Créditos prácticos: Objetivos Generales. Conocimientos Previos Recomendados

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1 Año académico: Centro: Escuela Politécnica Superior Departamento: Arquitect. de Computadores y Electrónica Área: Electrónica/Tecnología Electrónica Estudios: Ingeniero Técnico en Informática de Sistemas (Plan 2000) Código: Asignatura: Tecnología de Computadores Ciclo: 1º Curso: 1º Cuatrimestre: 1Q Carácter: Troncal Créditos teóricos: 4,5 Créditos prácticos: 3 Objetivos Generales Conocimientos Previos Recomendados El objetivo general de la asignatura es el estudio de la metodología de diseño lógico de circuitos electrónicos combinacionales y secuenciales en los niveles de puerta y de bloques funcionales. De los distintos niveles de abstracción a estudiar en un sistema electrónico (Electrónico, puerta, registro, procesador), nos centramos en el nivel de puerta y en de registro tratado con circuitos MSI. Debido a que la asignatura se imparte al comienzo de la carrera, no se presuponen conocimientos electrónicos de los alumnos. Tanto el análisis como el diseño de los sistemas se realizarán desde el punto de vista lógico. No obstante, desde el primer momento se tratar de realizar un estudio de la materia lo más aproximado al mundo real, utilizando desde el principio los C.I. (Circuitos Integrados) disponibles comercialmente, utilizando la notación ANSI, manejando la documentación técnica disponible sobre ellos y valorando los diferentes criterios que influyen en un diseño, como pueden ser los económicos, la robustez, la disponibilidad de componentes, tamaño o estéticos. El diseño de circuitos requiere de unas herramientas matemáticas que el alumno desconoce o no domina al iniciar estudios universitarios. Éstas son los sistemas de numeración posicional (en especial el binario, octal y hexadecimal) y la utilización de la axiomática (Álgebra de Boole) propia de dichos sistemas de numeración en su aplicación al diseño e implementación de circuitos lógicos. Debido a la importancia de estos conceptos es necesario desarrollarse al principio del curso para sentar las bases para su posterior aplicación a niveles superiores (puertas lógicas, registro y procesador). En el nivel siguiente se estudia el diseño de funciones booleanas a nivel de puertas lógicas, de bloques funcionales combinacionales MSI Y sus C.I. asociados, y la metodología de diseño top -down relacionada a nivel de bloque, justificándose frente al de puertas. En resumen el objetivo de la asignatura es el estudio de la metodología de diseño lógico de circuitos electrónicos combinacionales y secuenciales aplicados a nivel de puertas lógicas y bloques funcionales MSI o dispositivos lógicos programables. Se hace hincapié en el diseño jerarquizado utilizando circuitos integrados comerciales y sus hojas de características. Y casi al final el estudio de los circuitos secuenciales a partir del elemento menor de estos sistemas (biestables), análisis y la síntesis de circuitos secuenciales síncronos y asíncronos (registros y contadores). Otra parte del temario se dedica al estudio de los dispositivos lógicos programables (PLD) con capacidad funcional equivalente a la MSI y su aplicación al diseño de circuitos combinacionales y secuenciales.

2 CONTENIDOS TEORICOS (Temporización) Bloque I: INTRODUCCIÓN Este bloque temático está dedicado a presentar la asignatura a los alumnos. En su primer tema, se justifica el estudio de la electrónica como una de las tecnologías óptimas en el desarrollo de la Ingeniería Informática. Se estudia la diferencia entre electrónica digital y analógica y se entra en la problemática del análisis y diseño de circuitos a nivel lógico, proporcionando la metodología didáctica. El segundo tema se dedica a la representación de la información en un sistema digital, por tanto se centra en los sistemas de numeración binario, octal y hexadecimal, y en los principales códigos binarios. Bloque II. HERRAMIENTAS MATEMÁTICAS PARA EL DISEÑO LÓGICO Este bloque está dedicado a presentar las herramientas matemáticas necesarias para el diseño lógico. En el primero se estudia los axiomas utilizados en el procesamiento lógico (álgebra de Boole), desarrollado en un principio para describir las leyes de la lógica, y su aplicación particular al diseño e implementación (puertas lógicas) de circuitos lógicos. Bloque III. DISEÑO COMBINACIONAL El bloque está dedicado al estudio de los circuitos combinacionales en el nivel de bloque funcional. En el primer tema, Lógica Combinacional, se empieza con el análisis de un circuito en el modelo ideal, para acabar con la realización de cronogramas en el modelo lógico y seguidamente se realiza la síntesis de circuitos combinacionales desarrollando una metodología basada en mapas de Karnaugh para simplificación de funciones y la implementación con el conjunto de operadores. En el tema, Funciones de la Lógica Combinacional se justifica el diseño en el nivel de bloque frente al diseño en el nivel de puerta, y se estudian las principales funciones combinacionales y su implementación MSI. Bloque IV: DISEÑO SECUENCIAL El bloque está dedicado al estudio de los circuitos secuenciales con especial atención al nivel de registro. Se parte del estudio de los diferentes biestables como elementos de memoria, a continuación se analiza el funcionamiento y aplicaciones de los bloques funcionales haciendo referencia a los circuitos integrados comerciales. Finalmente, se analiza diferentes implementaciones de circuitos secuenciales como registros de desplazamiento, contadores síncronos y asíncronos. Y síntesis de registro de desplazamiento y contadores asíncronos. Bloque V: LÓGICA PROGRAMABLE Este bloque presenta el diseño con PLDs. Se hará un estudio que permitirá repasar el diseño de circuitos en el que intervengan puertas lógicas y módulos funcionales combinacionales y la posibilidad de secuenciales. Bloque VI: FAMILIAS LÓGICAS El bloque está dedicado al estudio de las diferentes implementaciones de los dispositivos, sus características de operación según su estructura interna (familias lógicas). Diferencias entre las distintas familias lógicas centrándonos en las familias TTL, CMOS y BiCMOS. Teoría Problemas Total INTRODUCCIÓN Presentación de la Asignatura Introducción a los Conceptos Digitales LÓGICA COMBINACIONAL Álgebra de Boole. Simplicación Lógica Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Módulos Combinacionales LÓGICA SECUENCIAL Lógica Secuencial Módulos Secuenciales: 5 4 9

3 DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES Dispositivos Lógicos Programables TECNOLOGÍA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Tecnología de circuitos integrados Cuadro: Distribución temporal (en horas) de los contenidos de teoría y problemas de Tecnología de Computadores en Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas. Hora Tema Contenido INTRODUCCIÓN (4 horas) 1 0. Introducción de la asignatura 0.1 Objetivos generales de las asignaturas Tecnología de Computadores 0.2 Contexto general de las asignaturas en el actual plan de estudios 0.3 Breve descripción de los contenidos y bibliografía recomendada 0.4 Exposición de la metodología docente y de las pruebas de evaluación 2 1. Introducción a los conceptos 1.1 Introducción a los conceptos a) Magnitudes analógicas y b) Sistemas analógicos y digital c) Ejemplos de sistemas analógicos y analógico-digital 3 1. Introducción a los conceptos 4 1. Introducción a los conceptos 1.2 Diseño de sistemas 1.3 Introducción a los sistemas de numeración en un computador 1.4 Sistemas de numeración posicional o ponderado 1.5 Sistema de numeración decimal, binario, octal y hexadecimal. Cambio de base 1.6 Códigos binarios para representación de números decimales a) Código BCD natural b) Código BCD-Exceso Otros códigos binarios. Código Gray 1.8 Códigos para detección y corrección de errores 1.9 Implementación de generadores y detectores de paridad LÓGICA COMBINACIONAL 5 2. Álgebra de Boole. Simplicación lógica (16 horas) 2.1 Conceptos 2.2 Postulados y leyes del Álgebra

4 6 2. Álgebra de Boole. Simplicación lógica 7 2. Álgebra de Boole. Simplicación lógica 8 2. Álgebra de Boole. Simplicación lógica 9 3. Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Módulos combinacionales Módulos combinacionales Módulos combinacionales de Boole. Teorema de DeMorgan 2.3 Análisis booleano de circuitos lógicos 2.4 Simplicación mediante Álgebra de Boole de funciones lógicas 2.5 Formas de expresión de las funciones lógicas a) Expresión algebraica b) Formas estándares-expresión canónica. Minitérminos y Maxitérminos 2.5 Formas de expresión de las funciones lógicas c) Tabla de Verdad d) Representación gráfica. Mapa de Karnaugh 2.6 Minimización de funciones. Mapas de Karnaugh a) Ejemplos de minimización de funciones 3.1 Concepto de circuito conbinacional 3.2 Puertas lógicas 3.3 Análisis de circuitos combinacionales a) Derivación de la expresión algebraica b) Derivación de la tabla de verdad 3.4 Diseño de circuitos combinacionales a) Síntesis de funciones mediante redes de puertas lógicas de dos niveles: AND-OR, OR-AND 3.4 Diseño de circuitos combinacionales b) Síntesis de funciones mediante redes multinivel de puertas lógicas 3.5 Puertas lógicas universales 3.6 Síntesis de funciones mediante puertas lógicas universales 3.6 Síntesis de funciones mediante puertas lógicas universales 3.7 Diagramas de tiempo: cronogramas 3.8 Aplicaciones a los sistemas 4.1 Conceptos 4.2 Bloques funcionales aritméticos a) Sumadores b) Sumadores binarios. Acarreo anticipado 4.3 Compradores 4.4 Decodicadores a) Decodicadores comerciales 4.4 Decodicadores b) Aplicaciones con

5 16 4. Módulos combinacionales Módulos combinacionales Módulos combinacionales Módulos combinacionales Módulos combinacionales decodicadores 4.5 Codicadores. Codicadores con prioridad 4.6 Conversores de código 4.7 Multiplexores a) Multiplexores comerciales b) Aplicaciones de multiplexoresdesplazadores 4.7 Multiplexores b) Aplicaciones de multiplexores - Síntesis de funciones lógicas 4.8 Demultiplexores a) Demultiplexores comerciales b) Aplicaciones. Síntesis de funciones lógicas 4.8 Demultiplexores b) Aplicaciones. Síntesis de funciones lógicas LÓGICA SECUENCIAL (16 horas) Lógica Secuencial 5.1 Introducción a las máquinas finitas de estados a) Definiciones básicas. Máquina de Mealy y Moore b) Tabla de estados. Diagrama de estados Lógica Secuencial 5.2 Elementos de memoria a) Cerrojo SR b) Cerrojo D Lógica Secuencial 5.2 Elementos de memoria c) Cerrojo JK d) Cerrojo T Lógica Secuencial 5.2 Elementos de memoria e) Elementos secuenciales síncronos: Flip-Flop. Niveles de disparo f) Biestable JK, D y T Lógica Secuencial 5.2 Elementos de memoria g) Biestable JK con entradas asíncronas, ejemplo de CI comerciales 5.3 Temporización de biestables a) Características de operación b) Tiempos de propagación, Setup y Hold Lógica Secuencial 5.3 Temporización de biestables c) Ejemplos de características de tiempos en Flip-Flop comerciales d) Problemas con los relojes 5.4 Biestable en configuración maestro esclavo Lógica Secuencial 5.5 Diseño de un circuito secuencial sencillo a) Diseño de un biestable D a partir de SR b) Diseño de un biestable D a partir de JK c) Diseño de un biestable D a

6 partir de T Módulos secuenciales 6.1 Conceptos 6.2 Concepto de actuación Módulos secuenciales 6.3 Registro de desplazamiento a) Análisis, diseño y síntesis de registros de desplazamiento Módulos secuenciales 6.3 Registro de desplazamiento b) Ejemplo de CI de registro de desplazamiento comerciales c)contadores basados en registros de desplazamiento Módulos secuenciales 6.4 Divisores de frecuencia 6.5 Contadores a) Contadores asíncronos a.1) Ascendente, descendente y ascendente-descendente a.2) Contadores de módulo N Módulos secuenciales 6.5 Contadores a) Contadores asíncronos a.3) Contadores truncados a.4) Contadores comerciales Módulos secuenciales 6.5 Contadores b) Contadores síncronos b.1) Ascendente, descendente y ascendente-descendente b.2) Contadores de módulo N Módulos secuenciales 6.5 Contadores b) Contadores síncronos b.3) Contadores comerciales c) Ejemplos de aplicación de contadores 6.6 Generadores de secuencias síncronos Módulos secuenciales 6.6 Generadores de secuencias síncronos Módulos secuenciales 6.6 Generadores de secuencias síncronos DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES (5 horas) Dispositivos lógicos programables 7.1 Dispositivos lógicos programables (PLDs) 7.2 Clasificación de los dispositivos PLDs a) Matrices lógicas programables PLA b) Matrices lógicas programables PAL Dispositivos lógicos programables 7.2 Clasificación de los dispositivos PLDs c) Memoria ROM programable PROM d) Matrices lógicas gen ericas GAL Dispositivos lógicos programables 7.3 Funcionamiento de ROM-PROM- EPROM 7.4 Ejemplos de CI de PLDs comerciales Dispositivos lógicos 7.5 Síntesis de funciones lógicas

7 programables Dispositivos lógicos programables combinacionales mediante PLDs 7.6 Síntesis de funciones lógicas secuenciales mediante PLDs 7.7 Dispositivos lógicos programables complejos: CPLDs y FPGAs TECNOLOGÍA DE CIRCUITOS INTEGRADOS (4 horas) Tecnología de circuitos integrados 8.1 Dispositivos semiconductores en conmutación Tecnología de circuitos integrados 8.2 Característica operacionales y parámetros de los CIs 8.3 Familias lógicas bipolares a) Lógica Resistencia-Transistor (RTL) b) Lógica Diodo-Transistor (DTL) c) Lógica Transistro-Transistro (TTL) d) Lógica Emisores Acoplados Tecnología de circuitos integrados Tecnología de circuitos integrados (ECL) 8.4 Familias lógicas Metal- Óxido Semiconductor (MOS) 8.5 Familias lógicas BICMOS 8.6 Interface entre las distintas familias lógicas 8.7 Comparación entre familias CMOS 8.8 Comparación entre familias TTL 8.9 Comparación entre familias CMOS y TTL Cuadro: Distribución temporal por lecciones magistrales de 1 hora del contenido de la teoría y problemas de Tecnología de Computadores CONTENIDOS PRÁCTICOS (Temporización) MÓDULO DE PRÁCTICAS I: INICIACIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN BÁSICA 1.1.ENTRENADOR ELECTRÓNICO Especificaciones Técnicas Puesta en marcha del entrenador Manejo del reloj Manejo del generador de funciones Zócalo para la inserción directa de componentes 1.2.OSCILOSCOPIO HM Introducción Funciones y tipos Componentes principales Sondas Manejo del osciloscopio HM Descripción del panel de tiempos Descripción del panel de amplitud 1.3.POLÍMETRO DIGITAL 1.4. GENERADOR DE SEÑALES Descripción de mandos 1.5.FUENTES DE ALIMENTACIÓN DC 1.6. RESISTENCIAS 1.7. Práctica 1: Instrumentación Básica: Polímetro 1.8. Práctica 2: Instrumentación Básica: Osciloscopio

8 MÓDULO DE PRÁCTICAS II: INICIACIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL Práctica 1: Álgebra de Contactos y Simplificación de Funciones Combinacionales 2.2. Práctica 2: Simplificación e Implementación de Funciones Combinacionales 2.3. Práctica 3: Diseño e Implementación de Circuitos Combinacionales MÓDULO DE PRÁCTICAS III: FUNCIONES DE LA LÓGICA COMBINACIONAL 3.1. Práctica 1: Diseño e Implementación de Circuitos Aritméticos 3.2. Práctica 2: Diseño e Implementación de Codificadores y Decodificadores 3.3. Práctica 3: Diseño e Implementación de Circuitos Multiplexores y Demultiplexores 3.4. Práctica 4: Diseño y Simulación de Funciones de la Lógica Combinacional MÓDULO DE PRÁCTICAS IV: DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES (PLD) 4.1. Práctica 1: Simulación de PLA 4.2. Práctica 2: Simulación de PAL y GAL MÓDULO DE PRÁCTICAS V: LÓGICA SECUENCIAL (FLIP-FLOPS, REGISTROS Y CONTADORES) 5.1. Práctica 1: Simulación de Básculas Asíncronas y Flip-Flops Disparados por Flanco y por Nivel Práctica 2: Simulación de Registros de Desplazamiento Práctica 3: Simulación de Circuitos Contadores. INTRODUCCIÓN: ENTORNO DE TRABAJO 2 horas Descripción del entorno de trabajo. LÓGICA COMBINACIONAL 14 horas Propiedades del álgebra de Boole. Puertas lógicas. Síntesis de circuitos combinacionales con puertas lógicas. Simplicación. Descripción y aprendizaje de la herramienta software de diseño de circuitos. Diseño y empleo de codicadores, decodicadores y conversores de código. Diseño y empleo de multiplexores y demultiplexores. Diseño de comparadores. Diseño de sumadores aritméticos. LÓGICA SECUENCIAL 10 horas Diseño de circuitos biestables. Análisis de circuitos secuenciales. Diseño de registros de desplazamiento. Diseño de contadores síncronos. Diseño de un reloj digital. DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES 2 horas Implementación de circuitos lógicos combinacionales mediante PLDs. TECNOLOGÍA DE CIRCUITOS INTEGRADOS 2 horas Bibliografía Titulo: Sistermas Digitales. Principios y aplicaciones Autor: R. Tocci y N. Widmer Editorial: Prentice-hall Edición: 8ª/2003 ISBN: Lectura obligatoria

9 Titulo: Fundamentos de Sistemas Digitales Autor: T. L. Floyd Editorial: Prentice Hall Edición: 7ª/ 2000 ISBN: x Titulo: Dispositivos Lógicos Programables y sus aplicaciones. Autor: E. Mandado, L. J. Álvarez, Mª D. Valdés Editorial: Thomson Edición: 1ª/2002 ISBN: Libros de texto de prácticas Titulo: Manual de Prácticas de Tecnología de Computadores Autor: J. F. Sanjuan, N. Novas, J. García Editorial: Universidad de Almería. Servicio de Publicaciones Edición: 1ª /2001. ISBN: Libros con problema resueltos Titulo: Problemas de Sistemas Electrónicos Digitales Autor: J. Velasco y J. Otero Editorial: Paraninfo Edición: 1ª/ ISBN: Titulo: Problemas Resueltos de Electrónica Digital Autor: J. García Zubía Editorial: Thomson Edición: 1ª/ 2003 ISBN: Titulo: Fundamentos de electrónica Digital Autor: C. Blanco Viejo Editorial: Thomson Edición: 1ª/2005 ISBN: Metodología Evaluación La evaluación de la asignatura se divide en tres partes: 1. La asistencia, realización de las prácticas y entrega de la memoria correspondiente son requisitos indispensables para poder superar las prácticas. La calificación de las prácticas suponen hasta el 30% de la calificación final, para ello es necesario entregar el manual de prácticas y superar un examen tipo test de las prácticas cursadas al final de curso. 2. La realización y exposición de los ejercicios propuesto por el profesor se valorará hasta un 10% de la nota final siempre que la media exceda de 4 pto. de la nota de teoría. 3. Al final de curso hay un examen de teoría con una ponderación del 70%, dicho examen se divide en dos parte: a. Un test de conocimientos teóricos. De no superar 3.5 ptos. sobre 10 no se corrige el siguiente.

10 b. Dos o tres ejercicios prácticos. De no superar 3.5 ptos. sobre 10 no se hace media con el anterior. La calificación de la nota de teoría es la media de las dos partes siempre que en ambas calificaciones parciales supere 4 ptos. sobre 10. Aquellos alumnos que no hayan superado la asignatura en la convocatoria de febrero, se podrán presentar a la de septiembre o diciembre a la parte de la asignatura que no hayan aprobado: teoría y/o prácticas. Cualquier parte superada de la asignatura sólo se guarda hasta la convocatoria de diciembre del mismo curso académico. Sólo podrán realizar el examen aquellos alumnos que figuren en las actas suministradas por secretaría. Observaciones Semana Practica Tema de teoría 1 0 Entorno de trabajo Presentación de la Asignatura Introducción a Sistemas Digitales 2 1 Introducción a Sistemas Digitales Introducción a Sistemas Digitales Álgebra de Boole. Simplicación Lógica 3 2 Álgebra de Boole. Simplicación Lógica Álgebra de Boole. Simplicación Lógica Lógica Combinacional 4 3 Software de diseño Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis 5 3 Lógica Combinacional. Análisis y Síntesis Módulos Combinacionales 6 4 Módulos Combinacionales Módulos Combinacionales 7 4 Módulos Combinacionales Módulos Combinacionales Lógica Secuencial 8 4 Módulos Combinacionales Lógica Secuencial 9 5 Lógica Secuencial Módulos Secuenciales: 10 5 Lógica Secuencial Módulos Secuenciales: 11 6 Módulos Secuenciales: Módulos Secuenciales: 12 6 Módulos Secuenciales: Módulos Secuenciales: Dispositivos Lógicos Programables 13 6 Módulos Secuenciales: Dispositivos Lógicos Programables 14 7 Dispositivos Lógicos Programables Dispositivos Lógicos Programables Tecnología de Circuitos Integrados 15 8 Tecnología de Circuitos Integrados Tecnología de Circuitos Integrados Cuadro: Coordinación temporal de la programación de teoría y de prácticas

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