Помоги проекту - поделись книгой:
Компьютерра
27.08.2012 - 02.09.2012
Статьи
Робот за тридцать минут
Edumandriva и ряд других свободных проектов. Сейчас он работает над версией робоплатформы для вузов и предприятий.
Об открытом железе мы пишем нечасто. Не так давно появился замечательный повод исправить это упущение — первые партии устройств, выпущенных в рамках российского проекта ScratchDuino, поступят в школы уже в этом учебном году.
ScratchDuino выпускает входящая в группу "Мезон.Ру" компания ЗАО «ТЫРНЕТ». На сегодняшний день в серии два продукта: предназначенная для осуществления взаимодействия физической среды с программной ScratchDuino.Лаборатория и решение для обучения детей основам робототехники — ScratchDuino.Робоплатформа.
Компания «ТЫРНЕТ» прошла отбор Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и получила государственный грант, который позволил воплотить идею в железе и довести её до стадии мелкосерийного производства. По словам генерального директора «Мезон.Ру» Павла Фролова, устройства ScratchDuino протестированы в российских школах и получили хорошие отзывы. Теперь компания готовится начать их регулярные поставки в образовательные учреждения и собирает предварительные заказы через сайт Linuxcenter.ru. Фролов также отметил высокий интерес, проявленный к ScratchDuino родителями учеников.
Проект ScratchDuino был задуман как средство взаимодействия физической среды со средой Scratch — визуальной средой программирования, развивающей идеи Лого, которую разработали в Массачусетском технологическом институте (MIT). «Scrath нужен, чтобы учить детей программировать, — объясняет Павел Фролов. — С её помощью можно обучить ребёнка объектно-ориентированному программированию за полчаса».
Программы на Scratch состоят из графических блоков с текстовыми подписями. Чтобы составить программу, нужно перетащить блоки в специальное окно. Бесплатное (хотя и не совсем свободное) приложение с открытым кодом распространяется на условиях собственной лицензии и доступно для Windows, Linux и Mac OS X.
За взаимодействие с реальным миром отвечает Arduino — набор микроконтроллеров и прочих электронных компонентов, очень популярный у «самодельщиков». "Изначально идея состояла в том, чтобы дать детям в школах поработать с Arduino, но потом мы поняли, что микроконтроллерный модуль там не выживет — его могут уронить, облить водой или положить в груду скрепок, — говорит Фролов. — Плату нужно упаковать в некую защитную среду, чтобы ребёнок её нечаянно не сломал".
Arduino и специальную плату расширения (так называемый shield, или шилд) для подключения внешних устройств убрали в прочный картридж из прозрачного органического стекла.
Картридж с Arduino можно устанавливать в разные устройства, которым нужны компьютерные «мозги». Первой была выпущена ScratchDuino.Лаборатория, основанная на плате с открытыми спецификациями Scratchboard для среды Scratch. «Мы доделали Scratchboard так, чтобы она хорошо сочеталась с идеологией убранного в картридж модуля Arduino, и добавили туда дополнительные элементы», — рассказывает Фролов.
Среда Scratch позволяет работать со стандартными датчиками платы ScratchDuino.Лаборатория, подключённой к компьютеру через порт USB, — встроенным микрофоном, датчиком света. Кроме того, имеется динамик (в стандартной версии Scratchboard он отсутствует), есть аудио- и видеовходы, кнопки и рычажок.
С помощью датчиков устройство получает информацию о том, что происходит вокруг. Самый простой пример — программа «Солнышко», меняющая координаты на экране в зависимости от освещённости в комнате. В другой программе можно дуть в микрофон, покручивая рычажок, и Scratch будет изображать саксофон.
Ко входам платы подключаются дополнительные датчики (влажности, температуры, сопротивления и т.д.) для создания более серьёзных программ взаимодействия Scratch с физической средой. Показатели датчиков переносятся в переменные среды разработки и нормализуются в значениях от 0 до 100.
ScratchDuino.Лаборатория соответствует стандартным спецификациям, и для её взаимодействия со Scratch не нужно прилагать усилия. Продукт работает со Scratch для Windows, Linux или Mac OS X. Впрочем, при желании устройство можно программировать через штатную среду разработки Arduino либо через Lazarus (IDE для Free Pascal). Из него можно сделать портативный детектор лжи, проверить с помощью датчика сопротивления, действительно ли растения радуются, когда их поливают, и т.д.
Самое главное, что всё это делается очень быстро — программы в Scratch короткие (десятки строк), объектно-ориентированные и пишутся на родном языке ребёнка. Это решает главную проблему с обучением младших школьников программированию: для освоения Scratch им не приходится запоминать англоязычные операторы. Здесь всё наглядно (создателям среды удалось решить проблемы Лого), так что дети начинают программировать практически сразу.
"Затем у нас возникла идея сделать к имеющемуся картриджу с модулем Arduino стандартную платформу для обучения детей азам робототехники, — говорит Павел Фролов. — Надо сказать, что и ScratchDuino.Лаборатория, и ScratchDuino.Робоплатформа были созданы из-за новых образовательных стандартов — взаимодействие с физическими средами детям нужно давать начиная с пятого класса школы".
Готовых средств для этого в России не выпускали, и компания «ТЫРНЕТ» их разработала. «Лаборатория» передает данные из внешнего мира в компьютер, а «Робоплатформа» решает обратную задачу, позволяя из программы воздействовать на внешний мир.
Программировать исполнителя можно через стандартную среду разработки Arduino, через Lazarus и даже через "Кумир", но проще всего это делать с помощью всё того же Scratch. Единственная проблема: в Scratch нет функций для взаимодействия с роботами, и программистам компании «ТЫРНЕТ» пришлось на его основе создать собственную открытую и бесплатную среду разработки Sduino. Программа доступна для Linux, Windows и Mac OS X. В основе решения всё тот же картридж с Arduino, но к нему добавляется двухколёсное шасси робота.
В прочный корпус из оргстекла установлена специальная плата. Кроме того, здесь есть разъём для картриджа Arduino и датчики, устанавливающиеся на магнитах без сложного монтажа. Система модульная, наборы датчиков могут быть самыми разными (контактные, световые, датчик линии, инфракрасный датчик). Нет никаких препятствий для изготовления и использования собственных датчиков.
Популярные детские робоконструкторы серии LEGO Mindstorms были впервые представлены в 1998 году. В 2006 году вышел LEGO Mindstorms NXT, а в 2009 — LEGO Mindstorms NXT 2.0.
ScratchDuino.Робоплатформа программируется через порт USB, а управляется через USB или имеющийся на плате робота адаптер Bluetooth. Питание подаётся также через порт USB, но есть возможность установки на шасси аккумуляторов. Сзади находится разъём RoboBus — это шина для сопряжения с внешними устройствами, в числе прочих она поддерживает стандарт, по которому работают датчики LEGO.
Робоплатформа в действии
"Причина достаточно серьёзного успеха модуля Arduino в том, что он позволил не умеющим или не желающим паять и программировать на ассемблере людям быстро получать результат. Мы пошли дальше, развили эту концепцию до предела и сделали робота, которого ребёнок на уроке информатики в пятом классе может заставить поехать за пять минут", — говорит Павел Фролов.
Очень важный момент: все выпущенные в рамках проекта ScratchDuino продукты являются открытым железом (open hardware). Необходимая для их изготовления информация есть на сайте Edumandriva. Пользователям доступны не только списки необходимых элементов, принципиальные схемы и схемы разводки плат, но и раскрой лазерной резки для изготовления корпусов и тому подобная информация. "Мы надеемся, что люди будут делать эти устройства сами и как-то их улучшать, — говорит Фролов. — Сейчас и в нашей стране, и по всему миру MIT продвигает концепцию Fab Lab. Продукты ScratchDuino спроектированы таким образом, чтобы их почти полностью можно было произвести в подобной лаборатории".
Элементы робоплатформы можно печатать на 3D-принтерах
Есть и другие проекты, создающие открытые робоплатформы, но в российских продуктах упор сделан на простоту изготовления и модификации устройств — ScratchDuino можно назвать продолжателем идей Arduino. Хотя отечественный робоконструктор уступает по возможностям LEGO Mindstorms NXT, он более открытый и модульный — совершенствовать ScratchDuino можно как угодно. Никто не мешает, скажем, подключить к шилду более мощный вычислитель или создать собственного исполнителя.
"Мы ожидаем, что к проекту подключатся технические вузы и помогут сделать шагающую платформу, летающую платформу, плавающую платформу со множеством открытых датчиков, приводов и манипуляторов", — говорит руководитель «Мезон.Ру».
Терралаб
Смартфонный Atom: процессор Intel Medfield
Бизнес Intel — это универсальные процессоры для настольных и портативных компьютеров разных классов, мощные чипы для серверов и специализированные микросхемы для встраиваемых систем. Корпорация практически монополизировала этот рынок, что неоднократно приводило к многочисленным судебным искам за нарушение правил честной конкуренции: среди истцов, помимо прочих, числятся её извечный соперник AMD, Федеральная торговая комиссия США, американский штат Нью-Йорк, Европейский Союз и Южная Корея.
Однако эпоха тотального доминирования Intel закончилась с появлением айфонов и айпадов, планшетов и смартфонов под управлением Android. Оказалось, что потребителю нужны не высокопроизводительные монстры с многоэтажными графическими ускорителями, а портативные и экономичные устройства, способные как можно дольше работать без подзарядки с лёгкими приложениями.
В Intel процессоры для подобных устройств никогда не разрабатывали и не выпускали — в отличие от конкурентов. В 1986 году британской компанией Acorn Computers был разработан тридцатидвухразрядный процессор на базе архитектуры RISC (reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд»), получивший название ARM (Acorn RISC Machine) 2. В противоположность универсальным чипам на базе архитектуры CISC (complex instruction set computer — «компьютер со сложным набором команд»), к которым относятся и практически все микросхемы Intel x86/IA-64, процессоры RISC умеют исполнять лишь несколько простых инструкций, но зато делают это максимально быстро — как правило, за один такт. Такие чипы проще по конструкции, значительно экономичнее CISC и не требуют сложных систем охлаждения.
В 1990 году Acorn Computers, Apple Computer и VLSI Technology создали совместное предприятие под названием Advanced RISC Machines, которое в начале девяностых разработало процессор для первого мобильного устройства компании Apple — планшета Newton. Сегодня процессоры ARM установлены более чем в 95 процентах всех смартфонов и коммуникаторов, включая iPhone и iPad и подавляющее большинство гаджетов под управлением Android. В 2011 году в мире было продано порядка 7,9 миллиарда ARM-процессоров и всего около 330 миллионов процессоров под маркой Intel. При этом чипы ARM использовались не только в телефонах и планшетах, но и в самой разной бытовой технике — от телевизоров и холодильников до кофеварок и автомобильных компьютерных систем. Более того, на их основе стали выпускаться серверы и даже собираться суперкомпьютеры!
Разумеется, в Intel никак не могли игнорировать столь огромный рынок, внезапно образовавшийся буквально у них под боком. Однако первые попытки создать сильную альтернативу ARM-процессорам успехом не увенчались. В 2010 году глава Intel Пол Отеллини показал на выставке бытовой электроники CES прототип «интелофона» на базе Atom и пообещал, что к концу года её партнёр LG завалит такими трубками весь мир — но до прилавков магазинов они так и не добрались. Всё дело в том, что «телефонные» варианты чипов Atom, разработанных для нетбуков, отличались чрезмерным энергопотреблением и потому особого распространения не получили.
После такого системного провала в Intel решили подойти к решению проблемы иначе. В июле 2010 года, через три месяца после выпуска первого iPad, Пол Отеллини пригласил на работу Майка Белла — выходца из Apple, любителя коммуникаторов и гавайских рубашек. Белл проработал 17 лет в «яблочной» компании, где занимался программным обеспечением для компьютеров и iPhone, а затем участвовал в разработке смартфонов Pre и Pixi в фирме Palm, выкупленной в 2010 году HP.
По опыту работы в Apple Белл прекрасно понимал, что интеграция «железа» и программного обеспечения — это целое искусство. В особенности если речь идёт о мобильных устройствах: они должны обеспечивать всю ту функциональность, какую ожидает потребитель, обходясь разумно достаточными аппаратными средствами. При этом целью разработчика должны быть не только высокие продажи, но и максимальное удовлетворение пользователя. И, разумеется, как следствие — расширение числа операторов, готовых продавать столь желанный аппарат.
Просто ещё один процессор Intel вряд ли смог бы убедить производителей телефонов или операторов связи: для них это был бы всё тот же прожорливый Atom. Другое дело, если бы можно было показать потенциальным заказчикам не чип, а действующий образец смартфона, на котором любой желающий мог бы запустить любые тесты. Поэтому Белл поставил перед собой задачу разработать не просто процессор, способный на равных конкурировать с ARM, но целый аппарат, работающий на таком чипе. Оттелини, в свою очередь, предоставил ему право нанимать любых специалистов и практически неограниченные ресурсы.
Подразделение Белла действовало как типичный стартап, нашедший щедрого инвестора. Было снято отдельное здание, нанята команда специалистов из числа знакомых Беллу по работе в Apple и Palm, а также из фирмы Qualcomm, которая занимается лицензированием и разработкой ARM-процессоров. Наконец, в августе 2010 года Intel приобрела подразделение беспроводных коммуникаций немецкой фирмы Infineon Technologies, которое специализируется на чипах связи, сконструированных на основе ARM. Предстояла серьёзная работа: нужно было спроектировать аппаратную основу, написать программное обеспечение, добиться их максимальной совместимости, провести тестирование и пройти сертификацию.
Работая практически круглосуточно и без выходных, подразделение Белла добилось выдающихся результатов. Уже через год была готова эталонная конструкция смартфона на основе одноядерного чипа Atom Medfield, которую с незначительными изменениями можно было продавать потребителям. В январе 2012 года Отеллини продемонстрировал её на CES и объявил, что первым партнёром Intel по выпуску этого аппарата будет Lenovo: смартфон будет продаваться в Китае под названием K800. Аппарат без проблем справлялся с подавляющим большинством приложений для операционной системой Android и был оснащён фотокамерой, способной делать до 15 снимков в секунду.
Новая «телефонная» платформа Atom, получившая кодовое название Medfield, представляет собой однокристальную «систему-на-чипе», выполненную по 32-нм технологии. Напомним, что предыдущее поколение ультрамобильных Atom Moorestown состояло из двух микросхем: собственно процессора Lincroft и системного концентратора Langfell. Площадь чипа — 386 мм2.
В состав Medfield входят вычислительное ядро Saltwell с тактовой частотой до 2,0 ГГц и технологией параллельных вычислений Hyper-Threading, видеокодек с поддержкой кодирования и декодирования видео до 1080p/30, графическое ядро 2D/3D PowerVR SGX540, программируемый сигнальный процессор обработки видео, двухканальный контроллер оперативной памяти LPDDR2, гигабайт встроенной памяти LPDDR2, а также различные контроллеры ввода/вывода. В наличии встроенный 3G-модем HDPS+ IFX 6260 и выход HDMI, поддерживается работа с основной камерой с разрешением до 24 мегапикселей (15 кадров в секунду, 1080p) и дополнительной камерой до 2 мегапикселей.
Вычислительное ядро Saltwell, положенное в основу Medfield, разработано на базе стандартной микроархитектуры Atom с шестнадцатиступенчатым конвейером и последовательным исполнением инструкций — до двух за такт. Главные изменения, сделанные конструкторами, касаются повышения энергоэффективностию Устранены также некоторые узкие места для увеличения производительности (например, удвоена пропускная способность шины памяти).
В Medfield реализована фирменная технология Intel Burst Perfomance, динамически изменяющая тактовую частоту чипа в зависимости от нагрузки в заданных рамках энергопотребления. В режиме простоя C6 используется технология Intel Smart Idle: ядро и кэш-память второго уровня полностью обесточиваются, а данные о состоянии ядра и сведения из кэша выгружаются в статическую память с автономным питанием. В результате потребление энергии в этом режиме приближается к нулю.
Intel Burst Perfomance предусматривает ещё три режима работы: с низкой тактовой частотой (low frequency mode, LFM), с высокой (high frequency mode, HFM) частотой и с максимальной частотой. Чип способен автоматически изменять рабочую частоту в диапазоне от 100 до 2000 МГц с шагом в 100 МГц, при этом пиковая частота, как и в процессорах с технологией Turbo Boost, может поддерживаться лишь некоторое время. Базовая частота при работе под нагрузкой — 1300 МГц. Очевидно, именно она обеспечивает оптимальный баланс между производительностью и энергопотреблением.
Графическое ядро PowerVR SGX 540 работает на частоте 400 МГц, поддерживаются программные интерфейсы OpenGL ES 2.0 и OpenVG 1.1, технология беспроводной передачи видео Intel Wireless Display (Wi-Di), а также вывод изображения на два встроенных и один внешний дисплей через шину HDMI 1.3a с HDCP 1.2. Разрешение встроенных экранов — до 1280х1024 точек, внешнего — до 1920х1080 пикселей.
Для кодирования и декодирования видео используются блоки Imagination Technologies VDE285 и VDX385, обеспечивающие работу с потоками до 1080p, причём возможно одновременное декодирование двух потоков с максимальным разрешением.
Первым серийным Atom Medfield стала модель среднего класса c индексом Z2460 — именно на её основе построены все продающиеся в настоящее время «интелофоны». Это одноядерный процессор с технологией Hyper-Threading и базовой частотой 1,3 ГГц (до 1,6-2,0 ГГц в турборежиме). В будущем году планируется выпустить ещё две модели: бюджетную Z2000 и высокопроизводительную Z2580. Z2000 будет отличаться от Z2460 базовой частотой 1,0 ГГц, отсутствием турборежима и Hyper-Threading, а также пониженной до 320 ГГц частотой графического ядра. Топ-версия Z2580 получит два ядра с поддержкой Hyper-Threading, базовой частотой 1,3 и турбочастотой 1,8 ГГц, а также двуядерный графический ускоритель PowerVR SGX 544MP2 с рабочей частотой 533 ГГц. По прогнозам, этот процессор будет примерно вдвое производительнее нынешнего Z2460.
В апреле 2012 начались продажи «интелофона» Xolo X900 через сеть индийского оператора связи Lava, а с июля оператор Orange стал продавать в Великобритании и во Франции смартфон San Diego. В августе «МегаФон» объявил о запуске продаж трубки под названием SP-A20i Mint через салоны своей сети в России. До конца года Motorola Mobility, принадлежащая теперь Google, намерена выпустить собственный вариант коммуникатора на базе Medfield для рынка США.
Поделиться книгой: