Análisis del artículo “Metodología para el Desarrollo de Prácticas de Electrónica Digital Basadas en Circuitos Configurables”, desarrollada por Camilo Quintáns Graña y Miguel Ángel Domínguez Gómez del Departamento de Tecnología Electrónica E.T.S.I. Industriales de la Universidad de Vigo en España.
Resumen publicado por los autores.
El progreso de los circuitos integrados ha permitido tener disponibles actualmente circuitos configurables que incluyen bloques digitales muy complejos. Un ejemplo de estos circuitos son las matrices de puertas programables (FPGAs: Field Programmable Gate Arrays) Los fundamentos y Características de las FPGAs no son fáciles de explicar ya que existen una gran cantidad de conceptos que se interrelacionan. En este artículo se propone un método docente que facilita el proceso de aprendizaje de los fundamentos de las FPGAs y del diseño de sistemas basados en este tipo de circuito configurable.
Análisis del artículo.
En este artículo, los autores presentan un método docente para introducir a los alumnos en el mundo del desarrollo de sistemas basados en circuitos configurables de última generación, tal como lo son las matrices de puertas programables (FPGAs: Field Programmable Gate Arrays). Esto es motivado a que los avances en la complejidad y capacidad de los recursos lógicos de los circuitos integrados VLSI ha llevado a un aumento en la utilización de los dispositivos FPGAs en una gran variedad de aplicaciones y por lo tanto se deben adaptar los métodos docentes para lograr un perfil del nuevo ingeniero adecuado a las nuevas necesidades del mercado.
Para la aplicación del método los alumnos tienen el conocimiento previo adquiridos en la asignatura de “Fundamentos de Electrónica” donde se realizaron prácticas de sistemas digitales combinacionales y CI de tecnología TTL.
Resumen publicado por los autores.
El progreso de los circuitos integrados ha permitido tener disponibles actualmente circuitos configurables que incluyen bloques digitales muy complejos. Un ejemplo de estos circuitos son las matrices de puertas programables (FPGAs: Field Programmable Gate Arrays) Los fundamentos y Características de las FPGAs no son fáciles de explicar ya que existen una gran cantidad de conceptos que se interrelacionan. En este artículo se propone un método docente que facilita el proceso de aprendizaje de los fundamentos de las FPGAs y del diseño de sistemas basados en este tipo de circuito configurable.
Análisis del artículo.
En este artículo, los autores presentan un método docente para introducir a los alumnos en el mundo del desarrollo de sistemas basados en circuitos configurables de última generación, tal como lo son las matrices de puertas programables (FPGAs: Field Programmable Gate Arrays). Esto es motivado a que los avances en la complejidad y capacidad de los recursos lógicos de los circuitos integrados VLSI ha llevado a un aumento en la utilización de los dispositivos FPGAs en una gran variedad de aplicaciones y por lo tanto se deben adaptar los métodos docentes para lograr un perfil del nuevo ingeniero adecuado a las nuevas necesidades del mercado.
Para la aplicación del método los alumnos tienen el conocimiento previo adquiridos en la asignatura de “Fundamentos de Electrónica” donde se realizaron prácticas de sistemas digitales combinacionales y CI de tecnología TTL.
El método consiste en la realización de un conjunto de prácticas, tal como se muestra en la tabla I. Se puede observar que las prácticas llevan de manera progresiva al trabajo con las FPGAs, comenzando desde el conocimiento del software de diseño y simulación hasta la implementación en la FPGA de un control para un motor paso a paso.
Para el desarrollo de las práctica, los alumnos deben guiarse según el diagrama de bloque de la metodología (Figura 1)
Figura 1. Metodología para el desarrollo de las prácticas.
Para la realización de las prácticas se utilizan los siguientes recursos de hardware y software:
Computador con el entorno EDA. Debida a la distribución libre se eligio el entorno ISE de Xilinx.
Placa de prototipado con tarjeta de entradas, salidas y componentes discretos.
Placa de desarrollo con FPGA Spartan 2E de Xilinx.
Placa de periféricos genéricos de Digilent.
La tarjeta de desarrollo utiliza el dispositivo FPGA Spartan 2E. La familia Spartan 2E de 1,8V, da al usuario un gran rendimiento y abundantes recursos lógicos. Internamente contiene miles de puertas y celdas lógicas, miles de bits de memoria distribuida y màs de 100 Kbits de bloques de RAM. La familia Spartan 2E es una alternativa avanzada para los programadores de ASICs. FPGA acorta el tiempo de desarrollo de un proyecto y permite la actualización del hardware sin necesidad de reemplazar componentes, cosa imposible en ASICs. En la figura 2 puede observarse una fotografìa de la tarjeta de desarrollo y la placa de periféricos.
Para la realización de las prácticas se utilizan los siguientes recursos de hardware y software:
Computador con el entorno EDA. Debida a la distribución libre se eligio el entorno ISE de Xilinx.
Placa de prototipado con tarjeta de entradas, salidas y componentes discretos.
Placa de desarrollo con FPGA Spartan 2E de Xilinx.
Placa de periféricos genéricos de Digilent.
La tarjeta de desarrollo utiliza el dispositivo FPGA Spartan 2E. La familia Spartan 2E de 1,8V, da al usuario un gran rendimiento y abundantes recursos lógicos. Internamente contiene miles de puertas y celdas lógicas, miles de bits de memoria distribuida y màs de 100 Kbits de bloques de RAM. La familia Spartan 2E es una alternativa avanzada para los programadores de ASICs. FPGA acorta el tiempo de desarrollo de un proyecto y permite la actualización del hardware sin necesidad de reemplazar componentes, cosa imposible en ASICs. En la figura 2 puede observarse una fotografìa de la tarjeta de desarrollo y la placa de periféricos.
Figura 2. Tarjeta de desarrollo basada en la FPGA Spartan 2E de Xilinx
En el artículo se presenta como ejemplo explicativo de la metodología la práctica 6 por ser una de las más completas.
Lo que se espara del desarrollo de esta práctica es que los alumnos aprendan a utilizar las memorias RAM (Random Access Memory) y CAM (Content Addressable Memory) y de métodos de encriptación y compresión de datos.
Una memoria CAM compara la entrada con el contenido grabado en ella y genera una salida que puede ser de varias clases dependiendo del tipo de CAM. Para esta práctica en particular la salida de la CAM es la dirección de memoria cuyo contenido coincide con el dato de entrada.
El sistema planteado en la práctica cumple con las siguientes especificaciones:
Para encriptar y comprimir los datos, el transmisor utiliza una memoria CAM de 16 posiciones y 8 bit, por lo tanto se crea una tabla con 16 caracteres ASCII para transmitir, en este caso números y operaciones matemáticas básicas. Los símbolos se envian codificados en ASCII. Cuando se desea enviar uno de estos símbolos, en la entrada del transmisor se introduce el codigo ASCII correspondiente y lo que se transmite es la dirección de memoria donde se encuentra almacenado dicho símbolo, según la tabla de encriptación (Tabla II).
La encriptación se produce porque lo que se transmite es la dirección de memoria y no el código ASCII y la compresión es porque se introduce en el transmisor un código de 6 bits y se transmite otro de 4 bits.
El código ASCII recibido se muestra en los diodos leds y la dirección transmitida se muestra en unos display 7 segmentos presentes en la placa de periféricos.
En la figura 3 se muestra el diagrama de bloque del diseño adaptado para su implementación en la FPGA.
Figura3. Diagrama de bloques del sistema transmisor/receptor
Ambos bloques tienen dos modos de funcionamiento: uno de escritura que es el momento en que se carga la tabla de encriptación en las memorias CAM del transmisor y RAM del receptor y otro modo de transmisión y recepción respectivamente.
Los alumnos deben realizar todo el diseño del sistema, simularlo y realizarlo fisicamente en la FPGA y comprobar el correcto funcionamiento de todo el sistema.
Es importante resaltar que si se diseña cada bloque del sistema transmisor/receptor utilizando dispositivos digitales discretos tales como compuertas, contadores, decodificadores, etc., las tarjetas de prototipo contendrían varios chips como los mencionados anteriormente, entre otros, sin embargo al utilizar una FPGA se puede tener todo el sistema montado en una sola pastilla y el tiempo de realización es realmente muy corto si se compara con el tiempo que toma armar y comprobar un sistema montado con electrónica digital discreta además que a la hora de realizar correcciones o actualizaciones al sistema, es más sencillo hacerlo desde una FPGA que desde una tarjeta de prototipo.
Después de haber implementado este método en sus cursos académicos, los autores llegaron a las siguientes conclusiones:
● Facilita el aprendizaje del funcionamiento de los circuitos configurables y reduce el tiempo que los alumnos deben dedicar en esta tarea.
● El alumno puede comparar los resultados obtenidos al implementar un mismo diseño con placa de prototipo y componentes discretos con respecto a su realización física en un dispositivo configurable (FPGA).
● El alumno aprende de una forma práctica todos los pasos necesarios en la metodología de diseño y realización de sistemas electrónicos digitales.
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