Código-Materia: 11121 LÓGICA DIGITAL Y LABORATORIO Requisito: PRE: 11264 Electrónica y Laboratorio PRE: 08276 Matemática Discreta COR: 11317 Espacio de Laboratorio de Lógica Digital Programa Semestre: Ingeniería de Sistemas sexto semestre Ingeniería Telemática quinto semestre Período académico: Agosto a Noviembre de 2017 Intensidad semanal: 4 horas semanales Créditos: 4 MOTIVACIÓN La asignatura Lógica Digital es la aplicación de la matemática en el campo de la ingeniería, donde se sientan primero las bases de álgebra booleana aplicada a la lógica en los sistemas digitales. Es la base de los Sistemas Digitales y ello implica también, la base de la Estructura de Computadores que se estudia en otros cursos. Entre otras se revisan axiomas y teoremas, conversión entre sistemas de numeración. A continuación se tratan los dispositivos lógicos combinatorios básicos como decodificadores, multiplexores, sumadores y comparadores. Además se realiza una introducción a los lenguajes de descripción de hardware. La segunda parte del curso comprende los dispositivos lógicos secuenciales básicos, (flip-flops), y máquinas de estado. Tiene un componente práctico que involucra el diseño e implementación de sistemas digitales para resolver problemas tecnológicos basados en dispositivos lógicos programables. Programa: Ingeniería de Sistemas Resultados de Aprendizaje relacionados con el Programa A: Aplicación de matemáticas, ciencias e ingeniería (A) Fuente de Valoración NO Programa: Ingeniería Telemática Resultados de Aprendizaje Resultados de Aprendizaje relacionados con el Programa A: Aplicación de matemáticas, ciencias e ingeniería (A) Fuente de Valoración NO Resultados de Aprendizaje Lógica Digital y Laboratorio Página 1 de 6
Generales OBJETIVOS Describir los diferentes elementos del nivel de lógica digital y establecer como dichos elementos sirven de base para la implementación de los sistemas modernos de computación y comunicación. Terminales: 1. El estudiante será capaz de entender y explicar las funciones del hardware digital como elemento base para la implementación de sistemas que procesan, manipulan y almacenan información. Así mismo, describir las limitaciones de dichos sistemas digitales. 2. Dada una situación específica, modelar problemas de representación binaria usando tablas de verdad, funciones de conmutación y/o máquinas de estado, con el fin de aplicar métodos de simplificación de circuitos y determinar la equivalencia y validez de las diferentes soluciones. 3. Diseñar e implementar circuitos digitales que den solución a problemas tecnológicos del entorno, aplicando de forma recursiva técnicas de diseño apropiadas y haciendo uso de herramientas CAD, dispositivos lógicos programables e interfaces con sensores y actuadores. Específicos De formación académica: Unidad 1: LAS FAMILIAS LOGICAS DIGITALES Diferenciar los ámbitos de utilización de los circuitos digitales Utilizar adecuadamente los circuitos digitales en el laboratorio Identificar los parámetros eléctricos y temporales y describir las limitaciones de las compuertas digitales. Reconocer la necesidad de la incorporación de etapas de potencia para acople de circuitos digitales con otros sistemas y proponer algunos diseños básicos de implementación. -Introducción a los elementos y dispositivos empleados en lógica digital -Simulación de compuertas Lógicas con elementos de conmutación -Compuertas lógicas básicas Unidad 2: INFORMACIÓN Y SISTEMAS BINARIOS DE NUMERACION Aplicar las reglas de la aritmética binaria para realizar operaciones manualmente. Identificar y utilizar diferentes códigos binarios y formatos de representación binaria. Identificar las limitaciones inherentes a todos los sistemas de numeración binaria. Lógica Digital y Laboratorio Página 2 de 6
-Simulación de un circuito Sumador-Sustractor en C2 - Sistemas de numeración y aritmética binaria (ALU). Unidad 3: ALGEBRA DE BOOLE Y CIRCUITOS LÓGICOS Aplicar las reglas del álgebra de Boole a la simplificación de circuitos combinacionales Identificar y utilizar las formas normales para describir funciones lógicas Realizar un circuito lógico a partir de su función Obtener la función lógica a partir del diagrama de circuito Introducción a la herramienta de captura esquemática para crear circuitos lógicos. Unidad 4: CIRCUITOS COMBINACIONALES Y BLOQUES CONSTRUCTORES Aplicar los métodos de simplificación a diferentes tipos de problemas de diseño. Identificar la función y uso de los bloques constructores tipo MSI Implementar funciones lógicas con los diferentes bloques constructores Aplicar las funciones lógicas y bloques constructores a la solución de problemas Implementar y simular circuitos combinacionales con herramientas CAD y dispositivos programables. Implementación de circuitos combinacionales y bloques constructores usando VHDL y dispositivos lógicos programables -Problema de diseño usando simplificación con mapas de Karnaugh. -Simulación de circuitos utilizando Bloques Constructores. Unidad 5: SISTEMAS SECUENCIALES Y ELEMENTOS CON MEMORIAS FLIP- FLOPS Identificar los diferentes tipos de Filp-Flop Explicar cómo los registros y memorias son implementadas con flip-flops. Aplicar los procedimientos de síntesis a problemas de diseño de circuitos Implementar y simular circuitos secuenciales con herramientas CAD y dispositivos lógicos programables - Manejo de Registros de almacenamiento de datos -Implementación de un sistema de memoria simple. Lógica Digital y Laboratorio Página 3 de 6
METODOLOGÍA La asignatura de Lógica Digital conjuga la componente teórica y la componente práctica para fortalecer el aprendizaje del contenido. La componente teórica se caracteriza por una serie de sesiones de clase, las cuales irán acompañadas de ejercicios sobre el material que está siendo cubierto. Se espera que el estudiante prepare anticipadamente el material que se tratará en el aula y que participe activamente en clase. En el curso se trabaja con un texto de base y varios textos de apoyo, aunque no existe formalmente un texto guía. El trabajo en clase se centrará en resolver las dudas encontradas por los estudiantes durante la preparación de la misma, la verificación de las respuestas encontradas, la solución de ejercicios que no se hayan podido resolver, pero sobre todo en discutir nuevos ejercicios que permitan alcanzar mayor claridad en cada tema. La componente práctica está compuesta por una serie de experiencias de laboratorio de característica cerrada, con un conjunto de guías de laboratorio y algunas prácticas abiertas las cuales consisten en miniproyectos sobre circuitos lógicos. El laboratorio equivale a un 15% de la nota total del curso, pero se requiere que el estudiante haya ganado los exámenes teóricos para que esta nota se tenga en cuenta en el cómputo final. La asignatura tiene un proyecto final en el que se involucran aspectos de tecnología digital en trabajos de cierta complejidad que exigen la explotación de herramientas de software o el estudio detallado de periféricos de computadores. El proyecto final se entregará a más tardar el viernes de la segunda semana de exámenes finales. Actividades del estudiante Antes de la clase: Los estudiantes deben realizar una lectura asignada cada semana y a partir de esta desarrollar un informe de lectura según indicaciones del profesor en cada sesión. Responder las preguntas de preparación de cada tema Resolver los ejercicios propuestos para aplicar los conceptos estudiados. Escribir las inquietudes y observaciones surgidas en el proceso de preparación del tema. Durante la clase: Los estudiantes deben participar activamente (compartir experiencias, transmitir las dudas para ser aclaradas) en las actividades asignadas para cada tema partiendo del conocimiento previo adquirido a través de la lectura y de la elaboración de los informes. Realizar los ejercicios complementarios que el profesor indique. Lógica Digital y Laboratorio Página 4 de 6
Después de la clase: Terminar los ejercicios presentados en cada clase. Resolver los ejercicios propuestos por el profesor. Aplicar los conocimientos y técnicas aprendidas en la realización de los ejercicios de cada tema. EVALUACIÓN La evaluación consta de dos componentes, uno teórico, distribuido en tres evaluaciones parciales, y una componente práctica asociada al laboratorio y al proyecto final. Exámenes Porcentaje Unidades a Evaluar Semana de realización Primer parcial 22% Unidad 1 y 2 Semana 6 Segundo parcial 22% Unidad 3 y 4 Semana 11 Tercer examen parcial 22% Unidad 5 Semana 17 Verificaciones y Tareas 10 % Prácticas de Laboratorio 14% Proyecto Final 10% Total 100% Primera evaluación parcial (P) 22% (6ª Semana) Identificar los diferentes tipos de circuitos Diferenciar los ámbitos de utilización de los circuitos digitales Aplicar las reglas de la aritmética binaria para realizar operaciones manualmente Identificar y utilizar diferentes códigos y sistemas de numeración binaria Identificar las limitaciones de los sistemas digitales Aplicar las reglas del álgebra de Boole a la simplificación de circuitos combinacionales Utilizar las formas normales para describir funciones lógicas Realizar un circuito lógico a partir de su función Obtener la función lógica a partir del diagrama de circuito Segunda evaluación parcial (SP) 22% (11ª Semana) Aplicar los métodos de simplificación a diferentes tipos de problemas Identificar los bloques constructores lógicos. Implementar funciones lógicas con los diferentes bloques constructores. Aplicar las funciones lógicas y bloques constructores a la solución de problemas Implementar y simular circuitos combinacionales con herramientas CAD y tarjeta SPARTAN 3E Utilizar herramientas CAD y lenguaje VHDL en la programación de dispositivos. Lógica Digital y Laboratorio Página 5 de 6
Evaluación final (F) 22% (17ª Semana) Identificar los diferentes tipos de Filp-Flop con sus tablas características Utilizar los diagramas de tiempo como herramienta de análisis de circuitos con memoria. Describir como se usa e implementa un registro partiendo de un arreglo de flip-flops. Describir la estructura de una memoria SRAM. Aplicar los procedimientos de síntesis a problemas de diseño de circuitos Implementar y simular circuitos secuenciales con herramientas CAD Solucionar problemas diversos que requieran el uso de circuitos digitales. Proyecto final (PF) 20% Desarrollar técnicas de análisis y síntesis de circuitos digitales cableados y programados. Aplicar metodologías de diseño de sistemas secuenciales para solucionar un problema real dado. Manejar adecuadamente herramientas software de análisis de circuitos digitales: captura de esquemas, simulaciones Laboratorio (L) 14% Nota: Algunos temas de los exámenes son acumulativos, dichos temas y objetivos serán informados por el profesor. BIBLIOGRAFÍA BROWN, Stephen y VRANESIC, Zvonko. Fundamentos de Lógica Digital con diseño VHDL. 2ª edición. México: McGraw-Hill, 2006 Diseño Digital. Principios y Aplicaciones. Wakerly, John., 3a edición, Prentice Hall, 2.001 Roth, Charles H. Fundamentos de Diseño Lógico. 5ª Ed. Mexico: Thomson, 2005. Marcoviotz, Alan B. Diseño Digital. 2ª ed. México: McGraw-Hill, 2005. Diseño Lógico, Lloris Antonio, Prieto Alberto, McGraw- Hill 1996 Digital Design, Principles and Practices. Wakerly, John. 3rd Edition, New York: Prentice Hall, 1.999 Contemporary Logic Design. Katz, Randy. Addison Wesley, 1.993 Organización y arquitectura de computadores. Martínez, Jaime y Olvera, r. Jorge A. Méxixo: Prentice Hall, 2000 Diseño Lógico, Mano Morris, Prentice -Hall Fundamentos de Diseño Lógico y Computadoras, Mano M., Kime Ch., Prentice Hall Análisis y Diseño de Circuitos Lógicos Digitales. Nelson, Nagle, Carrol e Irwin, Prentice Hall Fundamentos de Electrónica Digital. Floyd, Editorial Limusa Sistemas Digitales, principios y aplicaciones. Tocci R, Prentice Hall Lógica Digital y Laboratorio Página 6 de 6