На моята визитка работи Linux.

Превод на статия от блог инженера Джорджа Хилиард

Кликабелно

Аз съм инженер по вградени системи. В свободното си време често търся неща, които могат да се използват в проектирането на бъдещи системи, или нещо свързано с моите хобита.

Една от тези области са евтини компютри, способни да поддържат Linux, и колкото по-евтино, толкова по-добре. Затова се зарових в дълбока кролява нора на малко известни процесори.

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

Веднага след като помислих за това, реших, че би било много яко да направя такава. Аз вече видях електронни визитки до този, и те имаха различни интересни възможности, като емулиране на флаш карти, мигане на лампи или дори безжично предаване на данни. Въпреки това визитки, които да поддържат Linux, не бях срещал.

Така че направих такава за себе си.

Това е завършената версия на продукта. Пълноценен минимален компютър на ARM, на който работи моята специална версия на Linux, създадена с помощта на Buildroot.

В ъгъла му има USB порт. Ако го свържете към компютър, той се зарежда за около 6 секунди и се вижда като флаш носител и виртуален сериен порт, през който можете да получите достъп до командния ред на картата. На флашката има файл README, копие на резюмето ми и няколко мои снимки. В командния ред има няколко игри, класики от Unix като fortune и rogue, малка версия на играта 2048 и интерпретатор на MicroPython.

Всичко това е направено с помощта на много малък флаш чип от 8MB. Бутлоудерът заема 256KB, ядрото 1,6MB, а цялата root файлова система 2,4MB. Затова остава много място за виртуалната флашка. Има също така 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. Достатъчно е 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

Проектирах и сглобих всичко сам. Това е моя работа и ми харесва, а голяма част от трудностите се състоеше в намирането на достатъчно евтини компоненти за такова хоби.

Изборът на процесора беше най-важното решение, което оказа влияние върху цената и осъществимостта на проекта. След активни изследвания избрах F1C100s, сравнително малко известен процесор от Allwinner, оптимизиран за цена (т.е. адски евтин). В един корпус се намират както RAM, така и CPU. Процесорите купих от Taobao. Всички останали компоненти бяха закупени от LCSC.

Платките поръчах от JLC. За $8 ми направиха 10 копия. Качеството им е впечатляващо, особено за такава цена; не са толкова прецизни като на OSHPark, но все пак изглеждат добре.

Първата партида направих матово-черна. Изглеждаха красиво, но бяха много уязвими на замърсявания.

С първата партида имах няколко проблема. Първо, USB конекторът не беше достатъчно дълъг, за да стои надеждно в който и да е USB порт. На второ място, пистовете за флаш памет бяха направени неправилно, но заобиколих това, като извивах контактите.

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

Заради малкия размер на всичките тези малки компоненти реших да използвам процеса на оплавяне на спойката [reflow solder] с помощта на евтина фурна. Имам достъп до лазерен рязач, така че изрязах шаблон за запояване от ламинатна фолио. Получи се шаблон достатъчно добре. Отворите за контактите на процесора с диаметър 0.2 мм изискваха особено внимание за качественото производство – критично важен беше правилният фокус на лазера и подбора на неговата мощност.

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

Нанесох спойка и подредих компонентите ръчно. Убедих се, че никъде в процеса не се използва олово – всичките платки, компоненти и паста отговарят на стандарта RoHS – за да не ме мъчи съвестта, когато ги раздавам на хора.

С тази партида малко не уцелих, но спойката прощава грешки и всичко се сглоби нормално

За подреждането на всеки компонент отнемаше около 10 секунди, така че се опитах да минимизирам тяхното количество. Повече подробности за проектирането на платката можете да прочетете в друга моя детайлна статия.

Списък на материалите и цената

Следвах стриктен бюджет. Визитката се получи точно така, както я замислих – не ми е жал за нея! Разбира се, няма да я раздавам на всеки, тъй като производството на всеки екземпляр отнема време, а моето време не се отчита в цената на визитката (то е по същество безплатно).

Компонент
Цена

F1C100s
$1.42

PCB
$0.80

8MB флаш
$0.17

Всички останали компоненти
$0.49

Общо
$2.88

Нормално, има и други разходи, които е трудно да се изчислят, като например доставка (тъй като тя е разпределена между компонентите, предназначени за няколко проекта). Все пак, за платка с поддръжка на Linux, това е определено доста евтино. Също така, това разпределение дава добра представа за разходите, необходими на компаниите за производство на устройства в най-ниския ценови сегмент: можете да сте сигурни, че на компаниите това им струва дори по-евтино, отколкото на мен!

Възможности

Какво да кажа? Платката зарежда много ограничена версия на Linux за 6 секунди. Заради форм-фактора и цената, платката няма I/O, мрежова поддръжка или сериозен обем памет за стартиране на тежки програми. Все пак, успях да напъха в образа на фърмуера много интересни неща.

USB

С USB можеше да се измисли много интересно, но избрах най-простия вариант, за да могат хората с голяма вероятност да заработят, ако решат да пробват моята визитка. Linux позволява на платката да се държи като 'устройство' с поддръжка на Gadget Framework. Някои драйвери взех от предишни проекти, включващи този процесор, затова имам достъп до цялата функционалност на платформата USB gadget framework. Реших да еймулирам предварително генериран флаш-диск и да дам достъп до обвивката чрез виртуален серийно порт.

Обвивка

След логин под потребителя root на серийната конзола, могат да се стартират следните програми:

• rogue: класическа приключенска игра за Unix за подземия;
• 2048: проста игра в 2048 в конзолен режим;
• fortune: показва разнообразни изрази. Реших да не включвам целия набор от цитати, за да остане място за други функции;
• micropython: много малък интерпретатор на Python.

Емуляция на Flash Drive

По време на компилирането инструментите за изграждане генерират малък образ FAT32 и го добавят като един от разделите на UBI. Платформата на gadget-ите в Linux представя компютъра като устройство-накопител.

Ако искате да видите какво се съдържа в флашката, най-лесният начин е да се запознаете с изходниците. Там има и няколко снимки и моето резюме.

Ресурси

Изходни кодове

Дървото ми на Buildroot е публикувано в GitHub — thirtythreeforty/businesscard-linux. Там има код за генериране на флаш образ на NOR, който се инсталира чрез режим на изтегляне по USB на процесора. Там също така има всички определения на пакетите за игри и други приложения, които добавих в Buildroot след като всичко заработи. Ако искате да използвате F1C100s в своя проект, това би било отлична отправна точка (не се колебайте да ми задавате въпроси).
Използвах перфектно изпълнен проект Linux v4.9 за F1C100s, сътворен от Icenowy, като малко го преработих. На моята карта работи почти стандартна v5.2. Тя е публикувана в GitHub — thirtythreeforty/linux.
Мисля, че днес имам най-добрия порт на U-Boot за F1C100s в света, и той е частично основан на работата на Icenowy (изненадващо, създаването на U-Boot да работи както трябва се оказа доста неприятна задача). Може също да се изтегли 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 регистри за F1C600, който всъщност е същият като F1C100s, но преименуван с обявена поддръжка за Linux (ха!).
• Активно заимствах информация от схемата на Sipeed’s Lichee Nano – платформа за разработка, която използвах за настройка на софтуера.

За любопитните качвам схема на моя проект.

Заключение

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

Съобразявах се с натрупания ми опит в работата с вградения Linux и опита си в разработката на платки. Проектът не е без недостатъци, но добре демонстрира всичките ми умения.

На заинтересованите в детайли за работа с вградения Linux предлагам да прочетат моята серия 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 тази моя визитка.

Източник: habr.com