¿Porqué están tan de moda las FPGA’s?


Realmente  las FPGA’s  o matriz de puertas programables (del inglés field-programmable gate array) no son un invento reciente  pues fueron inventadas ya hace unos años allá por  el año 1984 por Ross Freeman y Bernard Vonderschmitt, co-fundadores de Xilinx.

Esencialmente internamente están formadas por  una enorme matriz  compuesta  por un gran número de pequeños bloques  formados por puertas lógicas y  biestables síncronos  (de hecho del orden de cientos de miles hasta millones de ellas según el  modelo) y justo en la intersección de esos  hay conmutadores digitales   que  son los que precisamente se  configuran  modificando la   matriz de conexiones  para realizar una determinad tarea tal  y como se haría con un circuito digital

Estos bloques individuales están constituidos por elementos lógicos como puertas AND,OR,NOR   que les permiten adoptar distintas funciones de transferencia.

El inter-conexionado de una FPGA  por tanto esta  cero cuando esta  está sin configurar, de modo que necesitamos  habilitar e puentes de  conexiones  en determinadas partes  y en otras deshabilitarlas , función que hacemos mandándole  una ráfaga de bits ( o bit stream )

Juntos, los distintos bloques, unidos por las conexiones que programamos, hacen que físicamente se constituya un circuito digital, de forma similar a como haríamos en una placa de prototipos (protobard)  con  elementos discretos  por ejemplo de la serie c-mos y con mucho cableado físico   sujeto a errores y poca fiabilidad.

Estos arreglos de matrices con cientos de miles hasta millones   de puertas programables sencillas como AND,OR,NOR   y  biestables , nos dan una gran ventaja a la hora de implementar un circuito lógico pues en vez de invertir en conexiones físicas susceptibles de fallar , es mucho mas eficiente realizarlo  con una FPGA  donde  pueden estar todas estas puertas pero incluidas en un chip pequeño, el cual lo configuraremos  para realizar esas conexiones  programando  las  compuertas para un determinado fin , y cuando ya no sea necesario  es posible reprogramarlo para otro cometido

Como vemos la enorme libertad  en la interjección de dichos bloques confiere a las FPGA una gran flexibilidad y versatilidad que llega hasta tal punto  que incluso  son  capaces de emular microprocesadores  de varios núcleos ( en función del tipo de FPGA)  ,

Hay proyectos de pequeños procesadores que pueden ser configurados en un FPGA. Ejemplos son MicroBlaze y PicoBlaze de Xlinx, Nios y Nios II de Altera, y los procesadores de código abierto LatticeMicro32 y LatticeMicro8.  !Incluso existen proyectos para emular procesadores históricos en FPGA, como el famos procesador del Apollo 11 Guidance Computer que llevo  el hombre a la Luna.

Todo esto pues puede explicar porque se están poniendo de moda pues permiten sobre una misma pastillas realizar diferentes circuitos   que incluso pueden ser actualizados  para mejorar su rendimiento su necesidad de  cambiar el hardware

Un aspecto a destacar  es  dado que su funcionamiento es básicamente cableado permite  velocidades  altisimas de reloj desde Mhz  hasta Ghz, pudiendo hacer procesamiento de señales de alta frecuencia así como construir circuitos muy rápidos por  lo que vemos ninguna de las placas qeu hay en el mercado  como por ejemplo Ardiuino se aproximan a las FPGA’s

Algunos de los principales fabricantes son Xilinx, Altera (comprado por Intel en 2015), MicroSem, Lattice Semiconductor o Atmel, pero  recientemente otros grandes players como Arduino  también han entrado en este lucrativo negocio del hardware  con el modeloMKR Visor  basada en un chip de Intel , el  modelo  Cyclone 10CL016j,

 

Programación

Los FPGA no se “programan” en el sentido estricto  como estamos familiarizados usando lenguaje como Processing C, C++,  Python,etc  pues  usan   HDL ( Hardware Description Language. ) ,es decir un tipo diferente de lenguaje descriptivo usado también en el diseño de chips y SoC

Para empeorar las cosas una de las claras  desventajas de las FPGA es que estos lenguajes HDL  son especificos  para cada FPGA por lo que  cada fabricante diseña su propia forma de hacer síntesis sobre esta

Los lenguajes HDL tienen una curva de aprendizaje grande debido a que tiene un grado de abstracción muy bajo pues piensese que  describen diseños de circuitos digitales de modo que los fabricantes proporcionan herramientas comerciales para programar sus propios FPGA. Estas herramientas no son gratuitas, o lo son sólo para algunos modelos de FPGA del fabricante y como vemos están unidos a la arquitectura de un único fabricante.

Con el desarrollo de los FPGA han aparecido otros lenguajes que permiten un mayor nivel de abstracción, similar a C, Java, Matlab. ejemplo son System-C, Handel-C, Impulse-C, Forge, entre otros.

Con la evolución en el desarrollo de las FPGA también han aparecido herramientas centradas en la programación gráfica de las FPGA, como LabVIEW FPGA, o el proyecto Open Source IceStudio  desarrollado por Jesús Arroyo Torrens.

Afortunadamente hace unos  años hubo un investigador   proveniente de la docencia llamado   Clifford Wolf que tras un hercúleo trabajo de ingeniería inversa con su proyecto ice storm a lo largo de tres años. que  liberó un modelo de  FPGA de  Lattice Semiconductor (el modelo iCE40 LP/HX 1K/4K/8K, ) publicando en la comunidad Open Hardware  su diseño y método de programación ,  así que  hay buenas noticias sobre esa desventaja que existía de programar  la FPGA’s pues es posible programar algunos modelos con herramientas abiertas

El coste

Como hemos visto , los lenguajes con los que se configuran ka FPGA  dificultaban  su uso ,pero tras la liberación del modelo de Lattice  se camina hacia herramientas abiertas asi  que uno  de os grandes escollos que deben superar el coste   pues e todavía las FPGA’s tienen un costo muy elevado sobre los microcontroladores pues un microcontrolador arduino clónico lo podemos conseguir  por menos de 10 € , y lamentablemente  una FPGA  es imposible conseguirla   por ese precio pero poco a poco esto esta cambiando con placas que vamos a ver a continuación

El  precio de  una FPGA  puede estar en el rango de 20 a 80€  como vemos muchísimo más caro que un Arduino Nano (16Mhz) o un STM32 (160Mhz) que podemos comprar por 1.5€, un Node Mcu ESP8266 (160Mhz + WiFi) que podemos comprar por 3.5€ o incluso, son mucho más caros que una Orange Pi (Quad 800 Mhz + WiFi), que podemos encontrar por unos 20€.

Placa Arduino MKR Vidor 400

El Arduino MKR Vidor 4000 es una nueva clase de desarrollo que combina el alto rendimiento  y flexibilidad de una FPGA con la facilidad de uso del Arduino en un pequeño factor de forma que es el rasgo distintivo de la familia MKR

Esta placa contiene el microcontrolador SAMD21 de Microchip y un Ciclón 10 FPGA ( de INTEL) y cuenta  con 8 MB SDRAM,  2 Mbyte QSPI Flash (1MB para las aplicaciones de usuario), conector Micro HDMi  de alta definiciónI, conector de la cámara MIPI, Wifi  alimentado por el módulo de U-BLOX NINA W102, la clásica interfaz MKR en que todos los pernos están conducido por SAMD21 y FPGA y un conector Mini-PCI Express con hasta 25 pines programables del usuario.

El FPGA contiene elementos de la lógica de 16K, 504Kbit de RAM integrado y multiplicadores de 18 x 18 bits HW 56 para DSP de alta velocidad; Cada pin puede cambiar a más de 150 MHz y puede ser configurado para funciones tales como UARTs, SPI (Q), alta resolución / alta frecuencia PWM, encoder de cuadratura, I2C, I2S, Sigma Delta DAC, etcetera. A bordo de FPGA puede también utilizarse para alta velocidad operaciones de DSP para el procesamiento de audio y video.

El Arduino MKR Vidor 4000 puede ser programado usando el Software de Arduino (IDE),  y ejecutar tanto online como offline

 IceZUM Alhambra

La IceZUM Alhambra incluye una FPGA iCE40 del fabricante Lattice Semiconductor, cuyo diseño y método de programación fue liberado por Clifford Wolf tras un hercúleo trabajo de ingeniería inversa a lo largo de tres años.
La placa de desarrollo IceZUM Alhambra se desarrolló originalmente en BQlabs y ha sido diseñada por Eladio Delgado en colaboración con Juan González, siempre con la idea de que pudiera ser utilizada en educación.

La placa se puede adquirir a través del grupo #FPGA-Wars que conforma la comunidad en torno a esta placa  lanzando tiradas cortas conforme los usuarios se van apuntando. De momento tiene un coste de 65 euros, con una calidad excepcional y todos los controles de calidad gracias al trabajo de Eladio Delgado pero es de suponer que cuando se fabrique a mayor escala podrá bajar el precio.(al ser hardware libre… en principio cualquiera puede lanzarse a su fabricación.) Tambiédsiponen una IceZUM Alhambra “peregrina” que se va enviando de unas personas a otras para que la puedan probar( esto esta en el grupo #FPGA-Wars.)

Para modificar las conexiones internas de una FPGA se utilizan lenguajes de descripción hardware. Para la IceZUM Alhambra dado su carácter libre y abierto se utiliza Verilog, lenguaje de descripción hardware abierto y podríamos decir que estándar hoy en día.

Pero la maravilla que seguro ayudará a que estudiantes puedan entender mejor el diseño de circuitos digitales se llama Icestudio,  creación de Jesús Arroyo y que me atrevo a comparar con lo que ha supuesto Scratch a la programación.

Con Icestudio en vez de utilizar código de descripción hardware diseñamos directamente, gráficamente, el circuito combinacional. Es seguro que con Icestudio se podrá introducir a la electrónica digital a alumnos cada vez más jóvenes.

 

BQ patrocinó el proyecto conjunto de la IceZUM Alhambra junto con Icestudio y Apio en sus inicios a lo largo de 2016 y ahora el proyecto avanza gracias a sus creadores con el apoyo de la comunidad gracias a su concepto abierto y colaborativo.

Ejemplo

El proyecto IceStorm es un toolkit (formado por IceStorm Tools + Archne-pnr + Yosys) que permite la creación del bitstream necesario para programar un FPGA iCE40 con herramientas open Source.

El trabajo de Clifford se realizó un IceStick, una placa de desarrollo con un FPGA iCE40, por su bajo coste y pequeñas características técnicas, que permitían el trabajo de ingeniería inversa.

el proyecto IceStorm y el Lattice ICE fue el inicio de una revolución en el campo de las FPGA similar a la que empezó Arduino con los procesadores AVR de Atmel, y que ha permitido poner al alcance de los usuarios domésticos pues el resro de FPGA’s requieren inversiones elevadisimas tanto en hw como en sw.

Para terminar , podemos ver un a  ver un  sencillo ejemplo de como configurar (Programar) un FPGA de forma fácil usando Icestudio (HDL) y la ICE40 icestick de lattice, para configurar una alarma de incendios en https://youtu.be/YFQeNDnbNSY

Cámara trasera con Raspberry PI para coche basada en Android


En efecto  simplemente podemos  usar una Raspberry Pi como retrovisor o cámara trasera  en conjunción con su smartphone o tablet gracias a la aplicación  RearPi.

Esta app disponible en Google Play  gratuita  y sin anuncios se conecta a su Raspberry  Pi a través de SSH y activa bien  una cámara usb  externa  o bien    la  cámara nativa para Raspberry Pi con interfaz CSI  un enlace de mayor ancho de banda que transporta los datos de píxeles de la cámara al procesador.  .

Disponiendo de la Rasberry con una cámara,   basta  con conectarse  a esta via ssh (nombre de IP-Adress/Login y contraseña), iniciar la cámara en el arranque de la aplicación o con el botón «Abrir» y  pulsar  el  modo de pantalla completa  para disponer de la visión trasera desde la app de un modo  muy nítido  . Al continuar el trayecto si ya no se requiere  basta cerrar la cámara con el botón «EXIT» para disponer nuestro smartphone  para reproducir nuestra lista de música favorita o que nos guié a través de alguna app  de navegación

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Razones para usar una Raspberry Pi como cámara trasera

RearPi es una sencilla aplicación para Android disponible gratuitamente   SIN PUBLICIDAD en en Google Play  que nos va a permitir  visualizar y grabar señales de vídeo transmitidas por una Raspberry Pi o similar   a través de WiFi , por lo que es utilizable para casi todos los coches para transmitir señales  de vídeo procedentes de una cámara frontal  o  de una cámara trasera hacia un terminal Android.

Puede que piense que existen en el mercado soluciones especificas de cámaras traseras para coche  a un precio  similar  a una Raspberry Pi   sobre todo si pensamos en que necesitamos adquirir el hardware especifico que vamos a describir, lo cual  ciertamente podría ser parcialmente cierto , pero  esta afirmación se desmorona si  podemos usar elementos que ya tengamos   pero  sobre todo  , si deseamos  usar  nuestro smartphone o incluso un  terminal obsoleto  que tengamos  para visualizar la señal , lo cual  es un punto a su favor de  esta solución  si lo comparamos con las pequeñísimas o antiestéticas  pantallas de visualización  que  ofrecen los kits de cámaras traseras  (piénsese que  solemos llevar  siempre  un smartphone y además puede usarse para otras usos)

Incluso en otros vehículos (por ejemplo  para las caravanas)  pueden  usarse para ofrecer la visión delantera o trasera por  múltiples pantallas de  forma inalámbrica

Algunas características de esta aplicación:
  • Grabación cámara  (.. 15 min 30 min 45 min)
  • Bucle de grabación (.. 15 min 30 min 45 min)
  • Opción para establecer la calidad de grabación
  • Reproductor multimedia integrado para ver grabaciones
  • Modo de pantalla completa  y sin publicidad
  •  Documentación Integrada

En realidad  como podemos intuir , esta  app  se conecta a su Raspberry Pi ( o  cualquier placa basada en Linux  )  por ssh   mediante   IP-Dirección , login y contraseña mediante WIFI dentro de la misma red , y , una vez conectada se puede  iniciar la cámara en la   aplicación o con el botón «OPEN» ,pudiéndose   cerrar la cámara con el botón «SALIR»

Para utilizar su Frambuesa Pi con RearPi como cámara y esta aplicación  rearPi    tendremos   que seguir unos pocos sencillos   pasos en la Raspberry  PI, pero antes veamos  el hardware necesario

Hardware necesario

¿Qué necesita para obtener una señal de video?

  • Una Raspberry Pi o un dispositivo que ejecute una distribución de Linux con un sistema operativo preinstalado y una trabajando la conexión SSH.
  • Un dongle WiFi como el «Edimax EW-7811»
  • Una cámara USB o cámara web como Logitech C270
  • Un cable de carga micro USB
  • Un cargador de coche como el «Anker» PowerDrive2 » Entrada: DC 12 / 24V Salida: 5V / 4.8A 2.4 A por puerto. Por favor, asegúrese de que su Raspberry  se pone suficiente potencia y el voltaje correcto. La salida de su cargador de coche debería tener 5V y la capacidad actual recomendada para su modelo está escrito en la lista siguiente:

raspberrrypower.PNG

Instalación de mjpg streamer

Para que su Raspberry esté lista para transmitir video via tcp/ip a traves de una conexión wifi, debe seguir estos pasos:

1. Abra un terminal por ssh
2. Instale mread streamer con estos comandos (comience con el primero):
 sudo apt-get install libv4l-dev
 sudo apt-get install libjpeg8-dev
 sudo apt-get install subversion
 sudo apt-get install imagemagick
 svn co https://svn.code.sf.net/p/mjpg-streamer/code/
 cd / home / pi / code / mjpg-streamer /
 make USE_LIBV4L2 = true clean all
 sudo make DESTDIR = / usr install
3. !Listo!!

Configurar una dirección IP estática y conexión WiFi

Para asegurarse de que su Raspberry Pi siempre tenga la misma dirección IP, establezca IP estática (para que no tenga problemas al  iniciar la app)

Por ello verifique su interfaz WiFi  con  el comando :ifconfig (buscar la ip asociada a Interfaz WiFi) y una vez seap el  nombre de interfaz WiFi así  , edite las interfaces:

  • sudo nano / etc / network / interfaces
  • Desplazarse hacia abajo a la #WLAN  sección (si no está allí crear uno al final del archivo)
  • Configure su interfaz a IP estática
  • Configure su Raspberry Pi  a una  dirección  fija ,por ejemplo «192.168.43.125» o lo que quiera
  • Escriba el nombre de la zona wifi y contraseña entre comillas  «
  • Salvar el fichero y reiniciar la Raspberry

RearPi

Para empezar a usar  su Raspberrry Pi como cámara IP trasera, una vez seguido el proceso anterior de personalización de la  Pi , es importante que  nuestro smartphone  y la  Raspberry estén en la misma red , para lo cual podemos  automatizar el proceso con la App Automate , tal y como vimos en este post 

Muy  resumidamente  la red wifi , se consigue con la función de “hot spot ”  de nuestro teléfono inteligente  la cual permite conectar diferentes dispositivos conectados a nuestra propia red wifi generada desde el  propio terminal   .En caso de Android   vaya a “Configuración –>Más –>Anclaje y punto de acceso portátil” o en versiones de Android superiores a   a la 7 vaya   a  Ajustes (la tuerca ) , busque la opción de  Más y vaya  a  Anclaje de red y zona Wi-Fi  y pulse  Zona Wifi portátil  y áctivelo ( interruptor a la derecha).Una  vez creada la zona wifi podemos  automatizar el proceso con la App Automate buscando   el punto de acceso en el automóvil ( Hotspot ON/OF CAR ) y descargando el flujo

Ahora con  ambos  equipos en red ,conecte la Raspberry Pi con su cargador e Instale la app RearPi desde Google Play 

Una vez ejecute la app, abra la «configuración» y configure la «Dirección IP», el «Nombre de inicio de sesión» y la contraseña (std pw = raspberry) y podemos empezar con los ajustes de  la pantalla de inicio ajustable:

  •  Establezca los segundos por cuánto tiempo pantalla de inicio se queda (en la configuración)
  •  Establecer «0» para ninguna pantalla de inicio
  •  Activar la cámara cada inicio

Imagen Imagen

Una vez  realizados los ajustes , pulsaremos  el  botón ABRIR , el cual  se conectará a la Raspberry Pi y activara la cámara  actualizando la señal de vídeo

Si queremos abandonar  esta utilidad  , pulsaremos  el  Botón EXIT, el cual se conectara a la Raspberry Pi y desactivara la cámara, cerrando  aplicación

Un modo muy interesante es el Modo de pantalla completa, qu e opera del siguiente modo:

  •  Toque una vez en el vídeo para obtener modo de pantalla completa
  •  Toque  nuevamente para salir de pantalla completa modo

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Un truco muy interesante es el Modo de pantalla completa al inicio, que conseguiremos si  establecemos la marca de verificación para ir directamente en el modo de pantalla completa (configuración)  cuando iniciemos la aplicación

Por cierto, también es posible  grabar video  y visionarlo  desde la propia  aplicación.

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Resumidamente estos son los posos a seguir para crear una cámara trasera  :

  • Establecer un hot spot  para conectar la Pi y su teléfono / tableta.
  • Para transmitir vídeo tiene que instalar streamer MJPG  en Raspberry Pi:.
  • Ejecute   sudo ◦ apt-get install build-essential libjpeg-dev ImageMagick subversión libv4l-dev checkinstall
  • Ejecute  svn co svn: //svn.code.sf.net/p/mjpg-streamer/code/ MJPG-streamer
  • Ejecute cd MJPG-streamer / mjpg-streamer
  • Ejecute  VERSION = $ (sed -n ‘/SOURCE_VERSION/s/^.*»\(.*\)».*$/\1/gp’ REVISIÓN ◦ = $ (CN svnversion | sed «s /.*: //»)
  • Ejecute sudo checkinstall –pkgname = MJPG-streamer –pkgversion = «$ + $ VERSIÓN DE REVISIÓN ~ checkinstall» –default
  • Hacer USE_LIBV4L2 = true ← opcional
  • De a su Raspberry Pi una dirección IP estática (pasos detallados en el manual de PDF en https://alikamouche.files.wordpress.com/2018/03/rearpi_documentation_v1-33.pdf&xid=17259,15700021,15700124,15700149,15700186,15700190,15700201,15700214&usg=ALkJrhiuPbc9sJgGmYqz3h80veN8a7Yx3g).
  •  Conectar con la App a su a Pi (IP / Conexión / PW)

Con  esta solución  no, necesita alguna fuente de radiación lumínica o infrarroja pues  en condiciones de muy baja luminosidad trabaja bien especialmente si usa la cámara nativa.

Por cierto, para probar si esta funcionando el stream de video ,tenemos  el comando raspistill que   sirve para hacer fotografías. Si busca en internet hay proyectos para hacer de forma automatizada varias tomas y hacer un timelapse  de modo  que la ventaja de esta cámara es que la podrá usar como cámara de vigilancia con uno leds infrarojos para iluminar la zona.