Video 1: Electrónica digital para todos - Obijuan/digital-electronics-with-open-FPGAs-tutorial GitHub Wiki

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Descripción

Comenzamos la inmersión en el mundo de la electrónica digital y del pensamiento hardware. Este mundo está situado justo encima de los transistores y dos niveles por debajo del software. El objetivo es aprender construyendo. Las FPGAs libres nos permiten que el ciclo de diseño sea tan rápido como el del software, algo no antes visto. Aprender diseño digital está ahora al alcance de muchas más personas

Contenido

Explicación

Hola! Soy obijuan, y en este microtutorial comenzamos el curso sobre Electrónica digital para makers utilizando FPGAs libres. Es un curso diferente, totalmente distinto a lo que hayas visto. El objetivo es enseñar pensamiento hardware de una forma práctica, haciendo circuitos desde el minuto 0.

Pensamiento algorítmico

Estamos acostumbrados al pensamiento algorítmico, que es el que usamos cuando programamos, por ejemplo un Arduino. Hay un elemento, el microprocesador, que ejecuta las instrucciones almacenadas en su memoria. Una detrás de otra, secuencialmente. Como programadores tenemos que determinar qué instrucciones usar y en qué orden para que el procesador resuelva un problema o haga lo que nosotros queremos. Pensamos en tiempo, y de manera secuencial

Pensamiento hardware

Sin embargo, en los circuitos digitales las cosas suceden en paralelo. El pensamiento hardware es espacial. Hay caminos físicos por los que la información pasa de un lugar a otro, y es un pensamiento paralelo: Las cosas suceden a la vez. Es similar a una ciudad donde hay coches que se mueven a la vez, en paralelo, siguiendo unas reglas de tráfico

Los chips digitales son las base de la tecnología actual y se diseñan a partir de electrónica digital y pensamiento hardware. La electrónica digital es de lo que están hechos los procesadores que programamos. Conocerla nos permite no sólo entender cómo funcionan, sino crear procesadores nuevos. Chips diferentes. Arquitecturas alternativas

Niveles

En ciencia y en ingeniería dividimos el conocimiento en niveles. El mundo de la electrónica digital está "por debajo" del software. En este dibujo se muestran varios niveles, donde los átomos están en la parte inferior y el software en la superior

Cuando trabajamos con un Arduino estamos en el nivel de software (7), de programación. Los programas se ejecutan sobre un microprocesador que está en el nivel inferior (Nivel 6). Los microprocesadores se diseñan con electrónica digital (Nivel 5), que es lo que veremos en este tutorial. Por debajo tenemos los transistores (Nivel 4) que están hechos a partir de semiconductores (Nivel 3), que son cristales de silicio (Nivel 2) a los que se introducen impurezas. En el último nivel tenemos los átomos (Nivel 1)

Un circuito de ejemplo

En este tutorial estaremos en el nivel 5, diseñando circuitos digitales de manera práctica, a los que conectaremos sensores y actuadores, y que físicamente tendrán una apariencia como esta

Este es un ejemplo de una alarma que se dispara cuando detecta la presencia de algo, a través de un sensor digital de infrarrojos. Cuando salta, suena una sirena, el servo empieza a oscilar y los leds comienzan a parpadear alternativamente. Cuando se aprieta el pulsador, la alarma se para y se rearma. Con el interruptor externo se puede encender o apagar. El circuito digital, creado en Icestudio, es este

En muy poco tiempo serás capaz de entender perfectamente este circuito, y realizar los tuyos propios :-)

Construyendo circuitos digitales

¿Cómo se hacen los circuitos digitales? La manera clásica es la siguiente. Primero se diseña el circuito usando los componentes de electrónica digital: puertas lógicas, biestables, registros, etc. Luego se simula para comprobar que está bien diseñado. Y por último hay que construirlo físicamente. Los elementos a usar se encuentra en el interior de los chips. El fabricante te facilita un esquema con todos los componentes que hay en lo chips que vende

Por ejemplo, en el chip de esta figura hay 4 puertas NAND, de 2 entradas. En el mapa podemos ver en qué patas del chip están las entradas de las NAND, y por dónde se conectan sus salidas

Para construir el circuito, necesitamos comprar los chips necesarios, en la tienda o por internet. Para el montaje físico, una opción es usar una placa de entrenamiento (protoboard):

Otra opción es soldarte los componentes en una placa. Con esto se consigue un prototipo que dura más y no se salen los cables

Y para placas ya más depuradas, se puede hacer un PCB prototipo, que permite hacer tiradas mayores

FPGAs libres

Sin embargo, nosotros usaremos FPGAs libres. Y todo será muchísimo más fácil y más rápido. Igual de ágil que el desarrollo software. Sintetizaremos circuitos reales en pocos segundos

Esta magia se consigue usando unos chips que se llaman FPGAs, que tienen en su interior los tres elementos básicos para realizar cualquier circuito digital: puertas lógicas, cables y biestables. Pero están sin conectar

Las FPGAs son como chips en blanco. Un lienzo donde podemos hacer cualquier circuito digital. Las uniones son programables, y al establecerlas, la FPGA se configura y nuestro circuito aparece. En cuestión de segundos. Decimos que nuestro circuito se ha sintetizado

Estas uniones no son permanentes, lo que nos permite meter muchos circuitos. Ahora tenemos un circuito, y después podemos sustituirlo por otro circuito

Las FPGAs se conocen desde los años 80, pero era una tecnología privativa, igual que lo eran las impresoras 3D. Esto implicaba que sólo unos pocos tenían acceso a ella, y menos aún conocían sus detalles. A partir de mayo de 2015, el ingeniero austriaco Clifford Wolf hizo ingeniería inversa de la familia ICE40 de Lattice, publicó toda su información (proyecto icestorm) y creó el primer sintetizador libre de la historia

A partir de esas herramientas libres, hemos podido desarrollar otras, como Icestudio, que hacen que la síntesis del hardware, y su diseño, estén accesibles para muchísima más gente. Y que el aprendizaje de los circuitos digitales sea mucho más rápido y fácil

Electrónica digital

¿Por qué aprender a hacer circuitos digitales? ¿Por qué bajar hasta el nivel de la electrónica digital?

  1. Por aprender. La electrónica digital son los fundamentos de nuestra sociedad del conocimiento. Internet, los vídeos, las aplicaciones, la música, las películas, los ordenadores, los móviles, las tablets... todo está hecho con electrónica digital. Los fundamentos de todo son este tipo de circuitos. Su conocimiento te da una visión muy amplia del potencial y limitaciones de nuestra sociedad digital

  2. Crear nuevos circuitos. Conocer como funcionan las cosas a este nivel permiten a personas creativas desarrollar nuevos circuitos electrónicos, diferentes a las tendencias actuales. Nuevas arquitectura. Nuevos paradigmas. Nuevos procesadores. Es algo que desde el nivel del software no podemos hacer, ya que estamos condicionados por el hardware que hay debajo

  3. Aplicaciones más optimizadas. El estar dos niveles por debajo del software tiene dos grandes ventajas: mayor velocidad y menor consumo. Muchas cosas se pueden hacer por software. Pero si se hacen por hardware, requerirán muchos menos recursos, con lo que consumirán menos, y podrán funcionar a velocidades mucho mayores

  4. Independencia de los fabricantes. Al hacer un circuito digital, dependes de los chips disponibles en el mercado. Puede que al cabo de varios años, los chips que has usado ya no esté a la venta. Si estos chips los tenemos creados en una FPGA, tenemos garantizado que siempre estarán disponibles

  5. Compartir hardware. Diseñar circuito digitales, usando FPGAs libres, nos permite compartirlos muy fácilmente, y entre todos, ir ampliando el patrimonio tecnológico de la humanidad

Aprender construyendo

En este tutorial aprenderemos electrónica digital mediante la construcción de circuitos desde el primer momento. El objetivo es aprender construyendo. Y por ello usaremos impresoras 3D para crearnos periféricos y objetos divertidos que controlar mediante nuestros circuitos

Placa Icezum Alhambra

Existen muchas placas con las FPGAs libres ICE40 de Lattice. Nosotros en este tutorial utilizaremos la Icezum Alhambra, que está orientada a makers. Pero cualquiera de las otras serán también válidas

La icezum Alhambra se puede conseguir desde aquí: Alhambrabits

Patrimonio tecnológico de la humanidad

Otro de los objetivos de este tutorial es usar sólo herramientas libres, que pertenezcan al patrimonio tecnológico de la humanidad. Esto garantiza que cualquier persona del mundo, con independencia del sistema operativo que utilice, pueda reproducir todo lo enseñado en este tutorial

Calentando motores jugando: Circuit Scramble

Para ir calentando motores, vamos a jugar con esta APP: Circuit Scramble

Es un juego sobre Electrónica digital, que es muy adictivo y muy fácil de usar. Nos permitirá entender de manera sencilla muchos conceptos de electrónica digital

Resolución de dudas y formulación de preguntas

Para cualquier duda o consulta, por favor, NO me enviéis un correo personal privado. Recibo mucho al día, y no los puedo responder. Enviad todas vuestras consultas al grupo FPGAwars. Por un lado la respuesta a vuestras consultas será más rápida, ya que hay más gente en la comunidad. Y por otro lado, el más importante, si te ha surgido una duda, seguramente otras personas la tendrán también. Y de esta forma, la respuesta a una consulta le sirve a más gente en el futuro

Aquí podéis encontrar más información sobre FPGAwars

Sobre las entregas de ejercicios

En todos los tutoriales se plantean ejercicios para practicar. Estos ejercicios se pueden entregar, con lo que se obtendrán BitPoints: puntos que se acumulan y te permiten ir ascendiendo en los rangos de la academia Jedi de hardware

Las entregas básicas se hacen por redes sociales: twitter ó Google+. Simplemente hay que poner un post con la foto del ejercicio resuelto, poniéndome una mención para que lo reciba: @Obijuan_cube en Twitter ó @Juan Gonzalez Gomez en G+

  • Las 3 primeras entregas de cada tutorial se colocarán en su wiki, junto a los nombres de los autores
  • Se publicará en la wiki un Ranking con los nombres de todos los que han entregado y la cantidad de BitPoints conseguidos

Adicionalmente, las entregas se pueden hacer a través de este repo del github. Esto dará más BitPoints

Ejercicios propuestos (4 BitPoints)

Para completar este tutorial, se proponen los siguientes ejercicios:

  • Ejercicio 1: Instalar la APP Circuit Scramble en una tablet o un móvil y pasar el nivel 1. Entregar pantallazo con el nivel resuelto. Valor: 1 BitPoint

  • Ejercicio 2: Pasar los niveles 2 y 3 del Circuit Scramble. Enviar pantallazo con sus soluciones. Valor: 1 BitPoint

  • Ejercicio 3: Entregar los ejercicios 1 y 2 (adicionalmente) a través del repo de entregas del github (haciendo un pull-request). Valor: 1 BitPoint por cada ejercicio (Máximo: 2 BitPoints)

Ejercicios entregados

Los tres primeros en entregar los ejercicios 1 y 2 han sido:

Julian Caro Linares

Federico Coca

Juan A Ramón Girón

Autor

Licencia

Créditos y agradecimientos

  • Clifford Wolf es el Ingeniero Austriaco al que le debemos la aparición de las FPGAs libres. Todo este tutorial,y todas las herramientas creadas a su alrededor no habrían sido posibles sin su gran aportación: El proyecto Icestorm. ¡Muchas gracias!
  • A Arduino, por las fotos usadas, y como reconocimiento a la increible labor que han realizado en la popularización del hardware libre, y del acercamiento de las nuevas tecnologías a personas con perfil menos técnico. Ha hecho una democratización de la programación de microcontroladores, a gran escala. La placa Icezum Alhambra es un diseño derivado del Arduino uno ¡Muchas Gracias!
  • Project 54/74. Por las fotos del interior de los chips. ¡Muchas Gracias!
  • Eladio Delgado, es el diseñador de la placa IceZum Alhambra. Y el encargado de la gestión de la fabricación de la placa. Todo lo dirige desde su Rural Workshop en Pinos del Valle (Granada) ¡Muchas gracias!
  • Andrés Prieto-Moreno, es mi Maestro Jedi, y me ha enseñado todo lo que yo sé ahora ¡Muchas gracias!. Además, es el creador de AlhambraBits y el mecenas que ha financiado las Icezum Alhambras, para que todos podamos disponer de ellas. ¡Muchas gracias!
  • Jesús Arroyo es el creador de Icestudio y su desarrollador principal. Gracias a su talento está consiguiendo que cientos de personas puedan acceder al desarrollo de circuitos digitales, de una forma muy sencilla. ¡Muchas gracias!
  • Juanillo pillo, es el creador del logo de fpgawars. ¡Muchas gracias!
  • Julian Caro, por encontrar erratas y reportarlas. ¡Muchas gracias!

Enlaces

FAQs

  • ¿Dónde puedo conseguir la placa Icezum Alhambra?

Pueden conseguir una desde Alhambrabits

  • ¿Cómo aprendo a manejar github?

Hay mucha información en internet. En su momento hice este Tutorial: Github y FreeCAD para enseñar a manejarlo. Los ejemplos están hechos con ficheros de FreeCAD, sin embargo, lo que se enseña es genérico. También vale para las entregas de los ejercicios del tutorial de Electrónica digital para makers