مقدمة إلى التصاميم الإلكترونية الحرة

م. جميل الخطيب

1. مقدمة:

في السنوات العشر الأخيرة لمعت فكرة برمجيات الحاسوب المفتوحة المصدر(الحرة) Open Source وبدأت تنافس منتجات أعظم الشركات. من أهم هذه البرامج نظام التشغيل لينكس Linux .
حققت هذه البرامج رواجا كبيرا ليس لمجانيتها فقط , ولكن لتوفر مصدر التصميم والبرنامج فيتمكن كل من لديه الخبرة من تعديل البرناج ليتناسب وحاجاته. للمزيد من العلومات مراجعة (www.opensource.org)

إن مبدأ البرامج الحرة لم يتوقف عند برمجيات الحاسوب ولكن تعداها إلى العديد من المجالات, فهناك المقالات والكتب المفتوحة المصدر من حيث أنها قابلة للتعديل وإعادة النشر. وكذلك القيام بالأبحاث العلمية عبر التعامل على مستوى العالم وتبادل المعلومات والنتائج كما هي في مشروع فك رموز الجنوم البشري. قد أصبح مصطلح المصدر المفتوح (Open Source) عاما يطلق على كل المشاريع التي تمنع احتكار المعلومات لفئة معينة وتسمح بتطوير المشاريع دون حواجز.

بهذا المقال سنناقش كيف أن هذا المبدأ قد تُبني في التصاميم الإلكترونية والأجهزة بالإضافة الى العوائق وسبل التطوير. وأخيرا التعريف ببعض فوائد هذه التصاميم في تحسين وضع الصناعة الإلكترونية والأبحاث والدراسات بهذا المجال.

2. نبذة عن تصميم الأجهزة الإلكترونية:

شهد العقدان الماضيان سرعة هائلة بتطور الأجهزة الإلكترونية فمن أجهزة التلفاز الأبيض والأسود الى أجهزة الإتصال الجوالة، التي يمكن من خلالها مشاهدة أحدث البرامج المتلفزه عبرالإنترنت. إن هذا التطور السريع لم يتم فقط بفضل تطور العلوم وطرق التصنيع، ولكن كذلك بفضل طرق التصميم والتطوير. فمن المعلوم أن أي جهاز يخضع للعديد من الخطوات قبل التصنيع، والتي من أهمها مرحلة التصميم فمن خلالها يتم تحويل الفكرة الى نظام ووصف متكامل لكيفية عمل الجهاز وعلى أي المبادئ وباستعمال أي القطع الإلكترونية وكيف سيتم ترابطها والعديد العديد من المعلومات التي على المصمم أن يأخذها بعين الاعتبار.
في السابق كانت هذه العملية تعتمد على جمع العديد من القطع الإلكترونية، مثل الترانزستورات والمقاومات وغيرها وربطها ولذلك كانت الأجهزة كبيرة. في هذه الفترة كان التصميم يتم إما بالرسم على الورق او الحاسوب لتوضيح المعلومات والأفكار.
ولكن مع تقدم الزمن ازدادت الحاجة لأجهزة أعقد وبالتالي إلى زيادة عدد القطع كالترانزستورات والأجزاء المستخدمة والتي أصبحت تدريجيا بفضل طرق التصنيع أصغر وأمكن تجميعها بقطع تسمى Micro Chips الرقائق الإلكترونية المصغرة(أو الرقائق المدمجة Integrated Chips IC ) والتي قد تجمع الملايين من الترانزستورات مما أدى الى زيادة تعقد عملية التصميم لذلك لم يعد من الممكن إتباع الطرق التقليدية فقطمما أدى لاختراع طرق تصميم تعتمد على وصف الدوائر الإلكترونية وعملها عن طريق لغة برمجية يستطيع المصمم فهمها. فيصبح عمله كالمبرمج يصف الدائرة ويخضع الوصف لبرنامج حاسوبي الذي بدوره يحولها لمعلومات دقيقة عن كيفية تعامل الترانزستورات والأجزاء معا وعن كيفية تصنيعها. فلم يعد المصمم يفكر بكمية الترانزستورات أو كيفية ارتباطاتها ولكن يركز على وصف مايريد ان تفعله الدائرة، مما أدى الى سرعة تطوير الأجهزة وإنتاجها.
تسمى هذه اللغات اللغات الوصفية للإلكترونيات (Hardware Description Languages HDL) ومن الأمثلة لهذه اللغات [2]VHDL و Verilog وهي لغات منتشرة بين مصممي الإلكترونيات مثل انتشار لغات C++ أو Java لدى مبرمجي الحاسوب.
بالإضافة لذلك فقد تطورت البرامج الحاسوبية المساعده في تصميم الأجهزة الإلكترونية والتي تساهم في تحليل المشاكل قبل وبعد التصميم ولا مجال هنا للتوسع في شرح مثل هذه البرامج ونكتفي بذكر الإسم العام لها وهو CAD Computer Aided Design أو بصفة خاصة للإلكترونيات EDA Electronics Design Automation والتي بالكاد يوجد تصميم إلكتروني لم يعتمد على إحداها.

كما رأينا بالفقرة السابقة أن تصميم الأجهزة الإلكترونية لم يعد يعتمد كثيرا على تجميع الترانزستورات و القطع وتلحيمها بل أصبح أعقد من حيث التفكير وأسهل من حيث العمل اليدوي، فعملية التصميم بأغلبها تتم على أجهزة الحاسوب من خلال البرامج. هذا ما ساهم في أن بعض المصممين استطاعوا نشر تصاميمهم على الإنترنت والتي هي عبارة عن الملفات الحاسوبية الخاصة بالتصميم والتي توضح عملة. من مثل هذه المبادرات بدأ يظهر توجه ما يسمى بالتصاميم الإلكترونيه المفتوحة المصدر(الحرة) Open Hardware Design (فيما يلي سيطلق عليها التصاميم الحرة للاختصار)

3. التعريف:
بسبب حداثة مبدأ التصاميم الحرة، التي لم تظهر بشكل جدي بهذا الاسم إلا في أواخر العقد الماضي، فإن هناك العديد من المحاولات لتعريف التصاميم الحرة والتي تنظر للتصاميم من عدة جهات مختلفة. فهي تختلف عن برامج الحاسوب بأنها لاتحتوي فقط على مصدر البرمجية التي ستعمل على الجهاز بل قد تحتوي على العديد من المعلومات اللازمه للتصنيع, للفحص, للتطوير ولإضافة برامج تشغيل الجهاز(Drivers) وحتى لطريقة عملها وربطها بالأجهزه الاخرى.[3] (Interfaces)
ان معظم المحاولات لتعريف مبدأ التصاميم الحرة تشترك في اشتراط ما يلي ليطلق على التصميم بالمفتوح المصدر:
- توفر المعلومات اللازمة لعملية التصميم
- توفر التصميم ومبدأ عمله لإمكانية تطويره وتعديله وتصليحه
- توفر المعلومات اللازمة لإنتاجه
- توفر المعلومات عن طرق تشغيله وربطه بالأجزاء أو الأجهزة الأخرى
- توفر أي برمجيات لازمة لتشغيله

من هنا نجد ان العديد من المعلومات التي يجب ان تتوفر لإمكانية تطوير التصاميم الفتوحة ولكن هذه ليست معوق كبير فالمصممين لديهم المعرفة بما يلزمهم ومايلزم غيرهم للاستفادة منها.
الفقرات التالية توضح عدد من المعوقات التي تواجه المصممين ليتمكنوا من نشر تصاميمهم.

4. عوائق إنتشار التصاميم الحرة وسبل تجاوزها:
* البرامج
إن التصميم بحد ذاته من ناحية الفكرة ليس أمامه عوائق ولكن عند التنفيذ فإن أول عائق يواجه المصمم هو أن يقوم بوضع فكرته على برامج الحاسوب EDA. إن هذه البرامج باهظة الثمن والتي هي بخلاف برامج الحاسوب العادية والتي قد تصل إلى مئات الألوف من الدولارات مما يعني أنه ليس من السهل على المصمم اقتناء مثل هذه البرامج. فكان الحل أن يتم استعمال البرامج المجانية المفتوحة المصدر أو الاعتماد على التبرعات والبرامج المتوفرة للجامعات. وبالفعل فقد بدأ العديد من المبرجين بتطوير برامج مفتوحة المصدر(حرة) للتصاميم EDA software وقد تم تطوير العديد منها في الجامعات. على الرغم من أن البرامج الحرة لا تفي حاجات المصممين أوأنها على درجه من الكفاءة مثل البرامج التجارية، ولكنها تتحسن مع الوقت وكذلك يستطيع المصممون التعديل على البرامج بحرية لتناسب حاجاتهم وخصائص تصاميمهم.

* التصنيع
إن برمجيات الحاسوب يمكن أن يتم تشغيلها وفحصها بمجرد تحميلها على الحاسوب وتحويل المصدر الى لغة رقمية تنفذ عليه. بخلاف ذلك فإن التصاميم الإلكترونية تحتاج الى تصنيع ليتم تشغيلها. هنا يواجه المصممون الصعوبة الأكبر, فتنفيذها يتطلب المصادر والجهد الكبيرين. ومع ذلك فإن بعض المصممين تمكنوا من تجاوز هذا العائق مثل المشاريع التالية:
http://balloonboard.org/
http://www.elphel.com/

لكن بفضل التطور في عالم الإلكترونيات وبرامج التصميمEDA فإن المصممين يمكنهم أن يتجاوزوا عملية الانتاج أو التصنيع بأن يستعملوا برامج المحاكاه[4] (Simulators) لتجريب التصميم قبل البدأ ببناء الجهاز وترك عملية البناء والتنفيذ لمن يستطيع أو من يحتاج التصميم. ان هذه الفكرة ليست خاصة بالتصاميم الحرة بل إنها طريقة متبعة في تصميم الالكترونيات فالعديد من التصاميم تمر بأكثر من مرحلة على عدد من برامج المحاكاة قبل التصنيع وخاصة في مجال الإلكترونيات الدقيقة حيث عملية التصنيع مكلفة جدا وبالكاد يكون هناك مجال لتعديل المنتج، فالشركات تكون حريصة على استعمال مثل هذه البرامج لتتجنب أي أخطاء في التصميم وتعديلها قبل الشروع في التصنيع.
إن من الطرق التي يتبعها مهندسو الإلكترونيات لتصاميمهم الحرة هي كتابة التصميم بإحدى اللغات الوصفية HDL ومن ثم توزيع المصدر لهذا البرنامج الوصفي والذي يمكن تحويله لدوائر إلكترونية بواسطة بعض البرامج والعمليات الخاصة. إن هذه الطريقة متبعة كذلك في العديد من الشركات وخاصة ما يُطلق عليها الشركات غير المصنعة (Fabless companies) فهم يقوموا بالتصميم وبيع البرامج الوصفيه (HDL code) والتي يطلق عليها أنوية التصميم أو ( Cores )

على الرغم من أننا رأينا من كل ما سبق أن التصاميم الحرة مبنية أساسا على نشر التصميم وعدم بناء الدوائر أو تشغيلها بسبب صعوبة التصنيع وكلفتها, ولكن بعض الشركات(مثل Altera وXilinx) في بداية التسعينيات من إنتاج رقائق الكترونيه IC تحتوي على دوائر قابلة لتتغير والتعديل خلال الاستخدام وبعد التصنيع. يطلق على هذه الرقائق بالرقائق القابلة للبرمجه (PLD)ومن أشهرها تقنيات FPGA و CPLD .
إن هذه الرقائق أصبحت تصنف على أنها التوجه الأفضل لمصممي الإلكترونيات الحرة. فالمصمم يستطيع أن يمتلك لوحة إلكترونية تحتوي على إحدى هذه الرقائق القابلة للبرمجة ويصمم دوائره ويبرمج الدوائر الصغيرة في الرقاقة ومن ثم يشغلها ويفحصها ويستخدمها بل ويعدلها كما يريد بأي وقت.
فلسهولة هذه الطريقة ومع جمعها بالطريقة السابقة وهي استخدام اللغات الوصفية للدوائر, ازداد مؤخرا عدد التصاميم الحرة وتحسنت جودتها حتى أنها تسعى لمنافسة المشاريع التجارية وتعرض دوائر معقدة جدا مثل دوائر الإتصالات والمعالجات المركزية بالحواسيب (CPU)

5. أجهزة الفحص Test equipment :
من أهم الفروقات بين برامج الحاسوب والتصميم الإلكتروني، أن البرامج يكفي لفحصها والتحقق من صحة عملها أن يتم تشغيلها على الحاسوب ومراقبة طريقة تصرفها ولكن بالنسبة للتصاميم الإلكترونية فإنها تحتاج لأجهزة قياس وفحص خاصة والتي عادة ما تكون غالية الثمن وغير متوفرة مما يجعل التحقق من صحة عمل التصميم عملية صعبة وخاصة إن كانت تتم بناء على مبدأ التصاميم الحرة حيث توفير مثل هذه الأجهزة يكون صعبا.

من الطرق التي يمكن أن تساهم في تقليل هذه المشكلة أن يتم مشاركة أجهزة الفحص والقياس على الانترنت من قبل المصممين. فالعديد من هذه الاجهزة أصبحت تدعم هذا المبدأ. بل وحتى بدأت تظهر مشاريع الكترونية حرة على الانترنت لتصميم أجهزة قياس يمكن استخدامها عبر الانترنت حيث يقوم المصمم بتنزيل تصميمه على FPGA بهذا الجهاز وربطه بجهاز القياس وكل ذلك يتم عن بعد حيث يقوم المصمم بارسال التعليمات للجهاز وكيفية الفحص ومن ثم يقوم بتشغيلها وانتظار النتائج القادمة من الطرف الاخر عبر الانترنت.
يمكن أن نشهد بالمستقبل انشاء بيئة خاصة بأجهزة الفحص المربوطة على الانترنت والتي يمكن التحكم بها عن بعد لتسهل فحص الأجهزة المخترعة بأيدي أشخاص من الدول النامية دون الحاجة لاقتناء أجزة القياس الباهظة الثمن مما يساهم بالتطور السريع للتكنولوجيا بهذه الدول.

6. الحمايه:
أما أهم الصعوبات التي تواجه التصاميم الحرة فهي طرق الحماية من السرقة والحفاظ على حقوق المصمم. ان نظام حقوق الطبع مستخدم لحماية برمجيات الحاسوب الحرة ولكن عند مقارنتها بالتصاميم فإنها لن تصلح سوى لحماية الرسمات الالكترونية أو المصادر الوصفية للدوائر من النقل والنسخ كما هي الحال في البرمجيات. ولكن التصاميم تحمل اكثر من ذلك فهي قد تتحول الى أجهزة أوأنها قد تحمل أفكارا تحل بعض المشاكل الإلكترونية المعقدة. والحل لمثل هذه المشاكل هي باعتماد نظام براءات الاختراع (Patents)
ولكن استخدامها يتضمن مشكلتين وهي أن التصميم لا يعود مفتوح المصدر بحسب التعاريف فالمعلومات والاستخدام والتطوير تحتاج لإذن حامل براءة الاختراع ولا يمكن تعديل التصميم بكل الاحوال. والمشكلة الثانية أن تسجيل البراءات ليس بالعملية السهلة والتي تحتاج لوقت ومال.
لذلك فان العديد من مشاريع التصاميم الحرة المتوفرة على الإنترنت لاتزال تعتمد على الحماية عن طريق حقوق الطبع. والنقاش لايزال مستمرا عن أفضل سبل الحماية وربما تشهد السنوات القادمة تطورا في مفاهيم التصاميم الحرة وتحل هذه المشكلة كما حلت في عالم البرمجيات.

7. المشاريع:
من أهم المواقع والمشاريع التي تعتني بالتصاميم الحرة:

- OpenCores
يعد هذا الموقع من أهم مواقع التصاميم الحرة وأقدمها فهو يحتوي العديد من المشاريع (328) المصممه أغلبها باللغات الوصفية HDL. ميزة هذا الموقع ليس مجرد استضافته للعديد من المشاريع بل ومستوى جودتها المنافسة للمشاريع التجارية.

- OpenCollector
إن هذا الموقع لا يتسضيف المشاريع بل ان هدفه تجميع المعلومات والأخبار عن المشاريع الحرة وكل برمجيات التصميم الحرة EDA software

- جمعية هندسة عربية
من أهداف هذا الموقع أن يدعم نشر فكرة استخدام وتصميم المشاريع الإلكترونية الحرة في العالم العربي وخاصة بالجامعات ويستضيف المشاريع الحرة في الموقع.


8. أهمية المشاريع الحرة للعالم العربي:
قبل عرض أهم فوائد التصاميم الحرة لعالمنا العربي فيجب أن نلخص أهم المشاكل التي تواجهنا بمجال تقنية تصميم الأجهزة الإلكترونية:
- النقص في وجود الشركات العربية التي تستثمر في مجال تصميم و تصنيع الإلكترونيات
- النقص في الخبرات اللازمة للتصميم والتصنيع
- قلة تعاون الجامعات العربية فيما بينها وبين الجامعات العالمية في مجال الأبحاث والمشاريع الإلكترونية

من أهم ميزات مبدأ التصاميم الحرة، أن باب التعاون مفتوح للجميع والمعلومات قابله للتداول بين جميع المهتمين. لذلك تحصل المشاريع والاختراعات على أفضل المقترحات من مختلف وجهات النظر والخبرات ويمكن أن تنافس أفضل المشاريع التجارية . وهذه الميزات ستساعد عالمنا العربي على التطوير كما ترى جمعية هندسة عربية.

إن مجال التصاميم الحرة يفتح المجال لاكتشاف المهارات والخبرات وإتاحة الفرص للمخترعين والمصممين أن يبرزوا مواهبهم وإبداعاتهم للعالم بدون قيود فيتمكنوا من إثراء خبراتهم و تطوير مشاريعهم من خلال المساعدات والإرشادات ونقل الخبرات من مختلف بقاع العالم والتي هي غير متوفرة بعالمنا لندرة الشركات العاملة بهذا المجال.
قلة الخبرات والمعلومات في العالم العربي من أهم الاسباب التي أخرت تقدم العالم العربي في مجال الابحاث العلمية والاختراعات ولكن عن طريق استخدام الإنترنت لتبادل المعلومات والمشاركة في التصميمات، قد تساهم في تطوير واستحداث أجهزة متطورة. بالإضافة لأننا سنستطيع أن نعدل هذه التصاميم لتتوافق مع حاجاتنا دون الرجوع والاعتماد على الشركات الأجنبية لتطور لنا أجهزتها.
بالنسبة لتكاليف التصنيع فإن التصاميم المعتمدة على الرقائق القابلة للبرمجة تعتبر الحل المناسب للبلدان التي لا تملك المصانع للإلكترونيات الدقيقة وهي بالتالي تشترك مع مبادئ التصاميم الحرة وتستطيع التعاون معها بشكل مكثف أكثر من البلدان المتقدمة.

9. نظام تجاري جديد:
بالإضافة للفوائد العديدة من الناحية العلمية, فإن مبدأ التصاميم المجانية يستحدث مبادئ تجارية وتسويقية جديدة تعتمد على تقديم الخدمات والدعم لهذه المشاريع أو حتى تصنيعها وبيعها بأسعار منافسه، لأن تكلفة التصميم تكاد تكون معدومه فالجهد يتوزع على العديد من المصممين. بالإضافة لذلك فإن هذه الأجهزه تكون ذات كفائة وجودة عاليتان (نظريا) بسبب تعاون الخبرات المختلفة ومن مختلف البلاد وحتى أن المستهلك يستطيع أن يدلي باقتراحاته للمصممين والمصنعين بسرعة قبل تصنيع الأجهزه وبالتالي توفير تكاليف إعادة التصنيع وسرعة الوصول لمتطلبات المستهلك.

يمكن تصنيف طرق الأعمال التجارية التي يمكن أن تعتمد التصاميم الحرة الى ثلاث:
- تجميع وتصنيف وتوزيع التصاميم الحرة كما يحدث ببرمجيات الحاسوب وخاصة نظم التشغيل Linux. مشروع OpenTech يعتمد هذه الطريقة عن طريق تجميع التصاميم الحرة والبرامج وتوزيعهم وبيعهم على أقراص مضغوطة CDs
- عرض خدمات الدعم الفني والتقني للمشاريع الحرة يعد من أهم طرق جني الأموال من التصاميم الحرة لأنه على الرغم من أن التصاميم مفتوحة ولكن بسبب كبر مشاريع الالكترونيات وضخامتها فعادة ماتكون الشركات بحاجة للحصول على دعم تقني لتطوير وتحسين بعض الاجزاء والتي يكون المصمم الاصلي هو أفضل من يستطيع المساعدة
قامت شركة Asics.ws على هذا الأساس فهي تطور التصاميم الحرة وتعرضها بالمجان ولكن تبيع أي خدمات يحتاج لها المستخدم.
- إن التصاميم الحرة لا تعني أن الاجهزة المصنعة عنها ستكون مجانية لذلك فبعض الشركات تستغل هذه الفكرة وتبيع الاجهزة لتحقق أرباح كما يحصل مع http://www.elphel.com

10. ملخص:
إن مبدأ التصاميم الحرة فكرة جديدة بدأت تنتشر بسرعة لسهولة التطوير والنقل وهي مبدأ قد يساعد الدول العربية من تحديث وتحسين مستوى التعليم والصناعة ويفتح مجال جديد للاستثمار وغير مكلف مقارنة بعمليات التصميم العادية. فحري بالمؤسسات التعليمية ان تتبنى هذه الفكرة لتنشرها بين الطلاب ليزداد التعاون فيما بينهم.

11. المراجع والروابط الإلكترونية:

Human genome is open source, too
http://www.infoworld.com/articles/hn/xml/02/07/25/020725hngenome.html

Writings on Open Source Hardware
http://opencollector.org/Whyfree/

Introduction to Open Source hardware development
http://www.eetimes.com/news/design/features/showArticle.jhtml?articleID=22103383

Free chips for all
http://www-128.ibm.com/developerworks/opensource/library/os-openhw.html

OpenCores
www.opencores.org

Handasa Arabia
www.handasarabia.org

OpenCollector
www.opencollector.org

اختصارات ومصطلحات:
CAD: Computer Aided Design
CPLD: Complex Programmable Logic Devices
EDA: Electronics Design Automation
FPGA: Field Programmable Gate Arrays
VHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language