Rediseño del módulo de comunicación Serial Peripheral Interface- Bootloader (SPI-Bootloader) en microcontrolador SIWA

Abstract

En este trabajo se presenta el rediseño del módulo de comunicación Serial Peripheral Interface Bootloader (SPI-Bootloader) del microcontrolador Siwa, desarrollado en el Laboratorio de Diseño de Circuitos Integrados (DCILab) del Instituto Tecnológico de Costa Rica. El sistema original empleaba un mecanismo ambiguo para determinar el fin del proceso de arranque, basado en la detección del valor 0xFFFFFFFF dentro del firmware almacenado en la memoria Flash, lo cual podía provocar la terminación prematura de la carga y comprometer la inicialización del microcontrolador. Para eliminar esta condición de riesgo, se introduce un encabezado estructurado (header) embebido en el firmware, que incluye campos de validación y metadatos (MAGIC, VERSION, SIZE y RESERVED). El módulo SPI fue rediseñado para decodificar este encabezado, garantizando un proceso de carga determinista y libre de ambigüedad. Además, se implementa la reutilización de la memoria Flash como almacenamiento secundario tras f inalizar el arranque, habilitando comandos estándar de lectura, escritura y borrado según el protocolo JEDEC. El nuevo diseño incorpora mecanismos de alineación, reconstrucción de palabras, manejo de casos límite y compatibilidad con diferentes formas de programación de la Flash. Los resultados de simulación y síntesis evidencian mejoras en confiabilidad, trazabilidad y robustez funcional del arranque, manteniendo compatibilidad con la arquitectura general de Siwa y sin afectar otros módulos del microcontrolador. Este rediseño fortalece la plataforma para aplicaciones biomédicas implantables, donde la predictibilidad y la integridad del firmware son requisitos esenciales.

This work presents the redesign of the Serial Peripheral Interface– Bootloader (SPI-Bootloader) communication module of the Siwa microcontroller, developed at the Integrated Circuits Design Laboratory (DCILab) of the Costa Rica Institute of Technology. The original system relied on an ambiguous mechanism to determine the end of the bootloading process, based on detecting the value 0xFFFFFFFF within the firmware stored in Flash memory. This could lead to premature termination of the loading sequence, compromising the initialization of the microcontroller. To eliminate this risk, a structured firmware header containing validation fields and metadata (MAGIC, VERSION, SIZE, and RESERVED) is introduced. The SPI module was redesigned to decode this header, ensuring a deterministic and unambiguous boot process. Furthermore, the redesign enables the reuse of the Flash memory as secondary storage after the boot sequence finishes, supporting standard JEDEC read, write, and erase commands. The new architecture incorporates byte-alignment mechanisms, word reconstruction, boundary-case handling, and compatibility with different Flash programming schemes. Simulation and synthesis results demonstrate improvements in reliability, traceability, and robustness of the boot process, while preserving compatibility with the overall Siwa architecture and without affecting other microcontroller modules. This redesign strengthens the platform for implantable biomedical applications, where firmware integrity and predictable system behavior are essential.