REVISTA JUVENTUDYCIENCIASOLIDARIA Enelcaminodelainvestigación Diseñoydesarrollodeentrenadordefpgalibredebajocostobasadoenfpgaalhambraii LuisÁlvarezyChristianAstudillo LuisÁlvarez. EstudioenelcolegioTécnico SalesianoenlaespecialidaddeMecatrónica, coninterésenlosdeportes. ChristianAstudillo. Estudioenelcolegio TécnicoSalesianoenlaespecialidaddeMeca- trónica,tambiénsoymúsicoymishobbies sonlosvideojuegosyelanime. Resumen Lapresenteinvestigacióndentrodelproyectointe- gradorestáenfocadaeneldesarrolloydiseñode unamatrizdepuertasprogramablesoplacaFPGA (Field-ProgrammableGateArray),siendoesteun dispositivosemiconductorquesecaracterizaportener componenteslógicosprogramablesquecompartenuna arquitecturadeinterconexión.Paraello,setomacomo baseplacasyaexistentesenelmercado[1],estocon lafinalidaddeobtenerunaherramientadecarácter académicocuyoprincipalobjetivoesbuscarlaopti- mizaciónderecursos,yminimizacióndecostosde dispositivoselectrónicosorientadosalaprendizajede nuevastecnologíasbasadasenplataformaslibres.Lo antesindicadonospermitecontarconunaaplicación delaelectrónicadigitalylaprogramacióndeuna formamásdinámica,atravésdecódigoabiertoque permitadistribuirtantoel software (opensource) comoel hardware (openhardware),enbeneficiodela comunidadestudiantil,garantizandoelusolibrede estaherramientatecnológica. Palabrasclave: FPGA, software libre,académico, edicióndemodelos,electrónicadigital,programación. 1.Explicacióndeltema ElProyectoIntegradorPlacaFPGALIBRE,objetode lapresenteinvestigación,tienecomopuntodepartida elsistemaoperativo(S.O)Kubuntu,siendoesteel entornoempleadoparaeldesarrollodelapropuesta, DichoS.Oestáenfocadobásicamenteencomputadores personalesysecentraenlafacilidadylibertaddeuso, 43
44 JuventudyCienciaSolidaria convirtiéndoloenunaherramientaaccesibleyfácilde emplear[10].Sepuederesumirquelaprincipalfilosofía Kubuntuescontarconunsistemaoperativodeforma gratuita,contandoconcaracterísticascomo:(I) Ofrecerlomejorentraducciones,accesibilidade internacionalizaciónensusfuncionesquelaco- munidaddelSoftwareLibrepuedeofrecer,permi- tiendollegaraungrupomásampliodeusuarios [5].(II) Kubuntusepublicadeformaregularyprevisible; unanuevaversióneslanzadacadaseismeses,de talmaneraquesepuedeutilizarlaversiónes- tableoprobarconunaversiónbetaodepruebas públicas[5].(III) Kubuntuestácompletamentesujetoalosprinci- piosdeldesarrollodeOpenSource[5].(IV) Cadaedicióntieneserviciodeatencióndurante almenos18meses[5]. Loantesdescritosupondríaquetodoestádiseñado paraestaralalcancedelosdiferentesdemandantesde esteS.O.Uninteresantepuntodevistadelosautores delapresenteinvestigaciónfuequepartimosdela premisadelosrecursoseconómicosconlosquecuenta unestudiantedesecundariaenunrangopromediode edadesde14a18añosquecursancarrerastécnicas. 1.1.PlacaFPGA LaplacaFPGAesundispositivoelectrónicoformado porbloqueslógicosunidosatravésdeunarrayde conexionesprogramablessegúnlanecesidaddelsis- tema,laaccesibilidadeinternacionalizaciónensus funcionesquelacomunidaddelSoftwareLibrepuede ofrecer,permitiendollegaraungrupomásampliode usuarios.LosFPGAsonmáslentosquelosCircuitos integradosdeaplicacionesespecíficascomoporejemplo elprocesamientodeimágenesparasensoresdeimagen fotoeléctrica(ASICporsussiglaseninglés),sinem- bargo,lagranflexibilidadqueposeenlasFPGApara podercambiarsuconfiguraciónhacequesucostesea menorypermitepotenciarlafuncionalidaddelaspuer- taslógicasbásicastalescomoAND,OR,XOR,NOTo funcionesmáscomplejascomoprocesosmatemáticos [1,2,8]. AlparecerunprocesadoryunFPGAsondispo- sitivossimilaresyaquepuedenrealizarlasmismas tareas,podemosresumirquealprogramarunFPGA seprocedeamodificarunamatrizdeconexiones,de talmaneraquelosbloquesindividualesestánconstitui- dosporelementosquelespermitenadoptardistintas funcionesdetransferencia,comosepuedeobservaren laFigura1[1,2]. Figura1. EsquemadeunaFPGA[1,2].
Enelcaminodelainvestigación 45 Figura2. EsquemadeunFPGA[3] Acontinuación,aformaderesumenpodemospre- sentarlosventajasydesventajasdeusarFPGA.Inconvenientes[6,9]:1.Sonmáslentas.2.Consumenmayorpotencia.3. Nopuedenrealizarsistemasexcesivamentecom- plejos.Ventajas[6,9]:1.Sonreprogramables.2. Loscostesdedesarrolloyadquisiciónsonmucho menores.3. Eltiempodediseñoymanufacturaciónesmenor. Propuesta Conestosantecedentes,planteamosunapropuestade diseñoydesarrollodeunaplacaFPGA,tomandocomo baseplacasyaexistentesenelmercado,optimizando recursos,minimizacióndecostosygarantizandola obtencióndeunmodeloóptimobasadoenlascarac- terísticasyespecificacionesestablecidas.Elobjetivo principalesbrindarunmodeloqueseasimple,amiga- bleydebajocosto;permitiendolaimplementaciónde estasplacasenunidadeseducativasdesegundonivel osecundaria,paraelestudioydesarrollodenuevas tecnologías.Asítambién,sebuscaimpulsarelusode códigoabierto,permitiendocompartirtantosoftware comohardwarehacialacomunidadestudiantilyde negocios. Paralograrelobjetivodedichapropuestapartimos delusodeunaPlacaALHAMBRAII(Figura2).
46 JuventudyCienciaSolidaria Figura3. Datapin[3,4]. Figura4. BoardAlhambraII[3,4].
Enelcaminodelainvestigación 47 EldesarrollodeunmodelodeplacaFPGAgaran- tizaelusodeestaherramientatecnológicademanera libre,locualsetraduciráenlareduccióndecostosal utilizarestesoftware. Figura5. Ejemplodecircuitocontroladordeservo Figura6. Ejemplodecircuitosledcontemporizador Figura7. Ejemplocircuitodecontadorconundisplay7segundos
48 JuventudyCienciaSolidaria 2.Conclusiones Podemosdecirqueconesteproyectoaprendimosa programarenunlenguajegráfico,aplicandoeimple- mentandoherramientasdesoftwarelibre,conunaam- pliacompatibilidaddesistemasoperativosaexcepción deWindows,teniendoencuentaquetodoestoseregía bajolafilosofíadeUbuntu. Esteproyectotuvounagranaceptaciónporparte delpúblicoaquiensedióaconocernuestrapropuesta, deformamuyamigableparagentequenoestabafa- miliarizadaconlaelectrónicadigitalylaquesítenía estafamiliaridadconestaramafuemuchomássencillo llevarunhiloconductor,yaqueconlosconocimientos previosqueyateníanhacíaquecomprendieranmás rápidodeloquetratabaelproyecto. Paraconcluirlaaceptaciónquehallegadoatener esteproyectohacequeenrealidadsiseaposibleapli- carloamayorescalaporsufacilidaddeintegrarsey adaptarseasuusuariaamásdeserunaherramienta quesepuedemoldearavoluntadynecesidaddel usuarioamásdeserparatodotipodeusuariotanto paraalguienquereciénseestáiniciandoalaelec- trónicayparausuariosquetengaunconocimiento avanzado. Bibliografía [1]FPGAwars,2019.Viajealinteriordeloschipsdigi- tales.ExplorandoelladolibredeFPGAs.[En línea:]http://bit.ly/2Y5KBnZ [2]FPGAwars,2019.ExplorandoelladolibredelasFP- GAs.[Enlínea:]http://bit.ly/2Y5MvVF [3]GitHub,2019.ICEZUMAlhambraboard.GitHub. Inc.[Enlínea:]http://bit.ly/2LmcmTh [4]GitHub,2019.Icestudio.FPGAwars.[Enlínea:] http://bit.ly/2JB8ICU [5]Kubuntu,2019.FeatureTour.[Enlínea:] http://bit.ly/2ShtslQ [6]Llamas,L.,2017.¿QuéesunaFPGA?Motivosdesu augeenlacomunidadMaker.Ingeniería,infor- máticaydiseño.[Enlínea:]http://bit.ly/2XKOqPX [7]PCBWay,2019.PrototiposdePCBdeformasen- cilla.[Enlínea:]http://bit.ly/30wDMt6. [8]PlantetaCHATBOT,2019.¿QuéesunaFPGAy porquéjugaránunpapelclaveenelfuturo?.[En línea:] http://bit.ly/2NUmMLP [9]Wikipedia,2019.Field-programmablegatearray. [Enlínea:]http://bit.ly/2LocqC8 [10]Ubuntu,2019.Acercadekubuntu.[Enlínea] http://bit.ly/32svlAX