La asignatura Diseño de Sistemas Digitales es una asignatura optativa de 4º curso del Grado en Ingeniería Electrónica y de 5º curso del doble Grado en Física e Ingeniería Electrónica. En particular, la asignatura forma parte de la especialidad "Sistemas Electrónicos de Propósito General".



La asignatura se centra en proporcionar al alumno conocimientos y capacidades que le permitan afrontar un proyecto avanzado de diseño de un sistema digital en diferentes ámbitos de aplicación, utilizando dispositivos lógicos programables y las tecnologías más actuales de diseño con VHDL. Se abordan también de forma específica arquitecturas y diseños para alta velocidad, optimización de recursos y optimización del consumo.



Para abordar el diseño de sistemas digitales es necesario que el alumno haya cursado previamente la asignatura "Electrónica Digital" de 3º curso del Grado en Ingeniería Electrónica y de 4º curso del doble Grado en Física e Ingeniería Electrónica, ya que es en esta asignatura donde se introducen los fundamentos teóricos y prácticos necesarios.



En relación con el ámbito profesional, la asignatura Diseño de Sistemas Digitales es una asignatura eminentemente práctica que contribuye al desarrollo del perfil de salida del alumnado y su inserción laboral en diversos sectores donde el diseño de circuitos y sistemas electrónicos digitales tiene una amplia implantación: Electrónica de Consumo y Electrónica Profesional (Industrial, Electro-medicina, Defensa, Instrumentación, entre otros).

Al finalizar la asignatura se espera que los estudiantes adquieran fundamentalmente las siguientes competencias:



1. Adquirir destreza en aspectos avanzados del análisis y diseño de circuitos y sistemas electrónicos digitales actuales.

2. Conocer y aplicar los métodos y técnicas más modernos utilizados en la concepción, diseño y funcionamiento de circuitos y sistemas electrónicos digitales complejos en diversas áreas de aplicación.

3. Conocer y manejar con soltura herramientas informáticas de ayuda al diseño de circuitos digitales sobre dispositivos reconfigurables, promoviendo la utilización de las TIC.

4. Ser capaz de seguir y comprender el desarrollo y la evolución de dispositivos y tecnologías electrónicas, especialmente en el ámbito de la electrónica digital.

5. Ser capaz de abordar la resolución de problemas prácticos reales, de forma autónoma o en grupo, en materia de desarrollo de sistemas electrónicos digitales.

6. Comunicar, tanto de forma oral como escrita, conocimientos, resultados e ideas relacionados con la electrónica digital.

Programa



1- Introducción a los sistemas digitales.

Evolución de la tecnología de los circuitos integrados. Ley de Moore. Circuitos integrados estándar. Circuitos integrados de aplicación específica (ASIC).

2- Dispositivos lógicos programables: tecnologías y arquitecturas

Antecedentes: dispositivos PROM, PAL, PLA, SPLD. Dispositivos de lógica programable complejos (CPLDs). Tecnologías EPROM y EEPROM. Matrices de puertas programables (FPGAs). Tecnología SRAM. Familias de dispositivos actuales. Sistemas en un chip programables (SoPC).

3- Metodologías de diseño

Herramientas de ayuda al diseño de sistemas digitales. Flujo de diseño: entrada del diseño, síntesis, simulación e implementación. Los lenguajes de descripción hardware (HDL) estándar: VHDL y Verilog. Otros lenguajes usados en la descripción de sistemas.

4- Diseño de sistemas con VHDL I

Revisión de conceptos básicos del lenguaje VHDL para síntesis. Estructura del código. Tipos de datos, operadores y atributos. Señales y variables. Sentencias concurrentes. Sentencias secuenciales. Ejemplos de diseño: circuitos combinacionales, elementos de memoria, registros, contadores, máquinas de estados.

5- Diseño de sistemas con VHDL II

Diseño jerárquico. Uso de "packages" y componentes. Componentes genéricos. Diseño de subsistemas típicos: operaciones aritméticas y lógicas, caminos de datos, unidades de control, memorias, etc. Bloques de propiedad intelectual (bloques IP). Eficiencia, portabilidad y escalabilidad del código. Diseño de un sistema digital de interés práctico: especificación, síntesis, simulación e implementación sobre un dispositivo actual.

6- Arquitecturas de alta velocidad

Velocidad del sistema: parámetros de medida. Arquitecturas de alto rendimiento. Arquitecturas de baja latencia. Temporización y señales de reloj.

7- Optimización de recursos

Reutilización de recursos lógicos. Control de la gestión de recursos. Recursos lógicos compartidos. Estructuras de "RESET": impacto sobre la optimización del área.

8- Optimización del consumo

Consumo de potencia en tecnología CMOS. Términos de consumo en CPLDs y FPGAs. Familias de bajo consumo. Técnicas de reducción del consumo en CPLDs y FPGAs.

La materia se desarrolla en clases magistrales (20hs), prácticas (10hs) y seminarios (5hs). Además de las prácticas de aula, la asignatura tiene también prácticas de laboratorio (15hs) y prácticas de ordenador (10 hs). La asignatura emplea métodos de aprendizaje activo basado en la experiencia del alumnado, que requieren un alto nivel de implicación del mismo. En particular, las prácticas de laboratorio fomentan el aprendizaje basado en problemas en las prácticas iniciales y finalizan con un problema o reto específico.



En la primera mitad de la asignatura se dedican las clases de teoría a presentar los fundamentos de la tecnología de los dispositivos programables, desde los primeros dispositivos hasta su estado actual. Las clases de teoría de la segunda mitad de la asignatura se dedican a desarrollar el lenguaje VHDL. En relación con los temas de teoría se proponen ejercicios de diseño de circuitos y sistemas digitales. Periódicamente se dedica una clase de aula a discutir las soluciones propuestas por los alumnos. El aprendizaje se complementa con el diseño, programación y verificación de sistemas digitales de interés práctico en el laboratorio utilizando herramientas computacionales de ayuda al diseño y tarjetas de desarrollo.



Además, se utilizará la herramienta eGela como medio de comunicación con el alumno y como plataforma de difusión de material y recursos docentes.

• Sistema de Evaluación Continua
• Sistema de Evaluación Final
• Herramientas y porcentajes de calificación:
  • Prueba escrita a desarrollar (%): 60
  • Realización de prácticas (ejercicios, casos o problemas) (%): 30
  • Exposición de trabajos, lecturas… (%): 10

En la evaluación de la asignatura de tipo continuo se valorará:



- Prácticas e informes: 30 %

- Exposición oral de trabajos: 10%

- Prueba escrita individual: 60% de la nota de la asignatura



La prueba escrita constará de problemas a resolver, cuestiones de teoría aplicadas a los problemas propuestos y preguntas relacionadas con las prácticas de laboratorio. La calificación final se obtendrá de la media ponderada de las calificaciones previas, pero es necesario sacar una nota mínima de 5 sobre 10 en la prueba final individual.

Además, la realización de las prácticas de laboratorio es obligatoria para aprobar la asignatura por el sistema de evaluación continua.

A lo largo del curso se irán dando orientaciones de mejora de los trabajos entregados para guiar al alumno en la mejora de posteriores entregas.



Los y las estudiantes que no quieran participar en la evaluación continua deberán solicitar por escrito al responsable de la asignatura la renuncia a la evaluación continua en un plazo de 9 semanas desde el inicio del cuatrimestre.



El sistema de evaluación final consistirá en una prueba escrita individual y un examen de prácticas



- Prueba escrita individual: 60% de la nota de la asignatura

- Examen de prácticas de laboratorio y exposición oral: 40% de la nota



La prueba escrita constará de problemas a resolver y cuestiones de teoría aplicadas a los problemas propuestos. La calificación final se obtendrá de la media ponderada de las calificaciones previas, pero es necesario sacar una nota mínima de 5 sobre 10 en la prueba escrita individual. El examen de prácticas de laboratorio se realizará después de haber aprobado el examen escrito e incluirá la redacción de informes y una exposición oral.



Dado que el peso de la prueba final es superior al 40% de la calificación de la asignatura, bastará con no presentarse a dicha prueba final para que la calificación final de la asignatura sea no presentado o no presentada.

La evaluación de esta asignatura se realizará a través del sistema de evaluación final y conservará los resultados positivos obtenidos en la evaluación continua.

Página WEB de la asignatura en eGela

Bibliografía básica

1. Fundamentals of DIGITAL LOGIC with VHDL Design, Stephen Brown and Zvonko Vranesic, 3rd Edition, McGraw-Hill Education, 2009, ISBN: 978-0-07-352953-0.



2. Microelectronic Circuits, Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith, 7th Edition, Oxford University Press, New York, 2015, ISBN: 978–0–19–933913–6.



3. ADVANCED FPGA DESIGN: Architecture, Implementation, and Optimization, S. Kilts, John Wiley and Sons, 2007, ISBN: 978-0-470-05437-6.



4. FPGA PROTOTYPING BY VHDL EXAMPLES, P.P. Chu, John Wiley and Sons, 2008, ISBN: 978-0-470-18531-5.



5. RTL HARDWARE DESIGN USING VHDL. Coding for Efficiency, Portability, and Scalability, P.P. Chu, J. Wiley and Sons, 2006, ISBN: 978-0-471-72092-8.



6. FPGA-based Implementation of Signal Processing Systems, R. Woods, J. McAllister, Y. Yi, and G. Lightbody, 2nd Edition, J. Wiley and Sons, 2017, ISBN: 978-1-119-07795-4.



Notas de aplicación, manuales y hojas de datos de los fabricantes:



1. Xilinx, “7 Series FPGAs Data Sheet: Overview. Product Specification”, DS180 (v2.6.1), 2020. https://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/artix-7.html



2. Digilent, “Nexys A7 FPGA Board Reference Manual”, 2019.

https://reference.digilentinc.com/programmable-logic/nexys-a7/start



3. Xilinx, “Vivado Design Suite Tutorial. Design Flows Overview”, UG888 (v2020.1), 2020.

https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx2020_1/ug888-vivado-design-flows-overview-tutorial.pdf

Bibliografía de profundización

1. DIGITAL SYSTEM DESIGN WITH FPGA. IMPLEMENTATION USING VERILOG AND VHDL, C. Ünsalan, and B. Tar, Mc Graw Hill Education, 2017, ISBN: 978-1-259-83790-6.

2. FPGA-BASED PROTOTYPING METHODOLOGY MANUAL. Best practices in Design-for-Prototyping, D. Amos, A. Lesea, and R. Richter, Synopsys Press, 2011, ISBN: 978-1-61730-003-5.

3. FPGA Implementations of Neural Networks, A.R. Omondi, and J.C. Rajapakse, Springer, 2006, ISBN: 978-0-387-28485-9.

Direcciones web

1. Enlace al software Vivado de Xilinx, versión WebPACK Edition (uso libre):
https://www.xilinx.com/products/design-tools/vivado/vivado-webpack.html

2. Enlace a la página WEB de los dos principales fabricantes de dispositivos programables, Xilinx e Intel (antes Altera):
https://www.xilinx.com/
https://www.intel.com/content/www/us/en/products/programmable.html

3. Enlace a la página WEB de otros fabricantes de dispositivos programables, que ocupan sectores concretos del mercado:
https://www.microsemi.com/product-directory/1636-fpga-soc
https://www.latticesemi.com/en/Products
https://www.quicklogic.com/
https://www.microchip.com/
https://www.achronix.com/
http://www.tabula.com/