utilizando arduino due en la docencia de la entrada/salida

Utilizando Arduino Due en la docencia de la entrada/salida

Sergio Barrachina Mir, Germán Fabregat Llueca, José Vicente Martí AvilésDpto. de Ingeniería y Ciencia de los Computadores

Universitat Jaume ICastellón

{barrachi,fabregat,vmarti}@uji.es

ResumenLa problemática de la entrada/salida y su gestión sueleformar parte de las asignaturas de introducción a la ar-quitectura de computadores. La propia naturaleza deltema y su diversidad hace que las sesiones prácticasse lleven a cabo habitualmente, bien sobre dispositivosespecíficos sencillos, bien sobre simuladores, lo quelas aleja de los dispositivos reales y les resta vistosi-dad.Sin embargo, es posible utilizar dispositivos actuales ysencillos, como las tarjetas Arduino, para presentar alos estudiantes una visión más real y atractiva de la en-trada/salida, manteniendo a su vez la sencillez de usode los entornos y sistemas empleados, lo que conside-ramos prioritario en los primeros cursos de grado.En nuestro caso, puesto que actualmente fundamenta-mos nuestra docencia en arquitectura de computadoressobre la arquitectura ARM, hemos optado por el mode-lo Arduino Due, que dispone de un microcontrolador,el ATSAM3X8E, que implementa la versión Cortex-M3 de la arquitectura ARM.Para poder realizar las prácticas de entrada/salida he-mos modificado ligeramente el entorno Arduino parapoder incluir programas en ensamblador, y hemos di-señado una pequeña tarjeta con un led RGB y un pulsa-dor, lo que ha permitido proponer ejercicios sencillospero vistosos. Los propios dispositivos del microcon-trolador de la Arduino DUE han bastado para abarcarotros aspectos de la entrada/salida y presentar ejemplosde mayor complejidad para incentivar a los estudiantes.La primera experiencia con este entorno ha sido satis-factoria tanto para el profesorado de las asignaturas enlas que se ha utilizado como para los estudiantes, enquienes además se ha fomentado el interés en conti-nuar trabajando con las tarjetas Arduino en sus propiosproyectos.

AbstractThe input/output (I/O) and its management is often partof the introductory courses to computer architecture.The very nature of this topic and its diversity makesthat the practice sessions often take place either on sim-ple specific devices, or on simulators, which hide thecomplexity of actual I/O devices and subtracts their ap-pealing.However, it is possible to use today existing and sim-ple devices such as Arduino boards to introduce stu-dents to a more realistic and attractive vision of the I/O,while maintaining the ease of use of the required envi-ronments and systems, which we consider a priority onfirst degree courses.In our case, since currently we base our teaching oncomputer architecture on the ARM architecture, wehave opted for the Arduino Due model, which has amicrocontroller, ATSAM3X8E, which implements theCortex-M3 version of the ARM Architecture.To carry out the laboratory sessions on I/O we haveslightly modified the Arduino IDE in order to acceptassembly source code. In addition, we have designedand built a small board with an RGB led and a switch,which allowed us to propose simple but colourful exer-cises. The built-in I/O included in the ARM controllerof the Arduino DUE board have proved enough to ex-plore other important aspects of I/O as well as to offermore complex examples to incentivate the students onthe subject.The first experience with this environment has beensatisfactory for both teachers and students, who alsohave fostered interest in continuing to work with Ar-duino cards in their own projects.

Palabras claveArquitectura de Computadores, Entrada/Salida, Ar-duino Due, ARM, Thumb, Ensamblador.

Actas de las XXI Jornadas de la Enseñanza Universitaria de la Informática

Andorra La Vella, del 8 al 10 de julio 2015 ISBN: 978-99920-70-10-9

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mailto:[email protected]

1. MotivaciónSuele ser habitual que los cursos de arquitectura

de computadores cambien periódicamente sus conte-nidos para así poder seguir el paso a la espectacu-lar evolución de la arquitectura de los computadores.Por otro lado, la mayoría de los cursos de arquitecturade computadores recurren normalmente a un hardwaredeterminado para explicar los conceptos relacionadoscon la materia [7].

En 2013 tomamos la decisión de modificar la ar-quitectura de referencia de las asignaturas relaciona-das con la materia de Arquitectura de Computadores.Decidimos cambiar de la arquitectura MIPS a la ARM.

La arquitectura ARM presenta muchas característi-cas que la distinguen de otras arquitecturas contempo-ráneas y, por otro lado, al estar basada en RISC, es rela-tivamente sencilla [5]. Además, el hecho de que ARMsea una arquitectura actual y ampliamente difundida,especialmente en dispositivos móviles, smartphones ytablets, es un factor especialmente motivador para losestudiantes [6].

Una vez tomada la decisión de cambiar a la arqui-tectura ARM, se inició un proceso de redefinición delas guías docentes y de los materiales utilizados en laenseñanza tanto teórica como práctica de las distintasasignaturas relacionadas con la materia de Arquitectu-ra de Computadores.

En concreto, en la asignatura Estructura de Compu-tadores, de primer curso, primer semestre, uno de losobjetivos fue el de redefinir la docencia tanto teóricacomo práctica de la parte correspondiente a la gestiónde la entrada/salida.

Hasta ese momento, en las prácticas de dicha asig-natura [2] se utilizaba el simulador QtSpim1, antesllamado xspim en su versión para GNU/Linux. El si-mulador xspim nos parecía un entorno adecuado paralas prácticas de entrada/salida de la asignatura debidoa que dicho simulador incorpora un pequeño progra-ma monitor (cuyo código fuente está disponible y pue-de ser adaptado) y simula un conjunto de dispositivosde entrada/salida: teclado, pantalla y reloj, que puedensincronizarse por consulta de estado o por interrupcio-nes.

Puesto que era necesario adaptar las prácticas de en-trada/salida a la arquitectura ARM, nos planteamos siqueríamos continuar con una experiencia docente ba-sada en el uso de un simulador. En ese caso, el es-tudiante debería programar en ensamblador el códigonecesario para interactuar con los dispositivos de en-trada/salida proporcionados por el simulador que fueraa utilizarse. O si por el contrario, apostábamos por unenfoque cercano a lo que se ha dado en llamar compu-tación física [10]. En este caso, el estudiante interac-

1http://spimsimulator.sourceforge.net/

tuaría con dispositivos físicos, debería ser conscientede qué es lo que quiere que pase en la realidad y po-dría observar cómo su aplicación es capaz, o no, dereaccionar adecuadamente ante eventos externos. Si-guiendo dicho enfoque, el estudiante podría relacionarfácilmente la secuencia de acciones a las que un dispo-sitivo tiene que dar respuesta, con la programación quehaya realizado de dicho dispositivo.

Creemos que esta segunda opción es mucho más en-riquecedora para el estudiante que simplemente limi-tarse a observar en la pantalla de un simulador si sucódigo de gestión de la entrada/salida se comporta co-mo teóricamente debería. Es más, puesto que mucha dela problemática de la entrada/salida está directamenterelacionada con la interacción hombre-máquina, estasegunda opción ofrece al estudiante la oportunidad deenfrentarse a un escenario real, en el que si no se tomanlas debidas precauciones, no todo funcionará como seespera.

Así pues, una vez optamos por la interacción condispositivos físicos, quedaba por decidir qué compo-nente hardware utilizar en el laboratorio. Puesto quenuestras restricciones era que dicho componente estu-viera basado en la arquitectura ARM y que fuera debajo coste, para que el estudiante pudiera adquirirlo enel caso de querer experimentar por su cuenta, la tarjetaArduino Due, basada en ARM y con un precio econó-mico, nos dio la impresión de ser una buena elección.

Otra posible alternativa, de la que hay experienciasque prueban que es una buena opción, hubiera sido lade utilizar la vídeo-consola Nintendo DS [9]. Sin em-bargo, la mayor complejidad de este dispositivo y de suentorno, y el hecho de que una tarjeta desnuda como laArduino DUE dan al estudiante una visión más eviden-te del hardware, nos reforzaron en nuestra decisión.

La tarjeta Arduino2, además de surgir del mundoacadémico, ha sido utilizada ampliamente y con éxi-to en la docencia universitaria. Por ejemplo, en [8] sedescribe cómo se ha empleado dicha tarjeta para la do-cencia de sistemas empotrados, con un enfoque basadoen proyectos. De igual forma, en [11] y [12] se des-criben las ventajas que proporciona dicho entorno, enuno de los casos en combinación con los robots LEGO,para la docencia de programación de computadores aestudiantes que no son de ingeniería informática y quese enfrentan por primera vez a la programación.

En concreto, el modelo Due de Arduino3 presentalas siguientes características que consideramos intere-santes desde el punto de vista de la docencia de la en-trada/salida utilizando ARM como arquitectura de re-ferencia:

• Microcontrolador Atmel SAM3X8E con unaCPU ARM Cortex-M3.

2http://arduino.cc/3http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDue



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http://spimsimulator.sourceforge.net/

http://arduino.cc/

http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardDue

• 54 pines de entrada/salida digitales (de los cuales12 pueden utilizarse como salidas PWM).

• 12 entradas analógicas.• 4 UARTs (puertos serie hardware).• Conexión USB con capacidad on-the-go (OTG).• 2 conversores digital a analógico.• Reloj (a 84 Mhz).• Conectores SPI y JTAG.

Todo lo anterior por menos de 45 ¤.Por si fuera poco, debido a la gran acogida que ha

tenido Arduino por parte de entusiastas del hágalo us-ted mismo [13], el ecosistema a su alrededor es simple-mente impresionante: existen multitud de proyectos li-bremente accesibles, una gran cantidad de extensioneshardware (shields) que se acoplan directamente sobrela tarjeta Arduino, y una ingente cantidad de softwarelibre y de documentación.

En cuanto al entorno de desarrollo Arduino, ésteproporciona un conjunto de bibliotecas y funcionesdestinadas al manejo de la entrada/salida y a la co-municación de la tarjeta Arduino con el computador através del puerto USB. Por no mencionar las bibliote-cas proporcionadas por los fabricantes de los distintosshields, que se pueden incorporar fácilmente al entornopara poder utilizarlos de una forma sencilla.

Por otro lado, la programación de la tarjeta Arduinose realiza habitualmente en C/C++. Es más, el entornode desarrollo Arduino solo soporta dichos lenguajes.Teniendo en cuenta la gran variedad de modelos Ar-duino, esta decisión entendemos que está motivada porla intención de que si alguien desarrolla un código enC/C++ para una determinada tarjeta Arduino, éste po-drá utilizarse en otros modelos de tarjetas Arduino sinningún problema. No ocurriría lo mismo si se permi-tiera programar en lenguaje ensamblador, ya que dichoprograma estaría ligado a la arquitectura concreta deun determinado modelo de tarjeta Arduino, perdiéndo-se la compatibilidad software entre tarjetas.

Sin embargo, para el caso que nos ocupa, la ges-tión de la entrada/salida a bajo nivel, las funcionesen C/C++ proporcionadas por el entorno Arduino abs-traen una gran parte de la problemática relacionada conla gestión de la entrada/salida desde el punto de vistade un arquitecto de computadores. Así que aparente-mente no podíamos contar con el entorno de desarrollode Arduino para programar directamente la tarjeta Ar-duino Due, a no ser que decidiéramos ocultar lo querealmente ocurre a nivel del lenguaje máquina.

Afortunadamente, y puesto que el entorno de desa-rrollo de Arduino es software libre, fuimos capaces deintroducir las modificaciones necesarias para que dichoentorno aceptara directamente código en ensamblador.

En vista de todo lo anterior, decidimos adquirir unascuantas tarjetas Arduino Due y evaluar cómo podría-mos utilizarlas para la docencia de la gestión de la en-

trada/salida. A partir de dicho estudio, desarrollamos elrecurso docente que presentamos en este artículo y queha sido utilizado más que satisfactoriamente durante elcurso 2014/15 en los Grados en Ingeniería Informáti-ca y en Matemática Computacional de la UniversitatJaume I.

El resto del artículo está organizado como sigue. Enel Apartado 2 se muestra el contexto docente en el quese ha desarrollado el recurso docente propuesto. En elApartado 3 se describe el material del que consta esterecurso docente. El Apartado 4 muestra los resultadosobtenidos. Finalmente, en el apartado 5 se describenlas conclusiones y trabajo futuro.

2. Contexto docente

La asignatura Estructura de Computadores es de for-mación básica y se imparte en primer curso, primer se-mestre en los Grados en Ingeniería Informática y enMatemática Computacional de la Universitat Jaume I.

Al ser una asignatura de formación básica, tieneasignada parte de la siguiente competencia fijada porResolución de 8 de junio de 2009, de la Secretaría Ge-neral de Universidades4: «Conocimiento de la estruc-tura, organización, funcionamiento e interconexión delos sistemas informáticos, los fundamentos de su pro-gramación, y su aplicación para la resolución de pro-blemas propios de la ingeniería».

Con el objetivo de dar respuesta a dicha competen-cia, la asignatura se ha estructurado en tres temas, eltercero de los cuales abarca los sistemas de entrada/-salida. Para dicho tema se han definido los objetivosformativos que se detallan a continuación.

El estudiante, al finalizar la asignatura, deberá sercapaz de:

1. Describir la problemática general de la entrada/-salida.

2. Definir los términos de latencia, tasa de transfe-rencia y productividad y ser capaz de estimar ocalcular sus valores partiendo de datos suficien-tes.

3. Caracterizar los sistemas de entrada/salida en fun-ción de su comportamiento, interlocutor, tasa detransferencia y latencia.

4. Describir la estructura general de los dispositivosde entrada/salida.

5. Enumerar y describir las formas por medio de lascuales el procesador puede acceder a los disposi-tivos de entrada/salida.

6. Enumerar los tipos de registros de los dispositivosde entrada/salida y explicar cómo y para qué seutilizan.

4Publicada en el BOE el 4 de agosto de 2009



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7. Explicar y evaluar el funcionamiento, así comolas ventajas y desventajas, de los dos sistemas desincronización de la entrada/salida: I) consulta deestado (polling) e II) interrupciones.

8. Explicar y evaluar el funcionamiento, así comolas ventajas y desventajas, de los dos sistemas detransferencia de datos de entrada/salida: I) trans-ferencias por programa realizadas por el procesa-dor y II) acceso directo a memoria (DMA).

9. Describir las características generales de la entra-da/salida de propósito general (GPIO) y de losmecanismos de temporización de los ordenado-res.

10. Analizar programas escritos en ensambladorThumb 2 que gestionen dispositivos de entrada/-salida.

11. Desarrollar programas en ensamblador Thumb 2que gestionen dispositivos de entrada/salida.

Para la consecución de los anteriores objetivos for-mativos, se ha optado por dividir la materia objeto deestudio en los siguientes cinco bloques:

1. Introducción y problemática general de la entra-da/salida.

2. Aspectos generales de la entrada/salida de propó-sito general (GPIO) y de la temporización.

3. Gestión de la entrada/salida por medio de consul-ta de estado.

4. Gestión de la entrada/salida por medio de inte-rrupciones.

5. Transferencia de datos por procesador y por acce-so directo a memoria.

En cuanto a la carga de trabajo del estudiante, se hanasignado 1,8 créditos ECTS. La mayor parte del traba-jo se realizará a lo largo de 5 semanas en los siguientestipos de actividades:

• 5 sesiones de teoría de 2 horas cada una.• 4 sesiones de laboratorio de 2 horas cada una.• 18 horas de preparación entre sesiones.

La organización temporal de las sesiones de teoríay laboratorio se muestra en la Figura 1. Conviene des-tacar que se ha apostado por realizar las sesiones deteoría y laboratorio en el mismo día para evitar quela sesión de teoría y su laboratorio correspondiente sedesincronicen debido a la presencia de festivos. Estasincronización es importante ya que nos permite se-guir una metodología docente en la que el estudianteprepara por su cuenta el contenido que se desarrollaráen la siguiente sesión, tanto en la clase de teoría comoen la de prácticas.

Además de las horas ya indicadas, el estudiante de-berá dedicar 9 horas de estudio personal para exámenes—no necesariamente en esas semanas—.

En cuanto a la metodología docente, se ha segui-do el siguiente planteamiento basado en la utilización

9:00

11:00

11:30

13:30

S10 S11 S12 S13 S14

Teoría Entrada/Salida

Prácticas Entrada/Salida

Figura 1: Organización temporal de las sesiones de teo-ría y laboratorio

de entregables y en la metodología de clase invertida(flipped classroom):

• En primer lugar, el estudiante debe preparar deforma individual una parte de cada una de las se-siones de teoría y laboratorio con antelación. Paraello, una semana antes se le proporciona un entre-gable en el que se indica qué documentación debeconsultar, además de un conjunto de preguntas yejercicios sencillos que debería ser capaz de re-solver a partir de dicha documentación.

• La clase de teoría comienza con la resolución deforma conjunta de las dudas que hayan podidosurgir durante la realización del entregable, asícomo la corrección de las preguntas y ejerciciosplanteados. Una vez hecho lo anterior, se profun-diza sobre el tema en cuestión y se plantean nue-vos problemas que deben ser resueltos en equiposde tres estudiantes.

• Por último, cada equipo realiza en el laboratoriola correspondiente práctica sobre el tema en cues-tión.

La evaluación se realiza de forma continua y tieneen cuenta los entregables realizados, la nota obtenidaen las sesiones de laboratorio, la nota obtenida en elexamen de objetivos básicos correspondiente y la partecorrespondiente a la entrada/salida en el examen teóri-co. Para la gestión y calificación de las actividades seha utilizado la herramienta descrita en [1].

3. Entrada/salida con Arduino

El recurso docente presentado en este artículo pre-tende proporcionar material teórico y de laboratoriocon el objetivo de facilitar la comprensión por partedel estudiante de la gestión de la entrada/salida desdeel punto de vista de la arquitectura de computadores.Consta de:

• Los tres últimos capítulos de [3].• Programas de ejemplo.• El entorno de desarrollo de Arduino modificado

para aceptar ficheros en ensamblador.• Esquemático de un circuito sencillo con un pulsa-

dor y un diodo LED RGB.



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• Solución del profesor.

Todo el material anterior, salvo la solución del pro-fesor, que está disponible bajo demanda, puede descar-garse desde la siguiente dirección web:http://lorca.act.uji.es/book/practARM/

Conviene tener en cuenta que para poder realizar lasprácticas propuestas, tan solo será necesario disponer,por cada equipo de estudiantes, del siguiente material:

• 1 Computador con GNU/Linux, MacOSX o Win-dows.

• 1 Tarjeta Arduino Due.• 1 Tarjeta de entrada/salida basada en el esquemá-

tico proporcionado (ver Figura 2).

Figura 2: Tarjeta de entrada/salida

Los siguientes subapartados describen con un pocomás de detalle los distintos materiales que forman esterecurso docente.

3.1. Capítulos de entrada/salidaLa parte del libro «Introducción a la arquitectura de

computadores con QtARMSim y Arduino» [3] dedica-da a la entrada/salida se ha organizado en tres capítu-los.

El primero de ellos proporciona una introducciónteórica a la entrada/salida. Comienza hablando de lasgeneralidades y problemática asociada a la entrada/sa-lida. Describe la estructura de los sistemas y disposi-tivos de entrada/salida. Continúa con la gestión de laentrada/salida por medio de consulta de estado y de in-terrupciones. Por último, describe las transferencias dedatos y la DMA. Es un capítulo eminentemente teóri-co, que sirve como introducción teórica de cada uno delos temas comentados.

El segundo de los capítulos se centra en los dispositi-vos de entrada/salida. El primer apartado trata los dis-positivos de entrada/salida relacionados con la entra-da/salida de propósito general (GPIO). Primero desdeun punto de vista genérico y después, particularizado ala GPIO del ATSAM3X8E (el microcontrolador incor-porado en la tarjeta Arduino Due). El segundo apartadoabarca la gestión del tiempo. Al igual que antes, en unprimer lugar de forma genérica, para después particu-

larizarlo a la gestión del tiempo del ATSAM3X8E. Eltercer apartado cubre la gestión de excepciones e inte-rrupciones en el ATSAM3X8E. El último apartado, elcontrolador de DMA del ATSAM3X8E.

El último de los tres capítulos está destinado al en-torno de prácticas. Comienza describiendo la tarjetaArduino Due, la tarjeta de entrada/salida, el entorno dedesarrollo y la creación de proyectos en dicho entorno.A continuación, se proponen ejercicios para las cuatrosesiones de laboratorio que se detallan seguidamente.

Introducción a la entrada/salida. En esta primerasesión se muestra cómo encender o a apagar el LEDde la tarjeta de entrada/salida; cómo escribir informa-ción por medio del puerto serie de la tarjeta Arduino; ycómo acceder a la información del reloj de tiempo realpara obtener la fecha y hora actual de la tarjeta ArduinoDue.

Entrada/salida por consulta de estado. En esta se-sión se incide sobre la consulta de estado y su proble-mática. El estudiante deberá programar el entorno Ar-duino para detectar la pulsación del pulsador de la tar-jeta de entrada/salida y actuar en consecuencia. Tam-bién tendrá que programar una alarma en el reloj entiempo real de la tarjeta Arduino y averiguar por con-sulta de estado si la alarma ha saltado o no.

Entrada/salida por interrupciones. En esta sesiónel estudiante debe configurar la tarjeta Arduino paraactivar las interrupciones y probar las distintas confi-guraciones disponibles. Se propone utilizar el pulsadorde la tarjeta de entrada/salida para comprobar cómo va-ría el tratamiento de las interrupciones en función de laconfiguración seleccionada. El estudiante también de-berá programar el reloj en tiempo real para fijar unaalarma de tal forma que cuando ésta salte, se genereuna interrupción (y comparar el comportamiento de es-ta práctica con el observado en la práctica anterior, enla que se averiguaba si la alarma se había generado ono por medio de la consulta de estado).

Modulación por ancho de pulso (PWM), acceso di-recto a memoria (DMA) y puerto USB. En primerlugar, el estudiante verá cómo se puede disminuir laintensidad percibida del LED de la tarjeta de entrada/-salida sin más que modificar la proporción de tiempoque éste permanece encendido en un ciclo de traba-jo. En la segunda parte de la práctica, explorará la uti-lización del controlador de acceso directo a memoria(DMA) para la transferencia de bloques de memoria.En la última parte de la práctica, deberá poner en fun-cionamiento un ejemplo más elaborado capaz de pro-gramar la tarjeta Arduino Due de tal forma que éstasimule que es un ratón, primero, y un teclado, después.



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http://lorca.act.uji.es/book/practARM/

3.2. Programas de ejemplo

Como ya se ha comentado anteriormente, el objetivode las prácticas es el de realizar programas en ensam-blador de ARM que sean capaces de configurar e inter-actuar con los dispositivos de entrada/salida presentesen la tarjeta Arduino Due.

No sería realista pretender que en cada sesión de doshoras de laboratorio los estudiantes fueran capaces deabordar desde cero todos los programas que se propo-nen en cada sesión. Por tanto, para la mayoría de losejercicios propuestos se proporciona una primera ver-sión que los estudiantes deberán ir modificando, com-pletando o extendiendo en función de lo que deban rea-lizar finalmente.

Dichos programas de ejemplo se proporcionan tam-bién como parte de este recurso docente. En ellos sehan ocultado fragmentos de código y valores concre-tos de etiquetas, máscaras y direcciones de E/S paraque los alumnos los completen, manteniendo la estruc-tura del programa y los comentarios descriptivos de lasacciones que debe realizar cada sección del código ycada instrucción para facilitar la comprensión por par-te del alumno. La Figura 4 muestra un fragmento decódigo a modo de ejemplo.

3.3. Entorno de desarrollo modificado

El entorno de desarrollo de Arduino, que puede des-cargarse desde su página web, no soporta la realizaciónde proyectos Arduino en otros lenguajes de programa-ción que no sean C o C++. Afortunadamente, puestoque dicho entorno de desarrollo es software libre, he-mos podido estudiar su código y modificarlo para quetambién aceptara y compilara programas en lenguajeensamblador.

Utilizando esta versión modificada es posible desa-rrollar proyectos que tengan ficheros fuente tanto enC/C+, como en ensamblador de ARM. Esto nos ha per-mitido graduar la dificultad de las prácticas de tal for-ma que determinadas acciones se realizan inicialmenteen C/C++ y posteriormente se muestra qué accionesse deben realizar a bajo nivel para conseguir el mismoefecto.

3.4. Circuito sencillo con un pulsador yun diodo LED RGB

Aunque existen multitud de extensiones hardware(shields) de entrada/salida para la tarjeta Arduino Due,nos planteamos cuál sería el circuito más simple quepermitiera realizar prácticas de entrada/salida que fue-ran sencillas pero suficientemente vistosas.

Llegamos a la conclusión de que puesto que la tar-jeta Arduino Due ya proporciona otros dispositivos de

entrada/salida como un temporizador, un reloj de tiem-po real y un controlador de DMA, era suficiente conun circuito simple como el mostrado en la placa de laFigura 2. Dicho circuito está formado por 4 resisten-cias, un pulsador y un diodo LED RGB. De esta for-ma, es posible provocar eventos en la tarjeta por mediodel pulsador y visualizar su salida por medio del diodoLED RGB. Hay que tener en cuenta que, al tratarse deun diodo LED RGB, se dispone en realidad de tres sa-lidas, cada una de ellas asociada a uno de los colores:rojo, verde y azul. Además, se ha diseñado una placacon dicho circuito de tal forma que pueda insertarsedirectamente en la tarjeta Arduino Due, tal y como sepuede ver en la Figura 3.

Figura 3: Tarjeta Arduino/Due con la tarjeta de entra-da/salida conectada

Desde nuestro punto de vista, la utilización de uncircuito extremadamente sencillo en lugar de un shieldprefabricado presenta dos ventajas. Por un lado, el cir-cuito propuesto tiene pocos componentes y un estu-diante podría reproducirlo por su cuenta por muy pocodinero (ni siquiera es necesario que fabrique una pla-ca impresa, podría utilizar directamente una placa deprototipos).

Por otro lado, al utilizar un circuito tan sencillo, elestudiante es consciente de que dichos elementos (pul-sador y LED RGB) están directamente conectados alos pines de entrada/salida de la tarjeta Arduino. Así,cuando posteriormente programe la GPIO a bajo nivel,podrá ver que su programa en ensamblador estará con-figurando, consultando o activando justamente dichospines de entrada/salida.

Un shield más complejo (por ejemplo una pantallaLCD) podría resultar más vistoso, pero además de sermás caro, una de dos, o se habría añadido una com-plejidad innecesaria en el caso de gestionar su entra-da/salida a bajo nivel, o se hubiera ocultado el funcio-namiento de la entrada/salida en el caso de haber uti-lizado las funciones en C/C++ proporcionadas por elcorrespondiente fabricante.



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3.5. Otros dispositivos interesantes

La diversidad de dispositivos presentes en el micro-controlador ATSAM3X8E hace que sea necesario bus-car un equilibrio adecuado entre qué es necesario paraabarcar todos los objetivos de la asignatura y qué pue-de resultar útil y vistoso, motivando al estudiante, peroañade una complejidad excesiva para primer curso.

Nuestra elección se concretó en el uso, como dispo-sitivos fundamentales, de la GPIO (entrada/salida depropósito general) y del reloj de tiempo real como ele-mento de temporización. Ambos permiten su gestiónmediante prueba de estado o interrupciones, y son su-ficientemente sencillos y fáciles de comprender.

Para el segundo grupo, se utilizó el PWM (modula-ción de anchura de pulsos) y la interfaz de dispositi-vo USB. Mediante modificaciones sencillas del códi-go que se les proporcionaba, los estudiantes pudieronver un uso más avanzado de la entrada/salida, sin quehubiera una gran complejidad conceptual en los ejerci-cios.

4. ResultadosUna vez finalizado el curso, realizamos una encuesta

con 3 preguntas de escala Likert de 1 a 5, siendo 1 «to-talmente en desacuerdo» y 5 «totalmente de acuerdo»,y 2 de respuesta abierta. Contestaron a dicha encuesta28 estudiantes (un 19% de los que siguieron la asigna-tura).

Las primeras dos preguntas, relacionadas con el ob-jetivo docente del recurso y la satisfacción del estu-diante, «Considero que las prácticas con Arduino mehan servido para entender mejor cómo funciona y seprograma la entrada/salida» y «Recomendaría que sesiguiera utilizando Arduino en la docencia de arquitec-tura de computadores» obtuvieron una mediana de 4y 5, respectivamente. La tercera pregunta, dirigida ex-clusivamente a repetidores, «Considero más interesan-tes las prácticas de E/S sobre Arduino de este curso quelas que se realizaron el curso pasado con el simuladorXSPIM», obtuvo una mediana de 5.

Las respuestas obtenidas en la penúltima pregunta,«¿Qué aspectos positivos destacarías de las prácticascon Arduino?», destacaron la motivación que suponeun sistema real y en concreto el Arduino, así como lamayor facilidad en entender el funcionamiento de laentrada/salida sobre dicho sistema, frente al uso de unsimulador.

Por último, las respuestas a la pregunta «¿Qué creesque convendría mejorar de las prácticas con Arduino?»incidieron en que les hubiera gustado que la asignaturadispusiera de más tiempo para poder profundizar másen la arquitectura de computadores y que se hubieraexplicado con más detalle el IDE de Arduino, que les

resultó un poco desconcertante al principio.Al margen de la encuesta, merece la pena destacar el

que estudiantes que ya habían superado la asignatura,cuando se han enterado por sus compañeros que había-mos utilizado Arduino en las prácticas, nos han pedidopermiso para poder acudir como oyentes a las prácticasdel próximo curso.

En cuanto al rendimiento académico, comparadocon respecto al curso anterior, se ha aumentado el por-centaje de estudiantes que han seguido la asignaturadel 83% al 88% y el número de aprobados del 49%al 56%. Si bien es cierto que no es posible concluirque las mejoras en los resultados estén directamenterelacionadas con la utilización de este recurso docente,ya que hay una gran variedad de factores que podríanhaber motivado dichas mejoras.

Por último, la valoración de los profesores de labo-ratorio también ha sido muy positiva.

5. Conclusiones y trabajo futuroConsideramos que el recurso docente presentado ha

permitido completar en buena medida los objetivos quenos planteamos al decidir orientar la asignatura en-torno a la arquitectura ARM. También creemos, basán-donos en los resultados académicos del presente curso,así como en las respuestas dadas por los estudiantestras el desarrollo de las prácticas, que el uso de la tar-jeta Arduino Due ha sido una elección acertada.

Además, consideramos que se ha proporcionado alos estudiantes una base de conocimientos suficientepara que puedan continuar desarrollando sus propiosproyectos con sistemas Arduino y, lo que considera-mos más importante, creemos haber suscitado su inte-rés por el desarrollo de estos proyectos que, en defi-nitiva, les permitirá mejorar múltiples aspectos de suformación en arquitectura de computadores y en dise-ño de sistemas informáticos.

Para los próximos años se prevé mejorar y comple-tar tanto la documentación de los aspectos teóricos co-mo los ejercicios prácticos, con nuevos ejemplos queincidan sobre otros dispositivos integrados en el AT-SAM3X8E, que se dejarán como trabajo de ampliaciónde conocimientos para los estudiantes.

Por otra parte, en el caso de que se ampliara el si-mulador descrito en [4] para soportar el conjunto deinstrucciones Thumb II, que corresponde a la arquitec-tura presente en la tarjeta Arduino Due, sería deseable,en el futuro, enlazar ambos sistemas.

Referencias[1] Sergio Barrachina Mir, Asunción Castaño Álva-

rez, Maribel Castillo Catalán, Germán León Na-



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1 # Espera activación pulsador y regresa2 # Declaraciones de constantes3 .equ PIOB, 0x???????? @ Dirección base del PIO B4 .equ PIO_PER, 0x?? @ Offset Pio Enable Register5 .equ PIO_IDR, 0x?? @ Offset Interrupt Disable Register6 .equ PIO_PUER, 0x?? @ Offset Pull Up Enable Register7 [...]8 # void pulsador()9 # Espera pulsación pulsador y regresa devolviendo el CHIP ID

10 pulsador:11 # r0 - Dirección base del PIOB12 # r1 - Máscara del pulsador13 # r2 - Contenido del registro de E/S del PIOB14 push {lr} @ No usamos los registros r4-r715 # Configuración del pin del pulsador como entrada con pull-up16 ldr r0, =PIOB @ Dirección base del Controlador PIOB17 ldr r1, =PULMSK @ Máscara con el bit del pulsador activado18 str r1, [r0, ???????] @ Deshabilita interrupciones asoc. al pin19 str r1, [r0, ???????] @ Activa el pull-up20 [...]

Figura 4: Ejemplo de fragmento de código proporcionado a los estudiantes

varro, Rafael Mayo Gual y Enrique S. QuintanaOrtí Aplicación para la gestión y calificación deactividades ECTS. En Actas de las XIX Jorna-das de Enseñanza Universitaria de la Informática,Castellón, 2013.

[2] Sergio Barrachina Mir, Maribel Castillo Catalán,José M. Claver Iborra y Juan C. Fernández Fer-nández. Prácticas de introducción a la arquitectu-ra de computadores con el simulador SPIM. Pear-son Educación, 2013.

[3] Sergio Barrachina Mir, Maribel Castillo Cata-lán, Germán Fabregat Llueca, Juan Carlos Fer-nández Fernández, Germán León Navarro, Jo-sé Vicente Martí Avilés, Rafael Mayo Gual yRaúl Montoliu Colás. Introducción a la Ar-quitectura de Computadores con Qt ARMSimy Arduino. http://lorca.act.uji.es/book/practARM/, 2014.

[4] Sergio Barrachina Mir, Germán Fabregat Llue-ca, Juan Carlos Fernández Fernández y GermánLeón Navarro. ARMSim y QtARMSim: simula-dor de ARM para docencia. En Actas de las XXIJornadas de Enseñanza Universitaria de la Infor-mática, Andorra, 2015.

[5] Alan Clements. Selecting a processor for tea-ching computer architecture. En Microproces-sors and Microsystems, 23(5), 281-290. Elsevier,1999.

[6] Alan Clements. ARMs for the poor: Selectinga processor for teaching computer architecture.En Frontiers in Education Conference (FIE), pp.T3E 1–6. IEEE, 2000.

[7] Alan Clements. The undergraduate curriculumin computer architecture. En IEEE Micro, 20(3),

13–22. IEEE, 2000.[8] Peter Jamieson. Arduino for teaching embedded

systems. Are computer scientists and engineeringeducators missing the boat? In Proceedings ofthe 2010 International Conference on Frontiers inEducation: Computer Science and Computer En-gineering, 289–294, 2010.

[9] Edurne Larraza-Mendiluze, Néstor Garay-Vitoria, José I. Martin, Javier Muguerza, TxeloRuiz-Vazquez, Iratxe Soraluze, José F. Lukas yKarlos Santiago, Game-Console-Based Projectsfor Learning the Computer Input/Output Subsys-tem, IEEE Transactions on Education, vol.56,no.4, 453–458, 2013.

[10] Dan O’Sullivan y Tom Igoe. Physical Compu-ting: Sensing and Controlling the Physical Worldwith Computers. Course Technology Press, 2004.

[11] Miguel Ángel Rubio, Carolina Mañoso Hierro yÁngel Pérez de Madrid y Pablo. Using ArduinoTo Enhance Computer Programming Courses InScience And Engineering. In Proceedings ofthe EDULEARN13 Conference, pp. 5127–5133,Barcelona, 2013.

[12] Miguel Ángel Rubio, Carolina Mañoso Hierro,Rocío Romero Zaliz y Ángel Pérez de Madrid yPablo. Uso de las plataformas LEGO y Arduinoen la enseñanza de la programación. En Actas delas XX Jornadas de Enseñanza Universitaria de laInformática, Oviedo, 2014.

[13] Phillip Torrone. Why the Arduino won and whyit’s here to stay. http://makezine.com/2011/02/10/why-the-arduino-won-and-why-its-here-to-stay/, febrero2011.



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http://makezine.com/2011/02/10/why-the-arduino-won-and-why-its-here-to-stay/



utilizando arduino due en la docencia de la entrada/salida

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