asignatura master 2025

IMPORTANTE: La asignatura se basará fundamentalmente en las arquitecturas ARM de 32 bits.

Las arquitecturas ARM (Advanced RISC Machine o Acorn RISC Machines) están entre las más versátiles, estudiadas y utilizadas ("200 billion Arm-based chips shipped by our partners over the past three decades", fuente ARM 18-10-2021) en la actualidad para sistemas embebidos (en comparación con la obsolencencia, y dificultad de adquisición, de muchos productos basados en las arquitecturas PIC). Así mismo, en la actualidad existen multitud de tarjetas de evaluación, y hardware asociado, a precios muy asequibles para arquitecturas ARM. Cabe destacar también el numeroso material y bibliografía disponibles sobre ARM (principalmente en inglés). Se recomienda leer la información sobre ARM dada, por ejemplo, en wikipedia para tener una idea más detallada (preferiblemente en inglés).

La asignatura pertenece a la materia "Sistemas electrónicos y automáticos" y tiene como objetivo dar una visión completa de las principales arquitecturas de la familia ARM Cortex de 32 bits, principalmente las familias M3 y M4, así como de su programación en lenguaje C y en ensamblador. Es importante diferenciar entre la arquitectura (bajo nivel) y el microcontrolador y el entorno de desarrollo disponible en el mercado. De hecho, mientras que los dispositivos Ardunio más básicos (Uno R3 y Mega entre otros) emplean arquitecturas AVR de 8 bits (con reloj a 16 MHz), los dispositivos más potentes de Arduino emplean microcontroladores ARM de 32 bits (Arduino Due monta ARM M3 de 32 bits, coma fija y 84 MHz de reloj), mientras que algunos de los modelos de Raspberry montan ARM de 64 bits. Cabe comentar que en la última versión R4 de la placa Arduino Uno (junio 2023) se emplea un núcleo ARM - M4 con unidad de coma flotante FPU, rango de tensiones extendido (tecnología CMOS con tensiones extendidas al rango TTL, pero corriente reducida en los puertos I/O), reloj de 48 MHz y memoria ampliada; lo cual supone un salto considerable con respecto a la versión anterior R3 basada en AVR. Para sistemas de tiempo real, también hay que resaltar la notable diferencia, en resolución y rápidez, entre los ADC empleados en los microcontroladores basados en ARM de 32 bits y las familias Arduino basadas en AVR de 8 bits. En muchos de los microcontroladores ARM de 32 bits es posible incluso instalar un sistema operartivo de tiempo real (RTOS). No obstante, en aplicaciones con constantes de tiempo muy pequeñas (incluso del orden de microsegundos) es necesario implementar la aplicación a bajo nivel sin sistema operativo, tal y como se plantea en esta asignatura.

La asignatura se basa en ARM, fundamentalmente la familia M3 (coma fija) y la familia M4 (con unidad de coma flotante FPU). Se centra principalmente la atención en los entornos de desarrollo avanzados para ARM, aunque también se realiza una breve introducción al entorno de desarrollo basado en Arduino, y otro tipo de plataformas (por ej. ESP32 para conectividad), ya que es importante saber seleccionar la arquitectura más adecuada en función de la aplicación (simplicidad vs potencia) y combinar diferentes dispositivos y entornos. Además, muchos de los accesorios hardware para microcontroladores disponibles actualmente en el mercado provienen de las plataformas Arduino basadas en AVR. La familia Arduino-AVR presenta la ventaja de su facilidad de desarrollo ofreciendo unas prestaciones moderadas (válidas para sistemas con constantes de tiempo lentas). Por su parte, la arquitectura y entornos ARM presentan mayor complejidad de desarrollo y aprendizaje, pero una mucha mayor potencia, permitiendo su uso en aplicaciones con constantes de tiempo muy reducidas y sistemas de tiempo real estricto (Hard Real Time), como el control en tiempo real y el procesado digital de señales.

Las prácticas de la asignatura son obligatorias (ver apartado de prácticas y evaluación). Para su realización se empleará un entorno de simulación software (QtARMSim) junto con una tarjeta de desarrollo STM32 de la famila M4 (con unidad de coma flotante FPU). Se introducen algunos de los periféricos más habituales empleados en sistemas embebidos y algunas cuestiones importantes sobre el diseño hardware (por ej. divisores de tensión, transistores, optoacopladores, etc). Se presentará también la posibilidad de combinar diversos tipos de microcontroladores y dispositivos para optimizar las prestaciones y minimizar el tiempo de desarrollo. Así mismo, se introducen conceptos y herramientas sobre conectividad de dispositivos (por ej. IoT).

El enfoque de la asignatura es eminentemente aplicado y se pretende que el alumno ponga en práctica los conocimientos teóricos adquiridos. Las familias de la arquitectura ARM (por ej. M3, M4, M7) emplean la filosofía RISC (Reduced Instruction Set Computer) y presentan gran compatilidad entre ellas (juego de instrucciones). Se comienza con un repaso de la arquitectura ARM y su lenguaje ensamblador (familia M3 de coma fija). Se continua introduciendo la familia M4 (con unidad de coma flotante FPU) y su programación en lenguaje C. Por último, se realiza una actividad práctica de implementación para aplicar los conocimientos adquiridos a la programación de un microcontrolador ARM Cortex M4 en un sistema embebido y analizando los resultados con instrumental de laboratorio y software científico (por ej. Matlab o Python).

A nivel profesional, el aprendizaje de estos conocimientos resultará de gran utilidad a la hora de trabajar con cualquier sistema electrónico, ya que las habilidades adquiridas aquí servirán tanto para el prototipado como para el desarrollo de sistemas electrónicos que hagan uso de microcontroladores, que son numerosos. De especial interes son las habilidades obtenidas en la programación de bajo nivel de microcontroladores para sistemas de tiempo real estricto y sistemas embebidos, perfil muy demandado en la industria.

Esta guía proporciona las directrices básicas que el estudiante necesita para estudiar la asignatura. Por esta razón, es recomendable leer detenidamente la guía antes de comenzar el estudio, para adquirir una visión general de la asignatura, las actividades y las prácticas que se desarrollarán durante el curso. Esta asignatura es optativa del primer semestre del Máster Universitario en Ingeniería Industrial. Al tratarse de una asignatura del primer semestre del plan de estudios, no se basa en conocimientos previos de ninguna asignatura del mismo. No es imprescindible, aunque sí recomendable, poseer conocimientos previos de programación y de arquitectura de computadores para cursar la asignatura. También es interesante que el alumno posea algunos conocimientos básicos de electrónica digital, electrónica analógica, métodos numéricos y procesado digital de señales.

Es importante tener cierta soltura en la lectura de textos técnicos en inglés.

Los estudiantes conseguirán 5 ECTS con esta asignatura optativa después de superarla con éxito.

Se recomienda tener los siguientes conocimientos previos:

• Pensamiento analítico y de síntesis.
• Capacidad de aplicar los conocimientos a problemas reales.
• Capacidad para trabajar y aprender de manera autónoma.
• Habilidades para la investigación, la planificación y la organización.
• Capacidad de aprender nuevas metodologías y tecnologías.
• Habilidades en tecnologías de la información y programación.
• Habilidad en el uso de las TIC.
• Conocimientos de Electrónica Analógica y Digital.
• Conocimientos de Arquitectura de Computadores.
• Conocimientos de control, métodos numéricos y procesado de señal.
• Habilidades en comunicación oral y escrita en Inglés.

La comunicación entre el equipo docente y los alumnos se hará a través de la plataforma virtual aLF o por e-mail con los profesores. El día de contacto por teléfono serán los martes por la mañana de 10:00 a 14:00 horas en el teléfono 913986481.

Santiago Monteso (coordinador de la asignatura): smonteso@ieec.uned.es

C/ Juan del Rosal, 12

28040 Madrid

Se recomienda al alumno la utilización del curso virtual creado al efecto como soporte de la asignatura (al que puede acceder dese las páginas Web de la UNED), así como la asistencia periódica a las tutorías en su Centro Asociado.

TUTORES

Se recomienda a los Tutores de la asignatura que se pongan en contacto con el Profesor a principio de curso para verificar si existe alguna anomalía respecto de las directrices dadas en esta guía de curso y, si ello fuera necesario, para pedir recomendaciones metodológicas en los aspectos didácticos de la misma.

Competencias Básicas:

CB6 - Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación

CB7 - Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio

CB8 - Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios

CB9 - Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones -y los conocimientos y razones últimas que las sustentan- a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades

CB10 - Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

Competencias Generales:

CG1 - Iniciativa y motivación

CG2 - Planificación y organización

CG3 - Manejo adecuado del tiempo

CG4 - Análisis y síntesis

CG5 - Aplicación de los conocimientos a la práctica

CG6 - Resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos

CG7 - Pensamiento creativo

CG8 - Razonamiento crítico

CG9 - Toma de decisiones

CG10 - Seguimiento, monitorización y evaluación del trabajo propio o de otros

CG11 - Aplicación de medidas de mejora

CG12 - Innovación

CG13 - Comunicación y expresión escrita

CG14 - Comunicación y expresión oral

CG15 - Comunicación y expresión en otras lenguas

CG16 - Comunicación y expresión matemática, científica y tecnológica

CG17 - Competencia en el uso de las TIC

CG18 - Competencia en la búsqueda de la información relevante

CG19 - Competencia en la gestión y organización de la información

CG20 - Competencia en la recolección de datos, el manejo de bases de datos y su presentación

CG21 - Habilidad para coordinarse con el trabajo de otros

CG22 - Habilidad para negociar de forma eficaz

CG23 - Habilidad para la mediación y resolución de conflictos

CG24 - Habilidad para coordinar grupos de trabajo

CG25 - Liderazgo

CG26 - Conocimiento y práctica de las reglas del trabajo académico

CG27 - Compromiso ético y ética profesional

CG28 - Conocimiento, respeto y fomento de los valores fundamentales de las sociedades democráticas

CG29 - Tener conocimientos adecuados de los aspectos científicos y tecnológicos de: métodos matemáticos, analíticos y numéricos en la ingeniería, ingeniería eléctrica, ingeniería energética, ingeniería química, ingeniería mecánica, mecánica de medios continuos, mecánica de fluidos, electrónica industrial, automática, fabricación, materiales, métodos cuantitativos de gestión, informática industrial, urbanismo, infraestructuras, etc.

CG36 - Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria en el ejercicio de la profesión de Ingeniero Industrial.

Competencias Específicas:

CE7 - Capacidad para diseñar sistemas electrónicos y de instrumentación industrial.

CE8 - Capacidad para diseñar y proyectar sistemas de producción automatizados y control avanzado de procesos.

CE16 - Capacidad para la gestión de la Investigación, Desarrollo e Innovación tecnológica.

CE20 - Conocimiento y capacidades para el proyectar y diseñar instalaciones eléctricas y de fluidos, iluminación, climatización y ventilación, ahorro y eficiencia energética, acústica, comunicaciones, domótica y edificios inteligentes e instalaciones de Seguridad.

CE22 - Conocimientos y capacidades para realizar verificación y control de instalaciones, procesos y productos.

CE23 - Conocimientos y capacidades para realizar certificaciones, auditorías, verificaciones, ensayos e informes.

Con el estudio de esta asignatura el alumno adquirirá los siguientes resultados de aprendizaje: 

• Aprendizaje de la arquitectura de los microcontrolados ARM de 32 bits: CPU, memoria y registros de control de periféricos, manejo de interrupciones y comunicaciones entre otros.
• Diseño de sistemas digitales a través de la programación en ensamblador y en C.
• Análisis y diseño de sistemas embebidos basados en microcontroladores.
• Fundamentos de las arquitecturas AVR y del entorno Arduino.

La metodología de estudio utiliza la tecnología actual para la formación a distancia en aulas virtuales, con la participación del Equipo Docente, los Profesores Tutores y todos los alumnos matriculados. En este entorno se trabajaran los contenidos teórico-prácticos cuya herramienta fundamental de comunicación será el curso virtual, utilizando la bibliografía básica y el material complementario.

El trabajo autónomo con las actividades de ejercicios y pruebas de autoevaluación disponibles, bajo la supervisión del tutor, con las herramientas y directrices preparadas por el equipo docente completará el tiempo de estudio y preparación de la asignatura.

Por último esta asignatura tiene programadas unas prácticas cuya realización y superación son requisitos imprescindibles para aprobar la asignatura. 

Cronológicamente el estudiante debe estudiar y preparar cada tema siguiendo el orden dado a los contenidos, ya que cada uno se apoya en los anteriores.

TB1: EMBEDDED SYSTEM DESIGN WITH ARM CORTEX-M MICROCONTROLLERS

TB2: INTRODUCCIÓN A LA ARQUITECTURA DE COMPUTADORES CON QTARMSIM Y ARDUINO

TB3: ARQUITECTURA DE ORDENADORES. EJERCICIOS PRÁCTICOS DE ARM / THUMB

TB4: EMBEDDED CONTROLLERS USING C AND ARDUINO

El texto base 1 (TB1) es por el que se seguirá mayoritariamente la asignatura (arquitectura STM32 M4 y basado en lenguaje C), junto con el texto base 2 (TB2) (arquitectura STM32 M3 y basado en ensamblador) que se usará parcialmente (ambos textos incluyen numerosos ejercicios). El texto base 3 (TB3) es únicamente para complementar la colección de problemas de programación en ensamblador, principalmente para las prácticas. El texto base 4 (TB4) se usa principalmente como introducción al leguaje C para microcontroladores y para hacer una introducción a la arquitectura AVR.

El texto base 1 incluye la programación de microcontroladores en lenguaje C, C++ y MicroPython. Para la asignatura sólo se usará el lenguaje de programación C que es el más extendido y usado en aplicaciones industriales de microcontroladores con requisitos estrictos de tiempo (Hard Real Time).

Los textos base 2, 3 y 4 están disponibles on-line bajo la licencia Creative Commons (CC). Se darán instrucciones en el foro de la asignatura.

Se recomienda también la consulta del libro "EXPLORING ARDUINO: TOOLS AND TECHNIQUES FOR ENGINEERING WIZARDRY (2ª ed.)" incluido en la bibliografía complementaria (basado en Arduino Uno - AVR de 8 bits - en la fecha de publicación de esta guía).

Para aquellos alumnos que necesiten repasar conceptos básicos de electrónica digital, y de fundamentos de arquitectura y estructura de computadores, es recomendable la lectura del libro "ESTRUCTURA Y TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES I" incluido en la bibliografía complementaria.

Se usarán ampliamente a lo largo de la asignatura las hojas de datos de los principales fabricantes de microcontroladores y periféricos (mayoritariamente en inglés). Esta información está disponible on-line y se daran más indicaciones en el foro de la asignatura.

Es importante consultar y manejar con soltura las hojas de datos de los fabricantes y los recursos disponibles.

Como recursos adicionales para el estudio de la asignatura, se recomiendan los siguientes materiales:

• La guía didáctica de la asignatura.
• Pruebas de evaluación a distancia (PECs).
• Ejercicios teórico-prácticos que el alumno puede usar como ejercicios de autoevaluación (incluidos en los textos base).
• Software para la simulación de microcontroladores (QtARMSim) y entornos de desarrollo.
• Tarjetas de desarrollo basadas en microcontroladores STM32 M4 (coma flotante).

Se recomienda al alumno con acceso a Internet que visite las páginas sugeridas en la bibliografía de cada capítulo de los textos base así como hojas de datos de los principales fabricantes.