Pi. MX8 프로젝트 - 소개 및 개요

Raspberry Pi 회사는 시장에서 가장 인기 있고 널리 사용되는 단일 보드 컴퓨터를 개발했습니다. 이 강력한 단일 보드 컴퓨터는 오랫동안 메이커 및 취미 활동 뿐만 아니라 산업 분야에서도 사용되어 왔습니다.

응용 분야가 확장됨에 따라, 이 보드들의 폼 팩터는 단일 보드 컴퓨터 및 모듈에 대한 '사실상의' 표준으로 부상하고 있습니다. 2020년 말에 컴퓨트 모듈 CM4의 도입은 시스템 온 모듈에 대한 새로운 폼 팩터 표준의 확립을 표시했습니다.

그 이후로, Allwinner 및 Rockchip과 같은 제조업체의 다양한 SoC와 견고한 FPGA가 널리 채택된 CM4 폼 팩터에 원활하게 통합되었습니다.

동기

Pi.MX8 모듈은 CM4 호환 모듈 목록에 추가될 것입니다.

이렇게 다양한 호환 SoM이 사용 가능한 상황에서, 왜 우리는 또 다른 변형을 설계하는 데 시간을 투자해야 할까요?

답은 간단합니다: 컴퓨터 모듈을 중심으로 복잡하고 때로는 비용이 많이 드는 시스템을 구축할 때, 우리는 모듈 자체에 대한 설계 주권을 가지고 싶어합니다. 우리는 스키마틱 및 레이아웃 소스 데이터에 접근하고 싶고, 부품 부족 시에는 모듈의 BOM을 스스로 결정할 수 있으며, 가장 중요하게는 PCB에 사용된 모든 구성 요소의 문서에 접근하고 싶습니다.

이 모든 것은 문서가 쉽게 이용 가능한 구성 요소를 사용하여 완전히 오픈 소스 프로젝트의 맥락에서만 가능합니다.

이전 Pi.MX8 레이아웃 개정의 이미지

이 글과 다음 글에서는 완전히 오픈 소스인 CM4 호환 모듈을 설계하는 방법을 살펴볼 것입니다. 우리의 여정이 끝나면 CM4 호환 모듈의 소스 데이터가 누구나 검토, 수정 또는 구축할 수 있도록 공개될 것입니다!

주요 SoC 선택

주변 구성 요소를 선택하기 전에 정의해야 할 핵심 구성 요소는 시스템 온 칩입니다. 문서가 쉽게 접근 가능하며 산업에서 널리 사용되는 SoC가 있습니다, NXP의 i.MX8M Plus.

이 SoC는 최대 1.8 GHz까지 클럭되는 두 개에서 네 개의 Cortex-A53 코어를 포함한 여러 가지 변형으로 제공됩니다. 또한, 이 프로세서 시리즈 내에는 보조 Cortex M7 코어와 통합된 머신 러닝 가속기가 있습니다.

i.MX8M Plus SoC 하드웨어 특징 - 이미지 출처: NXP 웹사이트

i.MX8은 Raspberry Pi CM4 모듈에 사용된 BCM2711과 거의 모든 주변 인터페이스를 제공하지만 하나의 주요 예외가 있습니다:

i.MX8에는 BCM2711에 있는 두 포트와 비교하여 HDMI 인터페이스가 하나만 있습니다. 이 제한은 DSI에서 HDMI 브리지를 사용하여 우회할 수 있습니다. 부품 수와 복잡성을 낮게 유지하기 위해 이 IC는 당분간 우리 모듈에 통합되지 않을 것입니다.

두 번째 HDMI 인터페이스를 제외하고 i.MX8은 우리 애플리케이션에 아주 적합합니다!

주변 구성요소

모듈의 고수준 블록 다이어그램은 몇 가지 핵심 구성요소로만 구성됩니다. 중심 구성요소는 필요한 주변 구성요소의 모든 인터페이스를 제공하는 i.MX8 SoC입니다. 간단히 말해서, 우리는 i.MX8 프로세서를 위한 브레이크아웃 보드를 구축하고 있습니다:

Pi.MX8의 블록 다이어그램

PMIC

시스템의 전원 공급에 대해 살펴보겠습니다. 전원 관리 IC(간단히 PMIC)는 SoC에 필요한 여러 전압 레일을 제공할 뿐만 아니라 SD 카드 커넥터와 같은 인터페이스에 전원을 공급하도록 설계되었습니다.

PMIC는 또한 더 큰 SoC의 경우 상당히 복잡해질 수 있는 올바른 전원 켜기 및 끄기 순서를 보장하는 책임도 있습니다.

NXP는 i.MX 8M 애플리케이션 프로세서와 함께 사용하기 위해 특별히 개발된 PMIC를 제공합니다. 이 IC는 벅 컨버터와 LDO의 조합으로 생성된 최대 11개의 전압 레일을 제공합니다. SoC의 핵심 전압은 운영 전압이 낮은 상태에서 전류 요구량이 상당히 높기 때문에 벅 컨버터에 의해 생성됩니다. 네 개의 A53 코어에 전력을 공급하는 전압 레일은 고전류 요구를 충족시키기 위해 PMIC에 통합된 2상 벅 컨버터에 의해 생성됩니다.

우리가 사용할 PMIC는 PCA9450입니다.

NOR 플래시

저용량 NOR 플래시는 보드 특정 데이터 및 부트 미디어를 저장하는 데 사용될 수 있습니다. i.MX8 SoC는 부트 미디어에 접근하기 위해 여러 SPI 인터페이스를 지원합니다. 이 경우, 우리는 32MB SPI NOR 플래시에 연결하기 위해 쿼드 SPI 인터페이스를 사용하고 있습니다.

장치는 Integrated Silicon Solution, Inc.의 IS25WP256D-RHLE입니다.

이 특정 패키지와 핀아웃은 다른 제조업체에서도 제공되므로, 가용성 문제가 발생할 경우 구성 요소를 교체할 수 있습니다.

이더넷 PHY

이더넷 PHY는 기가비트 속도를 지원하고 정밀 시간 프로토콜을 지원해야 CM4 기능과 호환됩니다. SoC와의 인터페이스는 감소된 기가비트 미디어 독립 인터페이스(RGMII)여야 합니다. 이 인터페이스 유형은 임베디드 애플리케이션을 위한 다양한 이더넷 PHY에서 지원됩니다.

우리는 Microchip Technology의 LAN8840을 사용할 것입니다.

이 PHY는 기가비트 속도뿐만 아니라 IEEE 1588-2008(v2)에 따른 고정밀 타임 스탬핑을 지원합니다. QFN48 패키지는 또한 모듈에서 귀중한 보드 공간을 절약하는 데 상대적으로 컴팩트합니다.

DRAM

우리는 Pi.MX8 모듈에 저전력 DDR4 메모리를 사용할 것입니다. 여러 제조업체가 동일한 패키지와 핀아웃에서 LPDDR4 IC를 제공하여 가용성 문제에 대응하거나 여러 메모리 용량을 지원하기 쉽습니다. 삼성과 마이크론은 LPDDR4 장치에 가장 일반적으로 사용되는 제조업체입니다. 우리는 3733 Mbps의 전송 속도에서 32비트 넓은 버스를 지원하는 장치를 사용할 것입니다.

Pi.MX8은 여러 메모리 용량으로 장착될 수 있습니다:

메모리 용량 표

Coral Edge TPU

코랄 엣지 TPU는 임베디드 장치에서 신경망 계산을 가속화하는 데 사용할 수 있습니다. Coral TPU는 종종 M.2 확장 카드 형태로 사용되며, 작은 LGA 패키지로도 제공됩니다.

이 모듈에는 텐서 프로세서와 TPU를 운영하는 데 필요한 전력 관리 IC가 포함되어 있습니다. 이용 가능한 처리 능력을 활용하기 위해 이 모듈에 PCIe 인터페이스를 제공해야 합니다.

이 모듈은 특정 사용 사례에만 한정되어 있고 비교적 비싸기 때문에 어셈블리 변형으로 구현할 것입니다.

WiFi/BLE 모듈

WiFi와 Bluetooth 저에너지는 IoT 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용되는 무선 인터페이스 중 하나입니다. 우리는 완전히 통합된 솔루션으로 MURATA LBEE5PK2BC 모듈을 사용할 것입니다.

이 모듈은 외부 구성 요소의 수를 최소화하면서 W-LAN과 Bluetooth를 모두 제공합니다. 모든 애플리케이션이 무선 연결을 필요로 하는 것은 아니기 때문에 WiFi/BLE 모듈도 어셈블리 변형으로 구현될 것입니다.

eMMC 저장소

eMMC 모듈은 Pi.MX8 모듈에 최대 32GB의 저장 용량을 제공합니다. LPDDR4 DRAM과 마찬가지로 동일한 패키지 및 핀아웃 표준을 준수하는 여러 제조업체 중에서 eMMC 저장 모듈을 선택할 수 있습니다. eMMC 모듈의 가장 일반적으로 사용되는 제조업체 중 하나는 SanDisk입니다.

데이터 저장 용량에 대한 높은 수요가 없는 애플리케이션을 위해 BOM 비용을 절약하기 위해 eMMC도 어셈블리 변형으로 구현될 것입니다.

핵심 구성 요소의 테스트 피팅

스키마틱 및 PCB 디자인 설정의 다음 단계로 넘어가기 전에, 우리가 방금 선택한 모든 구성 요소에 대한 공간 요구 사항을 빠르게 살펴보겠습니다.

이 목적을 위해 PCB 라이브러리 구성 요소를 설정하고 CM4 폼팩터의 PCB 윤곽 내에 배치할 수 있습니다.

핵심 구성 요소의 시험 조립

모든 핵심 구성 요소는 CM4 폼팩터 윤곽선 내의 상단 레이어에 맞습니다. 이러한 대략적인 배치는 상단에 큰 구성 요소를 위한 공간이 거의 남아 있지 않음을 보여줍니다. 우리가 사용하는 보드 대 보드 커넥터의 결합 높이는 단 2mm입니다. 이는 PCB 하단에 배치할 수 있는 구성 요소의 높이를 제한합니다. 이상적으로, 모든 핵심 구성 요소는 모듈 아래의 캐리어 보드에 배치될 수 있는 부품과 충돌하지 않도록 보드의 상단에 배치될 것입니다.

다음 단계는?

흥미로운 업데이트가 기다리고 있습니다! 구성 요소 선택을 완료함에 따라, 우리의 여정은 다가오는 업데이트에서 회로도를 확정하는 것으로 계속됩니다. 시작 부분의 PCB 레이아웃 스크린샷에서 무엇인가 빠진 것을 발견하셨나요? 그것은 이전 리비전이기 때문이며, 우리는 새로운 기능을 포함하기 위해 전체 PCB를 재배선하고 있습니다. 이 여정에 함께하고 임베디드 A365 뷰어와 우리의 공개 워크스페이스를 통해 실시간 진행 상황을 팔로우하세요! 놓치지 마세요—흥미진진한 변화를 기대하세요!