapsis, hay dos ipos de ellas: las inhibi o ias, cuyos
neu o ansmiso es ienden a es abiliza el po encial de la memb ana, y las
exci a o ias, cuyos neu o ansmiso es ienden a dec emen a dicho po en-
cial, y como consecuencia a a o ece la p oducción de pulsos. Cada neu-
ona iene como en adas sinapsis de los dos ipos. Es as sinapsis ienen
unos pesos que po encian más o menos la in luencia de los neu o ansmiso-
es, y se egulan pe mi iendo el ap endizaje a a és del cambio de dichos
pesos.
Cuando una neu ona no ecibe ningún es ímulo, la memb ana pe mi e
el paso de una pequeña can idad de iones de den o hacia ue a, haciendo
que el po encial de la memb ana ienda hacia el po encial de eposo. De es e
modo, los e en os de en ada más an iguos ienen menos ele ancia en el
es ado ac ual de la neu ona. Es lo que pod íamos llama mecanismo de
ol ido. Es e mecanismo es undamen al pa a de ec a co elaciones espacio-
empo ales, que es una o ma en la que se codi ica la in o mación en el
ce eb o [81]. Sin es e mecanismo de ol ido, se ía imposible dis ingui la
in o mación nue a de la an igua.

53
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
4.3. P ime a p opues a: el píxel analógico
A la ho a de diseña modelos que ep oduzcan el compo amien o de la
neu ona biológica, hay di e en es al e na i as. Una de las más u ilizadas es
el modelo p opues o po Hodgkin y Huxley [84], que consis e en un modelo
basado en conduc ancias ex aído del es udio del compo amien o de las
neu onas de los calama es. La idea básica de es e modelo es ep oduci el
lujo de iones a a és de la memb ana median e conduc ancias. El modelo
apa ece ep esen ado en la Fig. 4.3. Como se puede e , es á basado en es
conduc ancias: Na modela el ánsi o de iones de sodio a a és de la mem-
b ana, K ep esen a el lujo de po asio desde el in e io has a el ex e io de
la célula, y R modela las pé didas que implemen an el mecanismo de ol ido.
Como se e en la igu a, los alo es de las conduc ancias ela i as al lujo
de iones ( an o de sodio como de po asio) son a iables, ya que dependen
del po encial de la memb ana; sin emba go, el e ec o de las pé didas es
cons an e. Asimismo, la co ien e que apa ece en la igu a modela las en a-
das ecibidas po la neu ona p oducidas po conexiones con o as neu onas.
Es e modelo desc ibe con g an p ecisión el compo amien o de la
memb ana de po encial, pe o es bas an e complicado compu acionalmen e.
Po es e mo i o se p opuso el modelo SRM (Spike Response Model) como
una simpli icación del modelo an e io [85]. Es e modelo es á ep esen ado
en la Fig. 4.4. Cada ez que llega un pulso po un axón de en ada, se
FIGURA 4.3.
Esquema del modelo neu onal p opues o po Hodgkin y Huxley.
El píxel de con olución
54
inyec a una cie a can idad de ca ga al soma de la neu ona de acue do con el
peso de la sinapsis co espondien e, que es á modelado a a és de la un-
ción . Es a ca ga se in eg a en una capacidad C, de modo que cuando la
ensión de es a capacidad alcanza un cie o umb al , la neu ona p oduce
un pulso po el axón de salida y ese ea su es ado a un cie o alo de
eposo. El e ec o de es e pulso de ese sob e el po encial de la neu ona es á
modelado a a és de la unción . El e ec o de cualquie en ada
ex e na sob e el po encial de la memb ana se encuen a modelado po la
unción . Todas es as in e acciones en e dis in os elemen os del
modelo siguen unas cie as unciones empo ales que en gene al dependen
an o del ins an e ac ual como de los ins an es de llegada de los úl imos
e en os, pa a ace ca se al compo amien o de la neu ona biológica odo lo
posible.
La neu ona analógica In eg a e&Fi e u ilizada po Se ano [78] es á
basada en es e modelo SRM, aunque de o ma simpli icada, educiendo la
complejidad de las unciones in e nas de dicho modelo , y
has a con e i las en pulsos cuad ados. En la Fig. 4.5 se mues a una e -
sión educida de dicha neu ona. En ella, cada ez que llega un pulso de
en ada se cie a el swi ch inyec ando co ien e en la capacidad, inc emen-
FIGURA 4.4.
Esquema del modelo neu onal SRM.
ε ( )
υ
η ( )
κ ( )
ε ( )
η ( )
κ ( )
55
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
ando el alo de ensión de dicha capacidad una can idad ,
siendo el alo de la co ien e de en ada, la du ación del pulso y
el alo de la capacidad. Cuando la ensión del condensado alcanza el alo
umb al , el compa ado p oduci á un pulso de salida que ese ea á el
condensado desca gándolo has a un alo de ensión .
De o ma gene al, los pulsos de en ada pueden se an o posi i os
como nega i os, luego según el signo se p oduci á una inyección o una sus-
acción de ca ga en el condensado , en ambos casos a pa i de una
co ien e p opo cional al peso p opo cionado po el ke nel co espondien e.
Es o se puede e en la Fig. 4.6, donde se mues a el esquemá ico comple o
del píxel analógico. Cuando el píxel ecibe un pulso de en ada po Pulse+
o Pulse-, el bloque Logic se enca ga de ac i a o desac i a los ansis o es
y en unción del alo del ke nel p e iamen e alma-
cenado en el p opio bloque y del signo del e en o. De es e modo, las es uc-
u as o madas po es os ansis o es gene an un pulso de co ien e a pa i
de la co ien e de calib ación co espondien e o . Asimismo, en
luga de un único compa ado , son necesa ios dos de ellos pa a pode de ec-
a un umb al nega i o o posi i o en la ensión de la capacidad, y pode
gene a pulsos de salida con signo. Es os compa ado es son llamados en la
Fig. 4.6 Posi i e E en Block y Nega i e E en Block. Todo es o incluye una
FIGURA 4.5.
Esquema simpli icado de la neu ona analógica In eg a e&Fi e
u ilizada po Se ano [78].
h
ese
Synapse
V∆IwT∆⋅
C
----------------
=
Iw
T∆
C
V h
V ese
Mn1Mn3
–
Mp1Mp3
–
IcalN
IcalP
El píxel de con olución
56
cie a complejidad en el píxel analógico, ya que además es necesa io alma-
cena en el p opio píxel el alo del peso que iene que aplica pa a cada
e en o. Po es e mo i o incluye una memo ia dinámica den o del bloque
Logic.
Po o a pa e, pa a ob ene un co ec o uncionamien o es necesa io
inclui ci cui e ía de calib ación en el in e io del píxel. Es a necesidad de
calib ación es debida al misma ch en e ansis o es pola izados en egión
subumb al. Pa a compensa es as a iaciones, se incluye en cada píxel unas
celdas de memo ia en las que almacena una palab a digi al de 5 bi s que
con ola un espejo de co ien e que se usa pa a calib a una co ien e de
e e encia común pa a odos los píxeles, p oduciendo pa a cada píxel sus
p opias co ien es ya calib adas e . Además de complica el píxel
( an o en é minos de á ea como de consumo), es o implica un p oceso ini-
cial de calib ación que se iene que lle a a cabo una ez ab icado, calcu-
lando la palab a digi al de calib ación óp ima pa a cada píxel.
En la Fig. 4.7 se mues a una ep esen ación de las a iaciones de la
ensión del condensado con o me a ecibiendo pulsos de en ada ( an o
posi i os como nega i os). Dicha ensión a inc emen ándose y dec emen-
ándose en unción del signo de los e en os de en ada, has a que alcanza un
x4
IcalN
Posi i e
E en Block
Nega i e
E en Block
Mn0
Mn1 Mn2 Mn3
Mp0
Mp3
Mp1 Mp2
IcalP
x1 x4
x1
E ese
Vc
VddA
VgndA
Vo p
VgndB
VddB
Vo n
bp<0> bp<1> bp<2>
bn<0> bn<1> bn<2>
Logic
Pulse+
Pulse−
PulseF
CapSign
x2
ow Ack
ow Rqs
x2 p+
p−
FIGURA 4.6.
Esquemá ico comple o del píxel de con olución analógico.
IcalN
IcalP
57
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
alo umb al y se ese ea gene ando un pulso de salida del signo co espon-
dien e.
Resumiendo, las p incipales limi aciones que p esen aba es e píxel
analógico e an las siguien es:
1.
Complejidad incluida a ni el de píxel a causa de la necesidad de calib a-
ción pa a compensa el misma ch en e ansis o es.
2.
Reducida p ecisión conseguida po el píxel, debido a la ope ación en
subumb al de los ansis o es analógicos.
3.
Al o alo de la encia conseguido (al ededo de de e aso en e un
e en o de en ada y su co espondien e salida), p oducido po la len i ud
en los compa ado es in e nos del píxel pola izados en baja co ien e.
Con la inalidad de esol e los p incipales p oblemas del píxel analó-
gico, se p opone el píxel digi al obje o de la p esen e esis, desc i o en la
siguien e sección.
FIGURA 4.7.
Rep esen ación de la ensión del condensado y pulsos de salida
p oducidos po el píxel.
1ms

El píxel de con olución
58
4.4. El píxel digi al
En las dos e siones de chip de con olución p opues as (Con 1 y
Con 2), la ope ación de con olución se lle a a cabo a ni el de píxel
median e la in eg ación de e en os de en ada pesados con enien emen e
po los alo es del ke nel. El esquema gené ico del píxel digi al se mues a
en la Fig. 4.8. Como se puede e , el píxel consis e de o ma gené ica en un
acumulado y un sumado , el cual ecibe como en adas el alo del ke nel y
el p opio acumulado , además de un compa ado que gene a un pulso
cuando el alo del acumulado alcanza un lími e seleccionado y un bloque
que se enca ga de ges iona la comunicación del píxel con la pe i e ia AER
pa a gene a e en os. Pa a cada una de las dos e siones de chip de con o-
lución, se ha diseñado un píxel di e en e, aunque los dos se basan en es e
esquema gené ico. A con inuación amos a desc ibi de o ma de allada
cada una de las dos e siones del píxel digi al, comenzando po la e sión
inicial pa a segui después con la e sión a anzada.
FIGURA 4.8.
Esquema básico del píxel digi al de con olución p opues o.
59
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
4.4.1. Ve sión inicial Con 1
La pa e p incipal del píxel es un sumado de 18 bi s y un acumulado
de la misma esolución. En la Fig. 4.9 se mues a el diag ama de bloques de
dicho píxel. En es a p ime a e sión se implemen ó un amaño de sumado
sob edimensionado de o ma in encionada con el obje i o de pe mi i la
máxima p ecisión posible. El c i e io u ilizado ue pe mi i la acumulación
de un ke nel de amaño con odos sus pesos al máximo alo posi-
ble pa a sus 6 bi s (los alo es del ke nel se codi ican en 6 bi s), pe mi iendo
a su ez que el bi menos signi ica i o de dicho ke nel ambién u ie a la
posibilidad de con ibui al alo del acumulado . De es e modo, se selec-
cionó un ango dinámico de 18 bi s.
Si enemos en cuen a los modelos analógicos desc i os p e iamen e
donde el es ado de la neu ona se almacenaba en la ensión de un condensa-
do , en nues o caso el es ado del píxel se almacena en el acumulado , ep e-
sen ado en un núme o con signo codi icado en complemen o a 2 con 18 bi s
(17 más el signo). Es o implica que el es ado del píxel puede a ia en e
y . A su ez, los alo es del ke nel se
codi ican ambién en complemen o a 2, pe o con 6 bi s solamen e (5 más el
signo), luego pueden a ia en e y .
FIGURA 4.9.
Diag ama de bloques del píxel digi al de con olución, en su
e sión inicial.
32 32×
217
– 131072–=
217 1– 131071=
2532–=–
251– 31=
El píxel de con olución
60
El compo amien o del píxel es el siguien e. Cada ez que ecibe un
e en o de en ada, la señal enable (que es común pa a odos los píxeles de
una misma ila) se ac i a, p oduciendo que el acumulado se ac ualice
sumando a su alo an e io el co espondien e peso del ke nel . Si el
nue o alo del acumulado alcanza el umb al, se gene a un e en o de
salida y se ese ea el acumulado , ol iendo a su alo en eposo, que es 0.
En es a p ime a e sión del píxel se buscaba la mayo p og amabilidad
posible, así que se incluyó un mul iplexo de 8 en adas pa a pode seleccio-
na en e 8 dis in os lími es del acumulado , con la idea de pode adap a el
amaño del mismo pa a di e en es aplicaciones. Pa a ello, usamos un pa á-
me o de con ol de 3 bi s (Sel_lim), con el cual se elige uno de los bi s del
acumulado . Es e bi se compa a de o ma con inua con el bi de signo (que
es el más signi ica i o). De es e modo, pa a da os posi i os (es deci , que
ienen el ) el compa ado dispa a á cuando el bi seleccionado se
ponga a ‘1’, mien as que pa a da os nega i os ( ), dispa a á
cuando el bi seleccionado alga ‘0’. Los 8 posibles umb ales selecciona-
bles se mues an en la Tabla 4.1. Es impo an e ene en cuen a que, como se
mues a en la Fig. 4.9, u ilizamos una pue a XOR como compa ado pa a
de ec a el umb al. Po es e mo i o, hay que ene p ecaución a la ho a de
selecciona el máximo alo posible del ke nel en unción del bi selec-
cionado pa a lle a a cabo la compa ación. Así pues, debemos asegu a nos
que los alo es máximos u ilizados en el ke nel se án meno es o iguales que
el lími e seleccionado pa a el acumulado , an o en lo e e en e a los alo es
posi i os como a los nega i os. Si el alo del ke nel ue a mayo que el
umb al p og amado, cab ía la posibilidad de que no se p oduje a el e en o
co espondien e. Po ejemplo, si seleccionamos como umb al el bi 2 (es
deci , que dispa e cuando el acumulado alcance el alo 4) se p oduci ía un
e o si sumá amos un alo 8 ( ), ya que no a ec a ía al bi elegido
pa a el compa ado . Es e p oblema se esuel e limi ando los alo es del ke -
nel a los p opios umb ales del acumulado .
En cuan o a la implemen ación del mecanismo de ol ido a ni el de
píxel, és e ecibe un pulso de ol ido de o ma pe iódica que es gene ado po
el con olado sínc ono. Dicho pulso de ol ido p oduce un pulso en la señal
enable que llega a odos los píxeles del a ay, p o ocando un cambio en el
alo del acumulado . De es e modo, cuando el píxel ecibe un pulso en la
wij
msb 0=
msb 1=
wij
001000 2
61
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
señal de enable, en unción del alo de la señal Sel_ o ge ing ac ua á de un
modo u o o. Si es a señal indica que se a a de un pulso de ol ido, en luga
de oma como en ada del sumado el alo del ke nel almacenado en la
TABLA 4.1.
Posibles lími es p og amables pa a el acumulado .
Sel_lim Maximum Minimum
000
001
010
011
100
101
110
111
2
16
65536=
2
16
– 1– 65537–=
2
0
1=
2
0
– 1– 2–=
2
4
16=
2
4
– 1– 17–=
2
5
32=
2
5
– 1– 33–=
2
1
2=
2
1
– 1– 3–=
2
7
128=
2
7
– 1– 129–=
2
3
8=
2
3
– 1– 9–=
2
2
4=
2
2
– 1– 5–=
FIGURA 4.10.
Esquema del bloque de ol ido.
El píxel de con olución
68
i o). En cuan o a las señales de handshaking, an o Rqs como Ack son
comunes po ilas, mien as que las señales que indican el signo del e en o
gene ado (Pulse+ y Pulse-), son comunes po columnas. De es e modo, la
con igu ación en a ay sigue el esquema de la Fig. 4.17.
En cuan o al layou del píxel, lo podemos e en la Fig. 4.18. El á ea
o al que ocupa es . La mayo pa e del á ea es ocupada
po los 18 bi s del sumado y el acumulado , mien as que el es o de los
bloques ocupan un á ea meno . Hemos incluido en el píxel una capacidad
en e alimen ación y ie a pa a il a gli ches de po encia. Es a capacidad,
de , es á si uada bajo las líneas de alimen ación y ie a pa a e i a un
consumo ex a de á ea.
FIGURA 4.18.
Layou de la e sión inicial del píxel digi al.
95 6,101 3µm2
,×
240 F

69
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
El u ado de las líneas den o del píxel es un ema bas an e delicado,
con algunas capacidades pa ási as de acoplo bas an e c í icas, ya que algu-
nas de ellas son compa idas po odos los píxeles en una misma ila o
columna, y pueden alcanza longi udes de has a . Algunas de es as
líneas se usan pa a pa áme os de con igu ación, pa a los cuales ijamos un
alo al conec a el chip y pe manecen en eposo du an e el uncionamien o
no mal. Así pues, hemos ap o echado es as líneas “es á icas” pa a si ua las
en e las ápidas líneas dinámicas, e i ando acoplos en e dichas líneas
dinámicas.
4.4.1.1. Resul ados de simulación
Una ez desc i a la e sión inicial del píxel digi al de con olución,
amos a expone algunos esul ados de simulación eléc ica con Spec e
(Cadence) que ilus en el compo amien o de dicho píxel. Pa a comp oba
su uncionamien o, en los ejemplos que amos a mos a ijamos un alo
del da o co espondien e del ke nel y seleccionamos un lími e pa a el acu-
mulado . Con esos pa áme os ijos, en iamos una se ie de e en os de
en ada y comp obamos que el píxel gene a un e en o de salida cuando ha
alcanzado el lími e es ablecido pa a el acumulado .
Un p ime esul ado de simulación que ilus a el compo amien o del
bloque In e az AER podemos e lo en la Fig. 4.19. En ella se mues a un
caso en el que el píxel ha alcanzado el umb al posi i o del acumulado , y
as ac i a la señal Rqs _ ow, espe a la espues a del a bi ado . Una ez
que ecibe dicha espues a a a és de la señal Ack_ ow, desac i a la señal
Rqs _ ow y ac i a la señal Pulse+, man eniéndola has a que el a bi ado
desac i a la señal Ack_ ow. El mo i o po el cual la pendien e de subida de
la señal Pulse+ es más len a que la de bajada es que no iene ijada po el
píxel, que se limi a a o za la a ni el bajo cuando co esponde, sino que la
pendien e de subida iene dada po un pull-up de la pe i e ia. Veamos aho a
algunos ejemplos del uncionamien o del píxel.
1.
En un p ime ejemplo, pa a comp oba con p ecisión el uncionamien o
del sumado , ijamos el da o del ke nel a 1. En cada una de las 4 g á icas
mos adas en la Fig. 4.20 podemos e lo que ocu e cuando en iamos
e en os al píxel con un alo umb al del acumulado di e en e, que ale
3mm
El píxel de con olución
70
en cada caso 1, 2, 4 y 8, espec i amen e. En cada g á ica podemos e la
señal Enable (en ada) en la pa e in e io , y las señales Rqs _ ow y
Pulse+ gene adas po el píxel en la pa e cen al y supe io , espec i a-
men e. Encima de cada señal Enable podemos e el es ado del acumula-
do después de p ocesa cada uno de los e en os, lo cual nos pe mi e
comp oba cómo odos los pulsos de Rqs _ ow se p oducen con el alo
adecuado.
2.
En un segundo ejemplo, amos a juga ambién con la posibilidad de
a ia el da o del ke nel que el píxel es á ecibiendo. Las di e en es g á i-
cas co espondien es a es e ejemplo las podemos e en la Fig. 4.21. En
p ime luga , ijamos el da o a 2, y seleccionamos el lími e del acumula-
do 16, esul ando que as acumula 8 e en os de en ada el píxel
alcanza el lími e y ac i a la señal Rqs _ ow, como emos en la g á ica a).
En la g á ica b) man enemos el mismo alo del da o, pe o modi icamos
el umb al a 32, obse ando que en es e caso son 16 pulsos de en ada los
que el sumado ha con ado, ya que cada uno añade un ke nel de alo 2.
Po úl imo, en la g á ica c) le damos al da o del ke nel el alo 7, mien-
as que el umb al lo es ablecemos en 128. Una ez más, los núme os
sob e los pulsos de Enable nos indican el alo del acumulado as
suma cada uno de los pulsos. Como podemos e , as suma 18 e en os
FIGURA 4.19.
Señales de handshaking ob enidas en simulación.
Pulse+
Ack_ ow
Rqs _ ow
71
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
el alo del acumulado es de , lo cual implica que aún no
se ha alcanzado el lími e. Sin emba go, al suma el e en o núme o 19,
ob enemos , luego ya ha supe ado el lími e, p o o-
cando el pulso de salida. En es e caso, podemos comp oba cómo el
píxel de ec a que se ha sob epasado el lími e, aunque la cuen a no p o-
duzca el alo exac o, ya que solamen e comp ueba el cambio en el bi
co espondien e (en el caso del lími e 128, comp ueba el alo del bi 7,
ya que ).
3.
En es e o o ejemplo, amos a obse a cómo el píxel suma igualmen e
un da o nega i o, y además iene en cuen a los pulsos de ol ido, como se
FIGURA 4.20.
Resul ados de simulación co espondien es al ejemplo 1, con el
da o del ke nel igual a 1, y el lími e del acumulado a iando en e 1, 2, 4 y 8.
a) Lími e del acumulado = 1 b) Lími e del acumulado = 2
c) Lími e del acumulado = 4 d) Lími e del acumulado = 8
Pulse+
Rqs _ ow
Enable
Pulse+
Rqs _ ow
Enable
Pulse+
Rqs _ ow
Enable
Pulse+
Rqs _ ow
Enable
1111111
222
1234123412345 6 7 8 1234567 8
7 18×126=
126 7+ 133 128>=
27128=
El píxel de con olución
72
mues a en la Fig. 4.22. Conc e amen e, en es a p ueba u ilizamos como
da o del ke nel -1, mien as que el lími e del acumulado es -2. De es e
modo, cuando el píxel ecibe un p ime pulso de Enable, el acumulado
almacena el alo -1, pe o cuando jus o a con inuación ecibe un pulso
de ol ido, el píxel suma +1 (ya que el es ado ac ual es nega i o) y el acu-
mulado se pone a 0 de nue o. A con inuación, cuando llegan dos pulsos
de Enable consecu i os sin que haya ningún ol ido, en onces sí alcanza
el acumulado el alo , y gene a un e en o de salida. En es a igu a
se puede obse a ambién como la señal que se ac i a es Pulse-, y no
FIGURA 4.21.
Resul ados de simulación co espondien es al ejemplo 2, con el
da o del ke nel igual a 2 en a) y b) e igual a 7 en c), y el lími e del acumulado
a iando en e 16, 32 y 128, espec i amen e.
a) Lími e del acumulado = 16, Da o=2 b) Lími e del acumulado = 32, Da o=2
c) Lími e del acumulado = 128, Da o=7
246810 12 14 16 246810 12 14 16 2 46810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
714 2129 3542 49 56 6370 77 84 9198105112
119
126
133
Enable Rqs _low Pulse+
Enable Rqs _low Pulse+
Enable Rqs _low Pulse+
2–
73
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
Pulse+ como en los ejemplos p e ios, indicando co ec amen e el signo
del e en o p oducido.
4.4.2. Ve sión a anzada Con 2
Una ez ab icado y es ado el chip de con olución Con 1, basado en
la e sión inicial del píxel digi al desc i a en el apa ado an e io , comp oba-
mos que pa a cie as aplicaciones en las que que emos ob ene ápidamen e
e en os de salida como esul ado de la ope ación de con olución no necesi-
amos acumulado es con g an can idad de bi s. Asimismo, obse amos que
se ía in e esan e pode alcanza en un único chip una mayo esolución
espacial, es deci , mayo can idad de píxeles in eg ados. Po es e mo i o,
plan eamos es a e sión a anzada del píxel de con olución, con el obje i o
de inc emen a el núme o de píxeles in eg ados en un mismo chip sin que
ello suponga un cos e de á ea.
Las dimensiones u ilizadas pa a es a nue a e sión del píxel digi al son
6 bi s pa a el acumulado (5 más el signo), y 4 bi s pa a los da os del ke nel
FIGURA 4.22.
Resul ados de simulación co espondien e al ejemplo 3, con el
da o del ke nel igual a -1, el lími e del acumulado igual a -2, y con el e ec o
del ol ido.
Pulse+
Rqs _ ow
Ol ido
Enable
-1 0-1 -2

El píxel de con olución
74
(3 más el signo). De es e modo, el acumulado puede ep esen a alo es
codi icados en complemen o a 2 en e y , mien as
que el ke nel puede p esen a alo es en e y .
En la Fig. 4.23 se mues a el diag ama de bloques del nue o píxel de
con olución. Como se puede obse a , además de los nue os amaños del
sumado , del acumulado y del da o del ke nel, hay una se ie de di e encias
sob e la e sión an e io que hay que desc ibi : el bloque de swi ches a la
en ada del da o, la nue a selección del lími e del acumulado con el ci -
cui o “Logic =” y el bloque de inhibición.
1.
Bloque de swi ches. Es e bloque se añadió pa a educi el consumo de
po encia innecesa io en la e sión inicial del píxel. Como se desc ibió en
el apa ado an e io , los da os del ke nel almacenados en la RAM se
seleccionan po ilas pa a suma los sob e una ila de píxeles, con el des-
plazamien o ho izon al adecuado. Así, una ez que se ac i a la lec u a de
una ila de la RAM, cada da o apa ece a la en ada del sumado de odos
los píxeles de una misma columna. En la e sión an e io del píxel, es o
implicaba que odos los píxeles del a ay calculaban la suma co espon-
dien e, aunque sólo los píxeles de la ila seleccionada ecibían un pulso
de Enable, po lo cual solamen e és os almacenaban el esul ado de dicha
suma. Es e modo de ope ación p oducía un esul ado co ec o, aunque
enía el incon enien e de hace que odos los píxeles e ec ua an la suma
de o ma innecesa ia, p oduciendo un consumo de po encia excesi o.
Pa a soluciona es e p oblema, en la e sión a anzada del píxel se añadió
2– 532–=
251– 31=
23
– 8–=
231– 7=
FIGURA 4.23.
Diag ama de bloques de la e sión a anzada del píxel digi al de
con olución.
75
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
el bloque de swi ches a la en ada. En la Fig. 4.24 se puede e un
esquema de la uncionalidad de es e bloque, así como un diag ama em-
po al que mues a su compo amien o. De es e modo conseguimos e i a
que el píxel haga cualquie ipo de ope ación a menos que eciba un
pulso de Enable del con olado , y además sin necesidad de habe aña-
dido ninguna señal ex a, ya que hemos u ilizado la p opia señal de Ena-
ble. Así pues, el lanco de subida de dicha señal pe mi e el paso del da o,
y el lanco de bajada hace que se almacene el esul ado de la suma en el
acumulado . Es o a a impone una limi ación sob e la máxima ecuen-
cia de eloj posible, ya que la du ación de la señal de Enable iene dada
po la du ación de un ciclo de eloj. De es e modo, una ecuencia de
eloj muy ele ada p o oca á que el sumado no enga iempo de ealiza
la ope ación en la du ación del pulso de Enable. En la Fig. 4.25 se puede
e el esquemá ico del bloque de swi ches a ni el de ansis o es.
FIGURA 4.24.
Esquema del bloque de swi ches y diag ama empo al de su
uncionamien o.
El píxel de con olución
76
2.
Selección del lími e del acumulado . En la e sión inicial exis ía la posi-
bilidad de elegi en e 8 posibles umb ales, ya que eníamos un acumula-
do sob edimensionado de 18 bi s, y así conseguíamos ene un mayo
con ol sob e el píxel, y ealiza p uebas con dis in os amaños. Sin
emba go, con el acumulado ac ual de 6 bi s no iene sen ido man ene
an al a p og amabilidad. Así pues, nues o obje i o es man ene la posi-
bilidad de escoge en e dos posibles umb ales, con lo cual además edu-
cimos el amaño del mul iplexo , lo que se aduce en un aho o de á ea
(que es uno de nues os g andes obje i os pa a es e píxel). Sin emba go,
siguiendo con la misma es a egia de compa a un bi del acumulado
con su p opio bi de signo no conseguíamos los alo es que nos in e e-
san. Es deci , en nues o nue o acumulado de 5 bi s más el signo pod ía-
mos es ablece un umb al máximo de y un umb al mínimo de
, a pesa de pode ep esen a alo es en e -32 y 31.
Es a limi ación es debida a la o ma de de ec a el umb al a a és de la
obse ación de un único bi . Pa a pode ap o echa comple amen e la
esolución que nos da nues o acumulado se ía necesa io inclui un blo-
que compa ado más complejo, en el que se obse e el alo de odos los
bi s. Sin emba go, es o añadi ía una complicación ex a a nues o píxel,
lo que se aduce en un inc emen o de á ea, algo que que emos e i a .
FIGURA 4.25.
Esquemá ico del bloque de swi ches.
2416=
24
– 1– 17–=
77
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
Po es e mo i o p oponemos una solución in e media, compa ando sola-
men e los dos bi s más signi ica i os de la magni ud con el bi de signo.
De es e modo, de ec a emos el umb al pa a el alo
en los posi i os, y . Es a ope ación la ealiza la
pue a lógica que podemos e en la Fig. 4.26, ya que se a a de compa-
a el alo de es os dos bi s con el bi de signo in e ido. Po ese mo i o,
las en adas de es e bloque A, B y C se conec an a los bi s 3 y 4, y al bi
de signo in e ido, espec i amen e. No obs an e, incluimos en el píxel
ambién un mul iplexo de 2 en adas pa a pode selecciona en e los
umb ales de -25 y 24, o bien y , simplemen e
seleccionando el bi 3 del acumulado del mismo modo que lo hacíamos
en la e sión an e io del píxel. Así pues, los posibles umb ales quedan
al y como se mues a en la Tabla 4.2.
3.
El bloque de inhibición es una nue a u ilidad añadida a ni el de píxel
pa a pode selecciona el signo de los e en os que nos in e esan en una
011000 224 10
=
100111 225 10
–=
FIGURA 4.26.
Pue a lógica que indica si 3 señales de en ada son iguales en e
sí.
23
– 1– 9–=
238=
El píxel de con olución
84
obse a cómo son necesa ios has a 15 e en os de en ada pa a alcanza
el alo umb al de 8, debido a los pulsos de ol ido in e calados.
Con es o, damos po concluido el capí ulo dedicado a la desc ipción
del píxel de con olución. En el siguien e capí ulo pasamos a desc ibi el
es o de bloques pe i é icos u ilizados en los chips de con olución Con 1 y
Con 2.
FIGURA 4.33.
Resul ados de simulación co espondien es al ejemplo 3. En la
g á ica de la izquie da se u iliza un da o igual a -1 con un umb al del
acumulado de -25, mien as que en la g á ica de la de echa se usa un da o
igual a 1 con un umb al de 8, pe o con el e ec o del ol ido ac i ado.
Enable
Rq_ ow
Pulse-
Enable
Rq_ ow
Pulse+ Fo ge ing
123456 7 8910111213141516171819202122232425 11223 3 4 45566778
0123 4 5 6

85
CAPÍTULO 5
Bloques pe i é icos en
los chips de con olución
5.1. In oducción
La o ma de lle a a cabo con oluciones bidimensionales median e un
sis ema AER ha sido desc i a en capí ulos p e ios. Resumiendo, nues o
chip de con olución iene que ecibi e en os de en ada, y pa a cada uno de
ellos ha de suma el ke nel (que p e iamen e ha sido ca gado en la RAM del
ke nel) sob e un ecinda io de píxeles de e minado po la di ección del
e en o de en ada. Además cuando cada uno de es os píxeles alcance un
umb al, iene que gene a un e en o de salida y ansmi i lo al pue o AER
de salida. La pa e cen al de es e p ocesamien o, el píxel de con olución,
ya ha sido desc i o en el capí ulo an e io , y es el enca gado de compu a de
o ma local la ope ación de con olución, pe o son necesa ios una se ie de
bloques pa a ges iona el p ocesamien o comple o.
En gene al, apa e del a ay de píxeles, podemos dis ingui dos pa es
undamen ales en nues os chips de con olución: la que se enca ga de eci-
bi los e en os de en ada y suma el ke nel sob e los píxeles, y la que se
enca ga de ecibi los e en os gene ados po los píxeles y en ia los al ex e-
io . Todo ello se mues a en la Fig. 5.1.
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
86
La que pod íamos llama e apa de en ada cons a de los siguien es blo-
ques:
1.
El con olado sínc ono, que cap u a el e en o de en ada y ealiza los
cálculos opo unos pa a decidi qué acciones iene que lle a a cabo pa a
p ocesa dicho e en o. Además se enca ga de en ia al es o de bloques
las señales opo unas pa a lle a a cabo dicho p ocesamien o. Es e blo-
que es á de allado en la Sección 5.2.
2.
La memo ia RAM, donde se almacena el ke nel de con olución an es de
que el chip en e en modo de uncionamien o, y de donde se leen los
FIGURA 5.1.
A qui ec u a del chip de con olución (* Bloque incluido
solamen e en la e sión Con 2)
87
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
da os que ienen que se sumados po los píxeles. Es e bloque apa ece
desc i o en la Sección 5.3.
3.
El in e so de complemen o a 2, que se enca ga de in e i los da os del
ke nel an es de suma los en los píxeles en el caso de que el e en o de
en ada enga signo nega i o. En la Sección 5.4 se encuen a la desc ip-
ción de es e bloque.
4.
El bloque de desplazamien o ho izon al. Según la di ección del e en o
de en ada, el ke nel almacenado en la RAM debe á suma se sob e unos
píxeles conc e os den o del a ay. Es e bloque se enca ga de desplaza
ho izon almen e el ke nel de la RAM pa a que coincida jus o con los
píxeles deseados. Es á desc i o en la Sección 5.5.
Po o a pa e, la e apa de salida es la que llamamos gene ado AER, y
apa ece de allada en la Sección 5.6.
En gene al, hay que eco da que en la p esen e esis es amos desc i-
biendo dos e siones di e en es de chip de con olución, a las que nos e e i-
mos como Con 1 y Con 2, y ya en el Capí ulo an e io desc ibimos los
píxeles de con olución co espondien es a las dos e siones. Del mismo
modo, a lo la go del p esen e capí ulo, pa a cada bloque i emos comen ando
las di e encias exis en es en e ambas e siones de dicho bloque si las
hubie a.
5.2. El con olado sínc ono
El esquema del con olado sínc ono podemos e lo en la Fig. 5.2.
Aunque la pa e undamen al del con olado es la máquina de es ados, que
es la enca gada de ealiza odo el p ocesamien o y habili a las ope aciones
que ienen que ealiza el es o de bloques, dicha máquina de es ados nece-
si a una se ie de bloques pa a su uncionamien o. Si analizamos es e
diag ama de bloques desde el pun o de is a de la en ada de e en os, en p i-
me luga nos encon amos un bloque de sinc onizado es. Es e bloque es
necesa io po la na u aleza asínc ona del p o ocolo AER, pa a p ocesa un
e en o asínc ono po una máquina de es ados sínc ona (es o se explica á
más adelan e, con esul ados expe imen ales, en la Sección 5.2.4). A con i-
nuación, apa ece la cola de en ada, que se u iliza pa a almacena en ella los
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
88
e en os de en ada mien as espe an pa a se p ocesados. Es o e i a el
iesgo de pe de e en os que lleguen en un pe iodo de iempo meno del
necesa io pa a p ocesa los. A con inuación, los e en os cap u ados po la
cola son p ocesados po la máquina de es ados, que se enca ga de habili a
las señales opo unas pa a la lec u a de las ilas del ke nel p og amadas en
la RAM, in e i los da os si el e en o que es á p ocesando es nega i o,
indica el desplazamien o ho izon al necesa io pa a que el ke nel quede cen-
ado sob e los píxeles adecuados, y po úl imo gene a los pulsos de Enable
pa a que cada ila de píxeles sume los da os opo unos del ke nel. También
se enca ga, en el caso de Con 2, de gene a unas señales pa a bloquea
columnas, como pa e del sis ema mul ike nel.
El sis ema mul ike nel (u ilidad incluida en Con 2) pe mi e p og ama
a ios ke nels di e en es (has a un máximo de 32) en la memo ia RAM, de
o ma que cada e en o de en ada incluye, apa e de la di ección, in o ma-
ción sob e qué ke nel debe usa se pa a p ocesa lo. Así, el con olado iene
que ac i a las ilas co espondien es de la RAM en unción del ke nel indi-
FIGURA 5.2.
Diag ama de bloques del con olado sínc ono.
89
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
cado po cada e en o, y ambién iene que bloquea las columnas que no
o man pa e del ke nel (que en gene al, o ma án pa e de o o ke nel di e-
en e) pa a que sólo se sumen las posiciones adecuadas sob e el a ay de
píxeles. En las siguien es secciones se desc ibi á cómo a ec a es a u ilidad a
los di e en es bloques del chip.
Además de es os bloques, emos en la Fig. 5.2 que ambién enemos
un gene ado de eloj, que pe mi e que el con olado sínc ono uncione sin
necesidad de una señal de eloj ex e na (que ambién se le puede suminis a
si lo deseamos). Y po úl imo, aunque no necesa iamen e debe es a in e-
g ado den o del con olado , ep esen amos en la igu a el egis o de con i-
gu ación. En es e egis o, an es de que nues o chip en e en modo de
ope ación, ca gamos una se ie de pa áme os en se ie con los cuales es able-
cemos el modo de uncionamien o. Algunos de es os pa áme os son u iliza-
dos po la máquina de es ados pa a ealiza su come ido (como la di ección
base de los píxeles del a ay), y o os se usan pa a con igu a los p opios
píxeles (como el alo del umb al del acumulado ).
El con olado ha sido desc i o median e código VHDL [93] y sin e i-
zado de o ma au omá ica, con la pa icula idad del egis o de con igu a-
ción, que en la e sión de Con 1 se diseñó apa e del con olado mien as
que en Con 2 se incluyó den o del bloque global.
5.2.1. El gene ado de eloj de al a ecuencia
El gene ado de eloj u ilizado es un oscilado en anillo de 5 in e so-
es, al y como se mues a en la Fig. 5.3. El ealidad, el quin o in e so del
anillo es á in eg ado en la pue a NAND que se u iliza pa a habili a lo o
deshabili a lo. Como podemos e , hay un mul iplexo que, median e la
señal Sel_clk, pe mi e conmu a en e la señal de eloj gene ada in e na-
men e u o a in oducida desde ue a del chip. La pue a NAND se enca ga
de que el anillo deje de oscila cuando es á seleccionado el eloj ex e no,
pa a e i a consumo y uido innecesa io.
Además, como se indica en la igu a, uno de los in e so es del anillo
iene limi ada la co ien e máxima median e una señal de con ol Vbias_clk,
la cual es accesible desde el ex e io del chip y nos pe mi e p og ama la

Bloques pe i é icos en los chips de con olución
90
ecuencia de eloj. La señal de eloj gene ada po es e bloque (Clk_ou )
es á conec ada a un di iso de ecuencia que nos pe mi e accede a su
salida desde ue a del chip. G acias a eso, podemos medi ex e namen e la
ecuencia de eloj (di idida po 32, pa a acili a su isualización en labo-
a o io) y ajus a la ensión de con ol pa a consegui la ecuencia que que-
amos. En la Fig. 5.4 podemos e la elación ob enida po simulación del
ex aído con Spec e en e es a ensión de con ol y la ecuencia de oscila-
ción. El con olado puede abaja con ecuencias de eloj de has a
200MHz, aunque la ecuencia máxima de uncionamien o del chip iene
limi ada po o os bloques.
5.2.2. La cola de en ada
Al habla de la cola de en ada nos e e imos al bloque enca gado de
cap u a los e en os (p e iamen e sinc onizados con el eloj del sis ema) y
pasá selos a la máquina de es ados pa a que és a ealice las ope aciones
opo unas. Además, incluye una cola ci cula de 4 posiciones que ac úa
como un bu e , es deci , pe mi e almacena has a 5 e en os mien as la
máquina de es ados es á ocupada (los 4 de la cola más la posición de alma-
cenamien o en el bloque Ex e nal In e ace). En ealidad el obje i o de es a
cola no es se capaz de ges iona un al o p omedio de á ico de en ada, ya
que la cola se sa u a ía al hace lo la máquina de es ados, sino que es á dise-
ñada pa a esponde an e pequeños picos de á ico pun uales. Si llegan
FIGURA 5.3.
Esquema del gene ado de eloj.
91
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
e en os mien as odas las posiciones es án ocupadas, el ecep o de iene al
emiso no espondiendo a la señal de Rqs .
El uncionamien o de la cola es el que se explica a con inuación, y es á
ilus ado en la Fig. 5.5. En es ado de eposo pe manece mien as espe a que
se ac i e la señal Rqs . Una ez que se ac i a dicha señal, comp ueba si hay
FIGURA 5.4.
Ca ac e ización del gene ado de eloj ( ecuencia de oscilación
en e a la ensión de con ol).
FIGURA 5.5.
Diag ama que ilus a el uncionamien o de la cola de en ada.
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
92
alguna posición lib e de la cola (mi ando una señal in e na Full/Emp y), y si
la espues a es a i ma i a en onces almacena la di ección del e en o y
ac i a la señal Ack. Es e p oceso se lle a a cabo po el bloque llamado
Ex e nal In e ace, que a su ez se enca ga de en ia el e en o almacenado
al bloque llamado Do W i e, que se enca ga de la esc i u a en la cola. Así
pues, a con inuación es e bloque se enca ga de copia la di ección del
e en o en la p ime a posición disponible de la cola, y de inc emen a el
alo del egis o llamado Las , que apun a al úl imo elemen o de la cola.
En onces e i ica si el alo de (Las +1)MOD4 coincide con el de Fi s
MOD4, lo cual signi ica ía que la cola es á comple a, ac i ando en ese caso
la señal Full/Emp y.
En cuan o al p oceso de lec u a, cuando la máquina de es ados es é en
espe a, comp oba á si hay algún e en o en la cola p egun ándole al bloque
Do Read, el cual se enca ga de mi a los alo es de Fi s , Las y Full/Emp y.
Si se da el caso de que (Las +1)MOD4 no coincide con Fi s MOD4, o bien
Full/Emp y es á ac i o, eso signi ica que hay al menos un e en o en la cola
espe ando a se p ocesado. En ese caso, en ía a la máquina de es ados el
e en o almacenado en la posición Fi s de la cola, inc emen ando el alo
de Fi s y desac i ando Full/Emp y si es aba ac i o.
5.2.3. La máquina de es ados
La máquina de es ados es la esponsable de lle a a cabo la ope ación
de con olución paso po paso, habili ando la suma del ke nel sob e los píxe-
les opo unos ila po ila. Pa a ello, necesi a conoce las coo denadas del
a ay de píxeles y del e en o de en ada, así como el amaño del ke nel, pa a
así pode calcula la posición exac a sob e la que aplica dicho ke nel.
Puede ocu i que el campo p oyec i o co espondien e a un e en o de
en ada caiga comple amen e ue a del espacio de di ecciones del chip, o
bien que caiga den o pa cialmen e. En unción del caso conc e o en el que
se encuen e, el con olado e ec ua á unas ope aciones u o as. El diag ama
de es ados se mues a en la Fig. 5.6, y lo desc ibimos a con inuación:
1.
Es ado de eposo. El con olado se encuen a espe ando has a la llegada
de algún e en o de en ada. Mien as la cola no ac i e la señal de da o
disponible, la máquina pe manece inde inidamen e en es e es ado. Una
ez que de ec a dicha señal, pasa al es ado de cálculo. Es e es ado se
93
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
enca ga ambién de la gene ación de la señal de ol ido global de o ma
pe iódica. El con olado , apa e de es a máquina de es ados, incluye
ambién un con ado p og amable de 20 bi s que ac i a una señal de in
de cuen a cada ez que alcanza el lími e, quedándose a la espe a. Sin
emba go, pa a e i a colisiones en e la señal de ol ido y las señales
Enable, es el es ado de eposo de la máquina de es ados el que com-
p ueba el alo de la señal de in de cuen a, gene ando en onces el pulso
global de ol ido y einiciando el con ado .
2.
Es ado de cálculo. Es en es e es ado donde la máquina iene que ealiza
los cálculos y decidi las ope aciones necesa ias. En p ime luga , com-
pu a la posición ho izon al del ke nel den o del a ay de píxeles, de
FIGURA 5.6.
Diag ama de es ados del con olado sínc ono.
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
100
los pulsos de ol ido. Tan o los bi s de selección de sinc onizado como el de
selección de eloj se usan pa a con ola sus bloques co espondien es. En
cuan o a los 64 bi s de con igu ación de los pull-downs de la a bi ación po
ilas, su uncionamien o apa ece desc i o en la Sección 5.6, al desc ibi el
gene ado AER.
En cuan o a la o a e sión de chip de con olución Con 2, la e apa de
con igu ación p esen a una se ie de no edades, undamen almen e debidas
al sis ema mul ike nel. Como ya se ha comen ado an e io men e, es e sis-
ema se basa en la posibilidad de p og ama has a 32 ke nels di e en es en la
RAM, así que pa a que la máquina de es ados pueda accede al ke nel
co espondien e en unción del e en o de en ada necesi a in o mación
ace ca de la posición de cada uno de ellos. Po ese mo i o se ha diseñado
una abla de memo ia o mada po 34 ilas de 32 bi s cada una. En cada ila
de las 32 p ime as se almacena la in o mación e e en e a cada ke nel,
mien as que en las dos úl imas ilas se almacenan el es o de pa áme os del
sis ema.
TABLA 5.2.
Lis a de pa áme os de con igu ación
Pa áme o Núme o de
bi s Signi icado
14 Coo denada del píxel supe io izquie do den-
o del espacio de en ada de 128x128
14 Coo denada del píxel in e io de echo den o
del espacio de en ada de 128x128
10 Dimensiones del ke nel den o de la RAM
20 Ciclos de eloj en e dos pulsos de ol ido
globales
1 Selección del eloj in e no o ex e no
3 Selección del lími e del acumulado
64 Con igu ación de los ansis o es pull-down
en la a bi ación po ilas
2 Selección de sinc onizado
x y,( )
min
x y,( )
max
p q,( )
n
ol
sel
clk
sel
acc
sel
pd
sel
syn

101
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
Pa a desc ibi la in o mación e e en e a cada ke nel se necesi an 6
pa áme os, los cuales apa ecen ep esen ados en la Fig. 5.9. Como pode-
mos e , 4 de es os pa áme os indican la posición del ke nel den o de la
memo ia RAM a a és de las coo denadas de la esquina supe io izquie da
y de la esquina in e io de echa . Cada uno de es os
4 pa áme os iene 5 bi s. En cuan o a los dos pa áme os es an es, indican
las coo denadas del cen o de aplicación del ke nel. En la e sión an e io
Con 1 es e pa áme o no exis ía, ya que se conside aba que odos los ke -
nels se aplicaban sob e su p opio cen o. Sin emba go, pa a algunas aplica-
ciones se ha comp obado que no siemp e iene que se así. Po ejemplo, en
las aplicaciones de econocimien o de le as se usan con oluciones que a-
an de de ec a ca ac e ís icas de un ca ác e que se encuen an en un
ex emo del mismo, luego el ke nel se iene que aplica desplazado sob e su
p opio cen o [74]. Po es e mo i o se incluyen dos pa áme os que
indican la posición ela i a a la di ección del e en o que debe ocupa el ke -
nel. Es os pa áme os pueden se posi i os o nega i os, ya que es a posición
puede supone un desplazamien o hacia la de echa o hacia la izquie da, y
FIGURA 5.9.
De inición de los pa áme os ela i os a cada ke nel.
xmin ymin
,( )
xmax ymax
,( )
cxcy
,( )
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
102
hacia a iba o hacia abajo. Po ello, se codi ican en complemen o a 2 con 6
bi s (5 más el signo), con o mando un o al de 32 bi s pa a de ini las ca ac-
e ís icas de cada ke nel, que es la longi ud de una ila de la abla de memo-
ia.
Así, cada ez que llega un e en o de en ada, en unción del núme o de
ke nel que indique se selecciona la ila co espondien e de es a abla de
memo ia, de o ma que la máquina de es ados solamen e e á esa ila, a pa -
i de la cual ob iene los da os necesa ios pa a calcula el desplazamien o
ho izon al que debe aplica pa a cen a el ke nel sob e el a ay de píxeles,
así como las posiciones de la RAM que iene que lee . También u iliza es os
pa áme os pa a ac i a las señales Block_col pa a odos los alo es meno-
es que y mayo es que .
En las dos ilas es an es de la abla de memo ia se almacena la in o -
mación ela i a a la con igu ación del chip de con olución. En la ila 33 se
incluyen las coo denadas del espacio de di ecciones del chip ,
, 4 pa áme os de 8 bi s cada uno. La úl ima ila, la 34, almacena
1 bi de selección pa a el lími e del acumulado de los píxeles, 2 bi s pa a la
selección de inhibición de e en os posi i os o nega i os, 1 bi pa a la ac i-
ación del mecanismo de ol ido y 20 bi s pa a es ablece la ecuencia de
dicho mecanismo.
5.3. La memo ia RAM es á ica
La memo ia RAM es el bloque que se enca ga de almacena el alo
del ke nel (ya sea un único ke nel en Con 1 o múl iples de ellos en Con 2),
así que ambién se á el que limi e el amaño del ke nel de con olución. En
el caso de Con 1 podemos u iliza ke nels de un amaño máximo de
, mien as que en el caso de Con 2 end emos la misma limi ación
si p og amamos un único ke nel, mien as que cuando p og amemos a ios
de ellos se á obliga o io que es os sean más pequeños. En de ini i a, en
ambos casos la memo ia RAM cuen a con posiciones. La di e en-
cia en e ambos chips es que, como se desc ibió en el capí ulo an e io ,
Con 1 u iliza da os de 6 bi s mien as que Con 2 los usa de 4 bi s. Po lo
demás, desde un pun o de is a de es uc u a, ambas memo ias son iguales.
xmin
xmax
imin jmin
,( )
imax jmax
,( )
32 32×
32 32×
103
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
En la Fig. 5.10 podemos e el esquema del bloque comple o de
memo ia RAM, incluyendo la ci cui e ía de esc i u a y lec u a. En la pa e
in e io emos el egis o de desplazamien o de bi s, siendo n el
núme o de bi s de cada da o (6 pa a Con 1 y 4 pa a Con 2). Es e egis o de
desplazamien o en ealidad cuen a con 5 bi s más que se usan pa a indica la
ila co espondien e. De es e modo, cuando que emos esc ibi la RAM
desde ue a del chip, en iamos cadenas de bi s, y el decodi i-
cado se enca ga de ac i a la ila co espondien e y almacena los da os en
ella. El p oceso de lec u a es muy pa ecido, sal o que los 5 bi s que selec-
cionan la ila no los oma del egis o de desplazamien o, sino del p opio
con olado , que ac i a el modo de lec u a y le indica la ila co espon-
dien e. De es e modo, el decodi icado habili a la lec u a de la ila co es-
pondien e.
Pa a implemen a el sis ema mul ike nel, en el chip Con 2 se añade un
bloque ex a a la salida de los da os de la RAM, ya que enemos que asegu-
a nos de que odas las posiciones de la memo ia que no se co esponden
con el ke nel que es emos p ocesando en cada momen o no a ec en al a ay
de píxeles. Pa a ello la máquina de es ados gene a una señal de Block_col
FIGURA 5.10.
Esquema del bloque comple o de memo ia RAM.
32 n×
32 n×( ) 5+
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
104
pa a cada una de las 32 posiciones de la RAM (po columnas) que se
enca ga de bloquea odas las palab as que no pe enecen al ke nel. El ci -
cui o que se enca ga de implemen a es e bloqueo apa ece ep esen ado en
la Fig. 5.11. En es a igu a se mues a el subci cui o co espondien e a cada
uno de los 32 da os de la RAM ( o mados po 4 bi s cada uno en el caso de
Con 2). Así pues, el ci cui o comple o inclui á 32 celdas como la de la
igu a. El ci cui o ecibe del con olado 32 señales de Block_col_i, las cua-
les ald án 1 pa a y 0 pa a los alo es es an es ( y
se co esponden con la posición del ke nel en la RAM según se indica en la
Fig. 5.9). Así las señales Da a_i<0:3> ald án 0 pa a odas las columnas
que no pe enezcan al ke nel.
En la Fig. 5.12 podemos e la es uc u a de una celda básica de la
memo ia RAM, diseñada de o ma que iene un iempo de lec u a in e io a
2ns, ya que necesi amos que el iempo de esc i u a del ke nel sea lo más
ápido posible. Cualquie e aso ex a que añadie a la RAM incidi ía en el
iempo que se a da en p ocesa cada ila, y como consecuencia limi a ía la
máxima ecuencia de eloj que puede se p og amada. La Fig. 5.13 mues a
el layou de una celda básica como la de la Fig. 5.12.
FIGURA 5.11.
Ci cui o enca gado de bloquea las columnas de la RAM pa a
implemen a el sis ema mul ike nel.
xmin i xmax
≤ ≤
xmin
xmax
105
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
5.4. El in e so de complemen o a 2
Como ya se explicó al desc ibi el uncionamien o global del chip de
con olución, és e ecibe e en os AER con su co espondien e bi de signo,
al igual que cada e en o de salida debe se gene ado ambién con su p opio
signo indicando si el píxel en cues ión ha sa u ado po el lími e posi i o o
po el nega i o. Así pues, cuando un chip ecibe un e en o de en ada nega-
FIGURA 5.12.
Celda básica de la memo ia RAM.
FIGURA 5.13.
Layou de una celda de memo ia RAM.

Bloques pe i é icos en los chips de con olución
106
i o iene que p ocesa lo como al, es deci , sumando el ke nel sob e el
ecinda io co espondien e pe o cambiado de signo. Po es e mo i o necesi-
amos un bloque que in ie a el signo del ke nel.
Pa a desempeña es a unción se con empla on 2 al e na i as. La p i-
me a de ellas consis ía en almacena en nues a memo ia RAM el ke nel
na u al y con el signo in e ido. Es o simpli ica ía la ope ación del chip, ya
que simplemen e end ía que accede a una zona di e en e de la memo ia en
unción del signo del e en o. Sin emba go, la des en aja que enía es que
limi aba el amaño del ke nel, ya que és e necesi aba el doble de su amaño
pa a almacena lo. La segunda al e na i a consis ía en añadi un bloque que
calcula a el in e so de cada da o de la RAM en el momen o de se leído.
Es a al e na i a nos pe mi e man ene el amaño máximo del ke nel, y sola-
men e iene la pequeña des en aja de añadi un lige o e aso sob e el p o-
ceso de lec u a, así que hemos diseñado el bloque in e so pa a minimiza
dicho e aso, que en la p ác ica esul a desp eciable den o del p oceso de
lec u a. El e aso añadido po el bloque in e so ha sido es imado en unos
median e simulación con Spec e, mien as que el cos e de á ea adi-
cional consumida po es e ci cui o es de unas (siendo el á ea
consumida po la RAM de mucho mayo ).
De es e modo, se necesi an 32 bloques, uno pa a cada posición de la
RAM. Pa a Con 1, la es uc u a del bloque p opues o cons a de 6 ci cui os
combinacionales, uno po cada salida. Pa a Con 2 sólo necesi amos 4 ci -
cui os. Po es e mo i o amos a desc ibi el u ilizado en Con 1. La en ada
a cada bloque se a a de una palab a digi al de 6 bi s siendo
el bi más signi ica i o, el que indica el signo. Además, ecibi án una
en ada sel que indica que se habili a la ope ación de in e sión, y se ob iene
o a palab a digi al de 6 bi s de salida donde es el bi más
signi ica i o. A pa i de las ablas de e dad que exp esan los esul ados
pa a odas las posibles combinaciones, las exp esiones lógicas ob enidas
pa a las 6 señales de salida se pueden e en las ecuaciones (5.1)-(5.6).
(EQ 5.1)
(EQ 5.2)
400ps
3750 40µm2
×
3750 480µm2
×
i0…i5
, ,( )
i5
o0…o5
, ,( )
o5
o0i0
=
o1i1sel∨( ) i0i1
∨( ) i1i0sel∨ ∨( )∧ ∧=
107
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
(EQ 5.3)
(EQ 5.4)
(EQ 5.5)
(EQ 5.6)
A pa i de es as exp esiones se ob ienen las pue as lógicas co espon-
dien es. En las igu as Fig. 5.14-Fig. 5.18 apa ecen ep esen ados los esque-
má icos esul an es (en la pa e izquie da) y los layou s (en la pa e de echa)
de las celdas que calculan los bi s - ( eniendo en cuen a la ecuación
(5.1), no hace al a una pue a lógica pa a calcula ).
5.5. El bloque de desplazamien o ho izon al
Una ez que los da os del ke nel son leído de la RAM, an es de llega a
los píxeles co espondien es del a ay ienen que desplaza se hacia la
izquie da o hacia la de echa pa a cen a se sob e las di ecciones adecuadas.
Es a ope ación la lle a a cabo el bloque de desplazamien o ho izon al.
Es e bloque consis e en un a ay bidimensional de bu e s i-es ado
con olados po las señales de desplazamien o y igh /le . Es as señales
son gene adas po la máquina de es ados, que a a és de dos decodi icado-
es incluidos en el p opio con olado habili a la señal de desplazamien o
ap opiada. En la Fig. 5.19 podemos e la es uc u a de es e bloque. Como
o2i2sel∨( ) i2i0sel∨ ∨( ) i2i1sel∨ ∨( ) i2i1i0
∨ ∨( )∧ ∧ ∧=
o3i3sel∨( ) i3i0sel∨ ∨( ) i3i1sel∨ ∨( )∧ ∧ ∧=
i3i2sel∨ ∨( ) i3i2i1i0
∨ ∨ ∨( )∧ ∧
o4i4sel∨( ) i4i0sel∨ ∨( ) i4i1sel∨ ∨( ) i4i2sel∨ ∨( )∧ ∧ ∧ ∧=
i4i3sel∨ ∨( ) i4i3i2i1i0
∨ ∨ ∨ ∨( )∧ ∧
o5i5sel∨( ) i5i0sel∨ ∨( ) i5i1sel∨ ∨( ) i5i2sel∨ ∨( )∧ ∧ ∧ ∧=
i5i3sel∨ ∨( ) i5i4sel∨ ∨( ) i5i4i3i2i1i0
∨ ∨ ∨ ∨ ∨( )∧ ∧ ∧
o1
o5
o0
x∆
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
108
ya se ha desc i o al habla de la máquina de es ados, cada ez que és a es á
p ocesando un e en o ealiza los cálculos opo unos en e la di ección de
FIGURA 5.14.
Esquemá ico y layou del ci cui o combinacional que calcula el
bi en el bloque in e so de complemen o a 2.
o1
FIGURA 5.15.
Esquemá ico y layou del ci cui o combinacional que calcula el
bi en el bloque in e so de complemen o a 2.
o2
109
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
FIGURA 5.16.
Esquemá ico y layou del ci cui o combinacional que calcula el
bi en el bloque in e so de complemen o a 2.
o3
FIGURA 5.17.
Esquemá ico y layou del ci cui o combinacional que calcula el
bi en el bloque in e so de complemen o a 2.
o4
Bloques pe i é icos en los chips de con olución
116
so ue e, sino con el débil. Así conseguimos que la comunicación po ilas
sea más obus a y más ápida.

117
CAPÍTULO 6
Resul ados
expe imen ales
6.1. In oducción
En es e capí ulo p esen amos los esul ados expe imen ales ob enidos
con los chips de con olución ab icados, que han sido desc i os en los capí-
ulos an e io es.
En p ime luga , la Sección 6.2 mues a algunas p uebas a ni el de
píxel e ec uadas sob e un p ime p o o ipo o mado po un a ay de
píxeles de la e sión inicial. Es as p uebas si ie on undamen almen e pa a
alida dicho píxel como paso p e io al diseño del chip de con olución
comple o con el es o de bloques.
A con inuación, la Sección 6.3 desc ibe las he amien as básicas u ili-
zadas pa a los es s ealizados sob e el chip de con olución, conc e amen e
las di e sas placas pa a ges iona los e en os AER y el en o no so wa e
que jun o con dichas placas nos pe mi e con ola los chips y ealiza sob e
ellos las p uebas opo unas.
Po úl imo, en las Secciones 6.4 y 6.5 se de allan las p uebas ealizadas
sob e el chip de con olución Con 1 y Con 2, espec i amen e, mos ando
2 2×
Resul ados expe imen ales
118
los p incipales esul ados ob enidos. Pa a el chip Con 2 no se han podido
comple a odos los es s debido a un e o en la implemen ación del con o-
lado sínc ono, que ha sido de ec ado y co egido en una nue a e sión que
en el momen o de la elabo ación de es e documen o se encuen a en ab ica-
ción. Así pues, se incluyen solamen e los esul ados ela i os a la ca ac e i-
zación del chip, ya que es os no es án a ec ados po el e o del con olado .
6.2. P o o ipo de 2x2 píxeles
Como un p ime paso an es de diseña odos los bloques del chip de
con olución desc i os en los capí ulos p e ios, se plan eó la necesidad de
comp oba el co ec o uncionamien o del píxel digi al, como elemen o
base del sis ema comple o. Pa a ello, se ab icó en la ecnología de AMS
un pequeño ci cui o con un a ay de píxeles. En la Fig. 6.1
podemos e una o og a ía de dicho ci cui o.
El p o o ipo almacena un único alo de ke nel que se compa e po los
4 píxeles. Pa a e i a ene un núme o ele ado de pads en es e ci cui o, se
0.35µm
2 2×
FIGURA 6.1.
Fo og a ía del p o o ipo de 2x2 píxeles de con olución.
119
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
u ilizó po una pa e un egis o de desplazamien o a a és del cual pode-
mos p og ama el alo de la palab a del ke nel y del lími e del acumulado
(ambos da os comunes pa a los 4 píxeles), y po o a pa e una señal
Sel_ ow enca gada de selecciona cuál de las dos ilas debe ecibi las seña-
les Enable y Ack, que ex e namen e son comunes. Es a con igu ación se
puede en ende mejo con la ayuda del esquema mos ado en la Fig. 6.2. Se
es ó con el Agilen 82000, dada la simpleza de los es s. Más adelan e, pa a
es con es ímulos asínc onos se emplea á una in aes uc u a AER especí-
ica.
6.2.1. Ca ac e ización del píxel
Pa a ealiza p uebas sob e es e p o o ipo, seguimos el siguien e
mé odo: p ime o se p og ama el egis o de desplazamien o seleccionando
un lími e del acumulado y es ableciendo el alo del da o del ke nel, y a
con inuación se habili a una de las ilas a a és de la señal Sel_ ow. Una
ez con igu ado de es e modo, podemos en ia le señales de Enable y obse -
a que los píxeles ac i an la señal Rqs _ ow cuando el acumulado alcanza
el lími e p og amado. Ex e namen e p og amamos la señal Ack pa a que
FIGURA 6.2.
Esquema de la con igu ación de es u ilizada pa a con ola el
p o o ipo de 2x2 píxeles de con olución.
Resul ados expe imen ales
120
esponda y así podemos comp oba que el signo de los e en os es el
co ec o obse ando las señales p1+, p1-, p2+ y p2-.
En la Fig. 6.3 podemos obse a los esul ados ob enidos de una p i-
me a p ueba. En es e caso se es ableció el lími e del acumulado en
pa a alo es posi i os y pa a alo es nega i os
En es e p ime p o o ipo los alo es seleccionables no e an los mismos que
en la e sión in eg ada en el chip de con olución Con 1 desc i a en el capí-
ulo co espondien e. Po o a pa e, se p og amó un da o del ke nel de 31
(el máximo alo posi i o posible con 6 bi s en complemen o a 2) en p ime
FIGURA 6.3.
Resul ados del es del p o o ipo 2x2 con un lími e del acumulado
de 512 pa a alo es posi i os y -513 pa a los nega i os.
29512=
29
– 1– 513–=
121
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
luga . Con es a con igu ación, seleccionando la ila 2, se le en ia on pulsos
de Enable al ci cui o, obse ando cómo la señal Rq_ ow2 p oducía un
e en o después de acumula 17 pulsos de en ada ( , y
). También podemos comp oba cómo al ecibi la
señal de Ack ambos píxeles ac i an la señal p1+ y p2+, indicando el signo
del e en o. Todo es o apa ece e lejado en la g á ica supe io de la Fig. 6.3.
En gene al, en los esul ados del es se ap ecia que los pulsos de Rqs ienen
di e en es du aciones. Es o es debido a que, si bien la ac i ación de dicha
señal depende del ins an e en el cual se alcanza el lími e del acumulado , la
desac i ación se p oduce cuando ex e namen e se ac i a la señal Ack. Así,
en unción del ins an e en el que p og amemos la ac i ación del Ack, el
pulso de Rqs du a á más o menos.
En cuan o a la g á ica in e io de la Fig. 6.3, en ella simplemen e se
modi ica el alo del da o del ke nel, siendo en es e caso -31. De es e modo,
comp obamos que el lími e del acumulado se alcanza igualmen e as eci-
bi 17 pulsos de en ada ( , y
). La di e encia que podemos obse a es que al
ecibi la espues a de la señal Ack, los píxeles ac i an en es a ocasión la
señal p1- y p2-, indicando que han alcanzado el lími e nega i o del acumu-
lado .
Pa a comp oba qué ocu e cuando ijamos un lími e di e en e del acu-
mulado , hacemos una segunda p ueba, seleccionando en es e caso como
umb al pa a alo es nega i os y pa a alo-
es nega i os. Al epe i con es os pa áme os las mismas p uebas que hici-
mos con la con igu ación an e io , ob enemos los esul ados mos ados en la
Fig. 6.4.
Así, en la g á ica supe io de la Fig. 6.4 emos lo que ocu e con un
da o p og amado de 31. Si con amos el núme o de e en os de en ada eci-
bidos an es de gene a un e en o de salida, emos que son 34, lo cual
esul a cohe en e al se . De es e modo, una ez
que ecibe el e en o núme o 34 los píxeles de la ila 2 (que son los que ene-
mos seleccionados en es a p ueba) gene an un pulso de Rqs , y al ecibi la
señal Ack ac i an p1+ y p2+ indicando que el e en o es posi i o. En la g á-
ica in e io de la Fig. 6.4 p og amamos como da o del ke nel -31, de modo
que los píxeles igualmen e ac i an el Rqs después de ecibi 34 pulsos de
16 31×496 512<=
17 31×527 512≥=
16 31–( )× 493 513–>–=
17 31–( )× 527 513–≤–=
210 1024=
210
– 1– 1025–=
33 31×1023 1024<=

Resul ados expe imen ales
122
Enable ( ). También se comp ueba cómo ac i-
an las señales p1- y p2- pa a indica que ambos píxeles han alcanzado el
lími e nega i o del acumulado .
En cuan o a los da os de empo ización medidos den o del bloque de
in e az del p o ocolo de los píxeles, podemos e los esul ados ep esen a-
dos en la Fig. 6.5. Po una pa e, podemos e el e aso desde el lanco de
bajada de la señal Enable que se enca ga de que se almacene el esul ado de
la suma y el lanco de subida de la señal Rqs _ ow en el caso de que al alma-
FIGURA 6.4.
Resul ados del es del p o o ipo 2x2 con un lími e del acumulado
de 1024 pa a alo es posi i os y -1025 pa a los nega i os.
33 31–( )× 1023 1025–>–=
123
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
cena dicho esul ado se haya supe ado el umb al p og amado. Del mismo
modo, se mues a el iempo que a da el píxel en desac i a la señal
Rqs _ ow después de ecibi la espues a de la pe i e ia. Y po úl imo, los
e asos que añade el píxel al ac i a y desac i a las señales e icales
Pulse+ cuando ecibe el pe miso pa a hace lo a a és de la señal Ack.
6.3. In aes uc u a AER pa a es s asínc onos
Pa a la ealización de los di e sos es s que se han lle ado a cabo con
los chips de con olución diseñados pa a el p esen e abajo, se han u ilizado
una se ie de placas con igu ables [48], [96], [97], [98] que, jun o con el
en o no so wa e adecuado, han acili ado mucho el desa ollo de las p ue-
bas. En la Fig. 6.6 se mues a un ejemplo de in aes uc u a AER pa a es .
En ella podemos e una placa AER con un chip de con olución (3) con su
co espondien e placa de con igu ación (4). Además, enemos dos placas
USB-AER, una de ellas con igu ada como da a-playe (1), y la o a como
da a-logge (6). Po úl imo, se pueden e dos placas Spli e -Me ge , una
con igu ada en modo Spli e (2) y la o a como Me ge (5). A con inuación
incluimos una b e e desc ipción de dichas placas, así como del en o no
so wa e.
FIGURA 6.5.
Da os de empo ización ob enidos con el p o o ipo de 2x2.
Resul ados expe imen ales
124
FIGURA 6.6.
Ejemplo de in aes uc u a AER pa a es . Fo og a ía de las
dis in as placas en la pa e supe io , y esquema co espondien e en la pa e
in e io .
125
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
6.3.1. Placa AER
És a es una placa sob e la cual se inse a el p opio chip de con olución
(encapsulado sob e un PGA-100). Como se puede e en la Fig. 6.7, es a
placa incluye una se ie de po encióme os pa a con ola las ensiones de
pola ización del chip (pa a es ablece la ecuencia de eloj y pa a con ola
los pull-ups y pull-downs del gene ado AER). Además, la placa ecibe
como en ada un bus de con igu ación a a és del cual se p og aman los
egis os de pa áme os y el alo del ke nel. Po úl imo, cuen a con dos
buses AER, uno de en ada y o o de salida, que se conec an al chip de con-
olución. En la Fig. 6.6, se a a de la placa 3.
6.3.2. Placa USB-AER
Es a placa se enca ga de ges iona el á ico AER, y se puede u iliza
en dos modos de uncionamien o di e en es: como da a-playe y como
da a-logge . El modo de uncionamien o se selecciona p og amando el i -
mwa e co espondien e desde el PC [48].
En la pa e supe io de la Fig. 6.8 se puede e el esquema del uncio-
namien o en modo da a-playe (placa 1 de la Fig. 6.6). En él, la placa ecibe
desde un PC una lis a de e en os AER a a és del pue o USB. Es a lis a de
e en os incluye la di ección y la ma ca empo al ( imes amp) de cada uno
de ellos, has a un máximo de 500k-e en os. Una ez almacenados los e en-
os en una memo ia incluida en la p opia placa, al ecibi la o den de ep o-
FIGURA 6.7.
Esquema de la placa de con olución.
Resul ados expe imen ales
132
6.4.1.3. Ca ac e ización empo al
El chip de con olución puede gene a e en os de salida con una asa
máxima de eps, medidos co oci cui ando las señales Rqs _ou y
Ack_ou y pa a e en os gene ados po píxeles de una misma ila (modo
á aga). Es a asa se co esponde con un iempo en e e en os de
. Sin emba go, dependiendo de la posición de los píxeles
den o del a ay, el iempo en e e en os cambia de o ma signi ica i a. Los
píxeles ce canos a los a bi ado es p o ocan meno es e asos de p opaga-
ción. No obs an e, es a in luencia de la posición se puede minimiza ajus-
ando cuidadosamen e los alo es de las ensiones de pola ización y
swi ches de calib ación de los pull-ups y pull-downs del gene ado AER. De
es e modo, conseguimos compensa los e asos a un ango que oscila en e
20 y 24ns pa a odos los píxeles del a ay.
En la Fig. 6.13 podemos e las señales medidas Rqs _in, Ack_in
Rqs _ou (co oci cui ada con Ack_ou ) con el ke nel de 5 ilas de la
Fig. 6.14. El umb al de acumulación de los píxeles es aba ijado pa a p odu-
ci un e en o de salida al ecibi un único e en o de en ada. De ese modo,
es e ke nel ac i a 10 píxeles di e en es pe enecien es a 5 ilas dis in as pa a
cada e en o de en ada. Los e en os de salida de la Fig. 6.13 mues an un
50 106
×
T a aga 20ns=
FIGURA 6.14.
Ke nel p og amado pa a medi la máxima asa de salida en los
píxeles si uados en las cua o esquinas del a ay.

133
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
iempo de en e cada pa de e en os pe enecien es a una
misma ila (una ez que dicha ila es asen ida po el a bi ado , odos los
e en os de esa misma ila se emi en en modo á aga), y un iempo de
pa a e en os gene ados po di e en es ilas. Como con-
secuencia, podemos deci que la di e encia es el
e aso in oducido po el a bi ado po ilas .
La asa de e en os a la en ada depende an o del amaño del ke nel
como de la ecuencia de eloj. Como ya se ha comen ado an es, el con ola-
do sínc ono necesi a ciclos de eloj pa a p ocesa cada
e en o, siendo el núme o de ilas del ke nel (has a un máximo de 32). De
es a o ma, pa a una ecuencia de eloj de 120MHz (que se co esponde
con un pe iodo ), la máxima asa de e en os posible a la
en ada es de eps, lo cual se co esponde con un iempo en e
e en os de 50ns cuando el ke nel iene una sola ila. Pa a un ke nel com-
FIGURA 6.13.
Señales Rqs y Ack medidas pa a los e en os de en ada y salida
pa a una ecuencia de eloj de 120MHz, con Rqs _ou y Ack_ou
co oci cui adas. El osciloscopio usado es el Agilen DSO7054A, con un ancho
de banda de 500MHz y una asa de mues eo de 4GSa/s.
T a aga 20ns=
Tno a aga–47ns=
47ns 22ns– 25ns=
Ta b
nclk 4 2 nk
×( )+=
nk
Tclk 8.33ns=
20 106
×
Resul ados expe imen ales
134
ple o de 32 ilas, la máxima asa de en ada es de eps, lo cual se
co esponde con un iempo en e e en os de 566ns.
En la Fig. 6.15, la la encia en e un e en o de en ada y uno de salida se
ep esen a median e , que puede se exp esada como
. El e aso llamado
es el que in oduce el p opio chip de con olución desde que ecibe el
Rqs _in has a que esponde con el Ack_in. El e aso es el que
in oduce el emiso desde que el chip de con olución asien e el e en o has a
que e i a la señal Rqs _in. Y el e aso es el iempo empleado
po el chip pa a p ocesa el e en o de en ada y gene a el e en o de salida
(conside ando una si uación en la cual un e en o de en ada p oduce uno de
salida). De es e modo, el e aso se puede exp esa a su ez
como , donde ep esen a el iempo que el
con olado sínc ono necesi a pa a suma el ke nel sob e el a ay de píxeles,
y ep esen a el iempo que la a bi ación asínc ona necesi a pa a gene-
a el e en o de salida.
La Fig. 6.16 nos mues a los alo es medidos de y
pa a dis in os alo es del pe iodo de eloj . Las pequeñas ba as e ica-
les indican las des iaciones sob e 5000 medidas. Como podemos comp o-
1.77 106
×
FIGURA 6.15.
Re asos en e e en os de en ada y salida.
Tla ency
Tla ency TAER chip–TAER Tx–Tp oc e en –
+ +=
TAER chip–
TAER Tx–
Tp oc e en –
Tp oc e en –
Tp oc e en –Tsyn Tasyn
+=
Tsyn
Tasyn
TAER chip–
TAER Tx–
Tclk
135
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
ba ácilmen e, el e aso es cons an e (no depende del pe iodo de
eloj), ya que sólo depende del emiso . El e aso medido pa a la placa emi-
so a en nues os es s esul a en unos . En cambio,
depende linealmen e de , como mues a la igu a, alcanzando
unos 14ns pa a y con un alo esidual es imado ex apolando
es os esul ados de unos 10ns pa a (p obablemen e debido a e a-
sos in e nos de las líneas y pads).
La Fig. 6.17 mues a los alo es medidos de en e al pe iodo
de eloj. El ajus e lineal de es os da os e ela que pa a un pe iodo de eloj
end íamos una la encia de 97ns, lo cual se co esponde ía con
, ya que en es e caso ald ía 0. Ex apolando am-
bién los alo es de y , podemos es ima el alo de
, lo cual es cohe en e con el alo de
47ns medido en e dos e en os de salida pe enecien es a ilas di e en es.
FIGURA 6.16.
Valo es medidos de y pa a dis in os
pe iodos de eloj.
TAER chip–
TAER Tx–
TAER Tx–
TAER Tx–44ns=
TAER chip–
Tclk
Tclk 5ns=
Tclk 0=
Tla ency
Tclk 0=
Tp oc e en –Tasyn
=
Tsyn
TAER chip–
TAER Tx–
Tasyn 97ns 44ns– 10ns– 43ns= =
Resul ados expe imen ales
136
Pa a una ecuencia de eloj de 120MHz el pe iodo de la encia medido es de
177ns.
Al conec a chips de con olución en cascada, el e aso in o-
ducido po la placa emiso a debe ía se eemplazado o bien po
, o bien po . Como consecuencia, la e -
dade a mínima la encia al conec a los chips en cascada end ía dada po
. Es a la encia es independien e
del núme o de ilas del ke nel p og amado, ya que se a a de el e aso en e
un e en o de en ada y el p ime e en o de salida p oducido po la p ime a
ila del ke nel.
En la abla Tabla 6.1 se encuen an esumidas las especi icaciones del
chip de con olución Con 1.
FIGURA 6.17.
Valo es medidos de pa a dis in os pe iodos de eloj. Cada
medida se ha epe ido 5000 eces. La ba as de e o indican la dispe sión. La
línea de pun os ep esen a el ajus e lineal ( ).
Tla ency
y8.2x 97+=
TAER Tx–
T a aga 22ns=
Tno a aga–47ns=
Tla ency 177ns 44ns 22ns+– 155ns= =
137
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
6.4.2. Con olución de imágenes es á icas
Pa a ilus a la ope ación de con olución, se ha seleccionado en p ime
luga una imagen de píxeles de una o og a ía eal, que se mues a
en la Fig. 6.19.(a), pa a lle a a cabo un p ocesamien o de ex acción de
bo des e icales con el ke nel de amaño mos ado en la Fig. 6.18.
Es e ke nel iene dado po una di e encia de gausianas, desc i o median e
las ecuaciones (6.1), (6.2) y (6.3):
(EQ 6.1)
(EQ 6.2)
TABLA 6.1.
Especi icaciones del chip Con 1.
Tecnnología 4M 2P 0.35 CMOS
Tamaño del píxel
Tamaño del chip
A ay de píxeles
Resolución del píxel 18 bi s
Resolución del ke nel 6 bi s
Compu ación con signo Sí
Tasa de e en os de en ada 1.77-20 Meps
Máxima asa de salida 50 Meps
Mínima la encia en ada-
salida 155ns
Consumo de po encia 200mW máximo
µm
95.6 101.3µm
2
×
4.3 5.4mm
2
×
32 32×
32 32×
11 7×
Fgpkqk
,( ) 1
2π
------Hgpk
( )Vgqk
( )=
Hgpk
( ) 1
σgh
-------e
1
2
--- p
k
σ
gh
--------
 
 
2
–
=

Resul ados expe imen ales
138
FIGURA 6.18.
Ke nel desc i o como di e encia de gausianas pa a ex acción de
bo des e icales.
FIGURA 6.19.
Resul ado de calcula una con olución expe imen almen e con
un ke nel pa a ex acción de bo des e icales.
139
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
(EQ 6.3)
siendo y los pa áme os de anchu a ho izon al y e ical de los
lóbulos de la gaussiana.
La imagen se codi icó a e en os AER asociando un ni el de ecuencia
de e en os a cada ni el de g is, ob eniendo una máxima ecuencia de
660Hz. Las ecuencias asociadas a cada ni el de in ensidad se indican en
las ba as e icales a la de echa de cada imagen en la Fig. 6.19. La compu-
ación ma emá ica de la ope ación de con olución se lle ó a cabo con MAT-
LAB, ob eniendo la imagen de la Fig. 6.19.(b). En la Fig. 6.19.(c) se
mues a la salida del chip de con olución, mapeando la ecuencia de salida
de los e en os de cada píxel con su signo a un ni el de g is. Una ecuencia
nega i a indica que el bi de signo de los e en os de salida de ese píxel es
nega i o. En la Fig. 6.19.(d) se ep esen a la imagen e o calculada como la
di e encia en e la salida ideal y la medida.
Aunque el amaño de es e chip es de sólo píxeles, el espacio
de di ecciones de en ada que puede e es de . Es o nos pe mi e
cons ui un a ay bidimensional de chips de con oluciones pa a p ocesa
a ays de amaños múl iplos de [78], [95], [72]. Pa a cada chip de
con olución se p og aman sus pa áme os pa a indi-
ca la posición de cada a ay de den o del o al de . U i-
lizando placas spli e y me ge [48], es posible cons ui un a ay de
chips de con olución pa a p ocesa imágenes de píxeles. Pa a
p ocesa imágenes aún mayo es es necesa io usa ambién bloques mappe
AER [48], pa a mapea con enien emen e el espacio de di ecciones de
en ada a los píxeles que cada chip puede e .
En la Fig. 6.20 se mues a el esul ado de p ocesa una imagen de
píxeles. La imagen o iginal (Fig. 6.20.(a)) se di ide en
subimágenes más pequeñas, de píxeles cada una. De es e modo,
cada subimagen se ans o ma en una secuencia de e en os AER, p ocesada
po el chip de con olución con el ke nel de la Fig. 6.18 y los e en os de
Vgqk
( ) 1
σg
------- e
1
2
--- q
k
σ
g
-------- 1
2
---
+
 
 
2
–e
1
2
--- q
k
σ
g
-------- 1
2
---
–
 
 
2
–
–=
σgh
σg
32 32×
128 128×
32 32×
imin jmin
,( ) imax jmax
,( ),
32 32×
128 128×
4 4×
128 128×
128 128×
256 256×
8 8×
32 32×
Resul ados expe imen ales
140
salida se gua dan. A con inuación, a pa i de las 64 secuencias de e en os
AER g abadas se econs uyen 64 subimágenes, y se emapean pa a cons-
ui la imagen de salida de píxeles que se mues a en la
Fig. 6.20.(c). Si e ec uamos la con olución de o ma ma emá ica median e
MATLAB, el esul ado ob enido se mues a en la Fig. 6.20.(b), mien as que
la imagen e o que ep esen a la di e encia en e las ecuencias ideales y
las medidas se mues a en la Fig. 6.20.(d).
6.4.3. Con olución de es ímulos en mo imien o
Aunque los expe imen os mos ados an e io men e co esponden a
imágenes es á icas, el obje i o de es e chip es calcula con oluciones en
iempo eal de es ímulos dinámicos gene ados po una e ina AER. Pa a
ilus a es o, se ha cap u ado una secuencia de e en os con una e ina AER
FIGURA 6.20.
Resul ado de calcula una con olución expe imen almen e con un
ke nel pa a ex acción de bo des e icales a una imagen de en ada de
píxeles.
256 256×
256 256×
141
Mic ochips con ol. AER pa a p oc. asínc . neoco ical de in . senso ial isual codi icada en e en os
de con as e empo al de [18], la cual mues a los con o nos de
dos pe sonas caminando. Una cap u a de 40ms de es a secuencia se puede
e en la Fig. 6.21.(a), la cual ep esen a 1810 e en os de la e ina. Ya que el
espacio de di ecciones de la e ina es de , es o equie e un a ay
de chips de con olución. P og amando el ke nel de Gabo de amaño
de la Fig. 6.21.(b) pa a de ección de bo des e icales, ob enemos la
co espondien e secuencia de e en os de salida. Una cap u a de es a secuen-
cia de salida pa a los mismos 40ms de la en ada se mues a en la
Fig. 6.21.(d). Ya que la la encia en e los e en os de en ada y salida es á en
o no a los 150ns, se puede conside a que ambas secuencias de e en os son
simul áneas.
128 128×
FIGURA 6.21.
Resul ados expe imen ales ob enidos p ocesando una secuencia
de 128x128 con un ke nel de Gabo pa a ex acción de bo des e icales.
128 128×
4 4×
11 7×