PROGRAMA DE ESTUDIOS: SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES PROTOCOLO Mes/año Clave 7SED01 7/2006 Nivel Licenciatura Aprobación Ciclo Aplicación Colegio Fechas Elaboración Semestre Séptimo (7°) X Maestría Doctorado Integración Básico Superior H. y C.S. C. y T. X X C. y H. Plan de estudios del que forma parte: Ingeniería en Sistemas Electrónicos Industriales Propósito(s) general(es) : El estudiante describirá los bloques funcionales básicos que componen a un sistema digital estándar. Será capaz de distinguir los bloques funcionales que componen a un procesador y explicará el mecanismo de interacción entre estos. Estos conocimientos son la base para programación de microprocesadores y para la realización de aplicaciones prácticas basadas en microprocesadores. Carácter Indispensable X Optativa * Modalidad Seminario Taller Curso Curso-taller Laboratori o X Clínica Horas de estudio semestral (16 semanas) X Teóricas 72 Práctica 24 s Carga horaria semanal: __6__ x 16 = __96___ Con Docente Teóricas Práctica s Carga horaria semestral: Autónomas Asignaturas Previas Asignaturas Posteriores: Electrónica digital I (5EDI01), Electrónica digital II (6EDI02) Microprocesadores y periféricos (8MPP01) Aplicaciones con microprocesadores y microcontroladores (AMM01) 72 24 192 Conocimientos: Electrónica digital I : Operaciones binarias, manejo de circuitos combinacionales y secuenciales Requerimientos Electrónica digital II: Manejo de circuitos combinacionales y secuenciales, programación de memorias, programación de dispositivos lógicos programables (PLD) para cursar la Habilidades: asignatura Manejo adecuado de equipo básico de laboratorio de electrónica, habilidad en la búsqueda de hojas de especificaciones de componentes electrónicos y en la implementación de circuitos electrónicos. Maestría en ingeniería o licenciatura en Ingeniería electrónica con experiencia en el área de Perfil deseable diseño digital, amplios conocimientos de la materia, habilidad para presentar conocimientos del profesor: abstractos. Academia responsable del programa: Academia de Ingeniería Diseñador (es): Dr. Daniel Noriega Pineda e Ing. Héctor Alonso Ameneyro Aguilar SISTEMAS ELECTRÓNICOS DIGITALES (7SED01) Introducción. En general los sistemas digitales varían en tamaño y complejidad desde unas cuantas compuertas lógicas hasta un arreglo de computadoras digitales interconectas. Este hecho implica la necesidad de recurrir a una descripción de sistema general y simplificada, basada en bloques funcionales que realizan una tarea específica, en donde la interacción y el manejo de los datos adquieren un peso importante en el proceso de descripción. La materia de Sistemas electrónicos digitales (7SED01) se ocupa de la descripción, la operación y la implementación de los principales bloques o módulos funcionales empleados en la práctica del diseño de sistemas digitales. En la materia Electrónica Digital II el estudiante desarrolla las capacidades de análisis y síntesis de circuitos digitales tanto secuenciales como combinacionales mediante el uso de compuertas y registros lógicos. En el curso (7SED01) el estudiante retomará estos circuitos como bloques de propósito específico, es decir, la estructura interna de los circuitos pierde importancia. Por tanto el curso Electrónica Digital II constituye un precedente indispensable para la comprensión de las tareas que cada bloque realiza. De igual forma, los conocimientos y habilidades que el estudiante desarrollará en el curso (7SED01) constituyen las bases principales para cursos como Microprocesadores y periféricos (8MPP01) y Aplicaciones con microprocesadores y microcontroladores (AMM01), en los cuales el estudiante será capaz de programar y diseñar sistemas basados en microprocesadores para la solución de problemas prácticos. Panorámica de su estructura y contenidos: El curso (7SED01) se divide en cuatro temas. El tema uno trata sobre el diseño lógico y digital. El Tema 2 aborda el estudio de los bloques funcionales. El tema cuatro aborda la descripción de las computadoras personales, con base en bloques funcionales. El tema cinco extiende el proceso de descripción funcional a diversas clases de sistemas digitales comúnmente empleados en la práctica. A continuación se presenta un breve resumen de cada uno de los temas. Propósitos generales del curso. El estudiante describirá los bloques funcionales básicos que componen a un sistema digital estándar. Será capaz de distinguir los bloques funcionales que componen a un procesador y explicará el mecanismo de interacción entre estos. Estos conocimientos son la base para programación de microprocesadores y para la realización de aplicaciones prácticas basadas en microprocesadores. Contenidos organizados. 1 Conceptos preliminares Propósitos específicos: El estudiante describirá y aplicará las distintas representaciones binarias de un número. Será capaz de aplicar circuitos, tanto combinacionales como secuenciales a partir de sus hojas de especificaciones. Será capaz de identificar y aplicar el dispositivo lógico programable más adecuado para implementar un circuito digital secuencial o combinacional. Estos conocimientos constituyen la base de los temas siguientes. 1.1 Representación de datos 1.1.1 Sistemas numéricos 1.1.2 Complementos 1.1.3 Representación de punto fijo 1.1.4 Representación con punto flotante 1.2 Bloques funcionales 1.2.1 Funciones y circuitos combinacionales 1.2.2 Funciones y circuitos secuenciales 1.3 Dispositivos lógicos programables (PLD) 1.3.1 Diseño de bloques combinacionales con PLD 1.3.2 Diseño de bloques secuenciales con PLD 2 Sistemas digitales de alta escala de integración Propósitos específicos: El estudiante será capaz de interconectar y sincronizar el intercambio de datos entre diversos bloques funcionales mediante el uso de micro-operaciones y transferencia de registros. Este conocimiento constituye la base para el diseño en bloques de los sistemas digitales en general y su programación. 2.1 Introducción 2.1.1 Interacción entre distintos bloques funcionales 2.1.2 Control de la interacción entre bloques funcionales 2.2 Registros y transferencia de registros 2.2.1 Registros 2.2.1.1 Concepto de registro a nivel de bloque 2.2.1.2 Habilitación de carga 2.2.1.3 Carga en paralelo 2.2.2 Transferencia de registros 2.2.2.1 Lenguaje de transferencia de registros 2.2.2.2 Operaciones de transferencia 2.2.3 Micro-operaciones 2.2.3.1 Micro-operaciones aritmética, lógicas y de desplazamiento 2.2.3.2 Micro-operaciones en un registro 2.2.4 Transferencia de múltiples registros basada en buses y multiplexores 2.2.5 Transferencia serie y micro-operaciones Secuenciamiento y control 2.3.1 Unidad de control 2.3.2 Algoritmo de máquinas de estado (ASM) 2.3.3 Control cableado 2.3.4 Control Microprogramado 2.4 Dispositivos de memoria 2.4.1 Definiciones básicas 2.4.1.1 Concepto de memoria 2.4.1.2 Capacidad y ubicación 2.4.1.3 Unidad de transferencia 2.4.1.4 Métodos de acceso 2.4.1.5 Medida de prestaciones 2.4.2 Memorias de acceso aleatorio (RAM) 2.4.2.1 Memoria RAM estática 2.4.2.2 Memoria RAM dinámica 2.4.3 Operaciones de escritura y lectura 2.3 3 La computadora personal (PC) como sistema digital Propósitos específicos: El estudiante aplicará los conocimientos del tema anterior para describir y explicar la estructura interna de una computadora. 3.1 Descripción funcional 3.1.1 Sistema de transferencia de datos 3.1.2 Mecanismo de control 3.1.3 Recurso de almacenamiento de datos 3.1.4 Recurso de procesamiento de datos 3.2 Estructura básica 3.2.1 Organización funcional del procesador 3.2.2 Unidad central de procesamiento (UCP) 3.2.2.1 Registros 3.2.2.2 Unidad de control 3.2.2.3 Unidad aritmético lógica 3.2.2.4 Interconexión interna 3.2.3 Sistemas de Memoria 3.2.3.1 Estructura jerárquica 3.2.3.2 Memoria de dos niveles 3.2.3.2.1 Memoria caché 3.2.3.2.2 Memoria virtual 3.2.3.2.3 Localidad de referencia 3.2.3.3 Memoria interna 3.2.3.3.1 DRAM y SRAM 3.2.3.3.2 Memorias de sólo lectura (ROM) 3.2.3.3.3 Organización en módulos 3.2.3.4 Memoria externa (opcional) 3.2.3.4.1 Discos magnéticos 3.2.3.4.2 memorias RAID 3.2.3.4.3 Memorias ópticas 3.2.4 Interfaces de entrada y salida 3.2.4.1 Funciones del módulo de entrada y salida (E/S) 3.2.4.2 Estructura básica de los módulos de E/S Buses de interconexión 3.3.1 Líneas (Bus) de control 3.3.2 Líneas (Bus) de dirección 3.3.3 Líneas (Bus) de datos 3.4 Arquitecturas principales 3.4.1 Procesadores de conjunto reducido de instrucciones (RISC) 3.4.2 Procesadores de conjunto de instrucciones complejo (CISC) 3.5 Características eléctricas principales (familia Intel) 3.3 4 Estructura de Sistemas Digitales Prácticos Propósitos específicos: El estudiante será capaz de identificar la estructura interna de diversos sistemas digitales comúnmente utilizados en la práctica. 4.1 4.2 4.3 Controladores lógicos programables (PLC siemens) Modems de propósito general Tarjetas de adquisición de datos (Video, audio, etc.) Metodología del curso. A continuación se presentan algunas sugerencias en relación con la metodología a utilizar por el profesor: Estudio previo de los temas por parte del estudiante. Es fundamental que el estudiante investigue algunos de los temas, antes de las sesiones del profesor mediante búsquedas bibliográficas o por internet. Clase teórica. Las sesiones de clase tendrán como propósito dar coherencia a los temas investigados por el estudiante y delimitar la profundidad y el alcance de los mismos. Clases de problemas: Enunciar y plantear en los días anteriores a cada clase diversos problemas para que el alumno proponga posibles soluciones. Se recomienda que las soluciones de los problemas planteados sean validados mediante simulación digital siempre que sea posible. Es importante considerar las habilidades que el estudiante debe desarrollar con respecto al manejo de los dispositivos electrónicos y del equipo de laboratorio. Estas habilidades se deben desarrollar por medio de Prácticas de laboratorio: Enfocadas a que el estudiante compruebe en la práctica el material estudiado en el aula. Las prácticas deberán ser diseñadas, en conjunto, por los profesores de teoría y laboratorio. El estudiante deberá: entregar un trabajo previo a la práctica, realizar los experimentos indicados en la práctica y entregar un reporte del desarrollo del experimento. Proyecto de diseño: Proyectos planteados por el comité de certificación con apoyo de los profesores de teoría y laboratorio. Los estudiantes deberán desarrollar por completo el proyecto, es decir, realizar todos los cálculos teóricos necesarios para el diseño, realizar la simulación de la propuesta de diseño en algún programa de simulación especializado, implementar (construir) su diseño, verificar la operación del sistema, entregar un reporte escrito y realizar una defensa oral del trabajo realizado frente al comité de certificación. Con el fin de supervisar el desarrollo del proyecto, los profesores de comité de certificación deberán pedir al estudiante un reporte de avance a intervalos regulares durante el semestre. 6. Evaluaciones. 6.1 Evaluación diagnóstica: Se aplicará un examen escrito que incluya los principales circuitos digitales vistos en el curso de Electrónica Digital II, con el fin de detectar carencias de conocimientos y sugerir acciones para corregirlas. Los temas que incluirá el examen son, en términos generales: Descripción y análisis de circuitos lógicos combinacionales y secuenciales. Descripción de dispositivos lógicos programables y memorias. Métodos de reducción de funciones lógicas. La ponderación de los reactivos de dichos exámenes se realizará en función de la complejidad del ejercicio a resolver, el número de reactivos deberá ser adecuado para un tiempo máximo de solución (por el estudiante) de dos horas. 6.2 Evaluaciones formativas. Con el fin de dar seguimiento al aprovechamiento del estudiante se recomienda la realización de dos evaluaciones formativas de manera escrita. La primera se aplicará al término del tema dos para corroborar que el estudiante sabe identificar los principales bloques funcionales que componen a un sistema digital, así como para determinar si el estudiante es capaz de realizar la interconexión entre los bloques y controlar el flujo de información entre ellos. La segunda evaluación se hará al término del tema cuatro, donde el estudiante deberá explicar las distintas operaciones que un sistema digital en general (y una computadora personal en particular) puede realizar a partir de los bloques funcionales que lo componen. Al término de cada una de las evaluaciones formativas se hará saber al estudiante sus deficiencias en los temas relacionados y en consecuencia se propondrán estrategias para subsanar tales fallas, como por ejemplo el estudio de lecturas recomendadas, la realización de ejercicios de laboratorio o de simulación para reforzar o clarificar los conocimientos y las asesorías por parte de los profesores del área. 6.3 Evaluación para certificación: En el instrumento de certificación se evaluarán los conocimientos y habilidades adquiridos por el estudiante sobre todos los temas del programa del curso. Este instrumento constará de dos partes: la primera consiste de una evaluación teórica mediante un examen escrito, la segunda parte es una evaluación práctica de los conocimientos adquiridos mediante el desarrollo de un proyecto. Los principales criterios de evaluación para la parte escrita son: La capacidad del estudiante de describir los principales módulos funcionales con los cuales un sistema digital es construido, la capacidad del estudiante de interconectar y sincronizar el flujo de información entre los bloques funcionales, la capacidad del estudiante de describir las funciones que un sistema digital (principalmente la computadora personal) puede realizar con base en los bloques que lo componen. Los aspectos que se tomarán en cuenta para la evaluación del proyecto son: presentación oral (que muestre buen dominio del tema que define el proyecto y que sea capaz de defender su trabajo), reporte, completo, por escrito del desarrollo del proyecto (antecedentes, introducción, formulación del problema, desarrollo, resultados (cálculos, simulación, gráficas, etc.), conclusiones, bibliografía) e implementación y prueba del mismo (técnica de construcción, orden, eficacia, costo, eficiencia, funcionalidad). 7. Bibliografía: a) Bibliografía básica Mano M.M., Kime C. R., Fundamentos de Diseño lógico y de computadoras. Pearson, 3ra. Edición, 2005 Stallings W., Organización y arquitectura de computadoras. Pearson, 7a. Edición, 2006 b) Bibliografía complementaria. Mano M. M., Arquitectura de computadoras. Pearson, 3ra. Edición, 1993 Abramovici, M., Digital Systems Testing and Testeable Design, IEEE Press, NY, 1996 Kai Hwong, & Briggs, Arquitectura de computadoras y procesamiento en paralelo, Mc.Graw Hill, México, 1987 Paterson, D., & Morgan, J., Computer organization & Design, Kauffmann Publishers, Inc. NY, 1999 Tocci, R., Sistemas digitales: principios y aplicaciones, Prentice-Hall, México, 1993 Otros recursos didácticos. El curso deberá apoyarse en lo siguiente: Laboratorio: Analizadores lógicos, multímetros, puntas lógicas, fuentes de alimentación de DC, generadores de señal, osciloscopios, entre otros. Simulación digital: Computadoras personales, recomienda MULTISIM y CIRCUITMAKER) programas Sesión de clase: Computadora personal y proyector digital. para simulación (se