Eletrónica Digital e Microprocessadores

Código:

FIS3004

Sigla:

FIS3004

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Física

Ocorrência: 2019/2020 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado em Engenharia Física

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
MI:EF	38	Plano estudos a partir do ano letivo 2017/18	3	-	6	56	162

Língua de trabalho

Português

Objetivos

A unidade curricular tem dois objetivos de aprendizagem fundamentais:

• Dar a conhecer os fundamentos teóricos e aspetos práticos da análise e síntese de sistemas digitais (combinacionais e sequenciais)
• Dotar os estudantes de competências para projetar e manusear sistemas embutidos baseados em microprocessadores em geral, e na placa ESP32 Pico Kit em particular.

Resultados de aprendizagem e competências

Após ter concluído com sucesso a unidade curricular Eletrónica Digital e Microprocessadores, um estudante deverá ser capaz de:

• Usar diferentes bases (decimal, binária, octal e hexadecimal) para a representação e manipulação de números inteiros (positivos ou negativos) e fracionários, e realizar operações aritméticas simples (em especial a adição e subtração) nessas bases.
• Representar números binários em vírgula flutuante segundo o standard IEEE 754.
• Obter representações formais (tabelas de verdade, expressões lógicas, circuitos lógicos) e efetuar transformações que permitam reduzir a sua complexidade e simplificar os circuitos que as implementam, a partir de descrições informais de funções combinacionais.
• Analisar e projetar circuitos simples com blocos digitais combinacionais básicos, tais como portas lógicas, multiplexadores, descodificadores, somadores e comparadores.
• Compreender o funcionamento de dispositivos digitais bi-estáveis (flip-flops) e a sua utilização na realização de circuitos sequenciais síncronos.
• Obter representações formais de máquinas de estado finitos (FSM), tais como tabelas de estados e diagramas de transição de estados, a partir de descrições informais do funcionamento pretendido.
• Analisar e projetar circuitos sequenciais simples baseados em flip-flops, registos, contadores e registos de deslocamento.

Adicionalmente os estudantes deverão ser capazes de:

• Recordar as principais funcionalidades (portas I/O, timers, interrupções, ADC, PWM, barramentos de comunicação) presentes em microcontroladores em geral.
• Usar a placa de desenvolvimento ESP32 Pico Kit.
• Usar o ambiente de desenvolvimento Visual Studio Code para escrita e debug de programas em linguagem MicroPython destinados à placa ESP32 Pico kit.
• Desenvolver um mini projeto, incluindo a identificação dos periféricos necessários, a sua interligação ao microcontrolador através das interfaces e barramentos mais apropriados, e a escrita do código que satisfaça os requisitos funcionais apresentados.
• Descrever na forma dum relatório, o trabalho desenvolvido nesse mini projeto.

Modo de trabalho

Presencial

Programa

O programa da disciplina tem duas componentes fundamentais:

• Sistemas digitais
• Microprocessadores

A primeira componente é constituída por:

• Sistemas de numeração, representação de números positivos e negativos. Aritmética binária. Representação em vírgula flutuante segundo o standard IEEE 754.
• Álgebra Boleana: expressões lógicas, teoremas, manuseamento e simplificação das expressões lógicas, implementação dos circuitos lógicos combinacionais. Síntese de circuitos combinacionais com base em portas lógicas e/ou circuitos funcionais como descodificadores, multiplexadores.
• Circuitos sequenciais: flip-flops, registos, contadores, registos de deslocamento. Análise e síntese de máquinas de estado síncronas e implementação de circuitos sequenciais com base em flip-flops e em blocos funcionais referidos.

A segunda componente é constituída por:

• Introdução à arquitetura de microprocessadores, conceitos básicos à organização e ao funcionamento: execução de programas, barramentos, periféricos, memórias, endereçamento.
• Estudo das diversas funcionalidades presentes em microcontroladores ESP32, nomeadamente:
  - Portas de entrada/saída
  - Barramentos de comunicação série (USART, I2C, SPI)
  - Contadores/timers
  - Interrupções
  - Conversor analógico/digital (ADC)
• Programação do processador presente na placa ESP32 Pico Kit usando linguagem MicroPython e o ambiente integrado de desenvolvimento Visual Studio Code e plugins adicionais. Exemplos de aplicação.

Bibliografia Obrigatória

José Carlos Alves; Sistemas Digitais, FEUP, 2005 (Disponível na secção "Documentos" da ficha da unidade curricular)

Bibliografia Complementar

Wakerly, John F; Digital design. ISBN: 0-13-089896-1
Rui Santos, Sara Santos; MicroPython Programming with ESP32 and ESP8266, 2019

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

As aulas teóricas fazem a exposição da matéria com recurso a slides preparados para o efeito. Essa exposição é complementada pela resolução de exercícios presentes num documento fornecido.

Nas aulas laboratoriais para além da resolução de exercícios são montados pequenos circuitos com o intuito de consolidar os conhecimentos adquiridos. Esses trabalhos são em geral descritos em guiões e/ou páginas Web criados para o efeito.

Serão ainda indicados outros elementos de estudo na forma de livros, páginas Web ou datasheets de componentes.

Software

Visual Studio Code

Palavras Chave

Ciências Físicas > Ciência de computadores > Sistemas Digitais
Ciências Físicas > Ciência de computadores > Componentes (hardware) do computador

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída sem exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Teste	70,00
Trabalho laboratorial	30,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Elaboração de projeto	24,00
Estudo autónomo	80,00
Frequência das aulas	56,00
Total:	160,00

Obtenção de frequência

Para obter frequência é exigida:

• Presença nas aulas laboratoriais de acordo com o estipulado nas Normas Gerais de Avaliação.
• Obtenção de nota positiva na componente laboratorial (L).

Os estudantes que tenham obtido frequência no ano anterior estão dispensados da avaliação distribuída e podem fazer a unidade curricular por exame.

Fórmula de cálculo da classificação final

A classificação final é determinada por duas componentes (MT e L), avaliando-se nelas a capacidade dos estudantes satisfazerem os objetivos da unidade curricular:

• A componente MT resulta dos dois mini testes (MT1 e MT2).
• A componente L resulta da realização dum pequeno projeto envolvendo o microcontrolador estudado.

Fórmula: 0,7 x MT + 0,3 x L     onde     MT = 0,6 x Max(MT1, MT2) + 0,4 x Min(MT1, MT2)

IMPORTANTE: A componente L não poderá exceder a componente MT em mais de 4 valores!

RECURSO: Estudantes que não obtenham aprovação pela fórmula anterior, poderão efetuar um teste de recurso sobre a matéria de ambos os mini testes, que caso seja positivo permitirá a obtenção duma nota final igual a 10 valores. Para se candidatarem à realização deste teste, os estudantes terão que possuir:

• Componente L de pelo menos 10 valores.
• Componente MT de pelo menos 6 valores.

Provas e trabalhos especiais

Provas e trabalhos a realizar:

• Dois mini testes (sem consulta) com duração de 60 minutos, a realizar durante o período de aulas.
• Um mini projeto a desenvolver nas aulas laboratoriais e que terminará com uma sessão de apresentação e entrega do respetivo relatório.

Estudantes que tenham faltado a algum dos mini testes de forma julgada justificada, poderão realizar no teste de recurso a parte a que faltaram.

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Não se aplica.

Melhoria de classificação

A melhoria de ambas as componentes pode ser efetuada no ano letivo seguinte:

• A componente MT pela realização dum teste que cobrirá a matéria abordada em ambos os mini testes.
• A componente L pela realização dum novo projeto.

Observações

Dadas as circuntâncias motivadas pela COVID-19 foram realizadas as seguintes alterações ao inicialmente previsto:
- As aulas (teórica e prática-laboratorial) foram a partir do dia 17/3 dadas de forma remota usando a plataforma YouTube e Zoom.
- Os mini-testes previstos serão dados de forma remota usando a plataforma Moodle.
- O projeto final originalmente a realizar em grupo de 2 estudantes poderá agora ser realizado de forma individual. O seu peso na nota final mantêm-se nos 6 valores incluindo agora também a realização de 2 "trabalhos p/ casa".
- Continua prevista a realização dum exame de recurso com as mesmas condições de acesso que deverá ser realizado preferencialmente de forma presencial.