Hardware Libre: Clasificación Y Desarrollo De Hardware .

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Hardware Libre:Clasificación y desarrollo de hardwarereconfigurable en entornos GNU/LinuxIván González, Juan González, Francisco Gómez-ArribasEscuela Politécnica SuperiorUniversidad Autónoma de MadridVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PARTE I: Hardware estático PARTE II: Hardare reconfigurable APLICACIONES CONCLUSIONESVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

¿Qué es el hardware Libre? Paralelismo con Software Libre Software Libre: Ofrece 4 libertades¿ Libertad de uso Libertad de compartir (distribuir) Libertad de modificación (Fuentes) Libertad de distribución de las modificacionesHardware libre: Aspira a ofrecer esas mismas 4 libertades, peroaparecen problemas. El objetivo del hardware libre es aplicar las mismas 4libertades del software libre, en su propio campo?

Clasificación del hardware Según su naturaleza, encontramos dos grandes grupos:HARDWARE ESTÁTICO,conjunto de materiales de lossistemas electrónicos.HARDWARE RECONFIGURABLE, elque viene descrito mediante lenguajesde descripción hardware (HDL)library ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0)); -Salidaend cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);Existencia físicaEs "código"Siempre hay que especificar de qué tipo de hardware estamos hablando

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PARTE I: Hardware estático PARTE II: Hardare reconfigurable APLICACIONES CONCLUSIONESVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

Problemas del hardware libre Queremos aplicar las 4 libertades, pero surgen problemas:1. Un diseño físico es único. Para compartir mi placa con otra persona,bien le dejo la mía o bien se la tiene que fabricar. La compartición talcual la conocemos en el mundo del software no es posible.2. La compartición tiene asociado un coste. Para compartir hardwarelibre hay que FABRICAR y comprar componentes. Además hay queverificar su correcto funcionamiento.3. Disponibilidad de los componentes. ¿Están disponibles los chips?Problemas derivados de su Existencia Física

Definición de hardware libre (I) No hay una definición clara Una propuesta:El hardware libre (o abierto) ofrece las mismas 4 libertades queel software libre, pero aplicadas a los PLANOS del hardware. En el software se habla de fuentes, en el hardware de planosLos planos se pueden compartir igual que el software. Esla fabricación la que tiene un coste. LGP

Tipos de planos en electrónica Circuito Impreso (PCB) Esquemático Fichero para fabricación (GERBER) Sólo en placas industriales

Definición hardware libre (II)Un diseño se considera hardware libre si ofrece las 4libertades del software libre en el esquemático, PCB yfichero para fabricación.schHardware libre.pcbgerber

Formato de los planos (I) Fichero de fabricación: GERBER, estándar industrial Esquemático y PCB: Cada aplicación su propio formatoNo hay formato estándar Lo ideal: Herramientas de desarrollo (EDA) Libres La realidad: Software propietario, con formatos propietariosEl formato impone restricciones a la compartición de los planos¿Es hardware libre si el formato de alguno desus planos es propietario?

Formato de los planos (II) Nuestra propuesta:Que sea el autor el que decida, con independencia de laaplicación empleada para su diseñoHerramientas de desarrollo Libres: Proyecto gEDA.Prometedor, pero en desarrollo Software propietario todavía muy por delante,Orcad, Tango, Eagle, Protel,.La aplicación utilizada impone restricciones a lacompartición. En base a esas restriccionesclasificaremos el hardware libre

Clasificación del hardware libre (I)Clasificación de los diseños en función de los planos y eltipo de programas usados para generarlos Tres componentes Cada una asociada a un tipo de planoEsquemáticoPCBX Y ZFabricación L Libre (Formato Gerber)X No disponibleL Programa libreM Programa propietario, Multiplataforma, siendo alguna unSistema operativo LibreP Programa propietario, que se ejecuta sobre un SistemaOperativo propietario

Clasificación del hardware libre (II) Se pueden tener diseños LLL, PPL, PML. Existen tres tipos a destacar: Diseños LLL Diseños MML Ninguna restricción. Cualquiera los puede ver, modificar yfabricar. Diseños "Pura Sangre"Lo más práctico para el diseñador, al día de hoy.Necesaria una licencia, pero al menos se puede usar unsistema operativo libreDiseños PPX Es lo más restrictivo. Necesarias licencias de lasherraminetas y del sistema operativo. No hay fichero defabricación

Clasificación del hardware libre (III) Lo ideal: Diseños LLL ¿Existe algún diseño LLL?Lo práctico: Diseños MML Programa de diseño Eagle (CadSoft) Descarga gratuita (Freeware) Ejemplo: Tarjeta JPSLo más restrictivo: Diseños PPX Ej. Tarjeta CT6811, Tarjeta CT293 Orcad y Tango (Windows)?

Un ejemplo: La Tarjeta JPSHardware libre. Tipo MML. Herramienta de diseño: Eagle Distribución Linux: Debian/Sarge Cualquiera la puede fabricar Cualquiera la puede modificar Cualquier empresa la puede comercializar Cualquier Universidad la puede adaptar . Presentada en Hispabot 2003

La aplicación EAGLE (No libre)

La aplicación EAGLE (No libre)

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PARTE I: Hardware estático PARTE II: Hardare reconfigurable APLICACIONES CONCLUSIONESVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

IntroducciónHardware Reconfigurable: Viene descrito mediante unlenguaje de descripción hardware (HDL) y se puede sintetizar enuna FPGA Los diseños son "Código Fuente"Para hacer que sean libres, sólo hay que aplicar la licenciaGPL o similar. library ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0)); --Salidaend cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);

Lenguajes de descripción hardware (I)El hardware se puede describir utilizando un lenguaje HDL, comoVHDL, Verilog, Handel C. Los diseños son ficheros de texto (“Código fuente”), que describentanto la estructura del diseño como el comportamiento de las partesintegrantes library ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0)); --Salidaend cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);mi diseño.schmi diseño.vhdl

Lenguajes de descripción hardware (II) Se pueden realizar simulacioneslibrary ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;Ckentity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0)); --Salidaend cont8;Data123architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0); Se pueden tener librerías de componentes, igual que con el softwareMi mux.vhdlMi cpu.vhdlMi dispositivo.vhdl4

FPGAs (I)Dispositivos electrónicos que nos permiten implementarcircuitos digitales Compuestas por bloques iguales configurables (CLBs)que se unen dinámicamente según se especifica en unamemoria de configuración Configuración 1FPGA sin configurarConfiguración 2

FPGAs (II)Cambiando el contenido de la memoria de configuración, laFPGA se convierte en un Dispositivo u otro. El fichero que contiene la configuración se llama Bitstreammi dispositivo1.bitmi dispositivo2.bit¡¡Dispositivos universales!! Se pueden "convertir" encualquier circuito digital, según la configuración que se lecargue

Hardware Reconfigurable (I) HDL FPGA Hardware reconfigurable ¡¡El hardware es ahora un software!! Hardware libre Ficheros HDL con licencia GPLMi diseño.vcdMi diseño.vhdllibrary ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;SIMULACIÓNCkData1entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0));end cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);SÍNTESIS/IMPLEMENTACIONMi diseño.bit234

Hardware Reconfigurable (II) El hardware reconfigurable se puede compartirSe pueden ofrecer las mismas 4 libertadas a los diseños en HDL (LicenciaGPL) Nuevas comunidades Hardware que comparten información (Ejemplo:OpenCores) Repositorios con Hardware para que cualquiera los use Necesaria una plataforma en la que descargar los diseños Muchas entrenadoras en el mercado La JPS es una de ellas, que además libre.

Hardware Reconfigurable Simulación en GNU/LinuxSíntesis/Implementación enGNU/Linux

Simulación en GNU/LINUX Lenguaje empleado: VHDLHerramienta para Analizar/simular: GHDL Proyecto prometedor Basado en el GCCEjecutablemi diseño.vhdl GHDLmi diseñomi diseño.vcdPara visualizar el resultado de la simulación: GTKWAVEmi diseño.vcdGTKW AVE

Demo de Simulación en GNU/LINUX (I) Contador binario de 8 bitsCkCont8.vhdlReset7654 3210Para probarlo hay que conectarlo a una señal de reloj y hacerun reset : Banco de pruebas, tb cont8.vhdl Ck1Cont8.vhdlReset7654 3210tb cont8.vhdl

Demo de Simulación en GNU/LINUX (II)Library ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0)); --Salidaend cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);beginoutput: process(clk,clear)beginif (clear '0') thenq "00000000";cuenta "00000000";elsif (clk'event and clk '1') thencuenta (cuenta 1);q cuenta;end if;end process;end beh;cont8.vhdl

Demo de Simulación en GNU/LINUX (II) ghdl -a –ieee synopsys *.vhdlAnálisisCont8.o tb cont8.o ghdl -e –ieee synopsys tb cont8Elaboracióntb cont8 (Ejecutable) ./tb cont8 –vcd simulacion.vcd –stop-time 200nsSimulaciónSimulacion.vcd gtkwave simulacion.vcdVisualización

Visualización con GTKWAVE

Hardware Reconfigurable Simulación en GNU/Linux Síntesis/Implementación enGNU/Linux

IntroducciónFase de síntesis: A partir del código en VHDL se obtiene un ficheronetlist en el formato EDIF Fase de implementación: A partir del netlist se genera el bitstream Fase de descarga: Finalmente se descarga el Bitstream en la FPGAlibrary ieee;use ieee.std logic 1164.all;use ieee.std logic unsigned.all;entity cont8 isport (clk : in std logic; -- Relojclear : in std logic;q : out std logic vector (7 downto 0));end cont8;architecture beh of cont8 issignal cuenta : std logic vector (7 downto 0);SíntesisImplementaciónEDIFBitstreamDescarga

Síntesis en FPGA No hay herramientas libres, pero podría haberlas. Se podrían realizar Es dependiente de la tecnología, pero el fabricante aporta lainformación necesaria El formato EDIF está documentadoExisten herramientas propietarias, que corren bajo linux (Ej.Synplify Pro) Existen herramientas que corren bien bajo WINE (Ej. ISE)Síntesis

Implementación en FPGA Se obtiene el Bitstream a partir del fichero EDIFImplementaciónEDIFBitstreamLa tecnología de los dispositivos FPGA se considera secretoindustrial No es posible conocer toda la información de configuraciónNo es posible el diseño de herramientas libres Herramientas Actualmente los fabricantes más importantes no tienenherramientas para LinuxXilinx ha anunciado que estarán disponibles en 6 meses

Cerrando el ciclo de diseño de FPGAs en Linux Existen herramientas de edición libres Existen herramientas de simulación libres Existen herramientas de síntesis pero no son libres Al menos están disponibles para LinuxNo hay herramientas libres para la implementación, nipuede haberlas Solución que hemos empleado:Simulación: GHDL GTKWAVESíntesis/implementación: ISE 4.2 WINE

Cerrando el ciclo de diseño de FPGAs en Linux Y para muestra un botón.

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PARTE I: Hardware estático PARTE II: Hardare reconfigurable APLICACIONES ConclusionesVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

Aplicación I: Robot de Docencia Robot seguidor de líneaCPU PandaBear en VHDL Risc, 16 Bits 8 instrucciones Ocupación: 147 CLBs (75%)Frecuencia 12MHZ

Aplicación II: Robot gusanoRobot ápodo que se desplaza mediante ondassinusoidales Controlador hardware en una FPGA. Presentado en elJCRA 2003.

ÍNDICE INTRODUCCIÓN PARTE I: Hardware estático PARTE II: Hardare reconfigurable APLICACIONES ConclusionesVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

Conclusiones (I)Al hablar de hardware libre hay que distinguir entrehardware estático y hardware reconfigurable Hardware estático Propuesta una definición Establecida clasificación según las restricciones impuestas por lasaplicaciones de diseño Es el autor es que decide la libertad, no la aplicaciónHardware reconfigurable Es libre si se aplica licencia GPL o similar Herramientas libres para la simulacion: GHDL, GTKWAVE No hay sintetizadores libres, pero podría haberlos No puede haber un entorno completamente libre. Los detallesinternos de las FPGAs son secreto industrial

Conclusiones (II)Hemos cerrado el ciclo de diseño en una máquinaGNU/Linux Tarjeta JPS Entorno ISE 4.2 de Xilinx, usando WineHardware Libre tiene mucho futuro, sobre todo el hardwarereconfigurable por su similitud con el software libre. La limitaciónviene impuesta por las herramientas de los Fabricantes de FPGAsEl hardware estático libre está más limitado, y su difusión esmucho más lenta, debido a que hay que "Fabricar". Tieneespecial interés en su aplicación docente, donde lasuniversidades y centros de investigación los podrían fabricar

Conclusiones (III) SOLUCIONES: Utilizar Laboratorios Virtuales, donde hay un servidor con elprograma propietario que permite hacer la síntesis eimplementación: GRANJAS DE SINTESIS Proyectos Europeos a gran escala: ¿Open FPGA?En cualquier caso, el hardware librees un nuevo frente de batalla hacia unasociedad del conocimiento libre

Referencias: Tarjeta JPS : /jps-xpc84/jps-xpc84.html http://www.iearobotics.com, google interno: "Tarjeta JPS"LABOWEB: Laboratorio Virtual PROYECTO HARDWARE ABIERTO DE MICROBOTICA S.L: http://www.ii.uam.es/ laboweb/http://www.microbotica.com/ha.htmTARJETA CT6811: .html http://www.iearobotics.com, google interno: "Tarjeta CT6811"OPENCORES: Comunidad de hardware reconfigurable http://www.opencores.org/

Hardware Libre:Clasificación y desarrollo de hardwarereconfigurable en entornos GNU/LinuxJuan González, Iván González, Francisco Gómez-ArribasEscuela Politécnica SuperiorUniversidad Autónoma de MadridVI Congreso Software Libre, HispalinuxSeptiembre, 2003

¿Qué es el hardware Libre? Paralelismo con Software Libre Software Libre: Ofrece 4 libertades Libertad de uso Libertad de compartir (distribuir) Libertad de modificación (Fuentes) Libertad de distribución de las modificaciones Hardware libre: Aspira a ofrecer esas mismas 4 libertades, pero aparecen problemas. ¿ ? El objetivo del hardware libre es aplicar las mismas 4

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