Auf meiner Visitenkarte läuft Linux

Übersetzung des Artikels von Blogs Ingenieur George Hilliard

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Ich bin Ingenieur für eingebettete Systeme. In meiner Freizeit suche ich oft nach Dingen, die ich für das Design zukünftiger Systeme verwenden kann, oder nach etwas aus meinen Interessengebieten.

Ein solches Gebiet sind günstige Computer, die Linux unterstützen können, und je günstiger, desto besser. Deshalb habe ich mich in ein tiefes Kaninchenloch von wenig bekannten Prozessoren eingegraben.

Ich dachte: „Diese Prozessoren sind so billig, dass man sie praktisch verschenken könnte“. Nach einiger Zeit kam mir die Idee, eine nackte Karte für Linux im Visitenkartenformat zu erstellen.

Sobald ich darüber nachdachte, entschloss ich mich, dass es sehr cool wäre, das zu machen. Ich hatte bereits gesehen elektronische Visitenkarten bis dieses, und sie hatten verschiedene interessante Fähigkeiten, wie das Emulieren von Flash-Karten, das Blinken von Lichtern oder sogar die drahtlose Datenübertragung. Visitenkarten mit Linux-Unterstützung hatte ich jedoch noch nie gesehen.

Also habe ich mir so eine gemacht.

Dies ist die fertige Version des Produkts. Ein vollwertiger Minimalcomputer auf ARM, auf dem meine spezielle Version von Linux läuft, erstellt mit Buildroot.

In der Ecke befindet sich ein USB-Port. Wenn man sie an einen Computer anschließt, bootet sie in etwa 6 Sekunden und wird wie ein Flash-Laufwerk und ein virtueller serielle Port erkannt, über den man auf die Shell der Karte zugreifen kann. Auf dem Flash-Laufwerk liegt eine README-Datei, eine Kopie meines Lebenslaufs und einige meiner Fotos. In der Shell gibt es einige Spiele, Klassiker aus Unix wie fortune und rogue, eine kleine Version des Spiels 2048 und einen MicroPython-Interpreter.

Das Ganze wurde mit einem sehr kleinen 8 MB Flash-Chip realisiert. Der Bootloader passt in 256 KB, der Kernel benötigt 1,6 MB und das gesamte Root-Dateisystem – 2,4 MB. Daher bleibt viel Platz für das virtuelle Flash-Laufwerk. Es gibt auch ein Home-Verzeichnis, das schreibbar ist – falls jemand etwas tut, das er speichern möchte. Das wird ebenfalls auf den Flash-Chip gespeichert.

Das gesamte Gerät kostet weniger als 3 $. Es ist so billig, dass man es verschenken könnte. Wenn Sie so ein Gerät von mir erhalten haben, bedeutet das, dass ich wahrscheinlich versuche, einen Eindruck bei Ihnen zu hinterlassen.

Design und Zusammenbau

Ich habe alles selbst entworfen und zusammengebaut. Es ist meine Arbeit, und ich liebe sie, und die größte Herausforderung bestand darin, genügend günstige Teile für ein solches Hobby zu finden.

Die Wahl des Prozessors war die wichtigste Entscheidung, die die Kosten und Umsetzbarkeit des Projekts beeinflusste. Nach intensiven Recherchen entschied ich mich für den F1C100s, einen relativ unbekannten Prozessor von Allwinner, der kostenoptimiert ist (d.h. verdammt billig). RAM und CPU sind in einem Gehäuse untergebracht. Ich kaufte die Prozessoren auf Taobao. Alle anderen Komponenten wurden bei LCSC erworben.

Die Platinen habe ich bei JLC bestellt. Für 8 $ wurden 10 Kopien angefertigt. Die Qualität ist beeindruckend, besonders für diesen Preis; sie sind zwar nicht so präzise wie die von OSHPark, sehen aber trotzdem gut aus.

Die erste Charge habe ich in mattschwarz gemacht. Sie sahen schön aus, waren aber sehr anfällig für Flecken.

Es gab ein paar Probleme mit der ersten Charge. Erstens war der USB-Anschluss nicht lang genug, um sicher in jedem USB-Port zu sitzen. Zweitens waren die Leiterbahnen für den Flash-Speicher falsch gemacht, aber ich habe das umschifft, indem ich die Kontakte umgebogen habe.

Nachdem ich alles in Betrieb geprüft hatte, bestellte ich eine neue Charge von Platinen; ein Foto davon können Sie zu Beginn des Artikels sehen.

Aufgrund der kleinen Größe all dieser kleinen Komponenten entschied ich mich, das Löten mit Reflow-Soldering [reflow solder] zu verwenden, mit Hilfe einer billigen Heizung. Ich habe Zugang zu einem Laser-Cutter, also schnitt ich eine Lötmaske aus Laminierfolie aus. Die Maske wurde ziemlich gut. Die Löcher für die Kontakte des Prozessors mit einem Durchmesser von 0,2 mm erforderten besondere Sorgfalt bei der Herstellung – es war entscheidend, den Laser richtig zu fokussieren und die Leistung einzustellen.

Um die Platine bei der Paste aufzutragen, eignen sich andere Platinen gut.

Ich habe die Lötpaste aufgetragen und die Komponenten manuell platziert. Ich sorgte dafür, dass an keiner Stelle im Prozess Blei verwendet wurde – alle Platinen, Komponenten und die Paste entsprechen dem Standard RoHS – damit ich ein reines Gewissen habe, wenn ich sie an Menschen verteile.

Mit dieser Charge habe ich ein wenig danebengegriffen, aber die Lötpaste verzeiht Fehler, und alles ließ sich gut zusammenbauen.

Für die Platzierung jeder Komponente brauchte ich etwa 10 Sekunden, also versuchte ich, ihre Anzahl so gering wie möglich zu halten. Mehr Details zur Gestaltung der Karte können in einem anderen meiner ausführlichen Artikel.

Materialliste und Kosten

Ich habe mich an ein strenges Budget gehalten. Die Visitenkarte ist genau so geworden, wie ich es mir vorgestellt habe – ich gebe sie gerne weiter! Natürlich werde ich sie nicht jedem und jedem weitergeben, da die Herstellung jedes Exemplars Zeit in Anspruch nimmt und meine Zeit nicht in den Kosten der Visitenkarte berücksichtigt ist (sie ist gewissermaßen kostenlos).

Komponente
Preis

F1C100s
$1.42

PCB
$0.80

8MB Flash
$0.17

Alle anderen Komponenten
$0.49

Insgesamt
$2.88

Es gibt natürlich noch Kosten, die schwer zu berechnen sind, wie zum Beispiel Versand (da sie sich auf die Komponenten verteilt, die für mehrere Projekte bestimmt sind). Aber für die Platine mit Linux-Unterstützung ist das definitiv sehr günstig. Diese Aufschlüsselung gibt auch einen guten Eindruck davon, wie viel es Unternehmen kostet, Geräte im Niedrigpreissegment herzustellen: Sie können sicher sein, dass es für die Unternehmen noch günstiger ist als für mich!

Funktionen

Was soll ich sagen? Die Karte lädt ein stark beschnittenes Linux in 6 Sekunden. Aufgrund des Formfaktors und der Kosten hat die Karte keine I/O-Anschlüsse, keine Netzwerkunterstützung und keinen nennenswerten Speicherplatz, um schwere Programme auszuführen. Dennoch ist es mir gelungen, viele interessante Dinge in das Firmware-Image zu packen.

USB

Es hätte viele interessante Möglichkeiten mit USB gegeben, aber ich habe die einfachste Variante gewählt, damit es für die Leute mit hoher Wahrscheinlichkeit funktioniert, wenn sie versuchen, meine Visitenkarte zu verwenden. Linux ermöglicht der Karte, sich wie ein 'Gerät' zu verhalten mit Unterstützung von Gadget Framework. Einige Treiber habe ich aus früheren Projekten genommen, die diesen Prozessor einschlossen, so dass ich Zugang zu allen Funktionen des USB-Gadget-Frameworks habe. Ich habe beschlossen, ein vorab generiertes Flash-Laufwerk zu emulieren und Zugriff auf die Shell über einen virtuellen seriellen Port zu gewähren.

Shell

Nach dem Login als Benutzer root kann man folgende Programme an der seriellen Konsole starten:

• rogue: ein klassisches Unix-Abenteuerspiel über Verliese;
• 2048: einfaches 2048-Spiel im Konsolenmodus;
• fortune: gibt verschiedene bedeutungsschwangere Zitate aus. Ich habe beschlossen, nicht die gesamte Zitatsammlung hier reinzupacken, um Platz für andere Funktionen zu lassen;
• micropython: ein sehr kleiner Python-Interpreter.

Emulation eines Flash-Laufwerks

Während der Kompilierung generieren die Build-Tools ein kleines FAT32-Image und fügen es als einen der UBI-Partitionen hinzu. Die Linux-Gadget-Subsystem stellt den PC als ein Speichermedium dar.

Wenn Sie interessiert sind, was auf dem USB-Stick erscheint, ist es am einfachsten, dies durch die Einsichtnahme in den Quellcode. Dort befinden sich auch einige Fotos und mein Lebenslauf.

Ressourcen

Quelltexte

Mein Buildroot-Baum ist auf GitHub verfügbar — thirtythreeforty/businesscard-linux. Dort ist der Code zur Generierung des NOR-Flash-Images zu finden, das über den USB-Bootmodus des Prozessors installiert wird. Es gibt auch alle Paketdefinitionen für Spiele und andere Programme, die ich in Buildroot eingefügt habe, nachdem alles funktioniert hat. Wenn Sie F1C100s in Ihrem Projekt verwenden möchten, ist dies ein hervorragender Ausgangspunkt (zögern Sie nicht, mir Fragen zu stellen).
Ich habe ein hervorragend ausgeführtes Projekt Linux v4.9 für F1C100s von Icenowy, etwas modifiziert. Auf meiner Karte läuft fast das Standard v5.2. Es ist auf GitHub verfügbar — thirtythreeforty/linux.
Ich denke, ich habe heute den besten U-Boot-Port für F1C100s weltweit, der teilweise auch auf der Arbeit von Icenowy basiert (überraschend, es stellte sich als ziemlich unangenehme Aufgabe heraus, U-Boot richtig zum Laufen zu bringen). Es kann ebenfalls auf GitHub heruntergeladen werden — thirtythreeforty/u-boot.

Dokumentation zu F1C100s

Ich habe ziemlich spärliche Dokumentation zu F1C100s gefunden und stelle sie hier zur Verfügung:

• Allwinner F1C100s Datenblatt – allgemeine Informationen und Pinbelegung.
• Allwinner F1C600 Handbuch – Registerdefinitionen für F1C600, der in Wirklichkeit dasselbe wie F1C100s ist, aber umbenannt mit der angegebenen Unterstützung für Linux (ha!).
• Ich habe aktiv Informationen aus dem Schaltplan von Sipeed’s Lichee Nano – dem Entwicklungsboard, das ich zur Softwareeinrichtung verwendet habe, bezogen.

Für Interessierte lade ich das Schema meines Projekts hoch.

Fazit

Ich habe viel gelernt während der Entwicklung dieses Projekts – es ist mein erstes Projekt, bei dem ich einen Reflowofen verwendet habe. Außerdem habe ich gelernt, Ressourcen für Komponenten mit schlechter Dokumentation zu finden.

Ich habe auf meinen Erfahrungen mit Embedded Linux und PCB-Entwicklung zurückgegriffen. Das Projekt hat seine Mängel, zeigt jedoch gut alle meine Fähigkeiten.

Interessierte an Details zur Arbeit mit Embedded Linux lade ich ein, meine Artikelreihe darüber zu lesen: Mastering Embedded Linux. Dort erkläre ich ausführlich, wie man Software und Hardware von Grund auf für kleine und kostengünstige Linux-Systeme erstellt, ähnlich dieser Visitenkarte.

Quelle: habr.com