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機械社區

標題: 軟件有開源，硬件也有？——開源硬件大綜述 [打印本頁]

作者: 掃街 時間: 2012-9-8 21:01
標題: 軟件有開源，硬件也有？——開源硬件大綜述
開源硬件(Open Source Hardware)指與自由及開源軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件也是開源文化的一部分，并且將這一概念延伸到更多樣的領域中。通常開源硬件會公布詳細的硬件設計信息（包括機械圖、電路圖、BOM清單、PCB版圖、HDL源碼和IC版圖）以及與開源軟件相關的驅動軟件。
1.開源硬件的由來
軟件通常指源代碼和執行文件，而開源軟件運動的目的就是開發者開放軟件的源代碼，使用者可以免費的拷貝、學習和開發利用。硬件的包括范圍更廣，可以指產品，也可以指產品的設計信息。因此硬件開源并不是免費使用，你不可能免費的拷貝硬件。開源硬件運動的目的是開發者公開硬件的所有設計信息，使得使用者能夠學習和進一步開發。
為什么硬件要開源？Richard Stallman 在他的經典文章“Why Software Should be Free”中指出的限制軟件拷貝所帶來的3個層面的損害：1）越來越少的人使用程序；2）沒有人能夠改編或者修正程序；3）其他開發者不能夠從中學習并運用到新的程序中。同樣的這幾個方面在某種程度上對硬件也是同樣適用的。
1)硬件開源，其他的制造商能進行二次開發，這在有些時候對于打破壟斷是非常好的辦法。比如SUN公司的SPARC開源微處理器。
2)硬件開源這樣使用者可能對產品進行維修，而愛好者們可以在此基礎上改編出自己喜歡的東西。如果這樣社會和環境資源的節約也是影響很大的。
3)這也是最重要的硬件開源使得其他開發者能夠從中學習，加快知識的傳播和積累。
2.開源硬件的歷史
開源硬件的概念是受開源軟件的啟發而來，但是硬件開放確是可以追溯到很久之前。隨著集成電路的發展硬件的開放也經過了3個時期的發展:
1)第一波浪潮出現在60到70年代，出現了大批的無線電愛好者，主要目的就是為了社區交流，傳播思想。而此時中等規模甚至大規模TTL集成電路的出現，使得搭建電路變得簡單而且便宜。
2)第二波浪潮出現在80年代，此時出現了超大規模集成電路，硬件的設計門檻變得越來越高。硬件的設計方法也發生了很大變化，出現了自動化設計。這一時期出現了很多免費的EDA設計軟件。
3)第三波浪潮出現在90年代末，此時才出現了開源硬件的概念。隨著FPGA的發展和SoC的設計出現，硬件設計需要更多的模塊庫，出現了大量免費IP。而且開源軟件的流行和其取得的巨大商業成功，刺激了開源硬件的產生。同時嵌入式系統市場的快速擴張，使得電子愛好者手中又有了簡單便宜的工具，可以搭建自己喜歡的平臺。
3.開源硬件的發展
在 1998 年初，荷蘭代爾夫特理工大學（是世界上頂尖的理工大學之一，并被譽為歐洲的麻省理工學院）的一群學生、教師和工程師創建了因特網上的Open Design Circuits組，致力于開發開放電路并在 Web 上發布開發成果。FPGA的出現使得免費交流拷貝硬件設計成了可能，但是如同商業軟件版權阻止了軟件的傳播，越來越多需要付費的IP核也成為了開放硬件設計的障礙。ODC并沒有考慮生產實際的產品，但是它構成了開源硬件社區的雛形。第一次有很多人聚集在一起討論免費的硬件設計的問題，雖然ODC已不再活動，但一些工程師和學生從這個組得到了靈感，他們繼續完善自己的開放硬件社區并促進這個領域的發展。
ODC的創建者Reinoud Lamberts之后創立了opencores.org開源社區，致力于關注數字模塊中的IP核部分。opencores是目前世界最大的開源硬件IP核社區，總共匯集了將近900個項目（IP），opencores也開發出了著名的完全開源的處理器OpenRISC1000。同時出現了很多開源的微處理器項目，其中比較著名的有F-CPU和LEON處理器（歐洲航天總局下開源項目）。
半導體產業的特殊性，盡管開源IC設計在技術上已經實現，但是流片和生產的成本太高，芯片的成本降低需要靠規模生產來實現，因而開源的成本優勢不復存在。F-CPU項目在2004年就結束，opencores還是一直在致力于FPGA平臺的IP核開發，在傳統的IC芯片產業實現開源設計太困難。但是還是有部分先行者一直在研究，考慮用更便宜的材料代替硅工藝，或者設計“Good Enough”應用。
目前一些開源硬件參與者起草制定了開源硬件規范（Open Source Hardware Definition），而開源硬件峰會（Open Hardware Summit）已經成功舉行了兩屆，開源硬件的思想已經滲透到了硬件設計的各個層面，各種大大小小的社區不斷涌現。
4.開源硬件的現狀
最近幾年開源硬件取得了令人驚喜的成就，這得益于電子技術的不斷進步，比如移動技術、FPGA工藝和嵌入式設計的普及等等。更多的廠商投入到開源硬件設計中來，而大廠商也看到了開源硬件中的機會，畢竟越多的人使用市場越廣。從超大系統級設計到芯片SoC設計，從移動平臺到單片機平臺，從具體的應用產品到模塊化產品都能夠看到開源硬件的項目。這里介紹一些開源硬件代表性的項目或技術。
1）開源運算項目（Open Computer Project）
2011年4月，Facebook建成自己了首個性能最先進的數據服務中心，同時向全球公開了其服務器和數據中心核心技術。任何人可以在Open Compute Project的網站上看到服務器和數據中心的CAD圖紙設計。OCP由Facebook牽頭，與惠普、戴爾、AMD和英特爾公司共同合作，它包括數據中心和服務器兩部分。其中，數據中心包括整體電力供應，整體溫度控制（主要是指機房冷卻控制），備用電池以及三聯機柜。而服務器則由機箱、主板和電力供應組成。

OCP計劃宣布之后馬上吸引了大批的行業巨頭參加，2011年10月，Facebook于紐約召開了OCP峰會，討論OCP的發展規劃。Facebook宣布成立支持開源計算項目的基金會，引導OCP的前進方向，鼓勵更多企業分享數據中心技術。同時OCP發布了一系列OCP計劃的使命和指導守則，并且公布了OCP計劃的官方合作伙伴的名單。OCP將確立系統級硬件設計的標準以加快大規模計算中心硬件設計上的創新，Red Hat已經在OCP系統上驗證了企業級Linux系統，證明了OCP系統的兼容性。OCP峰會還確立了由5個不同的技術工作室負責系統不同部分的標準制定，包括數據中心設計、系統級管理、機械設計以及電源分布、存儲部分和虛擬IO部分。
OCP計劃已經形成了一個大規模計算處理設計的生態系統，隨著更多服務器廠商、系統級軟件廠商以及各種用戶的加入，OCP可以稱為有史以來最大規模的開源項目。
2）開源嵌入式開發平臺
隨著移動產業的發展以及Andriod系統的流行，對于眾多軟件開發者來說，擁有一款開源硬件的嵌入式開發平臺也是一個不錯的選擇。TI公司也大力的推廣并支持了多個開源硬件的項目，其中比較著名的有BeagleBoard項目和PandaBoard項目。
BeagleBoard 是全世界第一款硬件開源的ARM開發板，專門為開源社區（Open Source Community）設計的開發平臺。以TI公司的OMAP3 SoC處理器建立的一個最小開發平臺，通過制定標準的接口使其獲得相當于個人計算機的擴展性。BeaglBoard是一款具有超低成本、高性能以及低功耗的開源開發平臺，完全公開所有相關文件，包括原理圖、PCB圖、BOM清單，無需得到許可即可無限制的復制該開發板。OMAP3處理器包含一個 ARM Cortex-A8 內核、Texas Instruments C64x+ 數字信號處理器和板載2D/3D圖形化引擎，支持Linux操作系統。完全開源的設計使得開發人員能得到最強大的技術支持。目前包括WE、Ubuntu、RISC OS、Symbian以及Android等多個操作系統的支持項目已經在BeaglBoard上展開。

PandaBoard 同樣也是TI公司資助下的一個開源硬件項目。PandaBoard的核心采用了OMAP4 SoC移動處理器平臺，其目的是為開源社區建立一個移動的開發平臺。PandaBoard也是采用硬件開源模式，所有原理圖、PCB圖、BOM清單以及相關軟件資源也完全對用戶開放。PandaBoard也延續了超低成本、高性能和低功耗的特點。TI公司強大的OMAP4 SoC移動處理器包含雙核 ARM Cortex-A9 內核、Texas Instruments C64x+ 數字信號處理器、兩個ARM Cortex-M3 處理器、圖形引擎和高清視頻處理。PandaBoard還配備了1GB DDR2 SDRAM，作為移動開發平臺與BeaglBoard不同的是它配備了WiLink 6.0模塊支持802.11b/g/n以及Bluetooth2.1。

3）OpenMoko開源手機項目
Openmoko是一個開源手機項目，目的是建立全球第一個自由的移動通訊操作系統平臺，此平臺運行在X server之上，并能運行大多數的X應用程序。而OpenMoko硬件系統也是完全開放的，允許開發者對軟件和硬件任意定制。Openmoko的Software Stack將GTK+、EFL與Qtopia整合在一起，無論使用哪一種手機UI技術，都能在Neo FreeRunner上表現。OpenMoko曾經造成巨大反響，給開源社區的人帶來無限希望，不過由于移動市場劇烈變動以及競爭，OpenMoko與2009年終止了該項目。但是在2011年8月，Openmoko社區和德國Openmoko分銷商Golden Delicious Computer合作，讓開源智能手機涅磐重生，他們將合作開發Openmoko GTA04，而且已經制造了原型機。

4）可編程邏輯芯片

ZYNQ-7000 2011年3月Xilinx宣布推出業界第一個可擴展處理平臺Zynq-7000系列。Zynq-7000 系列將業界標準的ARM 雙核Cortex-A9 MPCore 處理系統與賽靈思可擴展的28nm 可編程邏輯架構完美整合在一起，可支持雙核Cortex-A9 處理器系統以及可編程邏輯中定制加速器和外設的并行開發。這種以處理器為核心的架構不但能夠實現FPGA 的高度靈活性和可擴展性，同時還能帶來類似于ASIC 的高性能和低功耗，以及ASSP的易用性。
Zynq-7000系列標志著Xilinx進入了嵌入式處理器市場，不同于一般的FPGA，其可編程邏輯是與ARM處理系統通過“互連”模塊連接在一起，這樣可以提供用戶自定義的任意邏輯功能，從而擴展處理系統的性能及功能。處理系統不僅能在開機時啟動，而且還可根據需要配置可編程邏輯。軟件開發人員可充分利用 Eclipse 環境、Xilinx Platform Studio 軟件開發套件 (SDK)、ARM Development Studio 5 (DS-5™) 和ARM RealView 開發套件 (RVDS™)，或 ARM互聯社區和賽靈思聯盟計劃生態系統的領先廠商提供的編譯器、調試器和應用。利用Xilinx ISE 設計套件所提供的綜合而全面的硬件開發環境，Zynq-7000 系列的可編程邏輯可以通過定制最大化系統級性能和滿足特定應用的各種需求。

PSoC Cypress的PSoC系列混合信號陣列是可編程嵌入式片上系統，其集成了微控制器、存儲器以及可編程配置的模擬和數字模塊。采用一個微控制器，一個PSoC器件最多可集成100種外設功能，采用Cypress的免費開發工具使設計人員能夠自由選擇所需的外設功能模塊，包括放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時器、計數器、PWM、SPI和UART等數字功能。
Cypress提供了一套可視化的集成開發環境，甚至無需任何匯編語言和C語言編程知識也能開發，PSoC的所有功能都可以通過拖放圖標來實現。最早的PSoC1系列集成了M8C微處理器，之后推出了基于8051微處理器的PSoC3系列，2009年更進一步推出了ARM Cortex M3微處理器的PSoC5系列，同時提供了更多的模擬和數字模塊。

5）Arduino
近年來在全世界極客中最流行的開源硬件項目無疑就是Arduino。從2005來誕生于意大利開始，Arduino吸引了無數的追隨者，大量以它為基礎的項目和社區蓬勃發展。Arduino的需求快速增長，全球的出貨量超過了30萬套，還不包括大量兼容產品。

Arduino是基于AVR ATmega系列 8位單片機的GPIO控制板，經過幾年發展已經推出了USB、Ethernet和Bluetooth等各種接口的版本以及大量擴展功能板。2011年11月30號，Arduino工作組正式發布了Arduino的軟件集成開發環境Arduino1.0。同時Arduino也邁進了32位微處理器，發布了基于Atmel的ARM Cortex M3核的SAM3U微處理器的新版Arduino Due。在2011年Google I/O 大會上，Google宣布在Android 3.1版本中新增一個特性，稱為Android Open Accessory，并宣稱采用Arduino作為Android Open Accessory的標準，“Arduino & Android, Infinite Possibilities”。
Arduino的開放設計使得眾多愛好者開發出了各種不同特點的兼容版本，極大豐富了使用者選擇余地，以下介紹幾種強大的兼容平臺：
Maple——為了更好的處理性能，MIT的一個小組開發了Maple項目。Maple的處理器核心是32位ARM Cortex M3核的STM32F103微處理器，同樣友好的開發環境和與Arduino兼容的設計使得能夠非常容易過渡。Maple最大特點是使用了微處理器內置的USB口進行編程以及模擬串口，這更精簡了硬件的設計。Maple小組推出了多個不同版本以適應不同應用，其還計劃推出微處理器+Spartan3E FPGA的開發平臺，性能和應用范圍將更加廣泛。
chipKIT—— Digilent公司最新推出的開源硬件平臺包括標準的chipKIT Uno32和大量IO口的chipKIT Max32。chipKIT是基于32位PIC32MX微處理器，同樣友好的軟件集成開發環境，運算速度和系統資源都大大增加。chipKIT的尺寸與Arduino完全相同，接口也完全兼容，因此熟悉Arduino的開發者可以無縫過渡到chipKIT。同時chipKIT也完全兼容Microchip的微處理器開發工具MPLAB® IDE和PICKit3 在線編程調試工具，這樣熟悉PIC微處理器開發環境的設計者也能更容易進行設計。
Pinguino——與Arduino幾乎同時開始的開源硬件項目，因為在某些地區可能難買到AVR微處理器。Pinduino也是與Arduino完全兼容，只是更加靈活，采用了PIC8位或32位微處理器。其USB接口也是由微處理器內置的USB控制器完成。
Netduino——也是一個與Arduino兼容開源的平臺，采用了32位的ARM7核微處理器。Netduino的開發環境是采用了.net Micro Framework，對于熟悉高級語言編程的開發者來說非常適合。
6）3D打印機
漂亮新奇的3D打印機正顯示開源硬件運動影響越來越廣泛，MEKE雜志在2009年度開源硬件項目報告中列舉19個類別中共有超過129個開源硬件項目，比2008年的60個項目高出一倍。開源硬件也能生產令人驚奇的產品。
Egg-Bot 是一個開源的機器它能在球形或者蛋形的物體上畫畫，比如乒乓球、燈泡甚至雞蛋，大小大約直徑3-10cm。Egg-bot是為了在那些看起來不可能的球形物體上打印圖案。組裝Egg-not非常簡單，只需要十字和一字螺絲起子，完全不用焊接，當然還需要一臺USB接口的控制計算機。

MakerBot 是一個開源的桌面3D打印機。MakerBot的使用非常簡單，通過USB接口連接上計算機后，當你想打印時不用再去調整XYZ軸，機器會自動回位，加熱然后開始打印。更方便的是MakerBot能夠自動的連續打印。

5.開源硬件的挑戰
開放源碼硬件從誕生到現在將近十多年了，很多人為它的發展付出了大量的努力，但是并沒有像開放源碼軟件那樣深入人心，很多項目也以失敗告終。究其原因，開源硬件面臨挑戰主要有：
1）免費的EDA工具盡管有Alliance 和gEDA 等EDA工具可供使用，但它的功能和易用性和商業EDA軟件相比還是不能相提并論。現代電子設計中越來越依靠EDA工具，如果能有更加強大的開源EDA工具，對硬件設計會產生重要的影響。
2）許可證目前開源硬件的授權條款大部分是承接開源軟件的GPL，如opencores采用了LGPL。但是因為硬件與軟件不同，開源軟件的授權有版權法律保護，而硬件產品只有專利法律才能保護。目前出現了多個新的許可證目的是為了解決具體的硬件設計問題。
3）成本盡管開源硬件可能不包括研發成本，但是硬件本身的生產成本與規模是緊密相關的。你永遠不可能得到免費的硬件，所以可負擔的成本應該是可以接受的。通過選擇FPGA平臺或者便宜充足的芯片也能大幅降低成本。
4）質量開源硬件的一個優點就是設計公開后，會被更多的人驗證和測試，但是這需要一個龐大的社區和支持者。目前開源硬件社區還不夠大，開發者還不夠多，就像opencores這樣的社區影響也還有限。但是隨著開源硬件的推廣會吸引越來越多開發者，如同開源軟件Linux一樣開發出高質量的硬件也是完全可能的。
5）產品電子產品種類繁多、更新換代非常快，開源硬件從設計到實施會有許多困難。但是開源硬件的優勢是項目是由需求推動的，而不是由公司的市場部門決定，因此設計受歡迎的開源硬件產品還是可能的。
6）廠商支持開源軟件Linux的發展離不開大公司的支持一樣，開源硬件也需要大公司的支持。由于開源硬件的發展，越來越多的公司也開始關注。芯片廠商是最樂于推進開源硬件的發展，這會提高它們產品的市場占有率。
7）商業模式如果開源硬件的開發者不能獲利，那么開源硬件也很難持續下去。開源軟件能產生RedHat那樣成功的大公司，而開源硬件的商業模式目前都是在試驗階段。不過Arduino項目的成功對于中小企業還是很有借鑒意義，開源硬件也是能夠成功的。
6.開源硬件的展望
盡管目前開源硬件還面臨各種各樣的困難，但是隨著技術的進步以及無數愛好者的努力，相信開源硬件一定會一直發展下去，畢竟開源是大勢所趨。
首先，開源硬件運動本身就具有非常重大的意義，無數的愛好者聚集在一起學習交流。知識的傳播光是這一點就決定了開源硬件一定會生生不息。
其次，摩爾定律不會永遠持續下去，半導體工藝的發展已經已經快接近極限。人們不會再被電子產品牽引疲于更換手中的硬件，這時產品的生命周期以及可維修性就變得重要起來。而開源硬件正是在這方面有著無可比擬的優越性。
再次，FPGA的集成度、功耗和速度等各方面在不斷進步，越來越接近ASIC定制產品。越來越多的設計可以集成到FPGA開發平臺，這在某種程度上會促進更多的IP核的開放，也能更一步降低硬件的開發成本。也許將來能“下載硬件”到我們手中的產品而實現不同的功能。
最后，無線技術、嵌入式系統以及物聯網的興起，電子產品會走向模塊化和功能化。當人們手中的產品都能夠無線聯網，也許此時人們不會再那么輕易地丟棄它，會有越來越多的人對硬件產生興趣。開源硬件也許能夠大顯身手。
總之，加快知識的傳播，借助協作加速創新，開源硬件一定會和開源軟件一樣流行，也許開源硬件的春天才剛剛來臨。

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