На визитката ми работи Linux

Превод на статия от блога инженера Джорджа Хилиарда

Кликабелно

Аз съм инженер по вградени системи. В свободното си време често търся неща, които мога да използвам при проектирането на бъдещи системи или неща, свързани с моите интереси.

Една от тези области са евтини компютри, които могат да поддържат Linux, и колкото по-евтино, толкова по-добре. Затова навлязох дълбоко в кроличата дупка на малко известни процесори.

Помислих си: "Тези процесори са толкова евтини, че почти могат да се раздават безплатно". И след известно време ми дойде идея да направя гола карта за Linux във формата на визитна картичка.

След като помислих за това, реших, че ще бъде много готино да го направя. Аз вече видях електронни визитки до този, и те имаха различни интересни възможности, като еймулиране на флаш карти, мигане на лампички или дори безжична предаване на данни. Обаче не бях срещал визитки с поддръжка на Linux.

Така че направих такава за себе си.

Това е завършената версия на продукта. Пълноценно минимално компютърче на ARM, на което работи моята специална версия на Linux, създадена с помощта на Buildroot.

В ъгъла има USB порт. Ако го свържете към компютър, той зарежда за около 6 секунди и се вижда като флаш карта и виртуален сериен порт, през който можете да влезете в консолата на картата. На флашката има файл README, копие от моето резюме и няколко мои снимки. В конзолата има няколко игри, класики от Unix като fortune и rogue, малка версия на играта 2048 и интерпретатор MicroPython.

Всичко това е направено с много малък флаш чип от 8 MB. З bootloader-a се побира в 256 KB, ядрото заема 1,6 MB, а цялата root файлова система – 2,4 MB. Затова остава много място за виртуалната флашка. Там има и домашна директория, достъпна за запис – ако някой направи нещо, което иска да запази. Всичко това също се запазва на флаш чипа.

Цялото устройство струва по-малко от 3 $. То е достатъчно евтино, за да може да се раздава. Ако сте получили такова устройство от мен, това означава, че вероятно се опитвам да ви впечатля.

Проектиране и сглобяване

Аз сам проектирах и сглобих всичко. Това е моя работа и ми харесва, а голяма част от трудностите идваха от търсенето на достатъчно евтини части за такова хоби.

Изборът на процесора беше най-важното решение, влияещо на цената и реализуемостта на проекта. След активни проучвания избрах F1C100s, сравнително малко известен процесор на Allwinner, оптимизиран по цена (т.е. изключително евтин). В един корпус се намират и RAM, и CPU. Закупих процесорите от Taobao. Всички останали компоненти са закупени от LCSC.

Платките поръчах от JLC. За 8 $ ми направиха 10 копия. Качеството им впечатлява, особено за тази цена; не са толкова прецизни, колкото тези от OSHPark, но все пак изглеждат добре.

Първата партида направих матово черни. Изглеждаха красиво, но бяха много мръсни.

С първата партида имаше няколко проблема. На първо място, USB конекторът не беше достатъчно дълъг, за да стои надеждно в различни USB портове. На второ място, трасетата за флаш памет бяха направени неправилно, но се справих, извивайки контактите.

След като проверих всичко в работа, поръчах нова партида платки; снимка на една от тях можете да видите в началото на статията.

Поради малкия размер на всички тези малки компоненти реших да прибегна до припой с оплавяне [reflow solder] с използване на евтина фурна. Имам достъп до лазерна резачка, затова изрязах на нея шаблон за запояване от фолио за ламиниране. Получи се доста добър шаблон. Отворите за контактите на процесора с диаметър 0.2 мм изискваха особена грижа за качествено производство – критично важно беше да насочим лазера правилно и да подберем мощността му.

За задържане на платката при нанасяне на пастата добре подхождат и други платки

Нанесох запоителна паста и подредих компонентите на ръка. Погрижих се на никъде в процеса да не се използва олово – всички платки, компоненти и паста отговарят на стандарта RoHS – за да не ме мъчи съвестта, когато ги раздавам на хора.

С тази партида малко се провалих, обаче запоителната паста прощава грешки и всичко се събра нормално.

За всяко разположение на компонентите отнемаше около 10 секунди, затова се опитах да направя количеството минимално. Повече подробности относно проектирането на платката можете да прочетете в друга моя подробна статия.

Списък на материалите и цената

Спазвах строг бюджет. Визитката се получи така, както я замислих – не ми е жал за да я давам! Разбира се, няма да я раздавам на всеки и всяка, тъй като изработката на всяко копие отнема време, а моето време не влиза в цената на визитката (то е като безплатно).

Компонент
Цена

F1C100s
$1.42

PCB
$0.80

8MB флаш
$0.17

Всички останали компоненти
$0.49

Итого
$2.88

Разбира се, има и допълнителни разходи, които са трудни за изчисляване, като доставка (тъй като тя е разпределена между компонентите, предназначени за няколко проекта). Въпреки това, за платка с поддръжка на Linux, определено е много евтино. Освен това, това разпределение дава добро представа за това колко излиза на компаниите производството на устройства в най-ниския ценови сегмент: можете да бъдете уверени, че за компаниите е още по-евтино, отколкото за мен!

Възможности

Какво да кажа? Карта зарежда силно ограничен Linux за 6 секунди. Поради формата и цената, картата няма I/O, мрежова поддръжка или значителен обем хранилище за стартиране на тежки програми. Въпреки това, успях да вмъкна в образа на фърмуера много интересни неща.

USB

С USB можеше да се измисли много интересни неща, но аз избрах най-простия вариант, за да е вероятността на хората всичко да заработи, ако решат да опитат моята визитка. Linux позволява на картата да функционира като "устройство" с поддръжка на Gadget Framework. Някои драйвери взех от предишни проекти, включващи този процесор, така че имам достъп до цялата функционалност на платформата USB gadget framework. Реших да емулирам предварително генериран флаш-диск и да дам достъп до обвивката чрез виртуален последователен порт.

Оболка

След логин под потребител root на последователната конзола могат да се стартират следните програми:

• rogue: класическа за Unix приключенска игра за подземия;
• 2048: проста игра в 2048 в конзолен режим;
• fortune: извежда различни пафосни изречения. Реших да не включвам цялата база от цитати, за да остане място за други функции;
• micropython: много малък интерпретатор Python.

Емуляция на флаш-диск

По време на компилацията инструментите за събиране генерират малък образ FAT32 и го добавят като една от разделите на UBI. Подсистемата за гаджети на Linux представя това ПК като устройство-накопител.

Ако се интересувате да видите какво има на флашката, най-лесно е да се запознаете с източниците. Там също има няколко снимки и моето резюме.

Ресурси

Изходните кодове

Моето дерево Buildroot е качено в GitHub — thirtythreeforty/businesscard-linux. Там има код за генериране на флаш-образ NOR, който се инсталира чрез режима на изтегляне по USB на процесора. Там също така са всички определения на пакета за игри и други програми, които добавих в Buildroot след като всичко проработи. Ако искате да използвате F1C100s в проекта си, това ще бъде отлична отправна точка (не се колебайте да ми задавате въпроси).
Използвах перфектно изпълнен проект Linux v4.9 за F1C100s от Icenowy, малко переработен. На моята карта работи почти стандартна v5.2. Тя е качена в GitHub — thirtythreeforty/linux.
Мисля, че днес имам най-добрия порт на U-Boot за F1C100s в света и той частично също се базира на работата на Icenowy (изненадващо, да накараш U-Boot да работи както трябва се оказа доста неприятна задача). Можете също да я вземете от GitHub — thirtythreeforty/u-boot.

Документация за F1C100s

Намерих доста оскъдна документация за F1C100s и я публикувам тук:

• Allwinner F1C100s Datasheet – обща информация и разпиновка.
• Allwinner F1C600 Reference Manual – определения на регистрите за F1C600, който всъщност е същият F1C100s, но преименуван с обявена поддръжка за Linux (ха!).
• Активно съм заимствал информация от схемата на Sipeed’s Lichee Nano – платформа за разработка, която използвах за настройка на софтуера.

За любопитните качвам схемата на проекта ми.

Заключение

Научих много по време на разработката на този проект – това е първият ми проект, в който използвах пещ за запояване с топене на припой. Също така научих как да намирам ресурси за компоненти с лоша документация.

Използвах знанията си от работа с вградения Linux и отразработка на платки. Проектът не е без недостатъци, но доста добре показва всичките ми умения.

На интересуващите се от подробности относно работата с вградения Linux предлагам да прочетат моята поредица статии по темата: Mastering Embedded Linux. Там подробно описвам как да създавате софтуер и хардуер от нулата за малки и евтини Linux системи, подобни на моята визитка.

Източник: habr.com