Pi. MX8 Project – Giới thiệu và Tổng quan

Công ty Raspberry Pi đã phát triển loại máy tính bảng đơn phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường. Những máy tính bảng đơn mạnh mẽ này đã được sử dụng không chỉ trong cộng đồng người làm và người hâm mộ, mà còn trong lĩnh vực công nghiệp.

Khi lĩnh vực ứng dụng mở rộng, hình dạng của những bảng này đang trở thành tiêu chuẩn 'de facto' cho máy tính bảng đơn và mô-đun. Việc giới thiệu mô-đun tính toán CM4 vào cuối năm 2020 đã đánh dấu sự thiết lập của một tiêu chuẩn hình dạng mới cho hệ thống trên mô-đun.

Kể từ đó, các SoCs từ các nhà sản xuất như Allwinner và Rockchip, cùng với các FPGA mạnh mẽ, đã được tích hợp một cách liền mạch vào hình dạng CM4 được chấp nhận rộng rãi.

Động lực

Mô-đun Pi.MX8 sẽ gia nhập danh sách các mô-đun tương thích với CM4.

Với tất cả sự đa dạng này của các SoMs tương thích có sẵn, tại sao chúng ta nên đầu tư thời gian để thiết kế một biến thể khác?

Câu trả lời rất đơn giản: khi chúng ta xây dựng một hệ thống phức tạp và đôi khi tốn kém xung quanh một mô-đun máy tính, chúng ta cũng muốn có quyền kiểm soát thiết kế đối với chính mô-đun đó. Chúng ta muốn có quyền truy cập vào dữ liệu nguồn của sơ đồ và bố trí, chúng ta muốn có thể tự quyết định BOM của mô-đun trong trường hợp thiếu hụt linh kiện, và quan trọng nhất, chúng ta muốn có quyền truy cập vào tài liệu của tất cả các linh kiện được sử dụng trên PCB.

Tất cả điều này chỉ có thể thực hiện được trong bối cảnh của một dự án mã nguồn mở hoàn toàn, sử dụng các linh kiện có tài liệu sẵn có.

Hình ảnh của bản sửa đổi bố trí Pi.MX8 trước đó

Trong bài viết này và các bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu việc thiết kế một mô-đun tương thích CM4 hoàn toàn mã nguồn mở. Cuối hành trình của chúng tôi, dữ liệu nguồn cho mô-đun tương thích CM4 sẽ được công bố để bất kỳ ai cũng có thể xem xét, sửa đổi hoặc xây dựng dựa trên nó!

Chọn SoC chính

Khối xây dựng cơ bản mà chúng ta phải định rõ trước khi chọn bất kỳ thành phần ngoại vi nào là Hệ thống trên Chip. Có một SoC đáp ứng tất cả các yêu cầu về tài liệu dễ tiếp cận và được sử dụng rộng rãi trong ngành, i.MX8M Plus từ NXP.

SoC này có sẵn trong nhiều biến thể, từ hai đến bốn lõi Cortex-A53 với tốc độ lên đến 1.8 GHz. Ngoài ra, một lõi cortex M7 phụ và một bộ tăng tốc máy học tích hợp cũng có sẵn trong dòng vi xử lý này.

Các tính năng phần cứng của i.MX8M Plus SoC - nguồn hình ảnh: Trang web NXP

i.MX8 cung cấp gần như tất cả các giao diện ngoại vi giống như BCM2711 được sử dụng trên mô-đun Raspberry Pi CM4 với một ngoại lệ lớn:

Chỉ có một giao diện HDMI có sẵn trên i.MX8 so với hai cổng có sẵn trên BCM2711. Hạn chế này có thể được vượt qua bằng cách sử dụng cầu DSI sang HDMI. Để giữ cho số lượng linh kiện và độ phức tạp thấp, IC này sẽ không được tích hợp trên mô-đun của chúng tôi trong thời gian này.

Ngoài giao diện HDMI thứ hai thì i.MX8 rất phù hợp với ứng dụng của chúng tôi!

Các thành phần ngoại vi

Sơ đồ khối cấp cao của mô-đun chỉ bao gồm một vài thành phần chính. Khối xây dựng trung tâm là SoC i.MX8, cung cấp tất cả các giao diện cho các thành phần ngoại vi cần thiết. Nói một cách đơn giản, chúng tôi đang xây dựng một bảng mạch phát triển cho vi xử lý i.MX8:

Sơ đồ khối của Pi.MX8

PMIC

Hãy bắt đầu bằng cách xem xét nguồn cung cấp điện cho hệ thống. IC quản lý điện năng (PMIC viết tắt) cung cấp một số đường ray điện áp cần thiết cho SoC, nhưng cũng được thiết kế để cung cấp điện cho các giao diện như kết nối thẻ SD.

PMIC cũng chịu trách nhiệm đảm bảo trình tự khởi động và tắt nguồn chính xác, điều này có thể trở nên khá phức tạp đối với các SoC lớn hơn.

NXP cung cấp một PMIC được phát triển đặc biệt để sử dụng với bộ xử lý ứng dụng i.MX 8M. IC này cung cấp tới 11 đường ra áp dụng được tạo ra bởi sự kết hợp của các bộ chuyển đổi buck và LDOs. Các điện áp cốt lõi cho SoC được tạo ra bởi các bộ chuyển đổi buck vì yêu cầu dòng điện khá cao ở điện áp hoạt động thấp. Đường ra điện áp, cung cấp cho bốn lõi A53, được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi buck hai pha tích hợp trong PMIC để đáp ứng nhu cầu dòng điện cao.

PMIC mà chúng tôi sẽ sử dụng là PCA9450.

NOR Flash

Một NOR flash có dung lượng thấp có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đặc biệt của bảng mạch cũng như một phương tiện khởi động. Bộ xử lý i.MX8 hỗ trợ một số giao diện SPI để truy cập vào phương tiện khởi động. Trong trường hợp này, chúng tôi đang sử dụng một giao diện SPI tứ để kết nối với một NOR flash SPI 32MB.

Thiết bị là IS25WP256D-RHLE từ Integrated Silicon Solution, Inc.

Gói cụ thể này và bố trí chân cũng có sẵn từ các nhà sản xuất khác nhau, làm cho việc thay thế linh kiện trở nên khả thi trong trường hợp có vấn đề về sẵn có.

Ethernet PHY

Ethernet PHY cần hỗ trợ tốc độ gigabit cũng như giao thức thời gian chính xác để tương thích với chức năng CM4. Giao diện với SoC nên là một giao diện độc lập giảm tốc độ gigabit (RGMII). Loại giao diện này được hỗ trợ bởi một loạt các ethernet PHY cho các ứng dụng nhúng.

Chúng tôi sẽ sử dụng LAN8840 từ Microchip Technology.

PHY này hỗ trợ cả tốc độ gigabit cũng như đánh dấu thời gian chính xác cao theo IEEE 1588- 2008 (v2). Gói QFN48 cũng tương đối gọn nhẹ giúp tiết kiệm không gian quý báu trên bảng mạch của mô-đun.

DRAM

Chúng tôi sẽ sử dụng bộ nhớ DDR4 tiết kiệm năng lượng trên mô-đun Pi.MX8. Một số nhà sản xuất cung cấp IC LPDDR4 trong cùng một gói và bố trí chân giúp dễ dàng đối phó với các vấn đề về sẵn có hoặc hỗ trợ nhiều dung lượng bộ nhớ. Samsung và Micron là những nhà sản xuất được sử dụng phổ biến nhất cho các thiết bị LPDDR4. Chúng tôi sẽ sử dụng các thiết bị hỗ trợ một bus rộng 32-bit với tốc độ truyền dữ liệu 3733 Mbps.

Pi.MX8 có thể được trang bị nhiều dung lượng bộ nhớ:

Bảng Dung Lượng Bộ Nhớ

Coral Edge TPU

Coral edge TPU có thể được sử dụng để tăng tốc tính toán mạng nơ-ron trên các thiết bị nhúng. Coral TPU thường được sử dụng dưới dạng thẻ mở rộng M.2 và cũng có sẵn trong gói LGA nhỏ.

Mô-đun này chứa bộ xử lý tensor cũng như IC quản lý năng lượng cần thiết để vận hành TPU. Chúng ta cần cung cấp giao diện PCIe cho mô-đun này để sử dụng khả năng xử lý có sẵn.

Vì mô-đun này chỉ dành riêng cho một số ít trường hợp sử dụng và có giá tương đối cao, chúng tôi sẽ triển khai nó như một biến thể lắp ráp.

Mô-đun WiFi/BLE

WiFi và Bluetooth low energy là một trong những giao diện không dây được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng IoT. Chúng tôi sẽ sử dụng mô-đun MURATA LBEE5PK2BC như một giải pháp tích hợp đầy đủ.

Mô-đun này cung cấp cả W-LAN và Bluetooth trong khi giảm thiểu số lượng linh kiện bên ngoài cần thiết. Không phải ứng dụng nào cũng cần kết nối không dây, đó là lý do tại sao mô-đun WiFi/BLE cũng sẽ được triển khai như một biến thể lắp ráp.

Bộ nhớ eMMC

Một mô-đun eMMC cung cấp dung lượng lưu trữ lên đến 32GB cho mô-đun Pi.MX8. Giống như DRAM LPDDR4, chúng ta có thể chọn giữa nhiều nhà sản xuất cho mô-đun lưu trữ eMMC tuân thủ cùng một tiêu chuẩn gói và chân kết nối. Một trong những nhà sản xuất mô-đun eMMC được sử dụng phổ biến nhất là SanDisk.

eMMC cũng sẽ được triển khai như một biến thể lắp ráp để tiết kiệm chi phí BOM cho các ứng dụng không có nhu cầu cao về dung lượng lưu trữ dữ liệu.

Thử nghiệm vừa vặn các thành phần chính

Trước khi chuyển sang giai đoạn tiếp theo của việc thiết lập sơ đồ mạch và thiết kế PCB, hãy xem qua nhanh các yêu cầu về không gian cho tất cả các thành phần mà chúng tôi vừa chọn.

Với mục đích này, chúng ta có thể thiết lập các thành phần thư viện PCB và đặt chúng trong đường viền PCB của formfactor CM4.

Thử vừa các linh kiện chính

Tất cả các linh kiện chính đều vừa vặn trên lớp trên cùng trong khuôn khổ hình dạng CM4. Việc đặt thô này cũng cho thấy rằng không còn nhiều không gian cho các linh kiện lớn hơn ở mặt trên. Chiều cao ghép nối của các kết nối board-to-board mà chúng tôi sử dụng chỉ là 2mm. Điều này hạn chế chiều cao của các linh kiện mà chúng tôi có thể đặt ở mặt dưới của PCB. Lý tưởng nhất, tất cả các linh kiện chính sẽ được đặt ở mặt trên của bảng mạch để tránh bất kỳ va chạm nào với các bộ phận có thể được đặt trên bảng mang dưới mô-đun.

Tiếp theo là gì?

Những cập nhật thú vị phía trước! Với việc lựa chọn linh kiện hoàn tất, hành trình của chúng tôi tiếp tục để hoàn thiện sơ đồ mạch trong bản cập nhật sắp tới. Có nhận ra điều gì thiếu trong ảnh chụp màn hình bố trí PCB ở đầu không? Đó là vì đó là một phiên bản cũ, và chúng tôi đang chuyển đổi lại toàn bộ PCB để tích hợp chức năng mới. Hãy tham gia cùng chúng tôi và theo dõi tiến độ thực tế thông qua trình xem A365 được nhúng và không gian làm việc công cộng của chúng tôi! Đừng bỏ lỡ—hãy chờ đợi sự biến đổi hấp dẫn!