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Sistemas Digitales y Microcontroladores (SDMI)

Créditos Dept. Tipo Requisitos
6.0 (4.8 ECTS) ESAII
  • Obligatoria para la ETIS
  • Optativa para la EI
PI - Precorrequisito para la EI , ETIS

Profesores

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Otros:(-)

Objectivos Generales

El estudiante debe adquirir los conocimientos que lo capaciten para especificar, diseñar e implementar sistemas digitales complejos y sistemas basados en microcontroladores, utilizando lenguajes de descripción de hardware, herramientas CAD/CAE y entornos de desarrollo. Debe adquirir las capacidades necesarias para el diseño de interfaces de entrada/salida y comunicaciones.

Objectivos Específicos

Conocimientos

  1. Capacidades y limitaciones de las familias lógicas: Compatibilidad, niveles lógicos, restricciones tecnológicas.
  2. 2.1 Dispositivos de lógica programable: Arquitecturas y tecnologías.2.2 Lenguajes de descripción de hardware.
  3. 3.1 Microcontroladores: familias y estructuras.3.2 Memorias: conexión al bus, restricciones tecnológicas y aplicaciones.
  4. 4.1 Dispositivos específicos de los microcontroladores.4.2 Interfaces para la adaptación de entrada/salida.
  5. Interfaces de comunicaciones en sistemas microcontroladores.

Habilidades

  1. Resolver problemas de interconexión de puertas lógicas garantizando la propagación de la señal, detección y eliminación de espurios y metaestabilidad, caminos de retardo, dispersión de la señal de reloj.
  2. 2.1 Describir el comportamiento de un sistema digital usando un lenguaje de descripción de hardware (VHDL).2.2 Utilizar las herramientas de CAD/CAE para el diseño, implementación y evaluación de sistemas digitales.
  3. 3.1 Resolver el compromiso Hardware/software en la implementación de una determinada función sobre un sistema microcontrolador.3.1 Saber utilizar las herramientas de desarrollo de sistemas microcontroladores.

    3.2 Seleccionar el microcontrolador adecuado con tal de satisfacer una especificación funcional (memoria, periféricos, integrados, interfaces, ...)
  4. 4.1 Diseñar las interfaces de entrada/salida (adquisición sensorial/actuación), de adaptación eléctrica y de adaptación temporal.4.2 Diseño de interfaces de comunicaciones.
  5. 5.1 Diseñar e implementar el programa de un microcontrolador (firmware) que cumpla las especificaciones eficientemente.5.2 Obtener un esquema simbólico y eléctrico de un sistema microcontrolador.

    5.3 Resolver el compromiso en el uso de un microcontrolador o de un sistema digital.

Competencias

  1. Especificación de diseños de sistemas digitales y sistemas microcontroladores
  2. Generar correctamente memorias técnicas del hardware: diagrama de bloques, descripción sintética de los componentes, diagrama simbólico, mapas de memoria, esquemas eléctricos, tablas de descodificación de direcciones.
  3. Presentación técnica del software: diagramas de ejecución, diagramas de estados. Tablas de descripción de procesos, listados de acontecimientos, etc.
  4. 4.1 Capacidad de análisis crítica en el rediseño.4.2 Saber trabajar en equipo.
  5. Compatibilidad entre medio ambiente y tecnología, criterios de sostenibilidad.

Contenidos

Horas estimadas de:

T P L Alt L Ext. Est O. Ext.
Teoria Problemas Laboratorio Otras actividades Laboratorio externo Estudio Otras horas fuera del horario fijado

1. Introducción: evolución tecnológica de los sistemas digitales y microcontroladores
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
1,0 0 0 0 0 1,0 0 2,0
  • Laboratorio:
    Se contempla una visión histórica de la evolución de los sistemas cableados hacia los dispositivos de lógica programable (CPLD) y microcontroladores.

2. Familias lógicas: compatibilidad, características temporales, restricciones tecnológicas
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
2,0 0 0 0 0 2,0 0 4,0
  • Laboratorio:
    Se profundiza sobre el comportamiento físico de las puertas lógicas y se descubre al alumno cuáles son las restricciones tecnológicas actuales y que se deben conocer y respetar para que los sistemas digitales funcionen correctamente.

3. Arquitectura y tecnología de los dispositivos de lógica programable: PLD y FPGA
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
6,0 0 0 0 0 6,0 0 12,0
  • Laboratorio:
    A partir de los conocimientos adquiridos por los alumnos en la asignatura IC en el diseño funcional de sistemas digitales y conocidas sus restricciones tecnológicas, estudiamos la arquitectura, la tecnología y el uso de las familias de dispositivos PLD. Se profundiza en el conocimiento de la estructura, tecnología y funcionalidad de los FPGA más complejos.

4. Técnicas de diseño de sistemas digitales. Lenguajes de descripción de hardware . Herramientas CAD/CAE
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
3,0 0 0 0 0 6,0 0 9,0
  • Laboratorio:
    Se estudian las técnicas utilizadas actualmente para el diseño de sistemas digitales complejos a partir de dispositivos de lógica programable así como las herramientas CAD/CAE más versátiles y actuales (VHDL, entorno de simulación, evaluación de comportamiento temporal, programación, test), que permiten diseñar, implementar y evaluar sistemas digitales complejos reduciendo al máximo el periodo de desarrollo.

5. Diseño e implementación de un sistema digital según las especificaciones
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
0 0 10,0 0 8,0 0 0 18,0
  • Laboratorio:
    Se desarrolla todo el proceso de diseño de un sistema digital complejo basado en un dispositivo programable FPGA: Especificación, descripción de hardware e implementación test y simulación con herramientas CAD/CAE.
  • Actividades de laboratorio adicionales:
    El alumno debe hacer un estudio previo con tal de dar solución al problema de diseño planteado y estructurar la descripción del sistema digital en un lenguaje de descripción de Hardware.

6. Estructuras internas de los microcontroladores y capacidades
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
5,0 0 0 0 0 4,0 0 9,0
  • Laboratorio:
    Se estudian diferencias entre los sistemas microprocesadores, microcomputadores y los microcontroladores disponibles. Se analizarán sus arquitecturas internas, capacidades y prestaciones.
    El alumno tendrá una visión amplia de los campos de aplicación de los microcontroladores.

7. Dispositivos integrados especializados
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
4,0 0 0 0 0 6,0 0 10,0
  • Laboratorio:
    Se analizan los dispositivos específicos, más corrientes, que se encuentran integrados en los microcontroladores. El alumno aprenderá a usar estos dispositivos. Se darán ejemplos concretos de aplicación de estos dispositivos.

8. Expansión externa de las capacidades de los microcontroladores
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
4,0 0 0 0 0 8,0 0 12,0
  • Laboratorio:
    El alumno aprenderá a conectar dispositivos externos al microcontrolador con tal de ampliar sus capacidades. También aprenderá a diseñar las interfaces necesarias para garantizar la correcta conexión y para potenciar las comunicaciones.

9. Programación de los microcontroladores: firmware
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
3,0 0 0 0 0 4,0 0 7,0
  • Laboratorio:
    Se explicarán las prestaciones software de que disponen los microcontroladores con tal de que su programación sea óptima.

10. Programación de un sistema microcontrolador concreto
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
0 0 12,0 0 5,0 0 0 17,0
  • Laboratorio:
    El alumno se familiarizará con el lenguaje de programación de un microcontrolador concreto y su entorno de desarrollo a partir de un conjunto de rutinas que configuran una aplicación concreta. Se le pedirá que modifique determinados aspectos de la aplicación con tal de profundizar en la programación de los microcontroladores.
  • Actividades de laboratorio adicionales:
    Estudio del la estructura, las capacidades, la programación de los dispositivos integrados.

    Estudio previo de la documentación de la práctica y del entorno de desarrollo.

11. Diseño de un sistema digital concreto basado en microcontroladores. Criterios de sostenibilidad tecnológica
T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
0 0 8,0 0 10,0 0 0 18,0
  • Laboratorio:
    Se montará una placa basada en un microcontrolador concreto y se le dotará de una función de control con tal de resolver una aplicación específica. Se diseñarán las interfaces necesarias con tal de adquirir la información sensorial y del usuario y generar las acciones de salida adecuadas.
    Se hará consciente al alumno de la importancia de tener en cuenta el reciclaje y reutilización de los componentes de la placa para hacer sostenible su producción.


Total por tipo T      P      L      Alt    L Ext. Est    O. Ext. Total 
28,0 0 30,0 0 23,0 37,0 0 118,0
Horas adicionales dedicadas a la evaluación 2,0
Total horas de trabajo para el estudiante 120,0

Metodología docente

No se hará distinción entre clases de teoría y problemas por el hecho de que se pretende que la asignatura tenga un cariz de diseño. Las clases teóricas se reforzarán con ejemplos de aplicación real, mostrando las posibles alternativas de diseño. Con esta metodología el alumno irá desarrollando el sentido crítico y aprenderá a resolver los compromisos de diseño de forma óptima.En los diferentes bloques temáticos se propondrán ejercicios de autoevaluación consistentes en el desarrollo de los sistemas digital y/o microcontroladores con tal de resolver un problema especificado.

Método de evaluación

La evaluación de la asignatura se determinará a partir de un examen parcial (P), un examen final (F) y prácticas de laboratorio obligatorias (L), hechas en grupos de dos/tres personas.Los exámenes incluirán cuestiones teóricas y de laboratorio. La nota de teoría representará el 70% de la nota de la asignatura.





Las prácticas se evaluarán por las notas de seguimiento de laboratorio, el correcto funcionamiento de estas y la valoración del informe elaborado por los correspondientes grupos de laboratorio. La nota de prácticas contribuirá en un 30% en la nota final de la asignatura.



La nota global de la asignatura se calculará de la siguiente manera:



NF = Max( P*0.3 + F*0.4, F*0.7 ) + L*0.3

Bibliografía básica

  • John Catsoulis Designing embedded hardware, O'Reilly, 2005.
  • John F. Wakerly Digital design : principles and practices, Prentice Hall, 2006.
  • Myke Predko Programming and customizing PICmicro microcontrollers, McGraw-Hill, 2002.
  • Design with PIC microcontrollers Design with PIC microcontrollers, Prentice Hall, 1998.

Bibliografía complementaria

  • Frank Vahid, Tony Givargis Embedded system design : a unified hardware/software introduction, John Wiley & sons, 2002.
  • Jack G. Ganssle The Art of designing embedded systems, Newnes, 2000.
  • Wayne Wolf Computers as components : principles of embedded computing system design, Morgan Kaufmann, 2001.

Enlaces web

  1. http://www-assig.fib.upc.es/~sdmi/


  2. http://www.intel.com/design/mcs96/manuals/272238/index.htm


  3. http://www.embedded.com


Capacidades previas

Conceptos de física: Teoría de Circuitos, señales eléctricas, niveles lógicos, dispositivos...

Conocer, a nivel de bloque, los elementos básicos de los sistemas digitales: Biestables, registros, multiplexores, contadores, memorias, descodificadores, etc.

Conocimiento sólido de los diferentes módulos de un computador y su interrelación.

Conocimientos de controladores programables: IT, PIC, USART, PIO.

Saber programar en C y Ensamblador.


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