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\IEEEpeerreviewmaketitle
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\IEEEpeerreviewmaketitle
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\section{Introducción}
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\section{Introducción}
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Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción en la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos, por ejemplo, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes, con la articulación de otras unidades académicas como laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional mediante la transferencias de tecnología.
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Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción en la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos. Por ejemplo, en el área de las técnicas digitales, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes, la articulación de otras unidades académicas como laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional de plataformas educativas en un marco de transferencia de tecnología.
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En el proceso de aprendizaje de las denominadas Técnicas Digitales necesariamente se debe implementar los diseños digitales. El Álgebra de Bool con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
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En el proceso de aprendizaje de las denominadas Técnicas Digitales necesariamente se debe implementar los diseños digitales. Desde el Álgebra de Bool, con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
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Existen varios trabajos ya en la década de los 90s donde se plantaba \cite{ASArev.1} la necesidad de contar con una plataforma educativa que permitiera el estudio e implementación del diseño digital, sobre todo nuevas arquitecturas de microprocesadores. Si bien no se contaba con la capacidad de integración en la fabricación de circuitos integrados que se alcanzó en esta época, se apuntaba en aquel entonces al uso de nuevos dispositivos denominados FPGA\cite{PLD-hist}. Esta tendencia continuo al punto tal que se avanzaban con desarrollos de placas más avanzadas que ofrecían mucho más recursos debido al constante avance en el proceso de integración de los semiconductores. Se generaron proyectos académicos \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, abiertos \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}.
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Al comienzo de la década de los 90s surgieron varios trabajos donde se planteaba la necesidad de una plataforma educativa orientada a la implementación de diseños lógicos digitales basados en PLDs. Los principales demandantes de estas plataformas eran diseñadores de arquitecturas de microprocesadores \cite{ASArev.1}, desarrollos que años anteriores resultaban imposibles por el costo de la implementación en hardware. El avance en el proceso de integración de los circuitos integrados han llevado a que se desarrollen plataformas más complejas que ofrecen una gran cantidad de recursos de hardware. Al día de hoy se han generado varios proyectos desarrollados por instituciones académicas \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, otras con especificaciones abiertas \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y también con fines comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}. Todos estos trabajos tienen algunas características en común:
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\begin{itemize}
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\item El dispositivo lógico programable base es una FPGA
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En estas últimas décadas los sistemas embebidos han cobrado una gran importancia, en particular se hace referencia a los Dispositivos Lógicos Programables (PLDs, siglas en inglés). Estos dispositivos lógicos actualmente ofrecen grandes recursos de hardware debido a los avances en los procesos de integración en su fabricación, obviamente que ha beneficiado a todos los circuitos integrados (ICs, siglas en inglés) en general.
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\item Memoria de programación de la FPGA
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\item Acceso de programación JTAG
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Los Dispositivos Lógicos Programables fueron introducidos a medidos de 1970s. Se basaba en la idea de construir circuitos lógicos combinacionales que fueran programables. Contrariamente a los microprocesadores, los cuales pueden correr un programa sobre un hardware fijo, la programabilidad de los PLDs hace referencia a niveles de hardware. En otras palabras, un PLD es un chip de propósitos generales cuyo hardware puede ser reconfigurado dependiendo de especificaciones particulares del desarrollador.
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\item Software para interactuar con la plataforma desde una computadora
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\item Dos perfiles de diseño:
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Si bien las diferentes industrias (militar[REF], automotriz[REF], comunicaciones[REF], de consumo[REF], etc.) son quienes demandan constantemente avances tecnológicos, muchas veces el sector académico resulta ser el gestor de grandes desarrollos e investigaciones que beneficia a estas industrias. En nuestra región la tecnología PLDs se encuentra en su auge hace unos años. Instituciones gubernamentales de defensa[REF], aeroespaciales[REF], comunicaciones[REF] están implementando dispositivos como FPGAs y CPLDs en sus diseños. Además existe una constante actualización por parte de las instituciones académicas en los programas analíticos de las carreras relacionadas a los sistemas embebidos[REF].
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\begin{itemize}
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\item Para la implementación de sistemas lógicos generales
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En el estudio de nuevos sistemas digitales las herramientas de software son eficientes, pues permiten realizar simulaciones que se asemejan a la implementación física. Pero muchas veces son necesarias las implementaciones en hardware y es ahí donde se hacen necesarias las plataformas evaluadoras. Estas placas disponen de un diseño que cubre un gran espectro de aplicación según la tecnología y la complejidad del desarrollo. Este concepto no solo se aplica a los sistemas embebidos, pues varias áreas científicas requieren de un gran porcentaje de laboratorio[REF].
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\item Orientado a un área específica
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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La caracterización anterior no es un intento de generalizar a todas las plataformas educativas basadas en PLDs, pero sí resulta útil para definir el perfil de la plataforma que se describe en este trabajo. Sin la especificación de a que usuarios se destina una plataforma, no se puede comenzar con el estudio de los diferentes dispositivos que se utilizarán. La Figura \ref{fig:rec-plataforma} ilustra una clasificación en bloques de los recursos que ofrecen diferentes plataformas basada en dispositivos PLDs. Donde a niveles iniciales en el estudio de la lógica digital se requieren periféricos básicos como ser llaves conmutadoras de los estados lógicos, dispositivos indicadores como diodos LED, etc. Mientras que a estudios más avanzados se requieren otros tipos de dispositivos como ser a un nivel medio controladores para display gráficos LCD/LED, comunicaciones entre varios dispositivos mediante SPI, I2C, etc. Y por últimos, en la formación de especialistas de sistemas embebidos, requieren recursos como interfaces físicos para ethernet, controladores HDMI, PS2, USB, etc.
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\begin{figure}[!t]
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\centering
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\includegraphics[width=5cm]{img/recursos-plataformas}
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\caption{Recursos de hardware en función de los niveles de aprendizaje.}
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\label{fig:rec-plataforma}
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\end{figure}
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La mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país. Se han encontrado desarrollos nacionales pero no son comercializados sino usados en laboratorios universitarios. Entre las empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs, se destacan: Xilix, Altera y Digilent. Los principales perfiles de sus desarrollos se encuentran orientados a,
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La mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país. Se han encontrado desarrollos nacionales pero no son comercializados sino usados en laboratorios universitarios. Entre las empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs, se destacan: Xilix, Altera y Digilent. Los principales perfiles de sus desarrollos se encuentran orientados a,
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\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item Sistemas de comunicaciones
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\item Sistemas de comunicaciones
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\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
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\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
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\item Automovilismo
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\item Automovilismo
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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En la Figura [REF] se pueden ver tres diferentes plataformas orientadas al diseño de sistemas digitales \footnote{Alguna de estas plataformas disponen de módulos conversores ADC y DAC, por lo que se podría decir que también permiten la implementación de sistemas analógicos en dominio discreto.}. Los recursos de hardware que ofrecen estos desarrollos son:
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En la Figura [REF] se pueden ver tres diferentes plataformas orientadas al diseño de sistemas digitales \footnote{Alguna de estas plataformas disponen de módulos conversores ADC y DAC, por lo que se podría decir que también permiten la implementación de sistemas analógicos en dominio discreto.}. Los recursos de hardware que ofrecen estos desarrollos son:
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\begin{itemize}
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\begin{itemize}
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\item FPGA
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\item Memoria de programación de la FPGA
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\item Periféricos básicos (LEDs, display, pulsadores, llaves, etc.)
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\item Puerto USB
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\item Puerto USB
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\item Four 6-pin Pmod connectors
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\item Puerto para módulos externos
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\item VGA
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\item Puerto para propósitos generales
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\item PS/2
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\item Varias señales de reloj (clok)
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\item VGA y PS/2
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\item Memorias ROM/RAM
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\item ADC/DAC
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\end{itemize}
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\end{itemize}
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Atmel AT90USB2 Full-speed USB2 port providing board power and programming/data transfer interface
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% \begin{figure*}[!t]
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Xilinx Platform Flash ROM to store FPGA configurations
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% \centerline{
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8 LEDs, 4-digit 7-segment display, 4 buttons, 8 slide switches
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% \subfloat[Avnet Spartan-6 LX150T (Xilinx/Avnet)]{\includegraphics[width=2in]{img/Avnet-Spartan-6-lx9-MicroBoard}%
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PS/2 port and 8-bit VGA port
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% \label{fig:xilinx-board}}
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User-settable clock (25/50/100MHz), plus socket for 2 clock
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% \hfil
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Four 6-pin header expansion connectors
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% \subfloat[DE0-Nano (Altera)]{\includegraphics[width=2in]{img/de0-nano}%
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ESD and short-circuit protection on all I/O signals.
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% \label{fig:altera-board}}
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% \hfil
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% \subfloat[BASYS2 (Digilent)]{\includegraphics[width=2in]{img/BASYS2-top-400}%
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\begin{figure*}[!t]
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% \label{fig:digilent-board}}}
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\centerline{
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% \caption{Plataformas de desarrollo educativas basadas en FPGAs}
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\subfloat[Avnet Spartan-6 LX150T (Xilinx/Avnet)]{\includegraphics[width=2in]{img/Avnet-Spartan-6-lx9-MicroBoard}%
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% \label{fig:board-fpga}
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\label{fig:xilinx-board}}
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% \end{figure*}
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\hfil
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\subfloat[DE0-Nano (Altera)]{\includegraphics[width=2in]{img/de0-nano}%
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En nuestra región la tecnología PLDs se encuentra en su auge hace unos años. Instituciones gubernamentales de defensa[REF], aeroespaciales[REF], comunicaciones[REF] están implementando dispositivos como FPGAs y CPLDs en sus diseños. Además existe una constante actualización por parte de las instituciones académicas en los programas analíticos de las carreras relacionadas a los sistemas embebidos[REF].
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\label{fig:altera-board}}
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\hfil
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En base al planteamiento anterior lleva al desarrollo de la Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR). Esta plataforma es un proyecto a medida de las necesidades en la enseñanza de los sistemas digitales lógicos en las cátedras iniciales. Ofrece recursos básicos para que los estudiantes interactúen con la tecnología de los dispositivos PLDs, pero también dispone de puertos para conectar otros recursos físicos permitiendo que estudiantes avanzados puedan hacer uso de ellas sin limitaciones. Además al ser publicado bajo licencia libre/abierta permitirá a que el diseño, o parte de él, sirva como referencias a otras instituciones académicas que se encuentren en búsqueda de una plataforma para implementar en sus diferentes cátedras.
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\subfloat[BASYS2 (Digilent)]{\includegraphics[width=2in]{img/BASYS2-top-400}%
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\label{fig:digilent-board}}}
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\caption{Plataformas de desarrollo educativas basadas en FPGAs}
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\label{fig:board-fpga}
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\end{figure*}
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\section{Elección del PLD}
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\section{Elección del PLD}
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\section{Interfaz JTAG}
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\section{Interfaz JTAG}
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\subsection{Hardware}
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\subsection{Hardware}
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