制作自己的嵌入式 Linux 電腦

　　當今所有最好的集成電路都大規(guī)模的使用BGA封裝法來焊接。因為BGA封裝法連接在芯片底下，焊接更緊，需要使用回流焊箱或者熱印版。另一個問題是設計PCB(印刷電路板)時，過孔和引線之間的焊接球需要足夠小，主板上通常需要更多層來為緊挨的引線來騰出空間，這意味著一個廉價的中國產(chǎn)的兩層主板沒有足夠的空間，所以需要更多的層。附加層則會顯著提高主板的成本 ，就算只多了幾個拷貝。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

　　我想設計一款內置BGA芯片的主板來體驗下焊接它們究竟是有多難。于是我決定設計一個可運行Linux的小型ARM嵌入式系統(tǒng)，使用的ARM處理器是在一個217球的LFBGA包中的AT91SAM9N12，只是因為在帶有運行Linux必需的內存管理單元的ARM處理器中，它是最便宜的。起初我只想用一塊BGA芯片，但是BGA包中的RAM比其他包里要便宜很多，所以我就決定在BGA包也增加一塊DDR2(Double Data Rate 2)的內存。

　　為最大化可用空間定位過孔。

　　結果尋找主板生產(chǎn)商還頗費了一番周折。兩層的空間是還不夠的，至少需要4層。217-LFBGA包的球直徑是0.4mm，臨接球的距離是0.8mm。為了給過孔多留些空間，球的焊盤布局做的要比焊球要稍小一些。我用的0.36mm的焊盤。在4個球之間放置過孔會最大程度的利用可用空間。廠商要能制造可以放進0.8mm寬度的過孔。幾乎所有廠商都可以制造這種直徑大小的過孔，但問題是：這個距離包括了過孔的鉆孔直徑，兩倍的過孔繞環(huán)的寬度 ，兩倍的過孔和引線之間的最小距離。比如，iTead的4層主板最小的過孔鉆孔直徑是0.3mm， 最小環(huán)寬度是0.15mm，過孔和引線的最小距離是0.15mm，加起來是0.9 mm，這意味著最小尺寸的過孔不能放在BGA球之間。我發(fā)現(xiàn)的唯一一家可以實現(xiàn)這一要求而且價錢相對合理的生廠商是OSH parks。他們的四層主板有更小的限制，過孔剛剛可以放進BGA球里面。額外的好處是，對于小主板而言，它要比iTead更便宜一些。

　　在OSH park設計原則下最小的過孔，剛剛能放下。

　　即使過孔可以放進BGA 球中間，仍然有一些問題：過孔中間沒有足夠的空間走線。這意味著要讓每一個焊盤都有一個過孔的標準布線通道是不可能了。這就是說主板需要有足夠的未經(jīng)連接的焊盤，所以過線需要從里面進行布置。幸運的是，處理器還有很多通用的未連接的I/O引腳。

　　… 如果不違反設計原則的話，過線就不能正好在兩個過孔之間穿過。CAS 過線沒有足夠的空間來放入DQM0 和 D15過孔。

　　生產(chǎn)問題解決了，是時候開始想想主板上該放哪些部件了。我并不很在乎這塊主板的實際用處，相對于用處而言，整個項目更是一個學習的過程。為了降低成本，主板的尺寸要小。這意味著不會為其他額外的接口預留空間，比如：以太網(wǎng)，串口或者SD卡。

　　除了處理器和RAM外，其他必需的部件是：大內存，電壓調整器，以及處理芯片重置的監(jiān)控電路。處理器可以從NAND啟動，但是以防萬一我決定為引導裝載程序加入Dataflash(數(shù)據(jù)閃存)，雖然最終會很少被用到。對于大內存而言，NAND是一個很好的選擇因為他容量大又便宜。在BGA包中加入會更便宜些，但我已經(jīng)被兩個BGA包折騰的夠嗆了，所以我決定在一個48引腳的TSOP(薄型小尺寸封裝)包里面使用4GB的NAND。連接各個組件在處理器的清單表中已經(jīng)解釋的很好了，但是在上千頁的文檔中要找到全部的細節(jié)還是很難的。Atmel 也發(fā)布了一個試用板的原理圖，在設計主板時會很有幫助。

　　DDR2 引線空間應該有一定的自由度。正常的引線應該長度合適，有可控的阻抗和可以終止或者串聯(lián)電阻。在開發(fā)板的參考設計中，所有DDR2的信號使用了串聯(lián)電阻。我沒有足夠的空間放置他們，所以我決定暫且放著不管。阻抗也不是50歐姆，因為我必須使用小一些的引線來填充其他的空間。我希望的是，因為RAM更靠近處理器，就算缺少串聯(lián)電阻箱或者阻抗不匹配，關系也不大。所有從CPU到RAM的連線大約是25mm長。通常的經(jīng)驗是：如果引線的長度要超過信號波長的10%時，轉換線的影響應該被考慮進去。這種情況意味著頻率大約在1 GHz以上。RAM的時鐘頻率只有133 MHz， 甚至頭幾個諧波還在1 GHz以下，這預示著應該會正常工作。為了保證可行，我?guī)缀跬耆ヅ淞艘€的長度，但這也許不是必須的。

　　供電有些復雜。處理器核心的電壓是1伏特，RAM需要1.8伏特， NAND需要3.3 伏特。因為從USB輸入電壓是5伏特，主板需要有三種不同的電壓適配器。正常情況下比較好的做法是：在主板上為電力供應保留一層并且保持它與信號脫離，來降低電力供應的阻抗，但是主板只有4層，而且其中一層要用于做底板。這意味著只有兩層留給做信號處理，這顯示不夠。所以我沒有單獨拿出一層來供電，而是在不同的層里為不同的供電做了一些擋板。

　　對于USB供電的應用，線形調整器的電力損失在最壞的情況下太大了些，所以我決定用3.3伏特的調整器作為一個更有效的可切換開關的調整器。1.0伏特和1.8伏特的調整期是一個以3.3伏特作為輸入電壓的線性調整器。因為線形調整器的損失決定于輸入和輸出電壓的差，所以使用3.3伏特的電壓比5伏特的電壓提高了效率。

　　電路圖。PDF

　　PCB布局，尚未焊錫。

　　焊接

　　空的電路板。

　　焊錫和部件被固定到背面。焊錫是用牙簽手動固定的。這兒的部件都是1mm(0.04英寸)長。我只拿上一些做下試驗，先看下他們如何回流的。如果情況不太好，我會換另外一塊板子。

　　使用一個烤箱和自制的控制器來控制回流。

　　回流之后。三個部件被焊接到一個錯誤的地方。我最后還是把它們拿出來了，在主板上有足夠的解耦的電容器，即使丟了一小部分，也不過有什么影響。我還錯誤的把一個電容器放在左上的位置，但那兒其實應該是一個電阻。

　　對于上層，我有一個OSH的模板，所以我不必手動把焊錫弄到BGA板上。直接按到桌子上，我就把主板和模具焊牢了。

　　模板隊形排列很整齊。

　　這看起來有些過了，但是幾乎所有的焊錫都可以用了。還需要一些額外的焊錫來讓模具平整一些。

　　把焊錫鋪開，然后挪掉模具。比我自己手動弄的背面要好的多。

　　我從一個非BGA的部件開始。它們是用一雙沉穩(wěn)的手用鉗子固定的。

　　CPU 和我的指尖。球間距是0.8mm。許多新的BGA甚至使用小于0.5mm的間距。

　　BGA固定在板上。部件放置的位置誤差需要小于0.4mm，否則可能和一個行間隔焊接，而且因為焊球在芯片下面，不能檢查。沒有絲網(wǎng)印刷的邊界，幾乎不可能按照要求的精度放置。有了絲網(wǎng)印刷，只需沿著絲網(wǎng)印刷邊沿對齊即可，很容易。

　　回焊正面，抬高PCB，這樣底面的部件也不會觸到其他地方。焊接表面的拉力會保持底面不倒下。

　　過烤箱后。焊接口看上去很好看，所有部件仍然在他們應該的位置上。

　　焊接NAND Flash。我的焊接鐵片要比引腳大一些。一次焊接一個引腳太困難了。簡單些的辦法是灌錫后，用吸錫帶把多余的吸出來。

　　在移除多余焊錫后，焊接口現(xiàn)在質量很高了。

　　在加入供電頭和調試串口后，主板焊接完畢。

　　最終的成品。

　　另一面，空著的位置是位Dataflash準備的。

　　在把USB纜線接到USB設備口上，沒有出現(xiàn)什么意外，而且我看到了一個新的串口 /dev/ttyACM0 出現(xiàn)。再用SAM-BA程序(用來對啟動加載程序和內核編程)打開，一切都能用了。許多人說焊接BGA很難，但是從這次經(jīng)驗來看，我覺得還好。也許只是幸運吧，但是我的確沒出什么問題就搞定了。

　　打開SAM-BA。At91sam9n12ek是Atmel針對這款處理器提供的開發(fā)工具，他的配置同樣適用于這塊板。

　　DDR2 也可以工作，執(zhí)行程序，并且可以寫回NAND。一切都OK。

　　軟件

　　軟件啟動加載程序

　　啟動進程開始工作時，內部的ROM加載器嘗試在不同的內存區(qū)域發(fā)現(xiàn)一個合法的程序。他會掃描SPI (串行外設接口)緩存，SD卡，NAND flash，二級SPI flash 還有I2C EEPROM 對于一個合法的程序。一旦發(fā)現(xiàn)一個，馬上就啟動它，否則就會進入SAM-BA監(jiān)控器，也就是進入調試模式，此時處理器會監(jiān)聽來自串口和USB端口的指令。這種模式下可以對bootloader進行編程。

　　ROM 啟動不能直接啟動linux內核，所以需要一個二級的啟動加載器。它會初始化RAM和時鐘，然后開始加載linux內核。AT91 Bootstrap 是一個現(xiàn)成的啟動加載器，可以完成這一系列操作。它被放在NAND flash開始的地方，或者如果我填充這些位置，它可能被放到Dataflash。即使AT91 bootstrap 可以直接啟動linux，對于調試而言，之后啟動U-boot的bootloader 對調試更有用。U-boot是它自帶的基于命令行的微操作系統(tǒng)，可以讀取USB棒，使用以太網(wǎng)，讀寫NAND，當然可以啟動linux。例如使用U-boot 可以清除NAND或者改變linux 啟動參數(shù)。

　　為編譯bootloader，需要一個ARM 交叉編譯器。我用的是Sourcery codebench lite edition，因為它容易設置，而且效果不錯。先加載AT91SAM9N12EK 開發(fā)板配置文件是最容易的。和從頭開始寫新的配置相比，修改文件要省事的多。

　　為了讓這份定制版同樣有效，需要做一些改動：RAM 大小需要設置成64MB，bank的數(shù)量改成4，一些試驗需要稍微調整一下(試用版有128MB的RAM容量，8個banks)。NAND初始的函數(shù)也需要改動，這塊板比開發(fā)板相比，NAND flash要連接的地方有些不同，因此有必要告訴bootloader。

　　U-boot

　　因為AT91 bootstrap已經(jīng)初始化了整個硬件，就可以直截了當?shù)呐渲肬-boot。同樣有為at91sam9n12ek準備的配置文件，但是默認是從SD卡啟動設置的。因為硬件已經(jīng)配置好了，所以其他需要改動的地方就沒多少了。有一些可選項比如在NAND flash上創(chuàng)造和改變分區(qū)時啟動UBIFS 工具 ，以及為讀取ext4格式的USB棒提供支持。USB支持使得從USB棒啟動Linux 內核變得可能，這讓試驗不同的內核配置變得容易了。

　　Linux和根文件系統(tǒng)

　　安裝linux不像安裝一臺常規(guī)的x86 pc一般容易。需要配置內核來支持各種需要的設置，而且需要建立根目錄的鏡像文件。可以手動來做，但是用buildroot做起來會很容易些。后者是用來建立根文件系統(tǒng)和內核的一系列工具。整個過程可能會有一些難，因為內核和build root有很多的選項。

　　Buildroot 沒有為at91sam9n12ek開發(fā)板提供配置文件，但有為另一款 Atmel板 at91sam9260ek提供配置文件。使用這個配置文件作為基準文件，配置會更容易些?？梢酝ㄟ^“make at91sam9260ek_defconfig”加載。

　　開始我們想有一個相對新的內核版本，因為相對于處理器來說，只需要做一些很小的改動，所以我們就使用上周新發(fā)布的3.15.1版本吧。

　　Linux 被配置成用buildroot 的“make linux-menuconfig” 命令配置。它會打開尋常的Linux菜單配置窗口。內核中大多數(shù)重要的配置是系統(tǒng)類型的配置菜單。我們需要檢查AT91SAM9N12的支持情況還有“Atmel AT91SAM Evaluation Kits with device-tree support”” 選項。設備樹是一個隨內核一同加載的外部二進制文件，描述了開發(fā)板上各硬件的可用性情況。這使得使用帶有不同開發(fā)板的同樣的內核以及針對不同開發(fā)板的設備配置，可以用文本來寫，而不是為每塊板都寫一個只是略有不同的C文件。幸運的是：有一個可以作為基準文件的針對at91sam9n12ek 的設備樹文件。需要做得改動只是一些簡單的移除不再使用的設備。這塊修改過的設備數(shù)文件需要被添加到buildroot配置，所以它可以知道如何編譯，并且從中構造一個鏡像文件。

　　內核里面其他值得啟動的選項是：

　　USB 主機支持AT91_USB。

　　支持NAND flash還有處理器內部的NAND ECC 控制器支持。

　　支持UBIFS，將被用作一個根文件系統(tǒng)。

　　讀取USB棒的Ext4 支持。

　　在buildroot 配置過程中，我們需要選擇我們想要在根目錄上安裝哪些程序以及產(chǎn)生根文件系統(tǒng)鏡像的選項。這塊開發(fā)板有不帶控制器的原始NAND內存，所以一般的桌面文件系統(tǒng)，比如ext4就不能用了。UBIFS是通常的選擇，在這正好也能用。

　　UBIFS 有一些依賴NAND flash 類型的選項，如果設置錯了，LInux將不能讀取最終的文件系統(tǒng)。這些選項可以從NAND FLASH 的數(shù)據(jù)清單里面得到，但是更容易的方法是從USB 棒啟動linux，并且從那創(chuàng)建ubi 分區(qū)。或者也可以使用 U-boot的“ubi info”指令，這將會讀取NAND 并且輸出需要的配置值。

　　在鍵入“make”后， Buildroot 會下載交叉編譯器，linux 內核以及所有其他的包，構建并輸出內核，設備樹，以及根文件系統(tǒng)鏡像。然后可以用SAM-BA程序傳到開發(fā)板上。一些程序需要對 NAND ECC controller 參數(shù)編程。一些參數(shù)也應該被配置到AT91bootstrap， U-boot 以及l(fā)inux 內核，否則他們會報告NAND已經(jīng)損壞。這種情況下NAND有2048個字節(jié)，帶有512字節(jié)的扇區(qū)，ECC能夠每1個扇區(qū)糾正4個字節(jié)。存儲這些鏡像的NAND地址可以在AT91的bootstrap 以及U-boot配置文件中找到。

　　在對主板編程以及重置后，ROM 啟動加載器應該可以在NAND上找到AT91bootstrap 并且開始啟動過程。如果你對更多細節(jié)感興趣，所有硬件和軟件的文件都可以在這找到。