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Plan de trabajo arquitectura...

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S. Garduza G. Microelectronic, Embedded systems & D-Learning Online training

Embedded systems Microcontrollers

Encuadre | 1TM5 Arquitectura de computadoras

ENCUADRE 1TM5 Arquitectura de computadoras Ingeniería telemática Prof. Sergio Garduza-González. Departamento de Ingeniería. Instituto Politécnico Nacional. IPN-UPIITA. Email: [email protected]

CONTENIDO

Introducción .................................................................................................................................... 1 Competencias.................................................................................................................................. 2 Metodología de trabajo .................................................................................................................. 2 Unidades temáticas......................................................................................................................... 4 Requisitos de acreditación (evaluación sumativa) .......................................................................... 7 Calendarización ............................................................................................................................... 8 Escenario académico ....................................................................................................................... 9 Materiales curriculares, de apoyo y recursos didácticos ................................................................ 9 Referencias básicas ....................................................................................................................... 10 Docente ......................................................................................................................................... 10

INTRODUCCIÓN Esta unidad de aprendizaje introduce al alumno al conocimiento de los elementos que conforman la arquitectura de computadoras. Apoya al diseño de sistemas digitales complejos y su implementación en dispositivos lógicos programables. Así mismo, durante el desarrollo de las unidades temáticas, se fortalece en el

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estudiante una actitud proactiva, de responsabilidad, tolerancia, respeto y de trabajo cooperativo.

COMPETENCIAS COMPETENCIA GENERAL Analizar los diferentes elementos que componen una computadora de acuerdo con su arquitectura, para la implementación del diseño de un procesador de propósito específico en dispositivos lógicos programables, mediante el empleo de un lenguaje de descripción de hardware.

COMPETENCIAS ESPECÍFICAS 1. Identifica los conceptos fundamentales de arquitectura de computadoras e implementa un bloque de memoria utilizando un lenguaje de descripción de hardware. 2. Diseña el conjunto de instrucciones de una Unidad Central de Procesamiento. 3. Implementa una Unidad Aritmético-Lógica y una Unidad de Control utilizando un lenguaje de descripción de hardware. 4. Diseña filtros activos con base en amplificadores operacionales. 5. Desarrolla aplicaciones de Ingeniería Telemática microcontroladores, lenguaje ensamblador y lenguaje C.

empleando

ACTITUDES Y VALORES A FOMENTAR Actitud proactiva, responsabilidad, tolerancia y respeto.

METODOLOGÍA DE TRABAJO El curso se desarrolla con las participaciones activas de estudiantes y docente, para que juntos alcancen la competencia general y las competencias particulares. La metodología de trabajo se desarrolla de la siguiente forma: Clases en línea por parte del profesor. El profesor expondrá las ideas teóricas y prácticas principales de cada tema, con el fin de apoyar y guiar el aprendizaje de los estudiantes, se apoyará con las herramientas tecnológicas disponibles a nivel institucional. Actividades de aprendizaje. Los estudiantes realizarán actividades de aprendizaje significativo para reforzar, corregir, profundizar y descubrir nuevo conocimiento. Entre las actividades de aprendizaje se encuentran: elaboración de resúmenes, discusiones grupales, solución de problemas, investigaciones elementales, simulaciones por computadora, experimentación en laboratorio, elaboración de reportes y exposiciones. La actual situación obliga redoblar esfuerzos por parte de docentes y estudiantes, por lo tanto, se le invita al estudiante a adquirir materiales

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e instrumentos básicos de laboratorio para que lleve a la práctica aquellas actividades de nivel simulación. Actividades de aprendizaje para evaluación. Para conformar la evaluación sumativa, o acreditación (calificación que se asentará en el acta), los estudiantes presentarán exámenes y se calificará su desempeño en las actividades de aprendizaje para evaluación. Cada aspecto tiene una ponderación que se presenta en la sección Requisitos de acreditación de este documento.

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UNIDADES TEMÁTICAS 1. Unidad 1. Introducción a la arquitectura de computadoras y memorias 1.1. Revisión histórica de las computadoras 1.2. Concepto de arquitectura de computadoras 1.2.1.Arquitectura Von Neumann: Descripción funcional de los bloques y buses. 1.2.2.Arquitectura Harvard: Descripción funcional de los bloques 1.2.3.Tecnología pipeline. 1.2.4.Diferencia entre microprocesador y microcontrolador. 1.2.5.Concepto de arquitectura de computadoras 1.3. Diseño con VHDL y FPGA. Conceptos. 1.3.1.VHDL 1.3.2.FPGA 1.3.3.Diseño a bloques de la CPU para su implementación en una tarjeta de desarrollo que contenga un PLD utilizando VHDL. 1.3.4.Herramientas de software 1.4. Memorias 1.4.1.Jerarquía de memoria 1.4.2.Tipos de memoria y tipos de datos que almacenan: memoria de datos, de programa y EEPROM: Tamaño. Bus de direcciones y bus de datos de las memorias. 1.4.3.Cálculo de dimensiones de cada bus a partir de la nomenclatura de la memoria. 1.4.4.Descripción HDL de registros y memoria RAM y ROM. 1.5. Organización de memoria de arquitectura ARC 1.5.1.Organización de registros 1.5.2.paginación 1.6. Organización de memoria del microcontrolador Microchip 1.6.1.Organización de registros. 1.6.2.Conceptos de registros de funciones especial (SFR). Registro STATUS, INTCON, OPTION_REG 1.6.3.Conceptos de registros de propósito general (GPR) 2. Unidad 2. Arquitectura del conjunto de instrucciones 2.1. Concepto de lenguaje ensamblador y estructura 2.2. Conjunto de instrucciones para arquitectura ARC 2.2.1.Tipos de instrucciones 2.2.2.Formatos de instrucciones 2.2.3.Modos de direccionamiento 2.3. Conjunto de instrucciones de arquitectura Microchip 2.3.1.Tipos de instrucciones 2.3.2.Formatos de instrucciones 2.3.3.Modos de direccionamiento 2.4. Descripción en HDL del conjunto de instrucciones

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3. Unidad 3. Estructura y función de la ALU (Unidad aritmético-lógica) y CU (Unidad de control) 3.1. ALU y CU: Introducción 3.2. Representación de datos y aritmética digital 3.2.1.Números enteros y de punto flotante 3.2.2.Aritmética de enteros y en punto flotante 3.3. Ciclo de ejecución de instrucciones. 3.4. Segmentación de instrucciones 3.5. Descripción en HDL de la ALU para arquitectura ARC. 3.6. Unidad de control 3.6.1.Microoperación 3.6.2.Control cableado 3.6.3.Microinstrucciones 3.6.4.Control microprogramado 3.7. Descripción en HDL de la unidad de control para arquitectura ARC. 4. Unidad 4. Sistema de Entrada/Salida (E/S) 4.1. Arquitectura del bus 4.2. Protocolo de comunicación 4.3. Arbitraje y rendimiento 4.4. E/S Programada 4.4.1.Programación de puertos I/O en Arquitectura Microchip y ARC 4.5. E/S mediante interrupciones 4.5.1.Programación de interrupciones en Arquitectura ARC 4.5.2.Programación de interrupciones básicas de Arquitectura Microchip: Por INT, desborde de TMR0, cambios en PORTB 4.6. Acceso directo a memoria (DMA) 4.7. Descripción en HDL del sistema de bus para arquitectura ARC 1. Unidad 5. Aplicaciones prácticas del microcontrolador 1.1. Aplicaciones con programación de nivel ensamblador 1.1.1.Subrutinas 1.1.2.Subrutinas de tiempo 1.1.3.TMR0, configuración, registros asociados y programación 1.1.4.Fuentes de reloj: tipos, relación de Fosc y Tcy 1.2. Aplicaciones con programación en lenguaje C 1.2.1.Fundamentos y características de lenguaje C para microcontrolador, bibliotecas. 1.2.2.Aplicaciones prácticas anteriores con MikroC Pro for PIC. 1.2.3.Interrupciones en MikroC Pro for PIC. 1.3. Bloques funcionales avanzamos y periféricos 1.3.1.TMR1 y TMR2: Configuración, programación y configuración por interrupciones.

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1.3.2.Convertidor Analógico/digital (ADC): Fundamentos de ADC, programación, configuración (registros asociados) y aplicación. Configuración con interrupciones. 1.3.3.Transmisión Recepción por EUSART: Protocolo RS232, configuración (registros asociados) del EUSART, programación y aplicación. Configuración con interrupciones. 1.3.4.Memoria EEPROM: Fundamentos, programación (registros asociados), configuración y aplicación. 1.3.5.Periférico: Pantalla LCD, identificación de funcionalidad y conexión a microcontrolador. 1.3.6.Periférico: Sensor de temperatura, identificación de funcionalidad y conexión a microcontrolador. 1.3.7.Periférico: Entrada de datos por teclado matricial.

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REQUISITOS DE ACREDITACIÓN (EVALUACIÓN SUMATIVA) La unidad de aprendizaje se acreditará por unidad temática (Unidad 1 a 5). Cada unidad temática se acreditará con un examen en línea y actividades de aprendizaje, los porcentajes para cada aspecto son los siguientes: Porcentaje Examen en línea (EL)

40%

Actividades de aprendizaje para evaluación (APE)

60%

TOTAL

100%

En la plataforma LMS se usará el acrónimo UX-EL, donde X representa el número de unidad (por ejemplo, examen de unidad 3: U3-EL), y el acrónico APE para actividades de aprendizaje para evaluación (por ejemplo, U2-APE-3, se trata de la actividad de aprendizaje 1, para evaluar la unidad 2).

EXAMEN EN LÍNEA Se presentará una vez finalizada la unidad, estará disponible por 24 horas para ser contestado en el momento que el estudiante desee, en un solo intento. El docente le dará indicaciones sobre el acceso.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE PARA EVALUACIÓN Tienen la finalidad de crear espacios de trabajo para el logro de los aprendizajes y ser evaluados para conformar la calificación de la unidad. Las actividades de aprendizaje podrán incluir: Discusión guiada. Foros para comentar, proponer y concluir sobre un tópico planteado por el docente. El desarrollo se lleva a cabo en foros dentro de la plataforma educativa en uso. Organizadores de información. Actividades que tienen por objeto organizar la información, se podrá realizar por medio de mapas mentales o mapas conceptuales. Laboratorio. Tiene por objetivo que el estudiante construya, analice y verifique el funcionamiento de circuitos electrónicos, empleando simuladores e instrumentos de laboratorio. Solución de problemas. Tiene por objetivo que aplique conceptos y modelos en la solución de problemas conceptuales y de la vida real. Proyecto corto. Tiene por objetivo que el estudiante ejercite sus habilidades y conocimiento a través del planteamiento de proyectos cortos, factibles de ser solucionados con herramientas de simulación.

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Presentaciones. El estudiante desarrollará presentaciones en línea o videos, donde expondrá un tópico de interés.

INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN Para evaluar las actividades de aprendizaje se utilizarán listas de cotejo y rúbricas analíticas.

CRITERIOS ACADÉMICOS Y DE FORMATO A EVALUAR EN LAS EVIDENCIAS DE APRENDIZAJE Unidad

Periodo

Unidad 1

28 sep 2020 - 16 oct 2020

Unidad 2

19 oct 2020 - 30 oct 2020

Unidad 3

02 nov 2020 - 20 nov 2020

Unidad 4

23 nov 2020 - 04 dic 2020

Unidad 5

07 dic 2020 - 15 ene 2021

U1-EL

19 oct 2020 - 20 oct 2020

U2-EL

03 nov 2020 - 04 nov 2020

U3-EL

23 nov 2020 - 24 nov 2020

U4-EL

07 dic 2020 - 08 dic 2020

U5-EL

18 ene 2021 - 19 ene 2021

Examen extraordinario

22 ene 2021 - 25 ene 2021

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CALIFICACIÓN ORDINARIA La calificación final ordinaria, que se asiente en el acta, se obtendrá del promedio de las unidades. Para acreditar la UAp en ordinario, es requisito obtener seis (6) de calificación, como mínimo, en al menos tres exámenes en línea. En caso de no cumplir con este requisito de acreditación deberá acreditar la unidad de aprendizaje en Examen extraordinario.

EXAMEN EXTRAORDINARIO Todo estudiante tiene derecho a presentar examen extraordinario. El examen se divide en teórico y práctico. Se evalúan todos los temas del plan oficial de estudios, otros detalles de la evaluación extraordinaria los dará a conocer el docente al finalizar el semestre.

CALENDARIZACIÓN Unidad

Periodo

Unidad 1

28 sep 2020 - 16 oct 2020

Unidad 2

19 oct 2020 - 06 nov 2020

Unidad 3

02 nov 2020 - 27 nov 2020

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30 nov 2020 - 11 dic 2020

Unidad 5

14 dic 2020 - 15 ene 2021

U1-EL

19 oct 2020 - 20 oct 2020

U2-EL

09 nov 2020 - 10 nov 2020

U3-EL

30 nov 2020 - 01 dic 2020

U4-EL

14 dic 2020 - 15 dic 2020

U5-EL

18 ene 2021 - 19 ene 2021

Examen extraordinario

22 ene 2021, 25 ene 2021

ESCENARIO ACADÉMICO Este curso está apoyado con la herramienta Microsoft Teams. Desde esta plataforma, el docente mantendrá la comunicación síncrona y asíncrona, publicará anuncios, recursos didácticos digitales, actividades y te proporcionará retroalimentación, es decir, funcionará como un Sistema de Gestión de Aprendizaje (LMS, por sus siglas en inglés). Para hacer uso de dicha plataforma deberá contar correo electrónico institucional. Posteriormente ingresar con su email y contraseña a https://www.office.com. A continuación, localizar el icono:

9 También puede descargar la aplicación para PC y dispositivos móviles. Los exámenes en línea se gestionarán en una plataforma alterna, el docente le proporcionará instrucciones.

MATERIALES CURRICULARES, DE APOYO Y RECURSOS DIDÁCTICOS SOFTWARE ISE Xilinx, MPLAB X, Proteus, MikroC PRO for PIC, herramientas ofimáticas.

HARDWARE Tarjetas de entrenamiento con FPGA, Microcontroladores PIC, PC con Windows 7 o 10, dispositivos electrónicos, periféricos, instrumentos de medición, cámaras y dispositivos de almacenamiento.

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REFERENCIAS BÁSICAS ▪ ▪

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Murdoca, M. (2007). Computer Architecture and Organization: An Integrated Approach. John Wiley & Sons. Verle, M. PIC microcontrollers Programming in C with examples. MikroElectronica. Consulta en línea: https://www.mikroe.com/ebooks/microcontroladores-pic-programacion-en-ccon-ejemplos/introduction Microchip. PIC16F882/883/884/886/887 Datasheet. 28/40/44-Pin Flash-Based, 8Bit CMOS Microcontrollers. Microchip Technology Inc. 2015. Consulta en línea: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001291H.pdf

Consulte algunos recursos en la https://www.bibliotecadigital.ipn.mx/login

biblioteca

digital

institucional:

https://www.ipn.mx/biblioteca/recursos-digitales/libros/

DOCENTE Prof. Sergio Garduza González Es Ingeniero en Electrónica y Comunicaciones por la Universidad Veracruzana, obtuvo el grado de maestro en ciencias en Ingeniería Eléctrica por el Cinvestav-IPN. Actualmente es profesor en la Academia de Electrónica de la IPN. Entre sus intereses de investigación se encuentran: Convertidores analógico/digital y sistemas embebidos. Medios de contacto ▪ ▪ ▪ ▪

Mensaje directo por Chat en Microsoft Teams, ingresar con email institucional. Email: [email protected], agregue nombre de la Unidad de aprendizaje al título del email. Email alterno: [email protected] En Twitter como: @GarduzaGonzalez

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