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Laboratorio de Circuitos y Sistemas Electrónicos (LCSE-1 / 2017-18)

Documento electrónico: 
Créditos Totales: 
4.0
Fechas de impartición: 
Primer semestre
Tipo de asignatura: 
Troncal/obligatoria
Objetivos docentes: 

En esta asignatura se aplican los conocimientos de electrónica digital al diseño práctico de un sistema digital de complejidad media. En este sentido, el principal objetivo es que el alumno adquiera la capacidad de realizar una implementación real a partir de unas especificaciones funcionales siguiendo la metodología de diseño de circuitos digitales síncronos.
El énfasis se hace en la utilización de herramientas CAD para el diseño de circuitos digitales complejos empleando el lenguaje de descripción hardware VHDL. Aprovechando este esce-nario se tratan asimismo otros aspectos prácticos importantes relacionados con el diseño de sistemas digitales complejos. La validación del desarrollo es una tarea principal, que debe rea-lizarse mediante simulación, como sucede en entornos profesionales.
A lo largo del curso el alumno tiene que realizar varias prácticas aplicando las distintas fases de una metodología clásica de diseño:
1. Estudio de las herramientas CAD de diseño
2. Especificación en VHDL y técnicas de simulación
3. Síntesis e implementación sobre FPGA

Más concretamente, los objetivos de la asignatura se pueden describir del siguiente modo:

  1. Experimentar el desarrollo de sistemas digitales complejos
  2. Desarrollar la capacidad de análisis de una especificación
  3. Emplear herramientas profesionales de síntesis y simulación digital
  4. Comprender la importancia de los sistemas digitales síncronos
  5. Aprender técnicas para la depuración de sistemas hardware mediante simulación
  6. Planificar adecuadamente las etapas de desarrollo para un sistema complejo
  7. Abordar todas las fases de desarrollo, hasta la prueba final en una FPGA real
Programa: 

Tema 1: El lenguaje VHDL
Niveles de abstracción
Tipos y subtipos de datos, conversiones
Constantes, señales y variables, atributos
Asignaciones, operadores
Entidades, puertos y generics
Arquitecturas, sentencias concurrentes
Procesos y listas de sensibilidad, sentencias secuenciales
Reutilización de componentes, paquetes y librerías
Bancos de pruebas, wait y after

Tema 2: Consideraciones prácticas para diseño y simulación-verificación
Descripción de máquinas de estados
Concepto de código sintetizable
Inferencias comunes en la síntesis
Procesos combinacionales y secuenciales
Temporización y simulación
Ficheros de restricciones

Tema 3: Errores comunes en el uso del VHDL
Listas de sensibilidad incompletas
Aparición de latches
Lazos combinacionales
Asignación multiple de señales
Empleo de señales y variables
Inicialización de señales

Práctica I: Consta de ejercicios guiados con el propósito de introducir al lenguaje de descrip-ción hardware VHDL y familiarizar con las herramientas software de desarrollo, más el diseño de un módulo de pequeña complejidad que luego formará parte del sistema de la Práctica II.

Práctica II: Diseño sobre especificaciones de un sistema electrónico digital completo de com-plejidad media.

Metodología docente
La asignatura se plantea sobre la realización de dos prácticas de creciente complejidad, para las cuáles los alumnos se agrupan en parejas. A cada pareja se le asigna un turno de asistencia preferente con una duración de 3 horas.
La Práctica I aborda el aprendizaje del lenguaje VHDL y la introducción a las herramientas de simulación y síntesis. Es una práctica guiada, que se realiza para que el alumno se familiarice con el entorno de trabajo y adquiera un conocimiento inicial del VHDL. Para ello, se proponen varios ejercicios sencillos que servirán de modelo para la descripción de los elementos esencia-les del diseño digital mediante VHDL, incluyendo lógica combinacional y secuencial. En un úl-timo ejercicio, el alumno debe codificar VHDL por sí mismo, profundizando también en los resultados de los procesos de síntesis realizados. Este ejercicio debe llegar a funcionar en una placa de protipado.
En la Práctica II se realiza el desarrollo de un sistema digital de complejidad media a partir de unas especificaciones dadas siguiendo una metodología tipo PBL (Problem-Based Learning), de forma que el alumno demande su formación en función de las necesidades que le surgen al resolver el problema. El alumno debe generar el código VHDL de los bloques constituyentes del sistema y los estímulos necesarios para la correcta verificación del diseño.
Adicionalmente se impartirán clases sobre los temas que tengan impacto crítico en el diseño de un sistema, como puede ser temporización, diseño de máquinas de estados o acceso a bu-ses. Igualmente se impartirán clases de introducción a las herramientas y al lenguaje VHDL.

Evaluación: 

La Práctica I propuesta tiene como objetivo que los alumnos se familiaricen con las herramien-tas de desarrollo y descubran las particularidades de la especificación de hardware digital me-diante lenguajes de alto nivel, ya que es intrínsecamente diferente de la programación softwa-re, con la que ya están muy habituados.
En este sentido, se les pide que entreguen las respuestas a las cuestiones suscitadas en los ejercicios de la Práctica I, así como también el código generado para el último ejercicio de la misma, que serán analizados por los profesores para determinar el grado de competencia ad-quirido. A continuación se reunirán con los alumnos para comentar las dificultades surgidas y corregir deficiencias en los métodos de trabajo y especificación, con el objeto de facilitar el abordaje de la Práctica II.
El objetivo final de la asignatura consiste en la implementación del sistema propuesto en la Práctica II, alcanzando si es posible la realización de pruebas reales en la placa de prototipado. Así pues, el énfasis está más en el desarrollo de las habilidades de especificación, simulación y depuración, y menos en la generación de documentación.
Al termino de la asignatura, se pide a los alumnos que entreguen todo el código generado, así como una breve memoria del trabajo realizado en la Práctica II, incluyendo la siguiente in-formación:

  1. Decisiones tomadas sobre la arquitectura escogida
  2. Diferencias con el esquema propuesto y justificación
  3. Dificultades encontradas y solución
  4. Grado de consecución del prototipo final

La evaluación final se basa en la información de la memoria y el código entregados, junto con los resultados de un examen oral práctico que tiene lugar entre un profesor y cada uno de los grupos del laboratorio, donde los alumnos deben demostrar:S

  1. Su conocimiento sobre el sistema desarrollado
  2. El grado de consecución del mismo
  3. Su competencia en el empleo de las herramientas y metodologías

 

El profesor observa también la habilidad de los alumnos para comunicar de manera efectiva y concisa información técnica, conocimientos, justificaciones, etc., y para responder a las pre-guntas que les formule.

Profesorado
Coordinador: 
Más Información
Código de la asignatura: 
93000705
Número del curso al que pertenece dentro de la titulación: 
1
Conocimientos Previos: 
Asignaturas Previas Recomendadas:
 
El coordinador de la asignatura no ha definido asignaturas previas recomendadas.
 
Otros Conocimientos Previos Recomendados:
 
Electrónica Digital o equivalente.
Conocimientos teóricos básicos de VHDL y FPGAs.
Centro de impartición: 
ETSI Telecomunicación
Curso académico de impartición: 
2017-2018
Bibliografía: 

El material docente consiste en:

1. Enunciados de las prácticas propuestas
2. Transparencias empleadas en las clases impartidas
3. Código VHDL necesario para las prácticas
Todo el material se hace accesible a través de la página Web de la asignatura, después de que se imparten las clases teóricas correspondientes.
No se sigue un libro en particular, si bien se recomiendan varios para consulta, todos ellos dis-ponibles en la

Biblioteca del Centro.

En esta selección aparecen ordenados de mayor a menor interés para la asignatura.

1. Libros sobre VHDL:

- Sundar Rajan, Essential VHDL: RTL Synthesis Done Right, 1998.
Algo antiguo, pero muy didáctico y fácil de leer.
- Peter J. Ashenden, The Designer's Guide to VHDL, Morgan Kaufmann, 2nd Ed., 2003.
El más completo, incluye ejemplos de bastante complejidad.
- Volnei A. Pedroni, Circuit Design with VHDL, The MIT Press, 2004.
Util como texto introductorio y también como referencia.
- Stefan Sjoholm and Lennart Lindh, VHDL for Designers, Prentice Hall, 1997.

2. Libros sobre diseño digital, pero que introducen el VHDL en sus ejemplos:

John F. Wakerly, Digital Design: Principles and Practices, Prentice Hall, 4th Ed., 2006.
Enciclopédico manual sobre diseño digital, que incluye la descripción de todos los ejemplos con VHDL y ABEL.

Volnei A. Pedroni, Digital Electronics and Design with VHDL, Morgan Kaufmann, 2008.

Tribunal
Secretario: