1    Los geht’s: FPGAs für Maker und Kreative

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind spezielle integrierte Schaltungen, die sich durch den Benutzer programmieren lassen. Schauen wir uns zunächst die Tools und Konzepte zu diesen Bausteinen an und welche Rolle Open-Source-Software dabei spielt.

In der dynamischen Welt der Elektronik stellen FPGAs eine Technologie dar, die es Enthusiasten ermöglicht, die Schranken konventioneller Mikrocontroller-Systeme zu überwinden. Sie werden feststellen, dass Sie mit FPGAs viel machen können, was beispielsweise ein Arduino oder gar ein Mini-Computer wie der Raspberry Pi nicht kann. Mit diesem Buch möchte ich Ihnen einen umfassenden Einstieg in diese Welt bieten. Es geht nicht nur um das theoretische Wissen, sondern auch um praktische Fähigkeiten, die Sie direkt in Ihre Projekte integrieren können.

1.1    Über dieses Buch: Was Sie lernen werden und was Sie schon können sollten

Als Maker erreichen Sie irgendwann einen Punkt, an dem herkömmliche Mikrocontroller oder Mikroprozessoren für manche Anforderungen nicht mehr genügen. Oder vielleicht wollen Sie einfach mal etwas Neues ausprobieren. Der Arduino und der Raspberry Pi sind zwar weit verbreitet und werden durch eine Vielzahl von Soft- und Hardware-Beispielen gut unterstützt. Auch ein ESP32 oder ein Raspberry Pi Pico bieten jeweils spezielle Features, mit denen sich bestimmte Problemstellungen gut lösen lassen. Doch manchmal werden Sie sich mehr wünschen: mehr Flexibilität, höhere und echte Parallelverarbeitungsleistung, anspruchsvolle visuelle Effekte, schnelle Signalverarbeitung oder Kryptografie – und das alles flexibel und schnell anpassbar.

Wenn Sie aus diesen Gründen dieses Buch zur Hand genommen haben, sind Sie bereit, die Welt der Field Programmable Gate Arrays – oder kurz einfach FPGAs – zu entdecken. Hier lernen Sie die Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten dieser programmierbaren Komponenten kennen.

1.1.1    Für wen ist dieses Buch geeignet?

Sie sollten ein fortgeschrittener Maker bzw. Elektronik-Bastler sein und die eine oder andere Skriptsprache beherrschen, am besten Python, denn Python wird auch im Buch verwendet. Sie sollten mit Linux umgehen können, am besten auf einem Raspberry Pi. Auf der Linux-Konsole brauchen Sie kein Experte zu sein; wenn Sie sich grundsätzlich auf der Kommandozeile zurechtfinden, reicht das aus.

Ihr Wissen im Bereich der Elektronik sollte all das abdecken, was man als Bastler so macht: Mit Mikrocontrollern sollten Sie mal »was gemacht« haben: Vielleicht haben Sie auch schon das eine oder andere Breakout Board verwendet, das Sie via SPI oder I2C an Ihren Arduino oder Raspberry Pi angeschlossen haben. Sie sollten grundsätzlich wissen, wie die Kommunikation zwischen Teilnehmern auf einem seriellen Bus funktioniert, d. h., Sie sollten so ungefähr wissen, was eine Adresse oder eine Chip-Select-Leitung im Zusammenhang mit einem seriellen Bus ist.

Wenn Sie nun feststellen, dass Sie vom größten Teil des eben Gesagten keine Ahnung haben, dann könnte es sein, dass dieses Buch an einigen Stellen zu fortgeschritten für Sie ist.

1.1.2    Was dieses Buch nicht ist

In diesem Buch finden Sie keine endlosen Grundlagen zu boolescher Algebra und Logikgattern. Sie werden auch nicht erst theoretisch den Inhalt der vielen Hundert Seiten des Verilog-Standards lesen und dabei Datentypen, Operatoren, Kontrollstrukturen und Systemfunktionen erlernen müssen. Dies alles behandele ich in diesem Buch nur so weit, wie es unbedingt nötig ist. Ich wollte kein klassisches Fachbuch schreiben, das Ihnen bei einer Semester-Abschlussarbeit der E-Technik oder bei der Vorbereitung auf ein Vorstellungsgespräch als Entwickler von Embedded Systems hilft. Sein Inhalt ist für die Werkstatt und das Mindset eines Makers und Elektronik-Bastlers gedacht.

1.1.3    Was ist der Inhalt dieses Buches?

Im ersten Teil des Buches erfahren Sie die Antwort auf die Frage: »Was ist ein FPGA und was kann er?« Wir besprechen die beiden FPGA-Boards, die in diesem Buch verwendet werden und woher Sie diese beziehen können. Danach stelle ich die Bestandteile der in diesem Buch genutzten Open-Source-Toolchain vor. Auch die beste Vorgehensweise beim Einrichten einer Entwicklungsumgebung, das Backup Ihrer Projektdateien und die verwendeten Tools zur Versionskontrolle und des Build-Prozesses sind Themen in Teil I.

Im zweiten Teil des Buches besprechen wir die Möglichkeiten von FPGAs und realisieren praktische Beispielprojekte. Dafür nutzen wir ausschließlich die Open-Source-Toolchain und zwei FPGA-Boards, den Tang Nano 9K und den IceZero. Sie werden dafür Ihre eigene FPGA-Entwicklungsumgebung inklusive aller dazugehörigen Tools und Skripte einrichten. Somit besitzen Sie eine vollständige Unabhängigkeit bei Ihrer Entwicklungsarbeit. Das bedeutet, wir werden keine kommerzielle Software und keine IDE/Entwicklungsumgebung eines Herstellers nutzen. Es wird somit keine Lizenz nötig sein – an keiner Stelle entsteht so eine Abhängigkeit, und es fallen auch keine weiteren Kosten an!

In diesem Buch finden Sie eine Vielzahl von Beispielprojekten, die viele der grundlegenden Technologien abdecken, die in der Praxis häufig benötigt werden. Dazu gehören Displays, Taktgeber, Taster, Sensoren, LEDs und verschiedene serielle Protokolle. Diese grundlegenden Elemente bilden oft das Fundament, auf dem komplexere und interessantere Anwendungen aufbauen können. So können Sie mit diesen Beispielprojekten ein solides Verständnis für die Grundlagen entwickeln, den Inhalt aber später auch bei Ihren eigenen Ideen weiterverwenden. Dadurch erhalten Sie einen praxisnahen Einblick in die reale Arbeit mit diesen Bausteinen.

1.1.4    Das Lernkonzept dieses Buches

Das Konzept, wie in diesem Buch Wissen vermittelt wird, unterscheidet sich vom theoretischen Lehransatz an Hochschulen:

• Learning by doing! – Sie programmieren einen FPGA mit der von Ihnen selbst eingerichteten Entwicklungsumgebung. Wir steigen schnell und direkt in die Programmierung von FPGAs ein. Wenn der FPGA dann läuft, schauen wir uns den Quellcode an. Das ist ideal für alle, die direkt loslegen möchten.

• Wir nutzen die KI! – In diesem Buch werde ich Ihnen nicht alle Fragen beantworten und nicht jedes Detail erklären. Ich zeige Ihnen, wie Sie Ihren FPGA einsetzen können und wie Sie Designs umgesetzt bekommen. Die Grundlagenprojekte und die kniffligeren weiterführenden Projekte werden Ihnen zeigen, wie Sie Displays einrichten, Schnittstellenprotokolle implementieren, Block-SRAM verwenden, Zufallszahlen erzeugen, Neopixel-LEDs zum Leuchten bringen und noch viel mehr.

  Aber ich werde an mancher Stelle auch etwas sagen wie: »Wenn Sie mehr darüber wissen wollen, wie ein Schieberegister als Verzögerungsleitung dienen kann, dann fragen Sie die Chat-KI nach …«

  In der heutigen Zeit können wir modernere Methoden nutzen, um uns schnell und effektiv das Wissen anzueignen, das wir brauchen, um eine Aufgabe zu bewältigen. Der alte Hochschulprofessor, der uns erst jahrelang Herleitungen an die Tafel malt, ist Vergangenheit. Die Fachbücher der 1990er-Jahre sind Vergangenheit. In diesem Buch nutzen wir die Chat-KI ausgiebig, damit Sie so schnell und einfach wie möglich alles zu FPGAs lernen, was nötig ist. Damit Sie hinterher fit in dem Thema sind.

Sind Sie so weit einverstanden? Ist das ein Ansatz, mit dem Sie leben können? Dann lassen Sie uns gemeinsam in die faszinierende Welt der FPGAs eintauchen und entdecken, wie sie Ihre kreativen und technischen Fähigkeiten erweitern können.