Introducción al PFM

Ya tengo elegido tema para el proyecto fin de máster que estoy haciendo. No tiene título pero va a ser algo así:

• FPGAs en Open Hardware
• Hardware reconfigurable abierto
• Arduino en FPGA
• Plataformas de Hardware de altas prestaciones y bajo coste

O cualquier combinación de esas palabras. El objetivo del proyecto va a ser sacar una conclusión del estado en el que el hardware reconfigurable por si alguien hubiese sido tan inteligente de haberlo adaptado a la moda: Arduino (que parece que sí y pretendo ayudar a ello).

El hardware reconfigurable abierto es lo contrario a un core 2 quad.

Primero, es abierto en el sentido que todos sus componentes están conectados de un modo que es del dominio público y no cae sobre él ninguna patente ni secreto. Además, las herramientas para conseguir programarlo también son abiertas en el sentido de que puedes bajarte la herramienta y su código fuente por si necesitases hacerle algún cambio. Para que se entienda en oposición al core 2 quad, los esquemas de un microprocesador de Intel son un secreto mejor guardado que el de la coca-cola.

Segundo, es reconfigurable. El core 2 quad tiene cientos de instrucciones simples. Sumar, cargar desde la memoria, comparar con cero, etc. Éstas se aplican contra una serie de memorias (llamadas registros) que hay dentro del chip y sus resultados se guardan en otras.Tras un complicadísimo proceso van pasando de chip en chip hasta que sus resultados se muestran en pantalla o se envían por bluetooth o lo que sea. Está creado de tal forma que las instrucciones se ejecutan muy deprisa. En el hardware reconfigurable las instrucciones son preparadas por nosotros: hacer la raíz cuadrada de un número A y luego restarle la mitad de otro número B para devolver la cotangente de su inversa. A y B se pueden poner directamente en los pines de una FPGA (ejemplo de hw reconfigurable) y el resultado sale en otros pines de forma casi instantánea.

Cada operación se hace en menos tiempo que en el Intel. Pero esto no siempre es mejor. No es que las FPGA sean mejores que los microprocesadores o más rápidas. Simplemente hacen ciertas cosas a un coste mucho más bajo. Coste es tiempo, energía y, en algunos casos, peso y volumen.

Tienen otras ventajas, como que al ser reconfigurables nunca están obsoletas. Puede dejar de fabricarse una FPGA pero será perfectamente reemplazable por otra de la misma marca o de otra, porque es totalmente personalizable. Por esta razón se usan en aviones, que son máquinas que tienen que durar 25 años y es necesario garantizar que siempre va a haber repuestos y piezas.

La única razón por la que las FPGA se estudian en la universidad es porque las marcas (básicamente Xilinx y Altera) morirían si no donaran miles de aparatos cada año a los laboratorios para que los alumnos hagan un semáforo. Estas placas cuestan de doscientos a miles de euros. Tienen de todo, Ethernet, salidas VGA, audio, botones, switches, potenciómetros, pantallas LCD, LEDs...

Yo siempre he estado obsesionado con las FPGAs. Uno de los requisitos de elección del máster fue que aparecieran en algún lado del programa porque me apetecía volver a programarlas, ahora que las entiendo y no como pasó en la carrera. Lo que me molesta, razón principal por la que me he inventado este proyecto, es que yo no pueda comprar una placa, programarla en el entorno que yo quiera, con el lenguaje que yo quiera y usarla para lo que yo quiera.

¡Hasta ahora! Gracias a la revolución iniciada por Arduino (bueno, iniciada por el open-source hace treinta años), la gente está pensando que aprender a programar hardware en la comodidad de un hogar no tiene comparación con la presión, olor y frío de un laboratorio en una universidad. Y lo que es más importante: puedo programar lo que yo quiera y no el semáforo de la práctica de teleco o industriales.

Pues lo que me hizo decidirme por la investigación en este ámbito es que, como era de esperar, ya hay alguien que está aprovechando este tirón y aplicándolo a las FPGA. Hace una semana me compré una placa Papilio Platform a Gadget Factory y ahora mismo tengo un LED parpadeando cada 600 milisegundos programado desde el entorno de desarrollo de Arduino, como si estuviera programando una duemilanove o una Arduino Uno.

He comprado la más potente (500.000 puertas, que es una cantidad media) y me ha costado $70.

Ahora, lo que toca, es comprobar qué programas y shields de Arduino son compatibles con esto, detectar por qué no lo son los que fallan e intentar corregir esas cosas para facilitar a otros, con más capacidad creativa, crear cosas increíbles.

Por ahora he comprobado que no se puede escribir un valor analógico. Esta parte requiere cierto dominio de los temporizadores del Atmega103 que se emula en la placa y como ya me peleé en su momento con ellos voy a intentar empezar por aquí.