新树莓PI计算模块4的Hackaday指南

2020-10-19 15:58:35

全新的树莓圆周率计算模块4(CM4)刚刚发布!惊讶吗?不,我们也不是--树莓派基金会曾暗示它将在很长一段时间内发布4系列的计算模块。

外形进行了彻底检查,但这只小动物的变化比乍一看看得出来的要大,我们将带你了解其中的大部分内容。最重要的好处是可以轻松实现PCIe和NVMe,从而能够以惊人的速度将数据传入和传出SSD。结合可选的WiFi/蓝牙和易于设计的千兆位以太网,CM4是一个连接怪兽。

超高速家用NAS是经典的想要用PI建造的项目之一。CM4最终使这成为可能。

如果您不了解计算模块,那么它们是您可能认为的Raspberry PI的简化版本,它的官方名称是“Model B”外形。针对商业应用,计算模块缺乏其更大的兄弟姐妹的许多物质舒适,但它们在设计上以灵活性为代价,并允许一些额外的功能。

计算模块并不完全适合初学者,但Raspberry团队能够让中间黑客访问该模块的程度给我们留下了积极的印象。这在很大程度上要归功于IO突破板的开放式设计,它也于今天发布。使用完全开放的KiCAD设计文件,如果您可以编辑和订购PCB,然后回流焊邮件中收到的内容,您就可以为CM4进行设计。好处是更轻、更便宜、更可定制的平台,将Raspberry Pi 4的强大功能打包到一个40 mm x 55 mm的超薄封装中。

那么,让我们来看看有什么新功能,然后稍微了解一下将计算模块整合到您自己的设计中需要做些什么。

CM4最令人震惊的是新的连接器。自从第一个Raspberry Pi获得计算模块以来,他们就已经配备了200针的SO-DIMM接口,就像笔记本电脑的DDR2内存板一样。CM4改变了这一点,选择了两个高速、高密度的100针夹层连接器。打破传统是痛苦的,我们知道你们中的一些人会留下一个装满了SO-DIMM插座的壁橱,但他们这样做是有很好的理由的。

PI 4系列使用的片上系统(SOC)Broadcom BCM2711为聚会带来了更多的外围功能(PDF)。因此,PI 4Model B采用了第二个HDMI接口、USB 3.0和千兆以太网。但它能做的更多!例如,没过多久,有进取心的黑客就意识到USB3.0位于PCIe总线上,并将USB3.0换成了PCIe。这是可行的,但很困难,需要在船上进行一些错综复杂的返工。

计算模块的存在是为了让设计者轻松使用SOC的所有功能。将PCIe与双HDMI和其他高速外围设备一起封装到旧的SO-DIMM接口中是不可能的,这一点在今年夏天被树莓的工程师们暗示过。因此有了新的连接器:Hirose DF40C-100DS-0.4V,如果你已经感到手指板设计的手指发痒的话。

CM4设计用两个夹层连接器代替单个SO-DIMM,实现了低速和高速外设的良好分离。一侧有传统的Raspberry Pi GPIO、电源、SD卡接口和以太网。另一端负责PCIe、USB、HDMI以及MIPI CSI摄像机和DSI显示线路,每条线路各有两条。一方面,这意味着您有更多的高速IO可用,另一方面,如果您不需要任何高速设备,您可以使用简单的单连接器设计。

新的连接器还允许模块占用更小的空间,并在将其安装到您的设备中时降低电路板高度和重量。它们实现了高速和低速区域的更好分离,因此它们将更容易布局。见鬼,它们甚至比老式的So-DIMM插座更便宜。考虑到这是PCIe的权衡,我们丝毫不会对这种变化感到遗憾。

CM3比CM2有更多的订购选项,PI 4Model B比PI 3Model B有更多的内存配置选项,但是CM4占了上风。有32个不同的品种,价格也相应不同。为什么?有四层RAM、四层板载eMMC存储和可选的无线模块。(4 x 4 x 2=32。)。让我们从基本型号开始:不带无线、1 GB RAM和不带eMMC的CM4。那要花你25美元。

对于其余的选择,它就像披萨配料一样。额外的5美元可以让你无线上网。每层5美元,您可以添加8 GB、16 GB或32 GB的eMMC。2 GB内存的电路板价格为5美元,4 GB的价格为20美元,8 GB的价格为45美元。

快速测试:带WiFi和4 GB内存的CM4 Lite(不带eMMC)多少钱?我们得到50美元。带无线功能的CM4、结实的32 GB eMMC和2 GB RAM?也是50美元。什么都有的PI(无线/32 GB eMMC/8 GB RAM)?90美元。

有些可能的配置在数据手册中被列为“批量”,而另一些则被列为“1+/批量”,因此可能对较小的用户来说,它们并不都是同样容易获得的。例如,如果您想要数量为1的无线,您可能会被限制为2 GB或4 GB RAM配置。但是,eMMC的所有层都是同等可用的。由于从长远来看,这一切都会随着客户需求的变化而改变,你可能想要查看树莓PI网站的最新信息。

与PI 4的B型相比,CM4的灵活性要大得多。主要区别在于CM4不再将PCIe总线专用于USB 3.0。这一选择对于面向消费者的董事会来说是有意义的,但CM4是为设计师设计的。可以非常简单地将PCIe添加到CM4设计中:您只需要正确的插座和3.3V和12V电源线。这一点甚至已经在较新的NVMe固态硬盘上进行了测试。树莓工程师Dominic Plunkett告诉我们,他们在实验室中获得了390兆字节/秒的写入速度,这相当接近理论上的最高速度。您可以用它来换取Model B的USB3.0端口,但如果您追求的是更快的固态硬盘I/O,那么采用NVMe的PCIe是最先进的。对于一台单板计算机来说还不错!

B型只有一个双通道MIPI CSI摄像头接头和一个双通道MIPI DSI显示器接头断线。例如,CM4各允许两个,从而实现立体3D成像。(你也可以用CM3+来做这件事,但那是旧的,到目前为止已经坏了。)。此外,型号B只展示了CSI和DSI的双通道版本,而CM4还为您提供了更高带宽的四通道变种。使用这些功能,您可以在不借助外部硬件的情况下获得更高的相机性能。想要在DSI屏幕上显示超高帧率或分辨率的视频吗?CM4.。

甚至可选的WiFi/蓝牙模块也更加灵活。除了板载PCB天线,他们还增加了外部天线的UFL连接器,内部和外部天线都可以根据需要从软件中启用或禁用。这使得CM4成为要求苛刻的WiFi应用的正确选择,或者仅仅是用于在金属盒内建造。树莓派基金会将出售一种通过FCC认证的天线,可以与CM4一起使用,或者你也可以自己带,但这是你的责任。

最后,以太网芯片进行了很小的升级,升级到CM4上的BCM54210PE。它仍然是一个千兆以太网PHY芯片,但这个芯片也支持IEEE 1588精确时间协议。如果您需要比NTP更好的时间同步,您知道这一切意味着什么。

我们在仔细梳理CM4数据表时注意到两件让我们感到好奇的事情。

首先,它说CM4比B型更有效率,所以它使用的电力更少。但因为它在较小的电路板上,它不像Model B那样被动散热,而且可能仍然更容易降低CPU速度以防止过热。目前还没有可用的数字,但我们很快就会拿到一款B型车,并将这两款车进行压力测试比较。敬请关注。

其次,关于MXL7704电源管理IC上遗留的两个模拟输入,有一句很诱人的话,您可以参考数据手册(PDF)进行进一步研究。它们似乎是在官方IO板上标有AIN0和AIN1的针脚上拆分出来的。在我们看来,挑战已经被抛出了。

最后,有时灵活性与易用性会发生冲突。Model B共有四个USB端口:两个USB 3.0端口和两个USB 2.0端口。USB 3.0被砍掉了,CM4只有一个USB 2.0端口的连接,因为这是Broadcom SOC本机支持的。如果你想要更多的USB端口,你必须建造你自己的集线器。这就是他们在B型上做的,也是他们在CM4 IO演示板上做的。说到IO板…。

我们有一块IO板和我们的CM4样本一起送来。有了可靠的文档和可用的KiCAD设计文件,它基本上是一个用于制作您自己的基于CM4的设计的模板。看一看!

让我们印象深刻的是,将CM4的所有功能带到现实世界中所需的工作量是如此之少。HDMI端口只需直接从连接器连接到连接器,MIPI相机和显示线也是如此。以太网实现了以太网供电保护,但如果您不需要,您可以直接从CM4连接到磁铁。(或者连接到光收发器?)。PCIe也同样简单:在3.3V和12V电源线之外,所有东西都直接从CM4插入插座。

事实上,IO板上唯一看起来像是做了任何设计工作的部分(无意冒犯,RPI工程师们!)。包括USB 2.0集线器和电源,USB 2.0集线器最多允许四个连接,如果您想要测试设计,您可以直接复制该集线器;电源可以从12 V桶形插孔向下转换为CM4的5 V和PCIe连接器的3.3 V。SD卡,以适应无eMMC“Lite”版本的CM4,有一个高端开关,以便在不使用时可以由CM4关闭以节省电力。其他的一切都是简单的电线。

但它们不一定是简单的电线,这是没有设计过高速电路板的人的必经之路。基本上有两类轨迹需要注意:90Ω差分对和100Ω差分对。第一组包括PCIe和USB,在配对中需要匹配到0.15 mm,建议PCIe使用0.1 mm。为以太网、HDMI以及MIPI CSI和DSI连接指定了100MIPI对Ω。

根据数据手册,跨对长度明显不那么重要,但在差分对中的两条线之间,匹配长度是值得的。KiCAD自从CERN在2015年加入以来就做差分对了,强烈推荐土星PCB工具包来计算阻抗控制的迹线宽度,但它只适用于Windows。(您也许可以仅从IO板设计中抄袭轨迹宽度和分隔,而忽略整个问题。)。

当然,除非你需要,否则你不需要所有这些高速外设。假设您首先有办法将软件放到eMMC中,您可以使用5V和GND引脚运行带有eMMC和无线的CM4服务器。对于经典的无头PI体验,您也可以连接GPIO和SD卡线路,而无需担心阻抗。(请注意,您可以仅使用低速夹层连接器完成此操作。不错。)。

但这不是你来这里的原因。您希望将IO板参考设计转变为高速自定义PCIe NAS,还记得吗?你走吧!只要记住要设计大量的状态LED即可。

总而言之,CM4与Raspberry Pi 4Model B的一切都是一样的,只是包装更加灵活,对消费者不太友好。它有32个不同的品种,并暴露了一些严重的高端外围设备,这对于低价标签来说更是令人印象深刻。入学的真正成本是设计你自己的董事会来配合它,但即使是这样,在一些帮助下看起来也不是太糟糕。我们期待着看看你们会怎么处理它。