Prácticas de laboratorio con el software Altera MAX+Plus II y el Kit de desarrollo KHF E5

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Prácticas de laboratorio con el software Altera MAX+Plus II y el Kit de desarrollo KHF-E5 Autor: Yaser González Nieves Tutor: Dr. Juan Pablo Barrios Rodríguez. Santa Clara 2012 “Año 54 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Prácticas de laboratorio con el software Altera MAX+Plus II y el Kit de desarrollo KHF-E5. Autor: Yaser González Nieves E-mail: [email protected]. Tutor: Dr. Juan Pablo Barrios Rodríguez E-mail: [email protected]. Santa Clara 2012 “Año 54 de la Revolución.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. "En teoría, no existe diferencia entre teoría y práctica; en la práctica sí la hay" Jan L.A. van de Snepscheut.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi hija Olivia, a mi esposa Madeleyne, a mi hermana Yanet y a mis padres Zaida y Roberto que siempre han estado a mi lado apoyándome y brindándome todo su amor. A mi abuela Cándida quien hubiera estado muy feliz con este sueño..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi tutor, quien me ha dado un apoyo imprescindible en la realización de este trabajo Al claustro de profesores, quienes han contribuido a mi formación durante estos años A mis compañeros de aula por haber estado siempre unidos compartiendo esfuerzos y sacrificios A mi familia por todo el apoyo que me han brindado en estos años de estudio.

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para confeccionar el presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, es necesario seguir una serie de tareas técnicas que constituirán una guía para llegar al informe final. • Realizar una descripción de las prácticas de laboratorio por las normas cubanas haciendo énfasis en las prácticas de laboratorio en las disciplinas tecnológicas. •. Realizar una descripción de los CPLD de Altera, específicamente la familia de Chips ACEX 1K .. •. Realizar una descripción del kit de desarrollo KHF-E5. •. Caracterizar la herramienta de software Altera MAX+Plus II.. •. Elaborar una metodología para el diseño digital utilizando la herramienta Altera Max+Plus II.. •. Aplicar dicha metodología en el desarrollo de ejemplos prácticos que validen el uso de dicho software.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Con la presente investigación se obtuvo una metodología para el diseño de circuitos digitales con el software Altera MAX+Plus II. El trabajo surge de la necesidad de crear habilidades en los estudiantes en el diseño digital con herramientas de software, en particular con Altera MAX+Plus II. El trabajo constituye un aporte a las asignaturas Electrónica Digital I y II así como Diseño Digital VLSI pues se basa en desarrollar habilidades prácticas haciendo posible la experimentación por parte de los estudiantes, posibilitándole a estos un aprendizaje significativo. La metodología se validó con el montaje de algunos ejemplos prácticos que demostraron que la herramienta de software utilizada se puede emplear eficientemente para alcanzar resultados satisfactorios en el aprendizaje del diseño digital..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ........................................................................................................i DEDICATORIA.........................................................................................................ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii TAREA TÉCNICA ...................................................................................................iv RESUMEN ...............................................................................................................v INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 Capítulo I. Presupuestos teórico-metodológicos de la investigación....................... 6 1.1 Definición de la práctica de laboratorio dentro del marco normativo de la Educación Superior Cubana................................................................................ 6 1.2 Caracterización e importancia de las prácticas de laboratorio....................... 7 1.3 Tipos de prácticas de laboratorio en las Ciencias Tecnológicas ................... 9 1.4 Fundamentos psicopedagógicos de las prácticas de laboratorios en el proceso de enseñanza aprendizaje. La experimentación en el aprendizaje significativo. ....................................................................................................... 10 1.4.1 Los medios de enseñanza y el aprendizaje significativo....................... 11 1.4.2 Teoría de aprendizaje cognitivista y medios didácticos ........................ 13 1.5 Importancia del software Altera Max+Plus II en las actividades prácticas de diseño digital...................................................................................................... 17 1.6 Conclusiones del capítulo............................................................................ 19.

(10) vii Capítulo II. La familia EP1K100 de Altera. El Kit de desarrollo KHF-E5 ............... 20 2.1 Generalidades de los CPLDs de Altera. La familia EP1K100. El EP1K100QC208-3N .......................................................................................... 20 2.2 Características del Kit de desarrollo KHF-E5 .............................................. 33 2.3 Integración del Kit de desarrollo KHF-E5 con el software Altera ................. 38 MAX+plus II. Estrategia general de diseño........................................................ 38 2.4 Conclusiones del capítulo............................................................................ 42 Capítulo III. Prácticas de laboratorio para el diseño de circuitos digitales con Altera MAX+Plus II. Ejemplos prácticos de diseño digital. .............................................. 43 3.1 Ejemplos seleccionados para la asignatura Electrónica Digital I ................. 43 3.1.1 Sumador completo (Full adder)............................................................ 43 3.1.2. Comparador. Selector.................................................................... 47. 3.1.3 Comparador de 1 bit ............................................................................. 49 3.2 Ejemplos seleccionados para la asignatura Electrónica Digital II ................ 57 3.2.1 Circuito divisor de frecuencia por cuatro con el IC 7474....................... 57 3.2.2 Circuito Registro de Desplazamiento con el IC 74164 .......................... 60 3.2.3 Contador módulo 8 con el IC 74162...................................................... 63 3.2.4 Indicador lumínico de 8 salidas con registro de desplazamiento 74198 66 3.3 Conclusiones del capítulo............................................................................ 70 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................ 71 Conclusiones ..................................................................................................... 71 Recomendaciones............................................................................................. 71 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 72 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 73.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN En el departamento de Telecomunicaciones y Electrónica de nuestra facultad existe experiencia en el desarrollo de aplicaciones digitales, utilizando tanto la lógica cableada (Electrónica Digital con componentes MSI y LSI), como la lógica programada (Microprocesadores y Microcontroladores). Esta experiencia ha venido evolucionando a tono con el desarrollo de las tecnologías de fabricación de circuitos integrados digitales, las que actualmente se clasifican en VLSI (Very Large Scale Integration circuits) y UVLSI (Ultra VLSI). En estas encontramos un amplio espectro de dispositivos digitales configurables tales como los CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) y las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Los cambios mundiales en el diseño digital VLSI exigen -en el ámbito académicola preparación de los futuros profesionales en el dominio de la metodología del diseño con este tipo de componente. En el caso de nuestro país, a partir de dichas exigencias con los estándares internacionales, así como las necesidades nacionales de desarrollo de sistemas con un nuevo valor tecnológico incorporado, aplicable a equipos médicos y de automatización, entre otros, ha promovido la inclusión de dicha temática (diseño con componentes VLSI) en el plan de estudios D de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica, tanto en asignaturas del currículo común (Electrónica Digital), como optativas (Diseño Digital VLSI). La inclusión de estos contenidos presupone ineludiblemente el desarrollo de un conjunto de actividades prácticas, en particular, de prácticas de laboratorio, simuladas y reales, que permitan a los estudiantes vincularse con los métodos y herramientas del diseño VLSI. Este tipo de actividad ofrece innumerables ventajas para el aprendizaje significativo o cooperativo, una dimensión didácticopedagógica que fomenta la interacción con el estudiante durante el proceso docente y les da la oportunidad de enfrentar en la práctica la solución de problemas científicos y el análisis de fenómenos aplicando los presupuestos teóricos, métodos, procedimientos de la disciplina y las herramientas disponibles..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. Existen dos necesidades que justifican la realización del presente trabajo. La primera relacionada con el dominio y actualización sobre la temática del diseño digital VLSI, en particular con los CPLDs/FPGAs de Altera, líder a nivel mundial en la fabricación de estos dispositivos que tienen gran impacto en múltiples aplicaciones. (controladores. de. comunicaciones,. controladores. de. buses,. procesamiento digital de señales, etc.). La segunda está relacionada con la necesidad académica de apoyar los nuevos contenidos de las asignaturas de Electrónica Digital y Diseño Digital VLSI a partir del nuevo Plan de Estudios D que alcanza ya el tercer año de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica. Debido a que en la actualidad el software de desarrollo es más fácil de crear que el hardware específico, con la incorporación de las herramientas de diseño asistido y el uso de las TICs para la colaboración en equipos, el presente trabajo se propone utilizar un software (Altera max+plus II) concebido para la implementación y simulación de circuitos reales en prácticas de laboratorios de las asignaturas curriculares Electrónica Digital I y II así como la optativa Diseño Digital VLSI. Para desarrollar este trabajo se utilizan un grupo de ejemplos de diseño digital VLSI que se incluyen con el KIT de desarrollo con dispositivos CPLDs y FPGAs (KHF-E5). Este dispositivo facilita las posibilidades de diseño VLSI desde el punto de vista de los laboratorios reales. No obstante, la documentación que acompaña el uso de dicha tecnología carece de una adecuada preparación didáctico-metodológica para incorporarlo al proceso de enseñanza-aprendizaje. Dicha dificultad se hace evidente entre otras razones por: 1. Pobre fundamentación teórica de las prácticas que se proponen, a tal punto, de parecer estar destinadas a técnicos de nivel medio, pues no se justifican los diseños propuestos. 2. El sistema de prácticas de laboratorios, no propicia que el estudiante se apropie de la metodología general de diseño VLSI..

(13) INTRODUCCIÓN. 3. 3. Tanto las herramientas CAD (Computer Arded Engineering) utilizadas (Altera Max+Plus II), como los ejemplos propuestos en el lenguaje de descripción de hardware VHDL están descritos de forma muy sintética y no permiten a los estudiantes la comprensión plena de la metodología de diseño VLSI utilizando estas. Éstas, entre otras razones, justifican que se elabore un sistema de prácticas de laboratorio para diseño VLSI en ED y DD, que permitan integrar el software Altera Max+Plus II de forma natural como un medio de enseñanza de estas asignaturas. Por todo lo anterior, se justifica que se realice un estudio de asimilación tecnológica y desarrollo de prácticas de laboratorio utilizando dicha tecnología digital. Se propone por tanto, el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir al desarrollo de habilidades de diseño digital y simulación de circuitos con el uso del software Altera Max+plus II en el proceso de enseñanzaaprendizaje de las asignaturas ED y DD del plan de estudios D de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica? Para dilucidar este problema se trazan los siguientes objetivos: Objetivo General: Diseñar un grupo de prácticas de laboratorio para las asignaturas de ED y DD con el software Altera Max+plus II. Objetivos específicos: •. Describir las características didácticas fundamentales del aprendizaje desde el punto de vista de la experiencia, en la práctica, para la solución de problemas. científicos. y. el. análisis. de. fenómenos. aplicando. los. presupuestos teóricos. •. Describir las características de los CPLDs de ALTERA, del chip y de los softwares asociados a este para la implementación de diseños digitales.. •. Diseñar una metodología para el trabajo con la herramienta de software asociada, ALTERA MAX+plus II..

(14) INTRODUCCIÓN. •. 4. Proponer un conjunto de prácticas de laboratorio apoyadas con el software Altera Max+plus II con el fin de incluirlas en los programas de las asignaturas ED I y II y DD.. •. Validar con ejemplos prácticos la utilidad del software.. El desarrollo de este trabajo requirió de la aplicación de los siguientes métodos y procedimientos investigativos: Bibliográfico-documental Revisión de la bibliografía técnico-especializada para la construcción del marco teórico de referencia general. Método descriptivo (deducción y síntesis) Caracterización de las herramientas de software más efectivas para el diseño y aplicación de las prácticas de laboratorio. Elaboración de propuesta de metodología Elaboración de un método que permita sintetizar y simular aplicaciones prácticas con el software. Comprobación de los métodos establecidos mediante ejemplos prácticos que constituyan una referencia para los estudiantes. El informe de la investigación se estructura en resumen, introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y bibliografía. En la introducción se dejan definidas la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda y se explicitan los elementos del diseño teórico. En el desarrollo se incluyen los siguientes aspectos: CAPITULO I: Se refiere la definición y estructura de las prácticas de laboratorio como formas de enseñanza y su importancia para el aprendizaje significativo. Se precisan sus métodos y materiales, con especial énfasis en las prácticas de laboratorio en disciplinas tecnológicas..

(15) INTRODUCCIÓN. 5. Además, se analizan los Programas Analíticos de las asignaturas ED I y II, con vistas a la selección de un conjunto de prácticas de laboratorio con el software Altera Max+plus II, describiendo a grandes rasgos la importancia de dicho software. CAPÍTULO II: Se dedica a la caracterización de los CPLDs de Altera y de la familia de chips ACEX 1K. Además, se describe el Kit de desarrollo KHF-E5 destacando sus posibilidades para la simulación de circuitos digitales, así como la estrategia general de diseño utilizando el software Altera MAX+Plus II. CAPITULO III: Se expresan los resultados mediante el diseño de una metodología para el trabajo con el software en las prácticas de laboratorio. Se validan, además, los métodos propuestos con ejemplos prácticos que demuestren la utilidad de este software en cada asignatura. Finalmente, se exponen las conclusiones y recomendaciones del trabajo de diploma y se consigna la bibliografía..

(16) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 6. Capítulo I. Presupuestos teórico-metodológicos de la investigación 1.1 Definición de la práctica de laboratorio dentro del marco normativo de la Educación Superior Cubana La resolución No. 210/07 que establece el reglamento docente y metodológico de la Educación Superior Cubana, en su artículo 104, define las formas organizativas fundamentales del proceso docente-educativo en la educación superior. Estas son: §. La clase.. §. La práctica de estudio.. §. La práctica laboral.. §. El trabajo investigativo de los estudiantes.. §. La autopreparación de los estudiantes.. §. La consulta.. §. La tutoría.. Con respecto a la clase como forma organizativa del proceso docente educativo, en el artículo 105 refiere que tiene como objetivos la adquisición de conocimientos, el desarrollo de habilidades y la formación de valores e intereses cognoscitivos y profesionales en los estudiantes, mediante la realización de actividades de carácter esencialmente académico. (2007). Las clases se clasifican sobre la base de los objetivos que se deben alcanzar y sus tipos principales son: la conferencia, la clase práctica, el seminario, la clase encuentro, la práctica de laboratorio y el taller. En cada modalidad de estudio, el profesor debe utilizar adecuadamente las posibilidades que brinda cada tipo de clase para contribuir al logro de los objetivos educativos formulados en el programa analítico de la asignatura y del año académico en que se desarrolla. La práctica de laboratorio se define como el tipo de clase que tiene como objetivos que los estudiantes adquieran las habilidades propias de los métodos y técnicas.

(17) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 7. de trabajo y de la investigación científica; amplíen, profundicen, consoliden, generalicen y comprueben los fundamentos teóricos de la disciplina mediante la experimentación, empleando para ello los medios necesarios. Las prácticas de laboratorio se realizan en instalaciones propias de las universidades o en las que existen en las unidades docentes u otras entidades laborales. Como norma, en este tipo de clase se deberá garantizar el trabajo individual de los estudiantes en la ejecución de las tareas previstas. 1.2 Caracterización e importancia de las prácticas de laboratorio Este tipo de forma de enseñanza garantiza un aprendizaje significativo, pues da la oportunidad a los estudiantes de enfrentar en la práctica la solución de problemas científicos y el análisis de fenómenos aplicando los presupuestos teóricos, métodos y procedimientos de la disciplina así como los medios y herramientas disponibles. El proceso de realización de las prácticas de laboratorio constituye parte integrante del trabajo independiente de los estudiantes, el cual está constituido por tres etapas (Cañedos Iglesias, 2008) : Preparación previa a la práctica Ejecución de la práctica Conclusiones de la práctica. La preparación previa se desarrolla fundamentalmente sobre la base del estudio teórico orientado por el profesor como fundamento de la práctica, así como el estudio de las técnicas y procedimientos de los experimentos correspondientes. El desarrollo o ejecución de la práctica se caracteriza por el trabajo de los estudiantes con el material de laboratorio (utensilios, instrumentos, aparatos, y reactivos), la aplicación de las técnicas y métodos propios de cada actividad, el análisis de los fenómenos deseados, el reconocimiento de los índices característicos de su desarrollo, la anotación de las observaciones, entre otras tareas docentes..

(18) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 8. Durante las conclusiones el estudiante deberá analizar los datos de la observación y arribar a las conclusiones y generalizaciones que se derivan de la práctica en cuestión. En las prácticas de laboratorio predominan la observación y la experimentación, lo que exige la utilización de métodos y procedimientos específicos para el trabajo. En relación con esto, son significativas la observación, explicación, comparación, elaboración de informes, entre otras. La preparación de las prácticas de laboratorio exige del profesor una atención especial a los aspectos organizativos, ya que su realización se basa fundamentalmente, en la actividad individual o colectiva de los alumnos, de manera independiente. Al igual que en otros tipos de clases, es necesario durante su preparación tener en cuenta respetar las etapas del proceso de enseñanza-aprendizaje (Labarrere, 1996) : Motivación Orientación Ejecución Evaluación Durante el proceso organizativo de la práctica se deben determinar con precisión las características de la actividad de los estudiantes y las habilidades que se van a desarrollar, garantizar las condiciones materiales que exige el cumplimiento de los objetivos propuestos y diseñar la estructura metodológica de la práctica de laboratorio. Resulta necesario además, determinar una secuencia de pasos que faciliten la dirección, por el profesor, de la realización de la práctica de laboratorio, entre los que se encuentran las siguientes: Orientación de los objetivos y las tareas fundamentales a desarrollar y las técnica operatorias básicas que se utilizaran Distribución de materiales.

(19) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 9. Trabajo independiente de los estudiantes Discusión colectiva de los resultados obtenidos 1.3 Tipos de prácticas de laboratorio en las Ciencias Tecnológicas Dormido, S. (2004) clasifica los laboratorios en función de dos criterios: (1) La forma de acceder a los recursos (local o remota) para propósitos de experimentación y (2) la naturaleza del sistema físico (real o virtual), con lo que los entornos de experimentación quedarían clasificados en: •. Locales y reales: Laboratorios presenciales con plantas reales.. •. Locales y virtuales: Laboratorios presenciales con plantas simuladas.. •. Remotos y reales: Teleoperación de una planta real.. •. Remoto y virtual: Laboratorios remotos con plantas simuladas. En la contextualización de esta clasificación a la Electrónica Digital, las prácticas de la asignatura son básicamente locales-virtuales o locales-reales, en las que el computador, además de ser un medio de enseñanza, es un instrumento de trabajo para la compilación, comunicación, programación y verificación de las diferentes placas de circuitos de VLSI, entiéndase kits de desarrollo. De ahí que la propuesta de prácticas de laboratorio que presenta este trabajo es de naturaleza virtual y presencial. De manera que a continuación se alude a sus características e importancia en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Según Calvo Isidro (s.f) como alternativa a los laboratorios presenciales y remotos se pueden utilizar laboratorios virtuales. En este caso se usan los ordenadores para simular el comportamiento de los sistemas a estudiar haciendo uso de modelos matemáticos. Aunque en este caso no se interacciona con plantas reales, la experimentación con modelos simulados es comparable siempre que se cumplan las siguientes premisas: (1) Se usen modelos matemáticos realistas que representen al alumno los detalles importantes del sistema a analizar y (2) se complementen las gráficas que muestran la evolución temporal de los sistemas con animaciones que permitan a los alumnos visualizar y entender mejor el comportamiento del sistema..

(20) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 10. Dentro de las ventajas reconocidas a los laboratorios virtuales se encuentran las siguientes: 1) Dado que un laboratorio virtual se basa en modelos matemáticos que se ejecutan en ordenadores, su configuración y puesta a punto es mucho más sencilla que la configuración y puesta a punto de los laboratorios reales. 2) Presentan un grado de robustez y seguridad mucho más elevado ya que al no haber dispositivos reales éstos no pueden causar problemas en el entorno. 1.4 Fundamentos psicopedagógicos de las prácticas de laboratorios en el proceso de enseñanza. aprendizaje. La experimentación en el aprendizaje. significativo. El aprendizaje no es un asunto sencillo de transmisión, internalización y acumulación de conocimientos, sino un proceso activo de parte del alumno. Esto significa la necesidad. de construir el conocimiento desde los recursos de la. experiencia. El aprendizaje eficaz requiere que los alumnos operen activamente en la manipulación de la información a ser aprendida, pensando y actuando sobre ello para revisar, expandir y asimilarlo no sólo a nivel teórico, sino para el desarrollo de habilidades mediante la asimilación y dominio de métodos y procedimientos. (Otero and Nieves, 2007) La experimentación en el aprendizaje supone la realización de actividades, ejercicios, prácticas, proyectos, diseños, simulaciones, casos, trabajos de investigación, que aproximen los planteamientos teóricos a la práctica, mediante el desempeño de capacidades, habilidades y destrezas. Todas estas actividades están encaminadas a lograr un proceso de apropiación del conocimiento que supere la asimilación memorística, la reproducción vacía y produzca un espacio de interacción entre las herramientas teóricas de la ciencia y la experiencia, la solución de problemas, la descripción y explicación de fenómenos y casos concretos de la realidad. Esto posibilita que los estudiantes encuentren un sentido y utilidad a lo que aprenden, dicho en otras palabras, internalizan el conocimiento al considerarlo.

(21) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 11. significativo e importante. Al mismo tiempo, no solo aprenden métodos y procedimientos, sino que desarrollan destrezas y habilidades para utilizarlos. En el ámbito de las teorías didáctico-metodológicas actuales este tipo de proceso es conocido como aprendizaje significativo. Como concepto ha tenido numerosas definiciones, pero todas apuntan entre sus elementos distintivos su carácter relacional, es decir, la posibilidad de conectar los conocimientos actuales con los anteriores, con la experiencia y la realidad; el papel activo del alumno en el proceso, por las posibilidades que brinda para la utilización de las herramientas cognoscitivas en el análisis y solución de nuevas situaciones y por tanto, en la construcción de nuevos saberes; por último, la motivación y el interés que genera en el estudiante, quien aprende a valorar la utilidad de los conocimientos que construye desde la práctica. (Coll, 1988) Desde la perspectiva didáctica estos objetivos sustentan la importancia de las prácticas de laboratorios como un tipo de clase que permite fomentar este tipo de aprendizaje, toda vez que como ya ha sido referido, coloca al estudiante ante el reto de emplear los métodos y herramientas de la investigación en la solución de problemas concretos, con lo cual desarrolla sus habilidades científicas al tiempo que elabora el conocimiento. En este tipo de clase la categoría didáctica medios de enseñanza, adquiere gran relevancia, pues constituyen las herramientas que el profesor utiliza y pone al alcance de los estudiantes para. desarrollar los experimentos, diseños,. simulaciones u otras actividades que les permitan llegar al conocimiento. De manera que resulta necesario referirse a los presupuestos teóricos que fundamentan dicha categoría. 1.4.1 Los medios de enseñanza y el aprendizaje significativo Desde una perspectiva histórica y definida en el contexto de la intervención didáctica, los medios pueden ser estudiados de acuerdo con sus distintas generaciones: - Los ritos, los gestos y la viva voz (tradición oral)..

(22) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 12. - Los materiales manuscritos: tablas, notas, etc. (productos culturales de Oriente. próximo,. Egipto,. Grecia,. Roma. y. Occidente. hasta. el. Medioevo). - El libro: revolución de las posibilidades de la comunicación. - Artefactos, prensa, artilugios y reproducciones fruto de las posibilidades que ofrece la revolución tecnológica del siglo XIX. - Los materiales audio-visuales que surgen como consecuencia de los filmes fotográficos y del cine, del disco y de la radio en los inicios de este siglo. - Los medios audio-visuales y la prensa en la revolución tecnológica ocurrida después de la Segunda Guerra Mundial, especialmente con la revolución tecnológica de los últimos quince años (radio-televisión, prensa,. informática,. lenguajes. interactivos. hombre-. máquinas/programas, etc.). El diccionario de Ciencias de la Educación (Rioduero, 1983) define los "medios de enseñanza" o "medios"; en función de la facilitación que hacen del entendimiento entre docentes y discentes sobre objetivos, contenidos y procedimientos de la enseñanza, incluidos los que hacen referencia a la evaluación o diagnóstico de las situaciones de partida y de llegada en los procesos de enseñanza-aprendizaje. Escudero (1983) plantea que los medios son recursos que utilizados en los contextos de enseñanza sirven para organizar y codificar determinado sistema de símbolos y de mensajes utilizados en el proceso de enseñanza-aprendizaje. Cubero (1992), trata de situarse en el núcleo del proceso de enseñanza-aprendizaje, con una clara tendencia a desplazarse hacia el proceso de aprendizaje, y define medio de enseñanza como a "todo componente material del proceso docente educativo con el que los discentes realizan en el plano externo las acciones físicas específicas dirigidas a la apropiación de los conocimientos y de las habilidades", es decir, aquí, el medio hace de mediador, en tanto que apoyatura externa, para los procesos mentales de la actividad de aprender. En este sentido, una nota característica del medio es la de no ser indiferente al resto de las categorías del proceso, se hace.

(23) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 13. preciso seleccionar el medio de acuerdo con la naturaleza del conocimiento o de las habilidades con las que se van a trabajar.. 1.4.2 Teoría de aprendizaje cognitivista y medios didácticos Desde un planteamiento pedagógico, los medios didácticos o educativos tienen la intencionalidad de la información, sea de carácter educativo o instructivo. En este sentido, además de los medios clásicos, profesor, libro de texto, ilustraciones, mapas, etc., habrán de ser tenidos en cuenta los demás medios de comunicacióninformación, sobre todo, los desarrollados a partir de la revolución tecnológica de las comunicaciones. Bien es verdad que los medios, en sentido genérico, no se reducen estrictamente a los instrumentos, sino que incluyen otros elementos tales como los propios programas, mensajes, técnicas, contextos, medios auxiliares y hasta las propias personas que los hacen operativos (Pérez Pérez, 1994). Es más, la proliferación de los medios audio-visuales, sobre todo la informática, se hace una diferenciación más clara entre lo que son soportes físicos (hardware) y los materiales de paso o almacenes de la información, programas, etc. (software), si bien en ambos casos se les conoce con el nombre de "medios". Sin embargo, no habremos de perder de vista que tanto el hardware como el software son imprescindibles para transmitir la información, pues ni los soportes físicos pueden transmitir la información si no se les suministra las bases de almacenamiento, ni estas explicitan su información si no se hace a través de un soporte material que decodifique y emita la información. Para el cognitivismo en general el aprendizaje es un proceso de conocimiento en el que intervienen de una forma decidida las estructuras internas del sujeto; se establece un proceso de relaciones en el que estas estructuras internas median la actuación de las condiciones externas. Es decir, la clave del aprendizaje se encuentra en la explicación de cómo se construyen los esquemas internos mediados por las respuestas conductuales. (Pérez, 1989). Para Piaget los medios han de ser seleccionados teniendo en cuenta los siguientes criterios:.

(24) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 14. - Los objetivos que se esperan alcanzar en el proceso de aprendizaje. - El estadio evolutivo en el que se halla el sujeto. - La estructura cognitiva desarrollada, la que se presenta como punto de partida de un nuevo conocimiento. - Grado de ejecución de acuerdo con las operaciones mentales que desarrolla. La finalidad básica de los medios, sobre todo, la de los medios actuales, con su flexibilidad y polivalencia, es la de presentar experiencias, gran variedad de experiencias a los alumnos. Generar situaciones en las que se estimule la curiosidad del alumno (interrogación), el descubrimiento de nuevas situaciones, la creatividad, la innovación, la experimentación y la toma de decisiones. Así, la información se convierte en un permanente estímulo que orienta la actividad del alumno, en tanto que le exige mayores niveles de organización mental, favoreciendo un aprendizaje operatorio (desarrollo de la inteligencia práctica) para el que es necesario que se cumplan una serie de principios para garantizar este aprendizaje: - Calidad antes que cantidad. - Proximidad antes que remoticidad. - Estructura horizontal previa a la vertical. Los procesos de aprendizaje subsiguientes serían los correspondientes al aprendizaje significativo y el abstracto. A partir de estos principios la selección de los materiales deberán reunir algunas características en consonancia con ellos. Son las siguientes: - Los medios habrán de ser manipulativos, más, cuanto menores sean los niveles psicoevolutivos del sujeto. - Lo materiales han de ser significativos, esto es, llevar implícitos significados concretos para el alumno. De ahí la importancia de considerar el medio habitual del alumno. - Es preciso que los medios vayan graduando los niveles de abstracción..

(25) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 15. Por tanto, estas características permiten establecer unos principios de prevalencia entre unos materiales y otros: - Manipulativos frente a no manipulativos. - Sencillos frente a complejos. - Concretos frente a abstractos. - Significativos y propios del medio natural frente a los extraños y no significativos.. Ausubel es, probablemente, el representante de la corriente cognitivista que más desarrolla un modelo de aprendizaje que se apoya en los medios (Pérez Pérez, 1994). Parte de una elaboración sencilla en la que analiza un proceso evolutivo que se inicia con un estadio inicial que representa el contacto directo del alumno con la materia de aprendizaje, un segundo momento, representado por la enseñanza tradicional, en el que el profesor se convierte en único mediador entre la materia de aprendizaje y el alumno, y, por último, la situación actual en la que la materia queda mediada ante el alumno por un complejo entramado de recursos, siendo el papel del profesor el de un organizador de esos recursos y del proceso, relegando, así, su papel mediador exclusivo. Esencialmente estas consideraciones parten en última instancia de la conocida teoría de la actividad de A. Leontiev, también desarrollada en la teoría de la formación de la acción mental por P.Y. Galperín. Salvado su principio de aprendizaje significativo, éste puede producirse tanto por recepción como por descubrimiento; sin embargo, hay una condición básica, es la de que los nuevos conocimientos sean vinculados con los conocimientos previos, aquellos que ya dispone el alumno que aprende. En la consideración de los recursos no aparecen reparos discriminatorios para ninguno de ellos; así, tanto los materiales impresos como los audiovisuales o la instrucción programada, entendida ésta en sentido amplio, superadora, por tanto, del modelo conductista de las máquinas de enseñar. También la instrucción autodirigida y la asistida por ordenador son consideradas como fórmulas válidas para desarrollar procesos de aprendizaje significativo. La clave de la utilización de los medios está en.

(26) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 16. rentabilizar sus propiedades al objeto de aumentar el grado de significatividad de los conocimientos. Las propiedades que, desde esta perspectiva, les son reconocidas a los medios pueden ser, entre otras, destacadas las siguientes: - La variedad de medios permite acomodarse a las características de los contenidos. Ejemplo, el libro de texto para los rutinarios, la televisión para presentar experiencias vicarias. - La enseñanza programada se acomoda fácilmente a los ritmos individuales de los sujetos. - Los medios y las técnicas basadas en la imagen, la animación, etc. tienen la virtualidad de la repetición, grabación, añadido, etc., lo cual facilita la revisión, comparación, retroalimentación, etc. - La informática. y. el. tratamiento de. imágenes. permite. generar. situaciones simuladas de gran virtualidad. La introducción de los medios en la didáctica responde, inicialmente, a la necesidad creciente de optimizar la actividad comunicativa en la que se sustenta todo proceso de enseñanza-aprendizaje. Pero no basta, como hemos visto, utilizar los medios, sino que estos tienen una influencia específica en los procesos del aprender, sobre todo, cuando el planteamiento general se apoya en los modelos cognitivistas, más aún, si ese planteamiento es de naturaleza constructivista y significativo. Por esto, es necesario realizar un proceso de selección de los medios, tal y como nos proponían los representantes de las corrientes cognitivas, sobre todo, si tenemos en cuenta que su finalidad se sitúa justo en los procesos y en las estructuras cognitivas que han de ser activadas. Los elementos clave para la selección de los medios son el alumno, los objetivos, los contenidos y las tareas de aprendizaje. Con el grupo de prácticas que se proponen en este trabajo se pretende desarrollar habilidades en los futuros profesionales en el diseño, simulación y comprensión de los sistemas digitales. Para ello se han tenido en cuenta los objetivos de las asignaturas Electrónica Digital I y II así como Diseño Digital VLSI..

(27) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 17. Una vez analizado el programa de estudio de las asignaturas se comprueba la utilidad de la herramienta para lograr en los estudiantes los siguientes objetivos y habilidades: •. Diseñar y analizar sistemas combinacionales de mediana complejidad, aplicando los métodos estudiados.. •. Diseñar, analizar y simular sistemas digitales de mediana complejidad con la ayuda del ordenador.. •. Montar y comprobar el funcionamiento de sistemas combinacionales de mediana complejidad en el laboratorio.. •. Expresar y/o analizar, en sentencias elementales del lenguaje de hardware VHDL (IEEE-1076), circuitos combinacionales típicos.. •. Diseñar y analizar CSA con componentes SSI. Describirlos en VHDL (IEEE1076/87).. •. Diseñar y analizar CSS con componentes SSI, MSI y LSI. Describirlos en VHDL.. •. Interpretar el funcionamiento de CSS típicos y analizar, a partir de estos, el funcionamiento de sistemas más complejos.. •. Diseñar, analizar y simular CSA y CSS con al ayuda de las herramientas computacionales existentes.. 1.5 Importancia del software Altera Max+Plus II en las actividades prácticas de diseño digital Existen varias herramientas EDA (Electronic Design Automation) para el diseño e implementación de circuitos lógicos. En este trabajo se emplea la herramienta Altera Max+Plus II para el desarrollo de los ejemplos propuestos. Esta herramienta presenta una gran versatilidad en la implementación y simulación de los diseños realizados, además resulta fácil de manejar debido a las interfaces gráficas que presenta, permitiendo así la instrumentación de los diseños.

(28) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 18. y la implementación de estos en los CPLDs y FPGAs de Altera: uno de los líderes a nivel mundial en la fabricación de CPLDs y FPGAs. Con el uso de la herramienta Altera Max+Plus II, es posible también volcar los diseños realizados en el ordenador a un Kit de entrenamiento a través de una interfaz previamente establecida. Altera Max+Plus II permite la captura de esquemas bajo diversas plataformas, las más utilizadas son: OrCAD (.sch), ALTERA (.gdf), EWB (.sch) así como PROTEL (.sch), entre otras. Con el uso de este software como primer paso, se define un proyecto principal y posteriormente se le puede agregar partes de otros proyectos previamente diseñados. Esto es posible debido a que se dispone de una jerarquía de archivos, donde se puede dividir en varias partes un proyecto, logrando así una mayor comprensión del mismo. Además esto permite la reutilización de segmentos de otros proyectos, algo que es muy usual en el diseño de sistemas digitales. La jerarquía de un proyecto se presenta en forma de árbol donde se pueden ver las diversas ramificaciones de éste, que nos llevan a los archivos de menor nivel en la jerarquía. Altera Max+Plus II permite el trabajo con ficheros de diversos tipos: gráfico, de texto o de formas de onda. Estos ficheros contienen la información que procesará el compilador posteriormente. Seguidamente se realiza una descripción de los tipos de ficheros que pueden ser usados por Altera Max+Plus II.. 1. Ficheros gráficos: Dentro de los ficheros gráficos podemos encontrar dos tipos: (.gdf), si son generados por la captura del entorno de Altera Max+Plus II y (.sch), cuando se usa OrCAD Capture, compatible con las librerías de Altera. 2. Ficheros de texto HDL (Hardware Description Languages): Estos pueden estar en AHDL con extensión (.tdf) o en VHDL con extensión (.vhd). Las dos variantes de este lenguaje se deben a que VHDL es un lenguaje de propósito general empleado en los entornos EDA, que mantiene una alta.

(29) CAPÍTULO 1. PRESUPUESTOS TEÓRICO-METODOLÓGICOS DE LA INVESTIGACIÓN. 19. compatibilidad con los diseños realizados sobre las distintas plataformas, debido a que sus ficheros (.vhd) son aceptados por cualquier programa de diseño. Por su parte, AHDL es un lenguaje particular del entorno de Altera y solo es reconocido por este, por lo que no es compatible con ninguna otra plataforma de diseño. 3. Ficheros de formas de onda: Estos ficheros tienen extensión (.wdf) y son generados por el editor de formas de onda, especificando el tipo de onda empleado en las simulaciones. 1.6 Conclusiones del capítulo En este capítulo de forma general, se ha fundamentado la importancia de las prácticas de laboratorio en el desarrollo del aprendizaje con bases teóricas cognitivistas y significativas. En este sentido, la selección de los métodos y los medios apropiados resulta fundamental para la activación de las estructuras cognitivas del estudiante y el desarrollo de habilidades en la solución de problemas científicos. Se fundamenta la importancia del uso del programa Altera Max+Plus II sobre todo, por las posibilidades que ofrece para el diseño, análisis y simulación de sistemas digitales y el trabajo con diferentes tipos de ficheros..

(30) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 20. Capítulo II. La familia EP1K100 de Altera. El Kit de desarrollo KHF-E5 Este capítulo está dedicado a la familia de chips EP1K100 de Altera y el Kit de desarrollo KHF-E5. A través de él se pueden. conocer los aspectos más. importantes de la estructura interna de esta familia de chips, así como las especificaciones esenciales de su funcionamiento. También se describe el Kit de desarrollo KHF-E5, el cual está dotado del chip EP1K100QC208-3N, perteneciente a esta familia. 2.1 Generalidades de los CPLDs de Altera. La familia EP1K100. El EP1K100QC208-3N Los dispositivos de. lógica programables (PLDs), proporcionan un bajo costo. debido a su integración en un solo chip programable. Esta serie integra arreglos empotrados enriquecidos para implementar megafunciones como memorias y funciones lógicas especializadas. Posee Dual-port con capacidad de hasta 16 bits por cada bloque de arreglo empotrado (EAB) y está dotado de arreglos lógicos para funciones lógicas generales. Esta familia presenta una alta densidad de integración, de 10,000 a 100,000 compuertas típicas (Tabla 1), hasta 49,152 bits de RAM (4,096 bits por EAB), todos de los cuales pueden ser usados sin reducir la capacidad de la lógica. La arquitectura programable tiene un costo eficiente u optimizado para un alto volumen de aplicaciones, así como un alto rendimiento para las aplicaciones de comunicaciones. Esta familia está preparada para trabajar bajo un rango de temperatura extendido. Además, opera con varios niveles de tensión (MultiVolt) en los pines de entrada/salida (I/O). Estos pueden manejar o pueden ser manejados por dispositivos de 2.5 V, 3.3 V, o 5.0 V con un bajo consumo de potencia. Los pines de entrada/salida (I/O) actúan de forma bidireccional (setup time [tso] and clocktooutput delay [tco]) hasta 250 MHz. Compatible con componentes periféricos que se interconecten. Special Interest Group (PCI SIG) PCI Local Bus Specification, Revision 2.2 para 3.3 V operando a 33 MHz o 66 MHz ..

(31) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 21. A continuación se muestra mediante la tabla 1 las características más generales del grupo de chips de la familia ACEX 1K. (Altera, May 2003). Los dispositivos ACEX 1K cumplen con las especificaciones para interconectarlos con dispositivos periféricos de BUS local PCI Bus Specification, Revision 2.2 para la operación a 5.0 V del Built-in Joint Test Action Group (JTAG). Cumple con boundary-scan test (BST) del sistema de circuitos compatibles con la IEEE Std. 1149.1-1990, disponible sin consumir lógica adicional del dispositivo. Esta familia de dispositivos puede operar con un subministro interno de 2.5 V. Consta con un sistema de reconfiguración en circuito, (del ingles In-circuit reconfigurability, ICR), que permite que el dispositivo sea reconfigurado en el circuito por dispositivos externos a través del control inteligente o el puerto JTAG. Consta con ClockLock and ClockBoost, opciones para reducir el retardo del reloj, inicialización de reloj y multiplicación de reloj. Incorporando bajo retardo en la distribución de reloj por árboles. Ciento por ciento probada funcionalmente con todos los dispositivos, sin requerir prueba de vectores o examinar las cadenas. Pull-up en los pines de entrada/salida (I/O) antes y durante la configuración. Incorporan el FastTrack Interconect, flexible, que interconecta la estructura de la asignación de ruta continua rápidamente para retardos predecibles.. Incluyen. transporte dedicado a cadenas que implementan funciones aritméticas tales como sumadores rápidos, contadores y comparadores, los cuales son usados automáticamente por las herramientas del software y megafunciones. Implementa alta velocidad por su cadena de cascada dedicada. Estos tienen alto rendimiento en las funciones lógicas automáticamente usadas por las herramientas de.

(32) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 22. softwares y las megafunciones. Permiten implementar buses internos de tres estados (internal tri-state buses). Pueden manejar hasta seis señales de reloj globales y cuatro señales de borrado. Posee pines de entrada/salida (I/O) de potencia, el rendimiento del tri-estado individual habilita el mando para cada pin. Opción de drenador abierto (Opendrain) para cada pin de entrada/salida (I/O). Programable output slew-rate control para reducir el ruido de conmutación. El VCC para los pines de entrada/salida (I/O) es seleccionable por el usuario pin a pin. Soporta hot-socketing. Altera development systems proporciona soporte de software para Windows-PCs y Sun SPARCstation, y HP 9000 Series 700/800 workstations. Las opciones de encapsulado están disponibles de 100 a 484 pines, incluyendo paquetes innovadores FineLine BGA (Tablas 2 y 3). (Altera, May 2003). Descripción general Los dispositivos ACEX 1K de Altera están provistos de die-efficient , arquitectura de bajo costo que combina la arquitectura de tabla de consulta (look-up table. LUT) con (enchanced array blocks EABs). La lógica basada en LUT optimiza eficientemente el flujo de datos, el registro intensivo, las aplicaciones matemáticas así como el procesamiento digital de señales (DSP), mientras los bloques de.

(33) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 23. arreglos empotrados (EABs) implementan la memoria RAM, ROM, el doble puerto de RAM o las funciones first-in first-out (FIFO). Estos elementos hacen de la familia ACEX 1K una lógica conveniente para las funciones complejas y funciones de memoria tales como el procesamiento digital de señales (DSP) y el manejo del flujo de datos; la transformación de datos y los microcontroladores, como las aplicaciones de comunicaciones que requieren alto rendimiento. Los elementos de SRAM. basados en el CMOS reconfigurable, hacen que la. arquitectura ACEX 1K incorpore los rasgos necesarios para implementar common gate array megafunctions, junto con una alta cantidad de pines para habilitar una interfaz eficaz con los componentes del sistema. Los procesos avanzados y el requerimiento de voltaje bajo en el núcleo (2.5 V) le permiten a los dispositivos ACEX 1K encontrarse en los requerimientos de bajo costo en un alto volumen de aplicaciones, desde modems DSL hasta switches de bajo costo. La posibilidad de reconfigurar los dispositivos de ACEX 1K habilita. la. comprobación completa antes de la producción en serie y le permite al diseñador simular y comprobar los dispositivos. Con esta posibilidad de reconfiguración de los dispositivos de ACEX 1K se elimina la administración de diseños de circuitos predifundidos de puerta y la experimental generación vectorial por defecto. La tabla 4 muestra el comportamiento de los dispositivos ACEX 1K para algunas aplicaciones comunes. Todos los resultados de su comportamiento se obtuvieron con Synopsys DesignWare o LPM functions. (Altera, May 2003).

(34) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 24. La tabla 5 muestra el comportamiento de los dispositivos ACEX 1K para funciones más complejas. Estas funciones están disponibles con la opción Altera MegaCore functions. (Altera, May 2003). Cada dispositivo ACEX 1K contiene un arreglo empotrado y un arreglo lógico. El arreglo empotrado se usa para implementar una cantidad variada de funciones de memoria o de funciones lógicas complejas, como el procesamiento digital de señales (DSP), la manipulación del flujo de datos, las aplicaciones del microcontrolador y funciones de transformación de datos. Los arreglos lógicos funcionan igual que una serie de compuertas y se usan para llevar a cabo la lógica general como por ejemplo los contadores, sumadores, máquinas de estado, y multiplexores. La combinación de arreglos lógicos empotrados proporciona un alto.

(35) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 25. desempeño y una alta densidad de arreglos de compuertas que les permite a los diseñadores implementar un sistema completo en un solo dispositivo. Los dispositivos ACEX 1K son configurados por el sistema power-up con datos almacenados dentro de un dispositivo de configuración serie de Altera o por un controlador de sistema. Altera ofrece los dispositivos de configuración EPC16, EPC2, EPC1 y EPC1441 para configurar los dispositivos ACEX 1K a través de un BUS de datos serie. En la configuración también pueden transmitirse los datos de la RAM del sistema o vía Altera MasterBlaster, ByteBlasterMV, o BitBlaster a través de cables. Después que un dispositivo ACEX 1K ha sido configurado, puede ser reconfigurado en circuito como se dijo anteriormente volviendo a arrancar el dispositivo y cargando datos nuevos. Esta reconfiguración toma menos de 40 ms, y los cambios pueden hacerse en tiempo real durante la operación del sistema. Los dispositivos ACEX 1K contienen una interfaz que permite microprocesadores para ser configurados en serie o paralelamente, y sincrónico o asincrónico. La interfaz también habilita microprocesadores para tratar el dispositivo ACEX 1K como memoria y lo configura escribiendo una posición de memoria virtual, simplificando la reconfiguración del dispositivo. Los dispositivos ACEX 1K son soportados por los sistemas de desarrollo de Altera, como paquetes integrados que ofrecen textos esquemáticos incluyendo AHDL, entrada de diseño de forma de onda, compilación y síntesis de la lógica, simulación completa y peor-caso que cronometra el análisis worst-case (del inglés worst-case timing análisis) así como la configuración del dispositivo. El software proporciona EDIF 200 y 300, LPM, VHDL, Verilog HDL, y otras interfaces designadas a entradas adicionales para la simulación desde otros PC estándares industriales y estaciones de trabajo UNIX con herramientas de trabajo EDA. El software Altera opera fácilmente con herramientas comunes de circuitos gate array EDA, para la síntesis y la simulación. Por ejemplo, el software Altera puede generar Verilog HDL para simulación con herramientas como Verilog-XL Cadence. Adicionalmente,. el. software. Altera. contiene. bibliotecas. EDA. que. usan.

(36) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 26. características de dispositivos específicos como transporte de cadenas quienes son usados en contadores rápidos y funciones aritméticas. Por ejemplo, la biblioteca the Synopsys Design Compiler library proporcionada con el sistema de desarrollo Altera que incluye DesignWare, funciones que se perfeccionan para la arquitectura del dispositivo ACEX 1K. Altera. development. systems. corre. sobre. Windows-based. PCs. y. Sun. SPARCstation, y HP 9000 Series 700/800 workstations. Por ejemplo: MAX+PLUS II Programmable Logic, Development System & Software Data Sheet and the Quartus Programmable, Logic Development System & Software Data Sheet. Descripción funcional Cada dispositivo ACEX 1K contiene un arreglo empotrado enriquecido para implementar memoria y funciones lógicas especializadas y un arreglo lógico que implementa lógica general. El arreglo empotrado consiste en una serie de bloques de arreglos enriquecidos (EABs). Al implementar las funciones de memoria, cada EAB provee 4,096 bits, que pueden usarse para crear RAM, ROM, doble puerto RAM, o funciones first-in first-out (FIFO). Al implementar la lógica, cada EAB puede contribuir de 100 a 600 compuertas hacia las funciones de la lógica compleja como los multiplicadores, microcontroladores, máquinas de estado y funciones DSP. Los EABs pueden ser usados independientemente o. pueden estar combinados para implementar. funciones mayores. El arreglo lógico consiste en bloques de arreglos lógicos (LABs). Cada LAB contiene ocho elementos lógicos (LE) y una interconexión local entre ellos. Cada LE consta de un Look-Up Table (LUT) de cuatro entradas, un flipflop programable, y los caminos dedicados para la señal de acarreo y las funciones de cascada. Los ocho LEs pueden usarse para crear bloques medianos de lógica como contadores de 8 bits, decodificadores de dirección o máquinas de estado, o combinar, cruzando LABs, para crear bloques de lógica mayores. Cada LAB representa 96 compuertas lógicas utilizables..

(37) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 27. Las señales de interconexión dentro de los dispositivos ACEX 1K así como la forma de pines del dispositivo están provistas por el FastTrack Interconnect, que es una serie rápida para interconectar la estructura, a través de una fila continua y una columna de canales que corre a todo lo largo y ancho del dispositivo. Cada pin de entrada/salida (I/O) es alimentado por un elemento de entrada/salida (IOE) localizado al final de cada fila y columna del FastTrack, que interconecta la estructura de la asignación de ruta. Cada elemento de entrada/salida (IOE) contiene un buffer de entrada/salida (I/O) bidireccional y un flipflop que pueden ser usados por los registros de entrada o salida para alimentar energía de entrada, salida, o señales bidireccionales. Cuando un pin está usándose dedicado a señal de reloj, estos registros proporcionan un rendimiento excepcional. Como entradas, están provistas de bajos tiempos de retardo 1.1 ns y los tiempos de retención 0 ns. Como salidas, estos registros están provistos de un tiempo de reloj tan bajo como 2.5 ns. Los IOEs proveen al dispositivo de una variedad de características tales como JTAG BST support , el control de respuesta rápida (slew-rate control), buffers de tres estados (tri-state buffers), y salidas de drenador abierto (Open-drain). La figura 2.1 muestra un diagrama de bloque de la arquitectura de los dispositivos ACEX 1K. Cada grupo de elementos lógicos (LEs) está combinado dentro de un bloque de arreglo lógico (LAB), estos son agrupados en filas y columnas. Cada fila contiene un solo EAB. Los LAB y los EABs están interconectados por el FastTrack Interconnect encaminando la estructura. Los IOEs están localizados en el fin de cada fila y columna del FastTrack Interconect, interconectando la estructura..

(38) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 28. Figura 2.1 ACEX 1K Device Block Diagram (Altera, May 2003) Los dispositivos ACEX 1K están provistos de seis entradas dedicadas que conducen a los flipflops, el control de señales controla las entradas y asegura la distribución eficiente a alta velocidad y el lowskew (menor que 1.0 ns ). El FastTrack. interconecta la estructura de la asignación de ruta para estas. señales determinando el recorrido a través de los canales que proveen retardos más cortos y desalineamientos inferiores. Cuatro de las entradas dedicadas manejan cuatro señales globales. Estas cuatro señales globales también pueden ser manejadas por la lógica interna. Esto permite una solución ideal para un divisor de reloj o un generador asincrónico interno para limpiar señales (clear signal), que limpia muchos registros en el dispositivo. El Bloque de arreglo empotrado (EAB) El EAB es un bloque flexible de RAM, con registros en los puertos de entrada y salida, estos son usados para implementar megafunciones comunes. Debido a.

(39) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 29. que los EABs son grandes y flexibles, estos son apropiados para funciones como multiplicadores, vectores escalares y circuitos para la corrección de errores. Estas funciones pueden estar combinadas en aplicaciones como filtros digitales y microcontroladores. Las funciones lógicas son implementadas durante la configuración, programando el EAB con un patrón de solo lectura (read-only) y creando una tabla de consulta grande (look-up table LUT). Las funciones combinatorias son llevadas a cabo buscando los resultados en lugar de computarlos. Esta implementación de funciones combinatorias puede ser más rápida que los algoritmos utilizados para implementar lógica en general, esto es una ventaja que se refuerza más allá por el rápido tiempo de acceso de los EABs, que permite a los diseñadores implementar funciones complejas en un solo nivel lógico sin los retrasos de determinación del recorrido, asociados con LEs interconectados o bloques de RAM FPGA. Por ejemplo, un solo EAB puede implementar cualquier función con 8. entradas y 16 salidas. Los EAB pueden. aprovecharse automáticamente por funciones paramétricas, como las funciones LPM. Los dispositivos ACEX 1K constan con EABs enriquecidos que soportan doble puerto de RAM. La estructura de doble puerto es ideal para buffers FIFO con uno o dos relojes. Los EABs de ACEX 1K también pueden soportar bloques de RAM de hasta 16 bits de ancho. Estos EABs pueden funcionar en modo de doble puerto o de simple puerto. Cuando se usa el modo de doble puerto los EABs pueden usar relojes separados en dos secciones, una para leer y otra para escribir, permitiendo que los EABs sean escritos y leídos en diferentes razones. También tiene separado el reloj síncrono que posibilita secciones divididas de señales de lectura y escritura, dejando independiente el control de estas secciones. Los EABs también pueden ser usados en forma bidireccional, en aplicaciones de doble puerto donde leen o escriben simultáneamente la memoria. Para implementar este tipo de memoria de doble puerto, dos EABs se usan para soportar lectura y escritura simultáneas..

(40) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 30. Alternativamente, un reloj y un reloj habilitado pueden ser usados como control de los registros de entrada del EAB, mientras un reloj diferente y un reloj habilitado controlan los registros de salida. (Figura 2.2). Figura 2.2 ACEX 1K Device in Dual-Port RAM Mode (Altera, May 2003) Bloque de arreglo lógico (Logic Array Block LAB) Un LAB consta de ocho LEs, asociados por transporte y cadenas de cascada, control de señales LAB, e interconexiones locales LAB. El LAB proporciona a la arquitectura ACEX 1K la estructura grano-grueso (coarse-grained), facilitando una eficiente determinación del recorrido con utilización óptima del dispositivo y alto desempeño. (Figura 2.3).

(41) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 31. Figura 2.3 ACEX 1K ACEX 1K LAB (Altera, May 2003) Elemento lógico (Logic Element LE) En la arquitectura ACEX 1K el LE es el elemento lógico más pequeño, tiene un tamaño compacto que proporciona la utilización eficiente de la lógica. Cada LE contiene cuatro entradas LUT, que es una función generadora que puede computar rápidamente cualquier función de cuatro variables. Además, cada LE contiene un flipflop programable con un reloj síncrono que posibilita una cadena de arrastre y una cadena de cascada. Cada LE está interconectado localmente, y conectado a la estructura a través del FastTrack Interconnect. (Figura 2.4).

(42) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 32. Figura 2.4 ACEX 1K Logic Element (Altera, May 2003) Elemento de entrada/salida (I/O Element) Un elemento de entrada/salida contiene un buffer I/O bidireccional y un registro que puede ser usado como registro de entrada, para entrar datos externos que requieren un tiempo rápido de ejecución, o también como un registro de salida para datos que requieren un desempeño rápido de salida de reloj. En algunos casos, usando un registro LE para una entrada de registro hará más rápido el tiempo de ejecución que al usar un registro IOE. Los IOE pueden ser usados como entrada, salida, o pines bidireccionales. El compilador usa la opción programable de inversión para invertir señales de la fila y la columna, interconectándose automáticamente donde sea apropiado. Para la implementación de registros I/O bidireccionales, el registro de salida debería estar en el IOE y los registros de datos de entrada y salida habilitan los registros LE, puesto de forma adyacente el pin bidireccional..

(43) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 33. Figura 2.5 ACEX 1K Bidirectional I/O Registers (Altera, May 2003) 2.2 Características del Kit de desarrollo KHF-E5 A continuación se hace una descripción del Kit de desarrollo KHF-E5 concerniente a sus especificaciones de hardware, relacionadas con su posibilidad de simulación de circuitos digitales. Es importante señalar que este consta de un chip de Altera de la familia ACEX 1K, descrita anteriormente en este capítulo, en específico ACEX 1K100QC208-3N..

(44) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 34. Descripción general El Kit de desarrollo KHF-E5 es una herramienta EDA que consiste en una tarjeta principal y una tarjeta para comunicación con una PC. Este dispositivo está diseñado para el estudio de CPLDs/FPGAs. Este soporta lenguajes de descripción de hardware como AHDL, VHDL y Verilog HDL. También permite editores gráficos, de texto, de forma de onda y mixtos. Estructura del hardware El kit de desarrollo KHF-E5 cuenta con un oscilador de cristal de 50 MHz conectado al pin 183 del chip CPLD/FPGA de Altera, para suministrarle a este la señal del oscilador. Por el pin 78 del chip tiene conectada una señal ajustable de 1 Hz a 1 MHz, con frecuencia de salida controlada por los jumpers J1 y J2. Por el pin 80 del chip CPLD/FPGA tiene conectada una señal de reloj de 22.1184MHz.. Figura 2.6 Oscilador de cristal de 50 MHz.

(45) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 35. Figura 2.7 Fuente ajustable Conmutadores de entrada El dispositivo cuenta con dieciséis interruptores (SW1 - SW16) y cuatro interruptores de pulso (KP1. KP4), estos están normalmente bajos. Estos interruptores pueden. trabajar de forma independiente o conjuntos. Durante su operación conjunta, cuando el interruptor de los datos está en el nivel bajo, al presionar el interruptor de pulso genera un pulso de nivel alto y viceversa. La conexión entre los interruptores de datos y los pines del chip CPLD/FPGA es la siguiente: SW1-P103, SW2-P104, SW3-P111, SW4-P112, SW5-P113, SW6-P1114, SW7-P115, SW8-P116, SW9-P119, SW10-P120, SW11-P121, SW12-P122, SW13-P125, SW14-P126, SW15-P127, SW16-P128. A su vez, dieciséis LEDs señalizan el estado de salida..

(46) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 36. Figura 2.8 Interruptores de pulso Los interruptores de pulso también poseen conexión con los pines del chip CPLD/FPGA de la siguiente forma: KP1-P103, KP2-P104, KP3-P111, KP4-P112. También están disponibles diez LEDs 7 segmentos (SEG1 SEG2 visualizándose en modo estático, mientras SEG3. SEG10), con SEG1 y SEG10, en. modo. dinámico. Las entradas SEG1 y SEG2 están conectadas a los ocho LEDs. Los LEDs marcados por D17. D32 corresponden a P161 (D4), P162 (D5), P163, P164 (D6),. P166 (D7), P167, P168, P169, P170, P172, P173, P174, P175, P176, P177, y P179 respectivamente..

(47) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. Figura 2.9 Display estático. Figura 2.10 Display de escaneo serie. 37.

(48) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 38. Figura 2.11 IC 74138 2.3 Integración del Kit de desarrollo KHF-E5 con el software Altera MAX+plus II. Estrategia general de diseño Anteriormente se hizo referencia a las características y especificaciones del Kit de desarrollo KHF-E5, dispositivo dotado con el chip ACEX EP1K100QC208-3N de la familia ACEX 1K, antes descrita. El software Altera MAX+Plus II es una herramienta EDA creada específicamente para el diseño, implementación y simulación de circuitos lógicos con dispositivos CPLDs/FPGAs de Altera. Es por ello que se ha seleccionado dicho software para la realización de los experimentos con circuitos lógicos que se proponen en este trabajo. En la figura 2.12 se muestra la ventana principal del entorno Altera MAX+Pluis II. Las herramientas EDA (Electronic Design Automation) son las más usadas en el diseño e implementación de circuitos lógicos; permiten una gran versatilidad a la hora de simular cualquier circuito diseñado con ellas. Lo primero que se debe hacer al iniciar cualquier diseño, es definir el proyecto principal, como se explicó en el capítulo I de este trabajo, existe una jerarquía en el árbol de archivos de un proyecto que permite agregar, reutilizar o sencillamente dividir el diseño para una mejor comprensión. Se logra un todo a partir de partes más simples y pequeñas..

(49) CAPÍTULO 2. LA FAMILIA EP1K100 DE ALTERA. EL KIT DE DESARROLLO KHF-E5. 39. Figura 2.12 Ventana principal de Altera MAX+Plus II A continuación se muestra la forma en que se distribuye la jerarquía de un proyecto en forma de árbol, visible en la ventana de jerarquías (en inglés Hierarchy Display), que se despliega bajo el menú MAX+Plus II en la ventana principal del software.. Figura 2.13 Ventana de jerarquías de Altera MAX+Plus II.