Автор: Рюмик С.М.
Теги: электротехника электрические машины и аппараты электронно-и аппаратостроение микросхемы схемотехника издательство дмк пресс прикладные процессоры
ISBN: 978-5-93700-264-8
Год: 2024
Текст
С. М. РЮМИК
ПРИКЛАДНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ:
ВВЕДЕНИЕ
В СХЕМОТЕХНИКУ
Москва, 2024
УДК 621.316.544.1 + 004.312.46
ББК 31.264
Р97
Р97
Рюмик С. М.
Прикладные процессоры: введение в схемотехнику / С. М. Рюмик. — М.:
ДМК-Пресс, 2024. — 342 с.: ил. — ISBN 978-5-93700-264-8.
В книге рассматриваются прикладные процессоры, которые являются базой для построения
одноплатных компьютеров. Практическое умение работать с ними входит в обязательный инструментарий современных разработчиков электронной аппаратуры.
В одноплатных компьютерах присутствуют все элементы стандартных микроконтроллерных
систем, а именно подсистемы питания, тактирования, сброса, программирования, ввода и вывода сигналов, интерфейсов. Каждая подсистема имеет свои особенности и отличия, что представляет интерес для анализа и сравнения.
Электрические схемы в настоящей книге представлены фрагментарно, в виде небольших
узлов. Их систематизация проводится сначала на уровне подсистем, а затем на уровне функциональных возможностей. Все схемы снабжаются краткими пояснениями о назначении элементов и особенностях их эксплуатации. Где известно, там приводятся встречающиеся на практике
замены. Сами схемы одноплатных компьютеров секрета не представляют, поскольку свободно
доступны в Интернете на официальных сайтах фирм-изготовителей.
Книга будет полезна разработчикам электронной аппаратуры, радиолюбителям (в том числе
начинающим), студентам, а также всем неспециалистам в области электроники, самостоятельно
осваивающим азы применения прикладных процессоров.
УДК 621.316.544.1 + 004.312.46
ББК 31.264
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой
форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование,
ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без
письменного разрешения издательства.
ISBN 978-5-93700-264-8
© Рюмик, С.М., 2022
© Оформление, Издание, ДМК Пресс, 2024
Содержание
https://t.me/it_boooks/2
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.1. Зачем это нужно? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2. Микрокомпьютеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.3. Области применения SBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4. Разновидности SBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5. Отличия между SBC и отладочными платами с МК . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6. Подробный анализ АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.1. Терминология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.6.2. Историческая справка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.3. Первичная классификация АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6.4. Водораздел между МК и АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6.5. Обобщённая структурная схема АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6.6. Внутренние и внешние интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6.7. Примеры реальных АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.8. Структурная схема OMAP4430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.9. Структурная схема RK3566 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6.10. Структурная схема APQ8016 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.6.11. Структурная схема i.MX 8QuadMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.6.12. Нюансы, выявленные при изучении даташитов АР . . . . . . . . . . . . . 62
1.7. Подробный анализ SBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.7.1. Внутреннее устройство SBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.7.2. Структурная схема Rico Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.7.3. Структурная схема Bubblegum96 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
1.7.4. Структурная схема Orange Pi 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.7.5. Структурная схема Wanboard i.MX6 Quad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.7.6. Нюансы, выявленные при изучении документации SBC . . . . . . . . . . 78
1.8. Условные обозначения на схемах с АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Список использованных источников и литературы к главе 1 . . . . . . . . . . . . . . 85
4
Содержание
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
2.1. Механические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1.1. Тактовые кнопки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1.2. Джамперы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.2. Акустические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.2.1. Аналоговые микрофоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.2.2. Цифровые микрофоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.2.3. Приём линейных звуковых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3. Фотодатчики и ИК-приёмники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.4. Датчики пространственного положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.5. Приём аналоговых видеосигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.6. Прочие схемы узлов ввода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Список использованных источников и литературы к главе 2 . . . . . . . . . . . . . . 101
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
3.1. Формирование сигналов начального сброса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.1. Автоматический сброс АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.1.2. Ручной сброс АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.1.3. Комбинированный сброс АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2. Низкочастотная стабилизация тактовой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3. Высокочастотная стабилизация тактовой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4. Умножение тактовой частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5. Тактирование АР от внешнего генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6. Управление загрузкой ОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.7. Идентификация изделия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.8. Восстановление ОС и заводских настроек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Список использованных источников и литературы к главе 3 . . . . . . . . . . . . . . 115
Глава 4. Схемы подачи питания
4.1. «Дерево питания» процессорной системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2. Входные и выходные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.3. Управление сигналом EN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.2.4. Управление сигналом CE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.2.5. Вспомогательные выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.6. Практические схемы применения LDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3. Резервное питание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.4. Понижающие DC/DC-преобразователи (5 В) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.5. Понижающие DC/DC-преобразователи (12 В) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.6. Повышающие DC/DC-преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.7. Организация подсветки TFT-дисплеев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.8. Подстройка напряжения питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.9. Защита входных цепей питания 5 В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.10. Защита входных цепей питания 12 В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.11. Питание от USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Содержание
5
4.12. Контроль тока и индикация напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.13. Электронные предохранители и ограничители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.14. Внешние контроллеры питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.15. Система питания внутри АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.16. Прочие схемы узлов питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Список использованных источников и литературы к главе 4 . . . . . . . . . . . . . . 158
Глава 5. Схемы узлов вывода
5.1. Светодиодные индикаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.1. Одиночные светодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.1.2. Одиночные светодиоды с буферными элементами . . . . . . . . . . . . . 160
5.2. Видеотехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2.1. TFT-дисплеи c интерфейсом MIPI DPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.2.2. TFT-дисплеи c интерфейсом MIPI DSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.2.3. TFT-дисплеи c интерфейсом LVDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.2.4. Подключение SVGA-мониторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2.5. Подключение цветных телевизоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.3. Звуковая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.1. Вывод звука на громкоговорители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.2. Вывод звука на головные телефоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.3.3. Звуковой линейный выход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.3.4. Комбинированный вывод звука . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.4. Силовая электроника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.5. Прочие схемы узлов вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Список использованных источников и литературы к главе 5 . . . . . . . . . . . . . . 192
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.1. Интерфейс RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.2. Интерфейс RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3. Интерфейс I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.4. Интерфейс I2S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5. Интерфейсы PCIe, mini PCIe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.6. Интерфейс SATA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.7. Интерфейс S/PDIF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.8. Интерфейс Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.8.1. Общие схемы подключения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.8.2. Трансформаторы Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.8.3. Экранирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.8.4. Светодиодная индикация Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.9. Интерфейс JTAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
6.10. Интерфейс UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.11. Часы реального времени RTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.12. Интерфейс HDMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.12.1. Базовые сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
6.12.2. Типовые схемы включения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.12.3. Защита информационных цепей HDMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6
Содержание
6.12.4. Цепь питания HDMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.12.5. Удалённое управление по цепи CEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.12.6. «Горячее включение» HDMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.12.7. Шина I2C HDMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.13. Интерфейс SIM-карты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.14. Последовательный интерфейс MIPI CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.15. Параллельный интерфейс для цифровых камер . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.16. Интерфейс USB 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.16.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
6.16.2. Cигналы D+, D– . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.16.3. Cигнал ID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.16.4. Питание внешних устройств через USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.16.5. Ограничители тока на транзисторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.16.6. Интегральные ограничители тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.16.7. Питание двунаправленного порта OTG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6.16.8. Хабы USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.16.9. Преобразователи интерфейса USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
6.17. Интерфейс USB 3.x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.18. Совместная работа АР и МК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.19. Переключатели интерфейсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
6.20. Прочие интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Список использованных источников и литературы к главе 6 . . . . . . . . . . . . . . 264
Глава 7. Беспроводные ВЧ-интерфейсы
7.1. Общие замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
7.2. Модули GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.3. Модули Wi-Fi, Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
7.4. Антенные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Список использованных источников и литературы к главе 7 . . . . . . . . . . . . . . 274
Глава 8. Хранение информации
8.1. Микросхемы памяти EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
8.2. Микросхемы памяти SPI-NOR Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.3. Микросхемы памяти NAND Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.4. Микросхемы памяти SDRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.4.1. Общие схемы подключения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
8.4.2. Тактовые сигналы CK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.4.3. Цепь автокалибровки ZQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.4.4. Опорное напряжение VREF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.4.5. Сигнал сброса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.5. Микросхемы памяти eMMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.6. Карты памяти microSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.6.1. Разновидности держателей карт памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.6.2. Подключение карт памяти к АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.6.3. Защитные цепи для карт памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
8.6.4. Подача питания на карты памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Содержание
7
Список использованных источников и литературы к главе 8 . . . . . . . . . . . . . . 297
Глава 9. Схемы с нюансами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Список использованных источников и литературы к главе 9 . . . . . . . . . . . . . . 302
Глава 10. Программная часть SBC
10.1. Какие ОС используются в SBC? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.2. Android — базовые сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.2.1. Версии ОС Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
10.2.2. Методика разработки приложений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
10.2.3. Каталоги, папки, файлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
10.2.4. Раскладка памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
10.2.5. Файлы в ОС Android . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.2.6. Способы пересылки файлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10.2.7. Способы установки приложений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
10.2.8. Получение root-прав . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.3. Linux — базовые сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.3.1. История и философия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.3.2. Термины и определения в Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
10.3.3. Разновидности дистрибутивов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
10.3.4. Linux и АР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
10.4. Сравнение разных ОС для SBC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Список использованных источников и литературы к главе 10 . . . . . . . . . . . . . 318
Послесловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Приложения
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Приложение 2. Перечень ЭРИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Приложение 3. Список аббревиатур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Введение
Все вещи можно представить в виде чисел.
(Пифагор)
Цифра «5» во многих культурах считается особенной. Например, в Древнем
Китае выделяли пять основных металлов, пять форм материи, пять вкусов,
пять священных гор, пять добродетелей, пять цветовых оттенков и даже пять
нот в музыкальной гамме.
В Древней Греции было распространено философское учение математика Пифагора, в котором числа представлялись основой бытия, принципом
взаимодействия искусства и природы. Цифра «5» в пифагорействе соединяет
«тройку» (знак неба) и «двойку» (знак земли). Именно Пифагор обнаружил в
пятиконечной звезде пропорции золотого сечения, в связи с чем посчитал пентаграмму геометрическим воплощением совершенства.
Пятиконечная звезда является знаком воинского отличия во многих странах
мира. Присутствует она и в государственных гербах. Известны растения с пятилепестковыми цветами. В океанах и морях обитают морские звёзды, имеющие
пятилучевую симметрию тела.
Человек имеет пять органов чувств – зрение, слух, обоняние, осязание и
вкус. На руках и ногах у него по пять пальцев. Две руки, две ноги и голова образуют в пространстве пять опорных точек по образу звезды. Четыре нижних её
луча означают четыре стихии – огонь, воздух, воду и землю, а пятый луч указывает на главенство разума человека над природой.
«Пятёрка» в нумерологии представляется «творчеством хаоса». Другими
словами, озарение и изобретательность на грани риска, дополненные страстью
к бесконечным спорам. По гороскопу таким людям предначертаны: творчество, находчивость, риск.
Есть поверье, что человек, в дате рождения которого присутствует цифра
«5», счастлив от природы, и он сможет на любом «Титанике» волшебным образом получить персональную шлюпку спасения.
К чему такой пристальный анализ цифры «5»? К тому, чтобы подвести читателя к мысли: настоящая книга является пятой частью авторского сборника
под общим названием «1000 и одна микроконтроллерная схема».
Книги сборника имеют сквозную нумерацию: «Выпуск 1» (2010 год), «Выпуск 2» (2011 год), «Выпуск 3» (2016 год), «Выпуск 4» (2017 год). Первые две книги
представляют единое целое и посвящены основам микроконтроллерной техники.
Третья и четвёртая книги дополняют материал новыми схемами, новыми методиками расчётов. Настоящая (пятая) книга позволяет перейти от микроконтроллеров (МК) к прикладным процессорам, чтобы расширить технический кругозор и
не отставать от времени.
Введение
9
Содержание первых четырёх книг:
• «Выпуск 1» — раскрывается внутреннее устройство идеализированного
МК, приводятся фрагменты электрических схем узлов тактирования, питания, ввода информации;
• «Выпуск 2» — приводятся схемы узлов вывода информации, подсистем
памяти, интерфейсов, а также даётся краткий учебник по основам языка
программирования C, широко применяемого эмбеддерами МК;
• «Выпуск 3» — описываются новинки последних лет, приводятся дополнительные схемы, касающиеся всех подсистем МК, рассматривается методика виртуального моделирования узлов в среде Micro-Cap;
• «Выпуск 4» — приводятся примеры схемных узлов, которые встречаются
в реальных отладочных платах для разных семейств МК от разных фирмизготовителей, систематизируются (впервые) конструктивные и дизайнерские решения в разводке печатных плат.
Настоящая книга, как в компьютерной игре, переносит читателя на более
высокий уровень, когда вместо МК рассматриваются их старшие собратья —
прикладные процессоры. Сокращение ПП для них не прижилось, поэтому далее в книге будет использоваться англоязычный термин «Application Processor»
с аббревиатурой АР. Это позволит не путать прикладные процессоры с обычными МК, устанавливая определённый водораздел в сферах их применения.
Вместо отладочных плат, характерных для МК, будут рассматриваться одноплатные компьютеры (англ. SBC — Single Board Computer), или, по-другому,
микрокомпьютеры. Они по внешнему виду похожи на отладочные платы с МК,
но сложнее в начинке, поскольку содержат больше радиоэлементов, включая
интерфейсные чипы, микросхемы памяти, интеллектуальные датчики, интегральные контроллеры питания.
Если внимательно приглядеться, то схемные приёмы для МК и АР в целом
совпадают. Напрашивается вопрос: можно ли было назвать настоящую книгу
«Выпуском 5»? Формально нет, ведь МК и АР согласно общепринятой классификации относятся к разным техническим группам. Тем не менее четыре прежние и одна новая книги подчиняются уравнению «4 + 1 = 5».
Пройденный в предыдущих книгах теоретический материал повторяться не
будет. Для общего понимания достаточно освежить в памяти ранее полученные
знания, чтобы «не танцевать от печки». А в качестве бонуса на сэкономленном
месте будут размещаться новые электрические схемы, характерные для AP в
составе SBC.
Стиль рисунков и подрисуночных подписей, подача материала и оформление
первоисточников во всех пяти книгах остаются без изменений. К каждой схеме
даются краткие текстовые пояснения, приводится перечень встречающихся на
практике замен радиоэлементов.
Основное правило: электрические схемы и пояснения к ним должны располагаться на одном листе. Этим объясняется краткость изложения материала. Но с
другой стороны, краткость должна побудить читателей к творчеству. Например,
заставить внимательно проанализировать схему с карандашом в руке, найти сильные и слабые места, предложить свои варианты и не побояться заочно поспорить
10
Введение
с разработчиком фирменного решения. Для уверенности можно провести компьютерное моделирование фрагментов схем по методике из книги «Выпуск 3».
Названия подразделов, согласно которым сортируются схемы, совпадают с использовавшимися ранее в книгах «Выпуск 1…4». Однако то, что хорошо для МК,
не факт, что хорошо для АР, и наоборот. В связи с этим в настоящей книге появились новые подразделы, которые характерны для схем с АР, а также были удалены
подразделы, актуальные лишь для схем с МК.
Некоторые электрические схемы получились большими по размерам. Они
могут занимать целую страницу книги, на типографском языке — целую полосу.
Почему? Потому что особенностью АР является большое количество выводов на
корпусе микросхемы, а также наличие на плате SBC многовыводных интерфейсных чипов и многоконтактных разъёмов. В таких случаях схемы лучше анализировать целиком, а не разбивать их на части, иначе может исчезнуть полезная информация о взаимодействии элементов друг с другом.
При написании книги не ставилась задача добиться абсолютно точного соответствия электрических схем с их фирменными оригиналами. Изменения имеются, но они, как правило, мелкие, чтобы не отвлекать внимание читателей от главного, от понимания принципа работы.
В теоретической части книги (глава 1) рассказывается о месте АР в иерархии
вычислительных микросхем, описываются их отличия от МК, рассматриваются
классификационные признаки и структурные схемы. Отдельным блоком размещается информация о внутреннем устройстве реальных SBC, содержащих АР.
В практической части книги (главы 2…9) представлен сборник электрических
схем различных узлов: входных, выходных, комбинированных, интерфейсных,
силовых, управляющих и т. д.
В программной части книги (глава 10) собраны основные сведения, касающиеся
программирования SBC с использованием ОС Android и Linux.
В справочной части книги (приложения 1…3) приводится дополнительная информация о радиоэлементах, интерфейсах, протоколах, интернет-площадках,
стандартах, терминах, а также о фирмах-изготовителях с указанием их интеретадресов.
Ссылки на литературу и сайты даются отдельно в конце каждой главы согласно
орфографии авторов. Для электрических схем первоисточниками являются даташиты SBC, которые свободно распространяются в Интернете. Схемы специально
приводятся обезличенными, без привязки к SBC и фирмам. И вот почему.
Разработчики схем с АР многое заимствуют из схем с МК, используют известные из даташитов решения и опробованные в Интернете идеи. Более того, практически одинаковая схемотехника встречается в продукции абсолютно разных
фирм, поэтому истинного (первого) автора установить сложно.
Фирмы-изготовители специально не делают секрета из электрических схем,
ведь основная нагрузка ложится на плечи Firmware (фирменное ПО), которое
сложно разработать самостоятельно, не зная тонкостей «тысячестраничных» даташитов. Кроме того, печатные платы SBC выполняются многослойными, ЭРИ
в них применяются с шариковыми выводами. Следовательно, повторить топологию проводников на плате (а это очень важная вещь!), даже зная электрическую
схему, весьма затруднительно.
Введение
11
Вся прелесть использования SBC как раз и заключается в том, что человек
работает с уже готовым и протестированным устройством, свободным от любительских ошибок в виде взаимовлияния сигналов и помех по питанию. Ему остаётся лишь подключить к разъёмам внешние цепи и загрузить в АР прикладную
программу, составленную на компьютере.
Порядок изучения материала в книге произвольный. Это своего рода энциклопедия, информация в которой носит справочно-познавательный характер.
В настоящем издании использованы идеи, принципы и концепции, опубликованные в открытой литературе, печатных журналах, в Интернете. Это не противоречит части 4 статьи 6 Закона Российской Федерации «Об авторском праве и
смежных правах»: «Авторское право не распространяется на идеи, методы, процессы, системы, способы, концепции, принципы, открытия, факты».
Автор книги и издательство предоставляют материалы, программы и схемы на
условиях «как есть» («as is»), без каких-либо гарантий отсутствия ошибок и соответствия требованиям промышленных и государственных стандартов. Автор
книги и издательство не несут юридической ответственности за прямые или косвенные, преднамеренные или случайные повреждения, возникшие в результате
использования схем и прочей информации из данной книги.
Глава
1
Одноплатные
компьютеры
Жизнь — это то, что случается с нами,
пока мы строим планы на будущее.
(Томас Ла Манc)
https://t.me/it_boooks/2
1.1. Зачем это нужно?
Все мы являемся путешественниками во времени. Кто-то путешествует в прошлое в мире исторических наук, кто-то путешествует в будущее в мире фантастики, а кто-то живёт настоящим, постепенно переходящим из прошлого в будущее.
Радиолюбительство — это хобби, имеющее и прошлое, и настоящее, и будущее.
Истинный радиолюбитель находится в постоянном движении вперёд, изобретает
что-то новое, улучшает промышленные конструкции, следит за перспективными
направлениями в схемотехнике и программировании. Но время от времени ему
приходится коренным образом переучиваться. Чтобы понять причину этого явления, надо обратиться к истории.
В середине XX века популярными среди радиолюбителей были самодельные
ламповые приёмники, передатчики, усилители, магнитофоны. Мастера, которые
знали тонкости лампового дела, с недоверием отнеслись к вновь появившимся
транзисторам. Но по мере поступления их в свободную продажу лёд тронулся,
конструкции на транзисторах стали массовыми, превосходя ламповые устройства
в размерах, параметрах, экономичности.
На следующем этапе переучиваться пришлось уже специалистам, которые досконально изучили транзисторную технику. Им предстояло освоить работу изделий, состоящих преимущественно из аналоговых и цифровых интегральных
микросхем средней степени интеграции.
Дальше — больше, появились БИС, микропроцессоры, МК, AP, ПЛИС. Уважающий себя электронщик должен был переступить через свои «аппаратные»
принципы и начать изучение «софта» вместе с языками программирования.
Психологическое восприятие новинок не всем даётся одинаково легко. В частности, многие талантливые радиолюбители в начале 2000-х годов остановились на
уровне транзисторов, операционных усилителей и логических микросхем. Барьер
программирования МК для них оказался слишком сложным.
Но это было в «доардуиновскую» эпоху. Сейчас порог входа в сообщество
программистов резко снизился. Многим школьникам по плечу заставить мигать
светодиод в тестовом скетче Arduino. Тем, кто научился с помощью платформы
Arduino азам программирования, повезло во всех отношениях. Им будет проще
перейти на новую ступень своего развития и осилить работу AP.
1.2. Микрокомпьютеры
13
1.2. Микрокомпьютеры
Компьютер, который помещается на ладони, — это уже далеко не фантастика.
В частности, вычислительные возможности современных смартфонов выше, чем
у топовых ПК 10-летней давности. Но смартфоны являются «вещью в себе». Их
сложно модернизировать с паяльником в руках, у них отсутствует доступ к цифровым и аналоговым портам, к ним трудно подключить самодельную периферию.
Здесь бы пригодилась малогабаритная плата размером с кредитную банковскую
карту, которая по простоте управления напоминала Arduino, а по быстродействию
и функционалу приближалась бы к смартфонам. И такие платы существуют. Называются они одноплатными компьютерами, или, по-другому, микрокомпьютерами. Но обо всём по порядку.
Первые компьютеры появились… 400 лет назад. Именно так! Дело в том, что
в Средние века людей, которые профессионально занимались математическими вычислениями, называли «компьютерами» (англ. computers). В наши годы на
смену «человеку-компьютеру» пришли вычислительные машины. Как следствие
скорость, глубина и точность расчётов значительно увеличились. Современный
компьютер делает успехи в области искусственного интеллекта, робототехники,
виртуальных миров, научных исследований. Соперничать с машиной бесполезно
в исконно «человеческих» спортивных играх — шахматах, шашках, игре го.
Как известно, компьютер состоит из материнской платы, к которой подключаются внешние элементы, а именно блок питания, монитор, жёсткий диск, клавиатура, мышь и прочая периферийная техника. Логично, что микрокомпьютером
следовало бы назвать очень малый по габаритам компьютер.
Если приглядеться, то на эту роль хорошо подходит смартфон. Он небольшой
по размерам. Внутри имеется миниатюрная материнская плата с процессором, к
которой подключаются: сенсорный дисплей (выполняет функции монитора, клавиатуры и мыши), внешняя карта памяти (аналог жёсткого диска), аккумулятор
(сетевой блок питания), периферийные датчики (кнопки, гироскоп, видеокамера,
сенсор отпечатка пальца), исполнительные устройства (вибромотор, громкоговорители, фотовспышка), радиоустройства (GSM, Wi-Fi, Bluetooth, GPS).
Однако смартфон редко называют микрокомпьютером. Зато за платами, аналогичными Raspberry Pi (далее RPi), названия «микрокомпьютер» или «одноплатный компьютер» закрепились в качестве нарицательных. С технической точки
зрения, это вполне логично, ведь RPi представляет собой малогабаритную материнскую плату с процессором, памятью и интерфейсными чипами.
По краям платы установлены разъёмы. Если к ним подключить через кабели
монитор, блок питания, мышь, клавиатуру, то получится небольшой ПК. Без этих
устройств плата RPi ни на что не годится, разве что, как шутят электронщики, для
обогрева рук в качестве мощного резистора.
Термин «микрокомпьютер» в разные годы обозначал разное:
• 1956 год — первое упоминание в фантастическом рассказе Айзека Азимова
«The Dying Night»;
• 1960…1970-е годы — небольшие вычислительные комплексы для научных
экспериментов;
14
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• 1970…1980-е годы — восьмибитные компьютеры индивидуального пользования «Apple-II», «Commodore-64», «ZX-Spectrum»;
• 1980-е годы — микросхемы фирмы Hitachi с говорящим названием «SuperH
microcomputer SH7000 series»;
• 1990-е годы — самодельные «телевизионные» компьютеры, которые массово изготавливались радиолюбителями стран СНГ: «Радио-86РК», «Специалист», «Орион-128», домашние клоны «ZX-Spectrum»;
• 1990…2000-е годы — процессорные модули управления для бытовой и автомобильной техники;
• 2010-е годы — новая реинкарнация старого термина. Теперь к микрокомпьютерам стали относить одноплатные системы, подобные RPi, с малыми
габаритами, низким потреблением энергии, мощным процессором, развитой периферией и установленной ОС. Однако технические специалисты
вместо названия «микрокомпьютер» чаще используют другой термин —
«одноплатный компьютер», или в англоязычном сокращении SBC, что более коротко. Это название и будет употребляться далее по тексту.
1.3. Области применения SBC
Говоря о прогрессе в области SBC, можно провести параллели с динамикой
естественного развития человеческого мозга. К настоящему времени SBC постепенно начинает «понимать», что его окружает, он может «изучать» информационные потоки и «представлять», к каким последствиям приведут его действия в
будущем. Аналогия с развитием подростка, который находится в начале своего
жизненного пути.
Анализируя просторы Интернета, можно составить перечень типовых задач,
решаемых с помощью SBC, и очертить реальные области применения:
• домашний веб-сервер;
• система управления «умным домом»;
• файловая торрент-качалка;
• телевизионный медиацентр;
• цифровой интернет-радиоприёмник;
• игровая ретроприставка;
• бесшумный домашний ПК с портами GPIO;
• маршрутизатор с портами GPIO;
• контроллер встраиваемых систем;
• автомобильный помощник;
• интеллектуальные датчики;
• роботизированные устройства, в том числе БПЛА.
Как видно, области применения разные, но большинство из них так или иначе
связаны с мультимедиа, беспроводной связью и Интернетом.
1.4. Разновидности SBC
15
1.4. Разновидности SBC
Все SBC можно условно разделить на две большие группы: классические и
бытовые. Под классическими понимаются «радиолюбительские» SBC наподобие
RPi, которые поставляются в виде платы без корпуса и которые можно встроить в
конструируемое устройство. Именно они будут основой дальнейшего изучения.
Однако существуют и другие, в чём-то похожие, а в чём-то нет, микрокомпьютерные системы. Речь пойдёт о заводских изделиях, имеющих дизайнерский корпус, малые габариты и «заточенных» на выполнение определённого класса задач.
Условно их можно отнести к группе бытовых SBC.
Показательный пример — ТВ-бокс (TV-Box). Это малогабаритная приставка,
подключаемая к телевизору через гнезда HDMI, USB и превращающая его в мультимедийный центр с доступом к Интернету. Основой ТВ-бокса является одноплатная конструкция с АР, чипами памяти и сервисными микросхемами. Питание
поступает от разъёма USB или от сетевого адаптера. Функции приставки урезаны,
количество интерфейсов минимальное. Прямого доступа к портам ввода/вывода
АР у пользователя нет. Да этого и не требуется, ведь ТВ-бокс рассчитан на эксплуатацию рядовым телезрителем, а не электронщиком.
Аналогичная ситуация со «стиком» Intel Compute Stick на базе однокристальной системы Intel Atom x5-Z8300. В нём имеются разъёмы HDMI, USB, PCIe, к
которым можно подключить: монитор, диск памяти, клавиатуру, мышь, модемы
Wi-Fi или Ethernet с доступом к Интернету. Такой модуль по производительности
вполне может заменить ПК начального уровня для набора текста, рисования картинок, просмотра фото- и видеоматериалов, а также сёрфинга во Всемирной паутине. Преимущество — бесшумная работа и малые габариты. Однако устройство
рассчитано на рядового пользователя ПК, а не на электронщика.
Беспроводные модемы, маршрутизаторы, роутеры также строятся на базе АР и
сетевых процессоров (Network Processors). Но для большинства потребителей они
являются бытовыми изделиями, работающими по принципу: «Включил, настроил
и забыл». Самодельщики пользуются тем, что платы таких модемов часто содержат дополнительные внутренние разъёмы, через которые можно получить доступ
к портам АР. Однако здесь требуются специфические знания и опыт, что не всем
электронщикам под силу.
Считается, что классические SBC проще в изучении, поэтому, «не изобретая
велосипед», именно с них и следует начать введение в схемотехнику АР.
1.5. Отличия между SBC и отладочными платами с МК
К отладочным в данном случае относятся платы, базирующиеся на МК, внутреннее устройство которых подробно рассматривалось в «Выпуске 4». Если сравнивать их с SBC, то можно выделить следующие формальные отличия.
Во-первых, в SBC для вывода информации используются не светодиоды и
строчные ЖКИ, а телевизоры, мониторы, цветные TFT-дисплеи.
Во-вторых, в SBC органами управления служат не кнопочные тастатуры и энкодеры, а клавиатуры, мыши, ПДУ, геймпады, 3D-перчатки, сенсорные экраны.
16
Глава 1. Одноплатные компьютеры
В-третьих, в SBC выход в Интернет осуществляется через встроенные модули
Wi-Fi и Ethernet, а не с применением дополнительных шилдов.
В-четвёртых, в SBC прикладные программы устанавливаются поверх ОС, а не
напрямую в память программ.
Перечисленные отличия касаются сопоставимых между собой SBC и отладочных плат с МК среднего ценового диапазона. В остальном их характеристики примерно одинаковые. И SBC, и отладочные платы с МК являются малогабаритными
самодостаточными устройствами, собранными на печатных платах без корпуса.
Они имеют разъёмы для подключения периферии, местную светодиодную индикацию и технологические кнопки управления (Рис. 1.1 и 1.2). На программном
уровне их объединяет простота разработки ПО и наличие экосистемы с большим
сообществом энтузиастов в Интернете.
Рис. 1.1. Внешний вид отладочной платы с МК (Arduino UNO)
Рис. 1.2. Внешний вид SBC (Orange Pi Lite2)
Главное отличие, от которого пути расходятся в разные стороны, заключается
в центральном процессорном чипе, поскольку в отладочных платах применяются
МК, а в SBC используются АР.
1.6. Подробный анализ АР
17
1.6. Подробный анализ АР
1.6.1. Терминология
МК, согласно стандартному определению, — это микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Если считать МК началом отсчёта, то лучшие параметры будут иметь АР, а ещё лучшие — высокопроизводительные процессоры, применяемые в ПК и ноутбуках (Рис. 1.3).
Микроконтроллер
МК
Прикладной
процессор
Высокопроизводительный
процессор
Microcontroller
MCU
Application
Processor
High�Performance
Processor
Рис. 1.3. Иерархия процессорных устройств
Как видно, АР занимают промежуточное место в представленной процессорной иерархии. Справедливости ради, классификация и терминология в данной
области ещё до конца не устоялись.
Как правильно сказать по отношению к АР — «прикладной процессор» или
«процессор приложений»? И в первом, и во втором случаях употребляется англоязычная аббревиатура АР. Но для «прикладного процессора» это сокращение от «Application Processor», а для «процессора приложений» — сокращение
от «Applications Processor» [1-1]. Разница заключается в одной лишь букве «s», на
что редко обращают внимание переводчики. Поэтому даже в ГОСТ Р 56947—2016
термин «network capable application processor» переводится фразой «сетевой процессор приложений», а не «сетевой прикладной процессор».
Изготовители микросхем АР единого стандарта в терминологии между собой
не выработали. Например, фирмы Qualcomm, Allwinner, Rockchip, Marvell, Renesas
называют свои процессоры «Application Processor», а фирмы NXP Semiconductors,
Freescale Semiconductor — «Applications Processor». Фирма Seiko Epson использует словосочетание «Single Chip Microcomputer». Дальше всех пошли разработчики фирмы Texas Instruments, у которых в даташитах на АР встречаются названия:
«Applications Processor», «Processor», «Multimedia Device», «Heterogeneous Multicore
SoC», а на сайте [1-2] упоминается семейство «Arm-based application processors».
Поди разберись, как правильно!
Интересный момент. На просторах Интернета в поисковой системе Google
англоязычный термин «Application Processor» используется гораздо чаще, чем
«Applications Processor». С другой стороны, русскоязычный термин «прикладной
процессор», наоборот, встречается в поисковике Google значительно реже, чем
«процессор приложений». Поэтому предлагается компромиссное решение — оба
русскоязычных термина заменить одной универсальной англоязычной аббревиатурой АР, что и сделано в настоящей книге.
18
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.6.2. Историческая справка
Первые процессоры приложений появились в 1990-е годы в аппаратных серверах фирмы IBM. Так, в 1994 году было объявлено о серверном приложении, выполнявшемся на плате FSIOP (File Server I/O Processor), где находился процессор
Intel 486 и память для его обслуживания [1-3]. Выполнение файл-серверных приложений впервые перекладывалось на логически изолированный вспомогательный процессор (процессор приложений), размещавшийся на отдельной печатной
плате в целях повышения производительности системы.
Массовое внедрение АР в бытовую технику началось в 2000-годы, в период становления индустрии смартфонов. Как известно, базовым элементом смартфона
служит главный процессорный чип, он же АР, который используется для первичной обработки данных, вычислительных и интерфейсных функций. Чип называется «главным», поскольку он работает в связке со вспомогательными чипами, которые выполняют фоновые операции, такие как вывод информации на дисплей,
управление беспроводной связью, контроль и оптимизация энергоресурсов.
Первые смартфоны выпускались разными фирмами, но по схожей схемотехнике и с одинаковыми АР из семейства OMAP фирмы Texas Instruments. Такая
унификация применялась в мультимедийных телефонах и планшетах фирм Nokia,
Motorola, LG, Panasonic, Sony Ericsson, Archos. На практике АР семейства OMAP
пользовались успехом на рынке мобильных устройств в 2003…2011 годах, после
чего их нишу заняли более мощные АР семейства Qualcomm Snapdragon.
Впоследствии АР, применяемые в смартфонах, выделились в отдельный класс
Mobile Application Processors — процессоры мобильных приложений. Они представляют собой специализированные системы на кристалле (SoC), предназначенные для поддержки приложений, работающих в среде мобильных ОС.
1.6.3. Первичная классификация АР
Все АР можно условно разделить на мобильные, специализированные и универсальные.
Мобильные АР чаще всего ассоциируются с процессорами Apple A4…A15, которые устанавливаются в разных моделях iPhone начиная с 2008 года. Их электрические схемы разрабатывает фирма Apple, но сами чипы изготавливаются на
производственных мощностях и по технологическим нормам корейской фирмы
Samsung и тайваньской фирмы TSMC. Применяются «яблочные» АР исключительно в «яблочных» мобильных устройствах: iPhone, iPad, iPod, Apple Watch,
HomePod, а также телевизионных приставках Apple TV [1-4].
Специализированные АР «заточены» под промышленные интерфейсы, применяемые в технологическом оборудовании. Типичный пример — линейка гетерогенных АР AM6411… AM6442 Sitara фирмы Texas Instruments. Используются в
ПЛК и приводах двигателей, где требуются быстрая коммуникация и обработка
данных в реальном времени. Неполный перечень поддерживаемых интерфейсов:
Profinet RT, EtherNet/IP, EtherCAT, Sigma-Delta filters, Multi-protocol position
encoder, Enhanced Capture, Enhanced PWM, Enhanced Capture, Enhanced Quadrature
Encoder Pulse, Modular Controller Area Network и т. д. Внутренние средства мультимедиа и доступ к Интернету в специализированных АР могут отсутствовать.
1.6. Подробный анализ АР
19
Универсальные АР функционируют в различных условиях. Они не привязываются ни к мобильной аппаратуре, ни к промышленным интерфейсам. Обычно их
применяют в качестве улучшенной замены МК во встраиваемых системах — от
автомобильных и полётных контроллеров до интеллектуальных датчиков и бытовых приборов «умного дома». Считается, что универсальные АР хорошо выполняют мультимедийные функции, обеспечивая баланс между производительностью,
ценой и энергопотреблением. Как следствие универсальные АР рекомендуются
для начинающих пользователей, и именно они будут анализироваться дальше.
1.6.4. Водораздел между МК и АР
Существуют определённые функциональные критерии, которые позволяют
отнести ту или иную микросхему к категории МК или АР. Если руководствоваться
философским принципом «бритвы Оккама» (оставлять только самое важное), то
главные базовые различия можно сосчитать на пальцах одной руки.
Во-первых, АР, в отличие от МК, должен представлять собой «систему на кристалле» SoC (System-on-a-Chip), или, по-русски, СнК (Система на Кристалле). Чип
SoC можно представить в виде компьютерного мини-завода на полупроводниковой подложке. Тут и процессорные ядра, и блоки памяти, и графический ускоритель, и аудиовидеомодули, и контроллеры интерфейсов, и даже беспроводные
ВЧ-модемы. Такой конгломерат позволяет не только увеличить быстродействие,
но и сделать конструкцию компактной, технологичной и более дешёвой.
Во-вторых, процессорная часть АР, в отличие от МК, должна быть мультикластерной или гетерогенной, т. е. содержать внутри себя по крайней мере два
функционально разных элемента (кластера, процессора). Например, основной
четырёхъядерный процессор платформы Cortex и восьмиядерный графический
процессор платформы Mali.
Интересный нюанс. В качестве классификационного параметра выбрано именно количество кластеров, а не ядер, поскольку появились новые МК с многоядерной архитектурой. Правда, ядра у них однотипные, строго вычислительные,
конвейерного типа.
В-третьих, различие в тактовой частоте. Чем она выше, тем быстрее функционирует устройство. Первые МК работали на тактовых частотах, не превышающих
десятки мегагерц. В дальнейшем этот показатель вырос до сотен мегагерц с использованием внутренних умножителей частоты. В противовес этому тактовые
частоты АР сразу начинались с планки в несколько сотен мегагерц с дальнейшим
её увеличением до единиц гигагерц. Налицо различие параметра на порядок.
Представляется рациональным установить водораздел между МК и АР на уровне условной тактовой частоты 1 ГГц. Цифру «1» легко запомнить. Если тактовая
частота ниже 1 ГГц, то классифицируется как МК, иначе — как АР. Это справедливо для микросхем общего применения по состоянию на 2022 год. Разумеется,
могут быть исключения, но они только подтверждают правило.
В-четвёртых, различие в базовом построении программной части. Речь идёт
про ОС. Стандартные МК функционируют вообще без ОС через прикладные программы с гибкой логикой, но с одной выполняемой задачей. Более «продвинутые»
в техническом плане МК позволяют загружать в память небольшие ОС реального
20
Глава 1. Одноплатные компьютеры
времени (сокращённо ОСРВ, или, по-английски, RTOS — Real-Time Operating
System), например FreeRTOS, Femto OS, Aqua и т. д.
Микроконтроллерные ОСРВ могут выполнять параллельно несколько простых задач. Однако для полноценной работы ОС компьютерного типа ресурсов
МК уже недостаточно. Это парафия АР. Здесь требуется большой объём памяти,
повышенное быстродействие и поддержка технически сложных интерфейсов на
аппаратном уровне. Примеры ОС для АР: Android, Linux, Palm OS, OpenWRT,
Symbian, а также оптимизированные разновидности Microsoft Windows.
1.6.5. Обобщённая структурная схема АР
Среднестатистический АР по внутреннему устройству на порядок сложнее
среднестатистического МК. Следовательно, подробная структурная схема АР будет гораздо запутаннее, чем у МК. В связи с этим в даташитах приводятся лишь
обобщённые блок-схемы АР с перечнем узлов, блоков, ядер, интерфейсов, шин,
но с минимумом внутренних связей.
Существует неофициальный «дресс-код» для подобных блок-схем. Рисунок
выполняется в пределах прямоугольника, обозначающего физические границы
АР. Внутри прямоугольника «стопками» размещаются блоки процессорных, интерфейсных и периферийных узлов. Эти блоки собираются в подгруппы (части)
по функциональным признакам и окаймляются общим заголовком, к примеру
Processors, Internal Functions, Multi-Media Processor, Memory, System Peripheral,
Connectivity и т. д.
Но на этом унификация, к сожалению, заканчивается. Разные фирмы поразному видят вторичные классификационные признаки, позволяющие отнести
однотипные блоки к определённым группам. Их названия отличаются у разных
изготовителей, единой нормативной базы или корпоративного соглашения нет.
Если сопоставить между собой структурные схемы различных АР, то все входящие в них компоненты можно разделить на пять базовых частей, в порядке значимости: процессорная, служебная, системная, мультимедийная и интерфейсная
(Рис. 1.4).
Системная
часть
Системные
компоненты
Мультимедийная
часть
Каналы:
– аудио (вход,
выход);
– видео (вход,
выход)
Процессорная
часть
Интерфейсная
часть
Процессоры:
Интерфейсы:
– центральный;
– мультимедийный;
– нейронный;
– беспроводной
Контроллеры:
:
– системный;
– прикладной
– внешних связей;
– внешней памяти;
– беспроводной;
– контроллерный
Служебная
часть
Внутрисистемные
компоненты
Рис. 1.4. Обобщённая структурная схема АР
Внешние устройства
Внешние устройства, питание
ПРИКЛАДНОЙ ПРОЦЕССОР (АР)
1.6. Подробный анализ АР
21
Процессорная часть занимается вычислениями, обработкой и хранением информации, ускорением и распараллеливанием процессов, а также кодированием
и декодированием данных, разрешением конфликтных ситуаций на шинах. Процессорная часть содержит несколько процессоров (англ. CPU — Central Processing
Unit, вычислительное ядро) и контроллеров (англ. Controller — менее мощные
устройства для локального управления и контроля). Процессоры в АР должны
присутствовать обязательно, а контроллеры — факультативно.
Служебная часть включает в себя совокупность шин, магистралей, ячеек памяти, регистров, дешифраторов, мультиплексоров и прочих элементов, тесно
взаимодействующих с процессорной частью. Отличительная особенность: блоки
служебной части не имеют прямого выхода на внешние контакты чипа АР.
Системная часть на логическом уровне представляет собой аналог служебной
части, но её входы и выходы имеют прямой доступ к внешним контактам чипа
АР. Сюда относятся: узлы начального сброса, тактирования, отладки, программирования, формирования прерываний, генерации тактовых частот, а также блок
внутреннего распределения питания.
Мультимедийная часть, по определению, занимается обработкой аудиовизуальной информации и представлением её в доступной для человека форме. На
контакты чипа АР выводятся или аналоговые сигналы звука и изображения, или
шины цифровых логических сигналов. Последние, как правило, требуют согласования, защиты, преобразования и конвертации во внешних микросхемах. Далее
к SBC через разъёмы могут подключаться: мониторы, телевизоры, музыкальные
центры, фото- и видеокамеры, УМЗЧ и т. д.
Интерфейсная часть решает задачу стыковки доступных в конкретном АР интерфейсов с внешним миром на аппаратном и логическом уровнях. Состав блоков в этой части широко варьируется. Например, интерфейс беспроводной связи подразумевает радиочастотную технологию, которая доступна далеко не всем
фирмам-изготовителям. А вот интерфейс подключения внешней памяти является органическим атрибутом всех АР, иначе теряются преимущества, связанные с
программной установкой ОС.
1.6.6. Внутренние и внешние интерфейсы
Интерфейс (англ. interface) — это граница между двумя функциональными
объектами, требования к которой определяются стандартом. Применительно к
АР различают внутренние и внешние интерфейсы.
Для рядового пользователя внутренние интерфейсы, которые находятся на
границе процессорной и служебной частей АР, большого интереса не представляют. Это зона ответственности профессиональных разработчиков ядер и процессорных архитектур. Куда более важными для практики являются внешние
интерфейсы, при помощи которых АР контактирует с окружающей средой через
системную, мультимедийную и интерфейсную части.
Внутри АР имеется несколько специализированных электрических шин, охватывающих весь комплекс элементов системы. В даташитах АР они иногда показываются, иногда упоминаются, иногда подразумеваются. Шины имеются как во
внутренних, так и во внешних интерфейсах. На Рис. 1.4 они условно показаны
22
Глава 1. Одноплатные компьютеры
одной общей утолщённой линией, но в дальнейшем при разрисовке блок-схем
анализируемых АР шины будут отсутствовать, чтобы не загромождать графику.
Если внимательно присмотреться, то названия элементов в разных частях
АР созвучны друг с другом. Например, мультимедийный процессор и мультимедийные интерфейсы, процессор беспроводной связи и интерфейс беспроводной
связи, прикладные контроллеры и контроллерные интерфейсы. Совпадение названий не случайно, поскольку указывает на их тесную физическую взаимосвязь:
процессоры отвечают за логику, а интерфейсы — за протоколы.
1.6.7. Примеры реальных АР
Постулат — это утверждение, принимаемое без доказательства. В качестве
постулата можно принять утверждение, что все фирмы-изготовители АР в документации по-разному отображают внутреннее устройство своих изделий. Анализ
нескольких, наугад взятых даташитов АР свидетельствует о том, что единого стандарта действительно не существует.
Учитывая этот факт, в настоящей книге все фирменные блок-схемы АР приводятся к однообразному и унифицированному виду для лучшего понимания функциональных возможностей и облегчения поиска отличий.
Для дальнейшего анализа отобраны следующие АР:
• OMAP4430 фирмы Texas Instruments (Рис. 1.5);
• RK3566 фирмы Rockchip Electronics (Рис. 1.6);
• APQ8016 фирмы Qualcomm Technologies (Рис. 1.7);
• i.MX 8QuadMax фирмы NXP Semiconductors (Рис. 1.8).
Все перечисленные АР были разработаны в разные годы. Они содержат разные
наборы интерфейсов, имеют разные технические параметры. Однако, несмотря
на большие отличия, их внутреннее устройство достаточно легко структурируется
в едином стиле.
Нарисовать блок-схему АР в виде прямоугольников — это полдела. Дополнительно надо хотя бы кратко дать текстовые пояснения о назначении входящих в
схему элементов с учётом следующих особенностей:
• знаком « x » обозначается количество однотипных каналов, модулей, портов,
интерфейсов, например «SPI x 4» — это четыре канала интерфейса SPI;
• разделительный символ «@» по аналогии с адресом электронной почты
означает английский предлог «at» (рус. «при, на, у, к»). Это условность, позволяющая визуально отделить текст от физического параметра, например
от частоты «@533 MHz», скорости передачи данных «@1 Gb/s» и т. д.;
• названия АР указываются сокращённо, по образцу RK3566, OMAP4430, без
названия фирмы. Технические описания АР приводятся в их даташитах на
сайтах, указанных по ссылкам из Табл. П2.1 приложения 2;
• описание спецификаций, протоколов и интерфейсов, которые поддерживают рассматриваемые АР, не входит в задачу настоящей книги. Для их изучения следует воспользоваться ссылками из Табл. П1.2 приложения 1.
1.6. Подробный анализ АР
23
1.6.8. Структурная схема OMAP4430
Служебная часть
Timer x 14
Memory
Texas Instruments
OMAP4430
Интерфейсная часть
Интерфейс
внешних связей
Процессорная часть
USB 2.0
Mailbox
Центральный
процессор @1 GHz
I2C x 5
Системная часть
Cortex�A9
SCCB
Cortex�A9
SPI x 4
DMA
ULPI
UART x 4
Clock
DPLL
Reset
Interrupts
Debug
Power Manager
Thermal Sensor
Мультимедийная часть
Канал звука (вход)
DMIC x 6
Канал звука (выход)
HDQ/1�Wire
2D/3D GPU
PowerVR SGX540
MIPI�HSI x 2
DSP (32�bit)
TMS320DMC64
ISS (camera)
eMMC x 2
FDIF
(face detect)
NAND Flash
Канал звука
(вход и выход)
ABE subsystem
(audio)
McBSP
Канал видео (вход)
MIPI CSI x 2
Канал видео (выход)
GPIO x 192
Интерфейс
внешней памяти
Display
subsystem
McPDM
Keypad 9*9
IVA�HD
(video imaging)
S/PDIF
SLIMbus x 2
IrDA�1.4
Мультимедийный
процессор
Системный
контроллер
SD/MMC
NOR Flash
OneNAND
Flash
pSRAM
LPDDR2
@533 MHz
(PoP)
Cortex�M3
@266 MHz
Cortex�M3
@266 MHz
MIPI DSI x 2
MIPI DBI
MIPI DPI
TV (NTSC/PAL)
HDMI�1.3
Рис. 1.5. Внутреннее устройство OMAP4430
OMAP4430 — это высокопроизводительный АР фирмы Texas Instruments, относящийся к платформе OMAP (Open Multimedia Application Platform) [1-5]. Первая цифра «4» в названии АР обозначает порядковый номер платформы, а именно
OMAP 4.
24
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Чипы первых трёх платформ OMAP 1…3 применялись в «древних» мобильных
телефонах и простых интернет-устройствах. Их сложно отнести к полноценным
АР ввиду слабых технических характеристик и низкой тактовой частоты (меньше
1 ГГц). По классификации это промежуточное звено между МК и АР.
На чипах, входящих в более современные платформы OMAP 4 и OMAP 5, построены достаточно известные смартфоны и планшеты — Samsung Galaxy Tab 2,
BlackBerry Z10. В своё время они были в топе рейтингов. Технологические нормы
изготовления АР семейства OMAP 4 составляют 45 нм, OMAP 5 — 28 нм.
Габаритные размеры корпуса OMAP4430 12 x 12 мм, на нижней части которого
расположены 547, а на верхней — 216 шариковых контактов BGA с шагом 0.4 мм.
Чип OMAP4430 используется в следующих SBC: phyCORE-OMAP4430 фирмы
PHYTEC Messtechnik и PandaBoard System сообщества Pandaboard.org.
Структурная схема OMAP4430 нарисована в унифицированном виде согласно
его даташиту [1-6] и состоит из процессорной, служебной, системной, мультимедийной и интерфейсной частей.
• ПРОЦЕССОРНАЯ ЧАСТЬ OMAP4430
Процессорная часть содержит три группы элементов — два процессора и один
контроллер. Назначение входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Центральный процессор
Cortex-A9 (два ядра) — 32-разрядный RISC-процессор архитектуры ARMv7 с
двумя ядрами Cortex-A9, работающий на частоте 1 ГГц. Каждое ядро содержит векторный сопроцессор Neon, выполняющий инструкции Advanced SIMD, и модуль
FPU для ускорения вычислений с плавающей запятой. Объём внутренней памяти:
64 КБ кеш L1 на каждое ядро, 1 МБ общий кеш L2, 48 KБ загрузочное ПЗУ.
Мультимедийный процессор
GPU 2D/3D PowerVR SGX540 — Graphics Processing Unit — одноядерный графический процессор с ядром PowerVR SGX540 фирмы Imagination Technologies, обрабатывающий 2D- и 3D-изображения в два потока. Тактовая частота 304 МГц.
Количество вершинных и пиксельных шейдеров составляет, соответственно,
два и четыре. Поддерживаются протоколы: Direct3D Mobile, OpenGL-ES 2.0,
OpenVG 1.1, OpenMAX.
DSP (32-bit) TMS320DMC64 — Digital Signal Processor — ядро 32-битного цифрового сигнального процессора (DSP) семейства TMS320 фирмы Texas Instruments.
Служит для ускорения обработки звука, изображения и видео. Содержит четырёхканальный ассоциативный кеш ОЗУ L1 объёмом 32 КБ и восьмиканальный ассоциативный кеш ОЗУ L2 объёмом 128 КБ.
IVA-HD (video imaging) — Image and Video Accelerator-High Definition — аппаратный мультимедийный ускоритель высокого разрешения. Базируется на ядре
32-разрядного МК ARM968E-S фирмы ARM. Возможности ускорителя: обработка видео в формате Full HD 1080p@30 Гц, режим замедленной съёмки, захват изображений, транскодирование в формате 720p, организация видеоконференций
с разрешением 720p. Поддерживаемые форматы: MPEG-1…4, Divx 5.02, H.263,
H.264 BL/MP/HP, Stereoscopic Video, JPEG, RealVideo 8/9/10.
1.6. Подробный анализ АР
25
ISS (camera) — Imaging SubSystem — обрабатывает данные, поступающие с
цифровой камеры разрешением до 16 Мп. Подсистема ISS отвечает за видоискатель камеры, запись видео с цифровым зумом и вращением, обработку неподвижных изображений RGB и YUV, компенсацию уровня чёрного, гамма-коррекцию.
Пропускная способность до 200 Мп/с по 128-битной шине данных. Содержит два
программируемых процессора изображений, которые работают в плотной связке
с одним из системных контроллеров Cortex-M3, входящих в процессорную часть.
FDIF (face detect) — Face Detect Invariant Filtering — модуль обнаружения лиц на
изображении формата QVGA с 8-битной яркостью. Для обработки изображения
320 x 240 пикселей требуется 75 КБ памяти SDRAM. Модуль содержит встроенные
ОЗУ и ПЗУ, взаимодействует с ЦП Cortex-A9, DSP и системными контроллерами
Cortex-M3, входящими в процессорную часть.
Display Subsystem — подсистема дисплея. Обеспечивает взаимодействие с буфером кадров системной памяти SDRAM. Возможности: поддержка аппаратного
курсора, независимая гамма-коррекция, программируемое чередование фаз цвета, кодирование стереоскопического 3D-видео с разрешением 720p. Допустимые
форматы: RGB, ARGB, YUV. Вывод сигналов может производиться на 8-битный
монохромный ЖКИ, на 24-битный цветной TFT, на телевизор стандартов NTSC и
PAL, на устройства, поддерживающие протоколы HDMI, MIPI DSI.
ABE subsystem (audio) — Audio Back-End — звуковая подсистема. Возможности:
буферизация аудиосемплов, микширование с голосовой дорожкой или микрофоном, эквалайзер, 3D-эффекты, усиление басов. Содержит внутреннюю память
ОЗУ объёмом 64 КБ и ПЗУ объёмом 24 КБ. Поддерживаются периферийные интерфейсы: I2S, S/PDIF, MIPI SLIMbus, DMIC (цифровой микрофон), McPDM с
многоканальной ШИМ для вывода стереозвука через внешний аудиочип TWL6040
фирмы Texas Instruments.
Системный контроллер
Cortex-М3 (два ядра) — два упрощённых ядра 32-разрядных МК платформы
Cortex-M3. Тактовая частота 266 МГц. Предназначены для обработки мультимедиа в блоках ISS, FDIF, а также реагирования на фоновые и аварийные события
в режиме реального времени. Контроллеры работают в связке с ЦП Cortex-A9,
позволяя разгрузить последний от рутинных операций умножения, деления и исполнения инструкции Thumb и Thumb-2. Считается, что в оптимально составленной прикладной программе два мощных ядра Cortex-A9 могут использоваться для
веб-сёрфинга с загрузкой картинок и «тяжёлых» вычислений, тогда как энергосберегающие ядра Cortex-M3 активируются при решении более простых задач.
• СЛУЖЕБНАЯ ЧАСТЬ OMAP4430
Служебная часть содержит четыре блока, сигналы которых не выходят напрямую за пределы АР. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Timer (14 таймеров) — цифровые таймеры. Таймеры в АР и МК — это устройства, которые вырабатывают определённые логические сигналы по истечении заданного интервала времени. Таймеры участвуют в генерации прерываний, в формировании сигналов ШИМ и меток времени. В OMAP4430 имеется 14 таймеров,
и все они 32-разрядные: 11 таймеров общего применения General-Purpose Timers,
26
Глава 1. Одноплатные компьютеры
два сторожевых таймера Watchdog Timers и один таймер часов реального времени
32-kHz Synchronized Timer. Тактируются все они от разных источников с частотой
от 32 768 Гц до 38.4 МГц.
Memory — встроенная память. Практически во всех блоках на структурной схеме OMAP4430 присутствуют ячейки памяти ОЗУ и (или) ПЗУ небольшого объёма,
порядка единиц-десятков килобайт. Раскладка памяти: верхний уровень иерархии
памяти L1…L4 — четырёхуровневая кеш-память сверхбыстрого ОЗУ для ядер ЦП
с целью буферизации транзакций, ПЗУ SAR-ROM (Save And Restore-Read Only
Memory) для хранения и восстановления регистров при переходе в выключенный
режим, загрузочное ПЗУ Boot ROM, которое обеспечивает начальный старт системы, ПЗУ eFuse, где хранятся заводские настройки и калибровки.
DMA — Direct Memory Access — прямой доступ к памяти. Обеспечивает быстрый обмен данными между устройствами и основной памятью АР, минуя ЦП. Поскольку данные не пересылаются в ЦП и обратно, то скорость передачи значительно увеличивается. Контроллер DMA в OMAP4430 поддерживает 127 запросов,
32 приоритетных логических канала и имеет 64-битную память FIFO. Существует
также разделение в зависимости от источников запроса на аудио aDMA, системную sDMA и сигнально-процессорную eDMA.
Mailbox — почтовый ящик. Это узел, который обеспечивает интерфейс межпроцессорного взаимодействия в многоядерной системе. Почтовый ящик позволяет нескольким ядрам разделять ресурсы и обмениваться данными между собой.
Управление почтовым ящиком производится с помощью прерываний, когда определённое ядро или процессор оставляет «сообщение», позволяющее претендовать
на общий ресурс, если он доступен. Например, почтовый ящик, встроенный в
подсистему IVA-HD, устанавливает двустороннюю связь между тремя внешними
пользователями и одним внутренним пользователем. Эта связь обеспечивается
тремя парами почтовых ящиков и FIFO с глубиной в четыре сообщения.
• СИСТЕМНАЯ ЧАСТЬ OMAP4430
Системная часть содержит семь блоков, сигналы которых так или иначе выводятся наружу. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Clock — узел тактирования. Обеспечивает генерацию и распределение синхронизирующих сигналов внутри АР. Тактирование осуществляется через внешние
контакты АР по ВЧ- и НЧ-каналам. К входам XTAL_IN, XTAL_OUT подключается основной кварцевый ВЧ-резонатор или генератор прямоугольных импульсов
меандра частотой 12; 16.8 или 19.2 МГц. Вход SLICER служит для подачи синусоидального сигнала от внешнего генератора с низким фазовым дрожанием (джиттером) частотой 12; 16.8; 19.2; 26 или 38.4 МГц. Входы SYS_32K относятся к НЧчасти для подключения генератора частотой 32 768 Гц или «часового» кварцевого
резонатора той же частоты для тактирования узла RTC (Real Time Clock).
DPLL — Digital Phase-Locked Loop — узел цифровой системы ФАПЧ. Предназначен для формирования внутренних частот методом дробного умножения
(деления) на программно изменяемые коэффициенты. На вход ФАПЧ поступает
тактовый сигнал CLK от осцилляторного узла. Получаемая на выходе сетка частот
используется для синхронизации всех шин и узлов АР. В зависимости от выполняемой задачи частота синхросигналов может программно снижаться или увели-
1.6. Подробный анализ АР
27
чиваться. Некоторые тактовые импульсы системы ФАПЧ выводятся наружу через
контакты CLK[0:5]_OUT на корпусе АР. Они имеют уровни КМОП и используются для синхронизации внешней периферии.
Reset — узел начального сброса. Внутренние блоки АР переходят в состояние
сброса по внешнему сигналу, например от нажатия кнопки, или при наступлении определённых событий. В состоянии сброса программный счётчик и все
системные регистры АР устанавливаются в исходные начальные состояния. Эти
состояния однозначно определяют аппаратную конфигурацию, с которой АР начинает старт после включения питания. Не случайно второе название «состояния
сброса» — состояние «начального запуска». Различают четыре источника событий, которые переводят OMAP4430 в состояние сброса: внешний сброс от кнопки, внутренний сброс при включении питания, внутренний сброс по сторожевому
таймеру, внутренний сброс при появлении аварийных ситуаций.
Interrupts — система прерываний. Основана на таймерах, счётчиках, узлах
обработки внешних и внутренних событий. Имеет прямую связь с 64 линиями
GPIO, а значит, с контактами АР. Позволяет, в частности, реагировать на смену
логического уровня на выбранной линии GPIO без её постоянного программного
опрашивания.
Debug — система отладки и программирования. В OMAP4430 для этого используется интерфейс JTAG (Joint Test Action Group) в мультипроцессорном режиме,
когда обеспечивается доступ к разным ядрам ЦП. Возможности отладчика: глобальный запуск и остановка одного или нескольких процессоров, синхронизация
системы, отключение питания (снижение энергопотребления), соединение нескольких устройств для запараллеливания их работы, трассировка программного обеспечения по 256 каналам. Отладка физически осуществляется через порт
IEEE1149.1 (JTAG) или IEEE1149.7 (дополнительное подмножество JTAG), сигналы которых выводятся на контакты АР.
Power Manager — менеджер питания. Это модуль управления питанием, который
подстраивает тактовую частоту и напряжение в разных узлах АР в соответствии с
требуемой производительностью. Динамическое масштабирование напряжений и
частот касается всех блоков процессорной части: Cortex-A9, DSP, ABE и т. д. Менеджер питания анализирует диагностические сигналы, определяющие аварийное состояние устройства. Сигналы управления (выходы) и диагностики (входы)
доступны на контактах АР. Внутри менеджера содержатся стабилизаторы LDO и
транзисторный ИОН bandgap. Может работать с внешним контроллером питания
PMIC, подобным чипу-компаньону TWL6030 фирмы Texas Instruments.
Thermal Sensor — температурный датчик. Внутри OMAP4430 имеется полупроводниковый датчик температуры кристалла. Измерение температуры производится в пределах –40…+125°C через внутренний АЦП с разрядностью 8 бит. Датчик температуры предполагает два режима работы: однократного и непрерывного
преобразований. Узел термодатчика содержит компаратор, который срабатывает
при превышении программно заданного порога температуры. Выходной сигнал
компаратора TSHUT имеет ВЫСОКИЙ уровень во время нормальной работы и
переходит в НИЗКИЙ уровень при перегреве. Этот сигнал выводится наружу на
линию GPIO АР, следовательно, температурный датчик относится к системной, а
не к служебной части АР.
28
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ ЧАСТЬ OMAP4430
Мультимедийная часть содержит пять групп элементов: входные, выходные,
смешанные каналы звука, а также входные и выходные каналы видео. Назначение
входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Канал звука (вход)
DMIC — Digital MICrophone — связь с цифровыми микрофонами. К OMAP4430
могут быть подключены или три стереофонических или шесть монофонических
цифровых микрофонов. К каждому микрофону подводятся два сигнала: тактовый
DMIC_CLK частотой 1.5…3.8 МГц (выход от АР) и информационный DMIC_DIN
(вход в АР) с модуляцией плотности импульсов PDM. Принятый звуковой сигнал
внутри АР проходит цифровую фильтрацию и распределение по каналам. Данные
хранятся в буфере FIFO, который управляется запросами прерывания IRQ прямого доступа к памяти DMA. Частота дискретизации звука 88; 96 или 192 кГц.
Канал звука (выход)
S/PDIF — Sony/Philips Digital InterFace, или Sony/Philips Digital Interconnect
Format — последовательный интерфейс «точка—точка» для передачи цифровых
аудиоданных методом ИКМ на звуковоспроизводящее устройство. Пакет передаваемых данных имеет длину 32 разряда, из них первые восемь разрядов являются
служебными, а остальные 24 разряда содержат полезный сигнал, который обрабатывает процессор. В OMAP4430 используется промышленная версия стандарта
S/PDIF (Industry format) в составе общего узла McASP (Multichannel Audio Serial
Port), который ориентирован на стандарт AES-3, он же IEC-60958. Выходной логический сигнал S/PDIF имеет уровень 1.8 В с бифазным кодированием информации. Для подключения к коаксиальному разъёму «тюльпан» или к оптическому
разъёму TOSLINK требуется внешний узел сопряжения и защиты. Звуковой сигнал канала S/PDIF в теории может быть как стереофоническим, так и многоканальным в формате 5.1 или 7.1 по стандартам Dolby и DTS.
Канал звука (вход и выход)
McBSP — Multichannel Buffered Serial Port — универсальный полнодуплексный
последовательный порт, обеспечивающий приём и передачу информации между
различными устройствами на основе синхронизации кадров. Порт четырёхканальный: McBSP1 — универсальные цифровые данные, McBSP2 — выходные
аудиоданные в формате I2S, McBSP3 — входные и выходные голосовые данные
Bluetooth, McBSP4 — выходные данные интерфейса MIDI для музыкальных инструментов. Каждый канал содержит от четырёх до шести логических цифровых
сигналов, которые выводятся на корпус АР и к которым подключаются внешние
чипы, например модем Bluetooth со звуковым трактом, контроллер MIDI.
McPDM — Multichannel Pulse Density Modulation — аудиоинтерфейс фирмы
Texas Instruments, предназначенный для подключения внешних аудиокодеков к
АР платформы OMAP. Интерфейс рассчитан на чип-компаньон TWL6040 фирмы
Texas Instruments. Интерфейс имеет шину, состоящую из пяти информационных,
тактовых и управляющих сигналов. Через них аудиокодек работает с четырьмя каналами ЦАП, двумя каналами АЦП, а также двумя вибрационными каналами для
1.6. Подробный анализ АР
29
тактильного вибромотора обратной связи. Управляется аудиокодек командами от
АР по каналу I2C, содержит вход для микрофонов, выход УНЧ для стереофонических головных телефонов и выход УМЗЧ мощностью 2 x 1.5 Вт.
SLIMbus (два канала) — Serial Low-power Inter-chip Media bus — последовательная многоканальная медиашина с низким энергопотреблением. Обслуживает несколько потоков цифровых аудиоданных с разной частотой дискретизации
и разрядностью. Интерфейс разработан организацией MIPI Alliance в 2003 году.
В OMAP4430 имеются два независимых канала SLIMbus с сигналами DATA (данные) и CLK (тактирование с частотой до 24 МГц). Сигналы передаются блоками,
где каждому устройству отводится свой временной интервал согласно принципу
мультиплексирования TDM. Блоки состоят из ячеек, слотов, кадров, подкадров
и суперкадров. К шинам SLIMbus могут подключаться в многоточечном режиме
такие устройства, как аудиокодек, модуль Bluetooth, FM-радио и т. д.
Канал видео (вход)
MIPI CSI (два порта) — Mobile Industry Processor Interface Camera Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для приёма фото- и видеоизображений от цифровых камер. В OMAP4430 имеются два порта, совместимые
со спецификацией альянса MIPI: CSI-A (основной) и CSI-B (дополнительный).
Из двух портов активным может быть лишь один. Интерфейс MIPI CSI является
канальным окончанием блока ISS, который входит в процессорную часть АР. На
физическом уровне основной порт содержит пять, а дополнительный — две пары
дифференциальных сигналов DATA и CLK, а также сигналы управления.
Канал видео (выход)
MIPI DSI (два порта) — MIPI Display Serial Interface — высокоскоростной
последовательный интерфейс для подключения TFT-дисплеев. Интерфейс универсальный, поэтому встречается как в дисплеях со встроенным контроллером и
графической памятью (Command Mode), так и в дисплеях без собственной графической памяти (Video Mode). В OMAP4430 имеются два порта, совместимые
со спецификацией альянса MIPI: DSI-1 (основной, SXGA@60 Гц) и DSI-2 (дополнительный, SXGA@85 Гц). Каждый из портов допускает подключение разных
дисплеев. Интерфейс MIPI DSI является канальным окончанием блока Display
subsystem, который входит в процессорную часть АР. Все передаваемые сигналы
дифференциальные. На физическом уровне основной порт содержит четыре пары
сигналов DATA (в транзакции 4 бита) и одну пару сигнала CLK. Дополнительный
порт содержит две пары сигналов DATA (в транзакции 2 бита) и одну пару сигнала
CLK. Максимальная физическая скорость по одной паре составляет 900 Мбит/с.
MIPI DBI — MIPI Display Buffer Interface — параллельный интерфейс для дисплеев со встроенным контроллером и буферной экранной памятью. В OMAP4430
применяется интерфейс MIPI DBI Type B, который совместим со спецификацией Intel 8080. Поддерживаются шины с разрядностью 8; 9; 16 бит в формате WVGA@30 Гц. Интерфейс MIPI DBI является канальным окончанием блока
Display subsystem, который входит в процессорную часть АР. На физическом уровне интерфейс содержит 16 информационных сигналов DATA и шесть сигналов
управления и тактирования.
30
Глава 1. Одноплатные компьютеры
MIPI DPI — MIPI Display Parallel Interface — параллельный интерфейс RGB
с потенциальными КМОП-сигналами для монохромных пассивных дисплеев с
разрядностью 4 и 8 бит, а также цветных активных дисплеев TFT с разрядностью
12; 16; 18; 24 бита. Интерфейс MIPI DPI является канальным окончанием блока
Display subsystem, который входит в процессорную часть АР. На физическом уровне в интерфейсе используются 24 информационных сигнала DATA (формат RGB)
и пять сигналов управления и тактирования.
TV (NTSC/PAL) — TeleVision — аналоговый телевизионный выход с композитным цветовым сигналом стандартов: NTSC (NTSC-J, NTSC-M) и PAL (PAL-B,
PAL-D, PAL-G, PAL-H, PAL-I, PAL-M). Интерфейс TV является канальным окончанием блока Display subsystem, который входит в процессорную часть АР. Интерфейс включает в себя видеоконтроллер, видеодекодер и 10-разрядный видеоЦАП.
На физическом уровне выходной сигнал TVout имеет амплитуду 1.2 В на нагрузке
75 Ом и может подаваться через кабель прямо на телевизор. Также имеется сигнал
VIDEOvfb, снимаемый непосредственно с видеоЦАП. Он может подаваться на магистральный видеоусилитель, имеющий входное сопротивление 1.5 кОм.
HDMI-1.3 — High-Definition Multimedia Interface — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости. Позволяет передавать цифровой видеоконтент и многоканальные аудиосигналы с защитой от копирования HDCP (High-bandwidth Digital
Content Protection). Разрешение экрана до 1920 x 1080@60 Гц при глубине цвета
12 бит на каждый из компонентов R, G, B. Интерфейс HDMI является канальным
окончанием блока Display subsystem, который входит в процессорную часть АР.
В OMAP4430 обеспечивается совместимость не только с версией HDMI-1.3, но
и с HDMI-1.4 в части поддержки 3D-изображений и стереоскопических форматов упаковки кадров. На физическом уровне интерфейс содержит три дифференциальные пары сигналов данных DATA, одну дифференциальную пару тактового
сигнала CLK, а также четыре управляющих сигнала, включая шину I2C.
• ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ OMAP4430
Интерфейсная часть содержит две группы элементов: интерфейс внешних
связей и интерфейс внешней памяти. Назначение входящих в них блоков (сверху
вниз по схеме).
Интерфейс внешних связей
USB 2.0 — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная
шина» для подключения различных периферийных устройств. В OMAP4430 применяется контроллер USB OTG (On-The-Go), выполненный на базе ядра чипа
MUSBMHDRC фирмы Mentor Graphics. Контроллер соответствует стандарту
USB 2.0 для режимов HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с), LS (1.5 Мбит/с) и дополнению OTG-1.3 с канальным управлением питания. На физическом уровне
интерфейс содержит стандартный набор сигналов для разъёмов USB, miniUSB,
microUSB: Vbus, D+, D–, ID, GND.
ULPI — USB Transceiver Macrocell Interface & Low Pin Interface — параллельная 12-сигнальная шина для организации высокоскоростных IP-систем на базе
USB 2.0 и подключения внешних трансиверов. Как правило, через интерфейс
ULPI подключаются внешние микросхемы приёмопередатчиков, работающие в
1.6. Подробный анализ АР
31
высокоскоростном режиме HS (480 Мбит/с), например USB3320 фирмы Microchip
Technology. На физическом уровне интерфейс содержит шину данных DATA0…7, а
также сигналы управления и тактирования CLK, DIR, NXT, STP.
I2C (пять каналов) — Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина I2C для связи между микросхемами в электронных устройствах.
В OMAP4430 имеются четыре универсальных и одна специализированная шины
I2C. Универсальные шины соответствуют спецификации Philips I2C v2.1 с поддержкой режимов Standard (100 кбит/с), Fast (400 кбит/с) и HS (High Speed,
3.4 Мбит/с). Все универсальные шины мультимастерные, позволяющие работать
в режиме ведомого и ведущего. Специализированная шина настроена как «мастер» (ведущий) в режимах Fast и HS. Она предназначена для стыковки с внешним чипом контроллера питания PMIC, чтобы оперативно изменять напряжения,
производить сброс и тактирование АР. На физическом уровне в интерфейсе I2C в
каждом из пяти каналов используются двунаправленные линии связи SDA, SCL с
уровнями 1.8 В, подключаемые к сети с топологией «общая шина».
SCCB — Serial Camera Control Bus — последовательная шина, аналогичная I2C,
разработанная фирмой OmniVision Technologies для своих устройств семейства
CameraChips — «полная видеосистема на одном кристалле» [1-7]. Скорость передачи данных до 100 кбит/с. Интерфейс трёхпроводной с уровнями 1.8 В, при этом
к двум стандартным сигналам интерфейса I2C SCL, SDA добавляется сигнал выбора кристалла SCCBE.
SPI (четыре канала) — Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный полнодуплексный интерфейс для простого и недорогого высокоскоростного сопряжения процессоров с внешними устройствами. В OMAP4430 используются четыре независимых канала SPI. Из них: SPI1 предназначен для подключения четырёх внешних устройств, SPI2 — двух внешних устройств, SPI3 и
SPI4 — одного внешнего устройства в режиме «точка—точка». Доступны функции
ведомого и ведущего. На физическом уровне используются сигналы CLK, SIMO,
SOMI, CS, которые являются аналогами стандартных сигналов SCK, MISO, MOSI,
SS интерфейса SPI. Максимальная тактовая частота сигнала CLK 48 МГц.
UART (четыре порта) — Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — один из
старейших последовательных интерфейсов под названием «Универсальный асинхронный приёмник-передатчик». В OMAP4430 используются четыре независимых порта UART с сигналами: TX, RX, RTS, CTS. Состав кадра: старт-бит, данные
5…8 бит, бит контроля чётности, стоп-бит. Максимальная скорость 3.6 Мбит/с.
IrDA-1.4 — Infrared Data Association — «инфракрасный» интерфейс для связи с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения на
длине волны 880 нм (диапазон 850…900 нм). Протокол передачи данных последовательный асинхронный. Поддерживаются скорости SIR (Serial InfraRed, до
115 200 бит/с), MIR (Medium InfraRed, до 1.152 Мбит/с), FIR (Fast InfraRed, до
4 Мбит/с). На физическом уровне используется один из портов UART, при этом
в зависимости от типа ИК-устройства могут подключаться два сигнала RTS, CTS,
три сигнала RX, TX, RTS или четыре сигнала RX, TX, RTS, СTS.
HDQ/1-Wire — High-Speed Data Queue — последовательный низкоскоростной
интерфейс передачи данных в обе стороны по одному проводу. Совмещает в себе
два интерфейса: HDQ фирм Texas Instruments, Benchmarq и 1-Wire фирмы Dallas
32
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Semiconductor. Отличия между ними лишь в логических протоколах. Топология
сети — «общая шина» с внешним нагрузочным резистором. Устройства на шине
различаются между собой по уникальному цифровому 64-битному идентификатору, который считывается программно. Скорость обмена данными не более
5 кбит/с. Это ограничение интерфейса HDQ, интерфейс 1-Wire более быстрый.
Keypad 9*9 — клавиатурный порт. Предназначен для подключения внешней
тастатуры или механической клавиатуры, состоящей максимум из 81 кнопки
(девять рядов, девять колонок). Порт обслуживается внутренним контроллером
клавиатуры, который работает на частоте 32 кГц и имеет «pull-up» резисторы на
входных линиях. Контроллер реализует алгоритм сканирования и аппаратного
декодирования нажатия кнопок, что снижает нагрузку на ЦП. Также контроллер программно устраняет «дребезг» контактов, отслеживает короткие и длинные
нажатия и гарантирует однозначность определения комбинации клавиш. Кроме
того, контроллер генерирует сигнал пробуждения при нажатии на любую из кнопок, когда АР находится в спящем режиме.
MIPI HSI (два порта) — MIPI High-speed Synchronous serial Interface — высокоскоростной многоканальный интерфейс последовательного синхронного ввода и
вывода данных. Скорость интерфейса до 192 Мбит/с на передаче и до 225 Мбит/с
на приёме. В OMAP4430 имеются два независимых порта MIPI HSI. На физическом уровне каждый порт содержит восемь информационных, тактовых и управляющих сигналов. Типичное применение — обмен данными с внешним сотовым
3G-модемом или с системой управления станком ЧПУ.
GPIO (192 линии) — General-Purpose Input/Output — общий интерфейс связи
между компонентами процессорной системы через цифровые входы и выходы.
Сигналы GPIO двунаправленные, с совмещением функций, могут находиться в
режиме Z-входа, а также с подтягивающими резисторами. В OMAP4430 имеется
шесть портов GPIO1…GPIO6 с разрядностью 32 бита каждый.
Интерфейс внешней памяти
eMMC (два канала) — embedded Multimedia Memory Card — интерфейс для подключения внешней «встраиваемой мультимедийной карты памяти». Чипы eMMC
содержат энергонезависимую память NAND Flash большого объёма и управляющий контроллер. Подобная архитектура применяется и в картах памяти microSD,
но чип eMMC распаивается на печатной плате SBC и не подлежит быстрой замене. В OMAP4430 имеются два независимых канала подключения eMMC с сигналами DATA0…7, CMD, CLK (максимальная частота 19.2 МГц). Напряжение питания для первого канала SDMMC1 можно выбрать 1.8 или 3 В, для второго канала
SDMMC2 — только 1.8 В.
SD/MMC — Secure Digital/MultiMedia Card — интерфейс подключения внешних карт памяти, подобных microSD. Интерфейс SD/MMC использует первый
канал SDMMC1 интерфейса eMMC и его состав сигналов. Допускается работа в
четырёх- и восьмибитных режимах при частоте импульсов CLK до 10 МГц.
NAND Flash — Not AND — интерфейс подключения внешних микросхем флешпамяти с логической организацией И-НЕ и страничной записью/чтением информации. Архитектура NAND Flash была представлена в 1989 году. Из плюсов — малое количество сигналов, простой асинхронный интерфейс, быстрая запись, низ-
1.6. Подробный анализ АР
33
кая цена, большой объём памяти. Из минусов — медленное чтение и отсутствие
произвольного доступа к ячейкам памяти. В OMAP4430 допускается подключение до восьми чипов NAND Flash с разрядностью 8 или 16 бит, с внутренним исправлением ошибок или без него. Интерфейс связи с АР содержит объединённую
шину адреса и данных, а также управляющие и тактовые сигналы. На физическом
уровне сигналы совмещаются с выводами каналов SDMMC1, SDMMC2, используя 15 или 23 линии связи с уровнями 1.8 В. Область применения чипов NAND
Flash — хранение и запуск пользовательских программ.
NOR Flash — Not OR — интерфейс подключения внешних микросхем флешпамяти с логической организацией ИЛИ-НЕ и произвольным доступом к ячейкам данных. Архитектура NOR Flash была представлена в 1988 году. Её особенности: надёжность хранения информации, синхронный протокол работы, высокая
скорость чтения, но медленная запись и достаточно высокая цена. В OMAP4430
допускается подключение до восьми 16-разрядных чипов NOR Flash объёмом
1 Гб. На физическом уровне используются линии связи с уровнями 1.8 В, которые
совмещаются с выводами каналов SDMMC1, SDMMC2. Область применения чипов NOR Flash — долговременное хранение объёмов информации, где требуется
быстрое чтение, но не нужна частая запись.
OneNAND Flash — One Not AND — оригинальная архитектура, разработанная
фирмой Samsung в 2004 году и сочетающая преимущества NAND и NOR Flash. Её
особенности: высокое быстродействие, большая ёмкость, низкое энергопотребление, синхронный протокол работы. В OMAP4430 допускается применение до
восьми 16-разрядных чипов OneNAND Flash. На физическом уровне используется 24 линии связи с уровнями 1.8 В, которые совмещаются с выводами каналов
SDMMC1, SDMMC2.
pSRAM — pseudo-Static Random Access Memory — псевдостатическая оперативная память. Представляет собой маломощное запоминающее устройство,
основанное на ячейках динамической памяти DRAM с внутренними функциями обновления и управления адресами, а также с возможностью синхронного и
асинхронного доступов к данным аналогично NOR Flash. В OMAP4430 допускается применение до восьми 16-разрядных чипов pSRAM объёмом памяти 1 ГБ.
На физическом уровне используется 33 линии связи, совмещённые с выводами
каналов SDMMC1, SDMMC2.
LPDDR2 (PoP) — Low Power Double Data Rate 2 (Package-on-Package) — разновидность синхронной динамической памяти SDRAM (Synchronous Dynamic
Random Access Memory) с произвольным доступом к ячейкам памяти и удвоенной
скоростью транзакций. Память второго поколения, скорость передачи данных до
1066 МT/s (миллионов транзакций в секунду). По сравнению с DDR2 отличается пониженным энергопотреблением. В OMAP4430 поддерживаются два канала
LPDDR2 разрядностью 32 бита каждый в расчёте на применение двухканальной
микросхемы SDRAM из серии «Mobile RAM PoP», например EDB8164B3PF фирмы Micron. Эта микросхема имеет ёмкость 8 Гбит и работает на тактовой частоте
до 533 МГц. У неё такие же габариты 12 x 12 мм, как у OMAP4430, и 216 шариковых
выводов. Запаивается она сверху корпуса АР в виде конструкции «сэндвич», что
соответствует технологии PoP.
34
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.6.9. Структурная схема RK3566
Служебная часть
Timer x 10
Memory
Rockchip
RK3566
Интерфейсная часть
Интерфейс
внешних связей
Процессорная часть
DMAC x 2
USB 2.0 x 3
USB 3.0
Центральный
процессор @2 GHz
TrustZone
Mailbox
Ethernet
@1 Gb/s
Cortex�A55
Системная часть
Clock
Cortex�A55
PCIe�2.1
Cortex�A55
SATA�3.0
Cortex�A55
Smart Card
ISO�7816
PLL x 9
I2C x 6
Нейронный
процессор
Reset
Interrupts
SPI x 4
PWM x 12
NPU
@0.8 TOPS
Debug
PMU
PWM�IR x 4
SARADC x 4
TSADC
Мультимедийная часть
Канал звука (вход)
PDM
UART x 10
Мультимедийный
процессор
3D GPU Mali�G52
@800 MHz
GPIO x 142
Интерфейс
внешней памяти
Канал звука (выход)
2D Graphics
Engine
S/PDIF
Video Decoder
SDIO x 3
Канал звука
(вход и выход)
Video Encoder
NAND Flash
JPEG Decoder
SPI Flash
I2S x 3
JPEG Encoder
DDR3
IEP Module
DDR3L
Display Module
LPDDR3
Канал видео (вход)
MIPI CSI
DVP @16�bit
Канал видео (выход)
Audio Codec
DDR4
Voice Activity
Detection
LPDDR4
MIPI DSI x 2
eDP�1.3
eMMC�5.1
LVDS
Системный
контроллер
HDMI�2.0
MCU 32�bit
LPDDR4X
Рис. 1.6. Внутреннее устройство RK3566
RK3566 — это высокопроизводительный четырёхъядерный 64-разрядный АР
фирмы Rockchip Electronics с низким энергопотреблением. Разработан для персональных мобильных устройств, телевизионных смарт-приставок и оборудования
интернета вещей IoT [1-8].
1.6. Подробный анализ АР
35
Чип RK3566 изготавливается по технологическим нормам 22 нм, имеет корпус
FCCSP565L с размерами 15.5 x 14.4 мм. В его нижней части расположены 565 шариковых выводов диаметром 0.3 мм, шаг выводов 0.4 и 0.65 мм.
В промышленной продукции RK3566 применяется в приставках TV-Box (Vontar
KK Max 8/128 GB фирмы Shenzhen Yojia Technology), а также в SBC (DS-3566 фирмы Geniatech, Firefly ROC-RK3566-PC фирмы T-Chip Intelligent Technology).
Структурная схема и параметры RK3566 указаны в его даташите [1-9].
• ПРОЦЕССОРНАЯ ЧАСТЬ RK3566
Процессорная часть содержит четыре группы элементов — три процессора и
один контроллер. Назначение входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Центральный процессор
Cortex-A55 (четыре ядра) — производительный 64-разрядный RISC-процессор
архитектуры ARMv8-A с четырьмя ядрами Cortex-A55, работающий на частоте
1.8 ГГц. Каждое ядро содержит векторный сопроцессор Neon, выполняющий инструкции Advanced SIMD, модуль FPU и аппаратный криптографический блок,
который ускоряет шифрование на уровне инструкций для алгоритмов AES, SHA.
Объём внутренней памяти: 64 КБ кеш L1 на каждое ядро, 512 КБ общий для всех
ядер кеш L3. Кеш L2 отсутствует.
Нейронный процессор
NPU — Neural Processing Unit — нейронный процессор. Согласно справке, которую предоставил искусственный интеллект из чата Telegram ChatGPT [1-10]:
«Нейронный процессор — это специализированный компьютерный чип, предназначенный для эффективной обработки искусственных нейронных сетей, которые являются фундаментальным компонентом алгоритмов машинного обучения
и искусственного интеллекта». NPU в АР «заточен» на быстрое выполнение массовых параллельных операций сложения и умножения чисел на весовые коэффициенты, которые указывают признаки отличия одного объекта от другого [1-11].
NPU применяется для выполнения «человеческих» операций, связанных с распознаванием речи, голосовым поиском, машинным зрением и т. д. Нейронный
процессор в RK3566 может напрямую работать с системами машинного обучения,
такими как Caffe, TensorFlow, TF-lite, Pytorch, Caffe, ONNX, MXNet. Производительность обработки операций до 0.8 TOPS (триллионов операций в секунду).
Поддерживаются вычисления свёртки с разрядностью 8 и 16 бит.
Мультимедийный процессор
3D GPU Mali-G52@800 MHz — Graphics Processing Unit — графический процессор Mali-G52 1-Core-2EE фирмы ARM среднего уровня производительности, обрабатывающий объёмные изображения. В отличие от Mali-G52-2EE имеет одно,
а не два шейдерных ядра и тактовую частоту 800, а не 950 МГц. Быстродействие
38.4 Гфлопс, скорость заполнения экрана 1.6 GP/s (гигапикселей в секунду). Поддерживаются протоколы: OpenGL ES 1.1, 2.0, 3.2; Vulkan 1.0, 1.1; OpenCL 2.0 Full
Profile. Чипы семейства Mali-G52 анонсированы в 2018 году и изготавливаются по
технологическим нормам 16 нм [1-12].
36
Глава 1. Одноплатные компьютеры
2D Graphics Engine — графический ускоритель для обработки 2D-изображений.
Форматы данных: ARGB, RGB888, RGB565, RGB4444, RGB5551, YUV420,
YUV422, YUYV. Максимальное разрешение 8192 x 8192 пикселей на входе и
4096 x 4096 пикселей на выходе. Поддерживаются следующие операции: масштабирование, ротация, наложение, фильтрация.
Video Decoder — видеодекодер. Позволяет декодировать следующие форматы:
4K — 4096 x 2304@60 Гц (H.264, H.265, VP8, VP9), Full HD — 1920 x 1088@60 Гц (VC1,
MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4), телевизионный PAL — 720 x 576@60 Гц (H.263).
Video Encoder — видеокодер. Позволяет кодировать следующие форматы: 4K —
4096 x 4096@10 Гц (H.265), Full HD — 1920 x 1080@100 Гц (H.264, H.265), YUV/RGB
с вращением изображения.
JPEG Decoder — Joint Photographic Experts Group — декодер изображений,
представленных в формате JPEG. Позволяет декодировать изображения с размерами от 48 x 48 до 65 536 x 65 536 пикселей согласно стандартам: YUV400, YUV411,
YUV420, YUV422, YUV440, YUV444, MJPEG.
JPEG Endoder — Joint Photographic Experts Group — кодер изображений, представленных в формате JPEG. Позволяет кодировать изображения с размерами до
8192 x 8192 пикселей со скоростью 90 MP/s (миллионов пикселей в секунду).
IEP Module — Image Enhancement Processing — модуль улучшения изображений. Позволяет обрабатывать сигналы YUV420/YUV422 с максимальным разрешением 1920 x 1080 пикселей. Дополнительные функции: обнаружение движения,
обнаружение экранного меню, обнаружение поля кадра и т. д.
Display Module — дисплейный модуль. Обеспечивает логику работы и стыковку
с внешними «дисплейными» интерфейсами, такими как MIPI DSI, LVDS, HDMI,
eDP. Допускается одновременный вывод одной и той же информации на два дисплея в разных интерфейсах.
Audio Codec — цифровой аудиокодек (кодер и декодер). В RK3566 в этом блоке
имеются: трёхканальный 16…24-разрядный АЦП и двухканальный 16…24-разрядный ЦАП. Поддерживаются частоты дискретизации до 192 кГц. Обеспечивается
программная регулировка громкости как на стороне АЦП, так и на стороне ЦАП,
автоматический контроль уровня громкости и режим шумопонижения. Доступные интерфейсы: PCM — стереозвучание на приёме и передаче, I2S — стеореозвучание на приёме и квадрозвучание на передаче.
Voice Activity Detection — VAD — модуль обнаружения голосовой активности.
Производит чтение голосовых данных из каналов I2S и PDM, определяет амплитуду голоса, а также количество микрофонов, участвовавших в записи (технология Multi-Mic). Если событие произошло, то формируется сигнал прерывания,
поступающий в систему.
Системный контроллер
MCU 32-bit — MicroController Unit — встроенный в АР 32-разрядный МК. Имеет Гарвардскую архитектуру разделения памяти на области инструкций и данных.
Содержит адаптивный контроллер прерываний и собственную систему программирования и отладки через интерфейс JTAG. Тип и семейство МК в документации не указаны, но можно предположить, что это ядро Cortex-M0 по аналогии с
более поздней моделью АР RK3588 той же фирмы.
1.6. Подробный анализ АР
37
• СЛУЖЕБНАЯ ЧАСТЬ RK3566
Служебная часть содержит пять блоков, сигналы которых не выходят напрямую за пределы АР. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Timer (10 таймеров) — цифровые таймеры. В RK3566 имеются: шесть 64-разрядных таймеров общего применения, два 64-разрядных таймера для операций в
безопасном режиме и два сторожевых 32-разрядных таймера Watchdog.
Memory — встроенная память. Раскладка памяти в RK3566: L1 — верхний уровень иерархии памяти процессора, L3 — кеш-память сверхбыстрого ОЗУ для ядер
ЦП, Boot ROM — ПЗУ начального загрузчика, System SRAM — внутренняя память
ОЗУ 64 КБ для системных нужд, PMU SRAM — ОЗУ 8 КБ для хранения таблицы
напряжений во внутреннем контроллере питания PMU.
DMAC (два канала) — Direct Memory Access Controller — контроллер прямого доступа к памяти (ПДП). В RK3566 имеются два идентичных блока DMAC, которые
программируются при помощи специального набора инструкций. Допускаются
прямые транзакции: «память—память», «память—периферия», «периферия—
память», в том числе в области безопасной зоны TrustZone. Используются 23 аппаратных запроса на ПДП от периферийных устройств и два выхода прерывания.
TrustZone — секретная область. Защищённый режим с опционным выделением
ячеек памяти и регистров, доступ к которым возможен только при наличии пароля, ключа или приёма сигнала с определённым логическим уровнем. В RK3566 с
помощью области памяти TrustZone можно осуществить «секретный» запуск системы через Secure Boot, безопасную отладку с помощью Secure OTP, запуск ОС в
безопасном режиме с ограниченными функциями. Доступные системы шифрования: SHA-1, SHA-256/224, SHA-512/384, MD5, AES-128, AES-192, AES-256, DES,
TDES. Технология TrustZone может применяться, например, в системах защиты
от несанкционированного просмотра видео (DRM). Зашифрованные видеоданные будут сначала попадать в область памяти безопасной зоны, после чего чтение
данных без предоставления прав окажется невозможным.
Mailbox — почтовый ящик. Предназначен для совместного обслуживания ядер
ЦП Cortex-A55 и системного контроллера MCU. Каждое сообщение почтового
ящика включает одно слово данных, один регистр командного слова и один бит
флага, который может предоставлять одно прерывание. На программном уровне
имеется специальный регистр блокировки, чтобы узнать, занят или нет почтовый
ящик в текущий момент времени.
• СИСТЕМНАЯ ЧАСТЬ RK3566
Системная часть содержит семь блоков, сигналы которых так или иначе выводятся наружу. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Clock — узел тактирования. Обеспечивает генерацию и распределение синхронизирующих сигналов внутри АР. Тактирование осуществляется через внешние контакты АР по ВЧ- и НЧ-каналам. К входам XIN24M, XOUT24M подключается основной кварцевый ВЧ-резонатор частотой 24 МГц. Входы CLK32K_IN,
CLK32_OUT относятся к НЧ-части для подключения «часового» кварцевого резонатора 32 768 Гц узла RTC. На вход CLK32K_IN также могут подаваться импульсы
КМОП-уровня от внешнего генератора, находящегося, например, в контроллере
питания PMIC RK817-5 фирмы Rockchip.
38
Глава 1. Одноплатные компьютеры
PLL (девять каналов) — Phase-Locked Loop — узел цифровой ФАПЧ. Предназначен для формирования внутренних частот методом дробного умножения (деления) на программно изменяемые коэффициенты. Получаемая на выходе сетка
частот используется для синхронизации всех шин и узлов АР. Через PLL опосредованно формируются выходные тактовые сигналы для внешних интерфейсов,
которые выводятся на корпус АР.
Reset — узел начального сброса. Внутренние блоки АР переходят в состояние
сброса по внешнему сигналу Hard-Reset или при наступлении определённых внутренних событий по сигналу Soft-Reset. В последнем случае «мягкий» сброс можно
осуществить как для АР в целом, так и отдельно для его составных частей (контроллеров, узлов, блоков).
Interrupts — система прерываний. В RK3566 поддерживаются 256 источников
прерываний от различных узлов и 16 программных прерываний. Имеются отдельные выходы прерываний nFIQ и nIRQ для каждого ядра Cortex-A55. Приоритеты
прерываний устанавливаются программно. Для генерации прерываний от внешних устройств могут использоваться все линии GPIO в режимах срабатывания по
уровню, полярности, фронту и спаду входных импульсов.
Debug — система отладки и программирования. В RK3566 осуществляется
отдельный доступ к отладке ЦП Cortex-A55 через интерфейс SWJ (комбинация
SWD и JTAG) и к отладке системного контроллера MCU через интерфейс JTAG.
В первом случае используются два сигнала TCK, TMS, во втором — пять сигналов
TCK, TRST, TMS, TDO, TDI. Для справки: технология SWD (Serial Wire Debug) —
это более современная версия JTAG, требующая для работы меньшее количество сигналов. Однако на программном уровне оба интерфейса предоставляют
примерно одинаковые возможности, но с разными вариациями, зависящими от
управляющего ПО и аппаратного окружения.
PMU — Power Management Unit — устройство управления питанием. Другими словами, это полноценный внутренний контроллер питания АР. Содержит
пять стабилизаторов с выходными напряжениями 0.9…1.8 В, а также 15 силовых
ключей на разные направления, которые можно включать и выключать с помощью команд. PMU организует экономичный режим работы АР с автоматическим
управлением, при этом изменяются тактовые частоты и перестраиваются питающие напряжения. Для работы PMU использует внутреннее ОЗУ объёмом 8 КБ.
TSADC — Temperature Sensor Analog-to-Digital Converter — термодатчик с АЦП.
Это встроенный полупроводниковый датчик температуры кристалла АР в диапазоне –20…+120°C с шагом измерения 5°С. Быстродействие внутреннего АЦП
составляет 50 тысяч отсчётов в секунду. Датчик температуры в RK3566 состоит из
двух разнесённых на подложке сенсоров, чтобы методом усреднения вычислить
реальную температуру кристалла. На один из контактов RK3566 выводится логический аварийный сигнал TSADC_SHUT, используя который, можно заблокировать работу системы при повышенной температуре кристалла.
• МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ ЧАСТЬ RK3566
Мультимедийная часть содержит пять групп элементов: входные, выходные,
смешанные каналы звука, а также входные и выходные каналы видео. Назначение
входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
1.6. Подробный анализ АР
39
Канал звука (вход)
PDM — Pulse Density Modulation — последовательный интерфейс для устройств
цифровой аудиотехники на основе сигналов, модулированных по плотности импульсов. В RK3566 используется режим приёма PDM, хотя формально интерфейс
PDM может использоваться как для приёма, так и для передачи аудиоинформации. Частота дискретизации до 192 кГц, разрядность 16…24 бита. На физическом
уровне интерфейс содержит один тактовый сигнал CLK и четыре информационных входных сигнала SDI0…3.
Канал звука (выход)
S/PDIF — Sony/Philips Digital InterFace — интерфейс «точка—точка» для последовательной однонаправленной передачи цифровых аудиоданных методом ИКМ
на звуковоспроизводящее устройство. Длина пакета передаваемых данных 32 бита.
В RK3566 имеются три одиночных выхода SPDIF_TX_M0…2. Для подключения их
к коаксиальным разъёмам «тюльпан» или оптическим разъёмам TOSLINK требуются внешние узлы сопряжения и защиты.
Канал звука (вход и выход)
I2S (три порта) — Integrated Inter-chip Sound — последовательный интерфейс
I2S для обмена ИКМ-данными между цифровыми аудиоустройствами. Стандарт
впервые опубликован в 1986 году. В RK3566 имеются три независимых порта I2S,
из них: I2S1 — восьмиканальный (четыре канала на приём и четыре канала на передачу), I2S2 и I2S3 — двухканальные (по одному каналу на приём и передачу). Технические параметры: частота дискретизации не более 192 кГц, разрядность 16 или
32 бита, работа в режиме ведомого или ведущего с выравниванием данных в пакете. На физическом уровне сигналы интерфейса I2S делятся на три группы — сигналы передачи SCLKTX, LRCKTX, SDO, сигналы приёма SCLKRX, LRCKRX, SDI и
один общий тактовый сигнал MCLK. Благодаря физическому разделению линий
приёма и передачи АР может одновременно генерировать сигналы для звукового
тракта и принимать сигналы от источника звука, например микрофона.
Канал видео (вход)
MIPI CSI — MIPI Camera Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для приёма фото- и видеоизображений с цифровых камер. Совместим со спецификацией MIPI Alliance v1.2. В RK3566 имеется один порт CSI-RX
с дифференциальными парами сигналов и пропускной способностью 2.5 Гбит/с.
При работе с одной камерой задействуются один тактовый сигнал CLK и четыре
потока данных DATA. При работе с двумя камерами — один общий тактовый сигнал CLK и по два потока данных DATA на каждую камеру.
DVP @16-bit — Digital Video Port — параллельный 16-разрядный интерфейс
передачи фото- и видеоизображений с цифровых камер. Другое название интерфейса — Camera Interface. Особенности по сравнению с интерфейсом MIPI CSI:
меньшая тактовая частота и более узкая полоса пропускания. На физическом
уровне интерфейс содержит 16 информационных сигналов DATA, которые могут
конфигурироваться с разрядностью 8; 10; 12; 16 бит, а также пять тактовых и синхронизирующих сигналов.
40
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Канал видео (выход)
MIPI DSI (два порта) — MIPI Display Serial Interface — высокоскоростной
последовательный интерфейс для подключения TFT-дисплеев. Совместим со
спецификацией MIPI Alliance v1.2 при четырёх потоках данных. Поддерживается формат RGB с глубиной цвета 8 бит. Может работать с двумя дисплеями
1920 x 1080@60 Гц или с одним дисплеем 2560 x 1440@60 Гц через два порта. На
физическом уровне в каждом из двух портов содержатся сигналы DATA (четыре
дифференциальные пары), CLK (одна дифференциальная пара), а также сигналы
управления. Максимальная физическая скорость передачи данных по одной паре
составляет 2.5 Гбит/с.
eDP-1.3 — Embedded Display Port — усовершенствованная версия интерфейса
DP (DisplayPort), но для цветных сенсорных дисплеев встраиваемых систем. Интерфейс совместим со спецификацией v1.3 и дополнен функциями управления,
доступными из ОС, а именно регулирование яркости, контрастности, подсветки,
электропитания. Поддерживается режим PSR (Panel Self-Refresh) для самообновления картинки. Допускается ввод в сигнал дополнительных цифровых пакетов
от микрофона, веб-камеры, тачскрина, хаба USB. В RK3566 обеспечивается скорость на шине до 2.7 Гбит/с. Поддерживаются форматы видео 2560 x 1600@60 Гц
и RGB с глубиной цвета до 10 бит. На физическом уровне интерфейс содержит
шесть пар выходных дифференциальных сигналов.
LVDS — Low-Voltage Differential Signaling — интерфейс передачи информации
дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровней. Соответствует
спецификации TIA/EIA-644-A. Входные видеосигналы допускаются в форматах
RGB888 и RGB666, а также в формате VESA/JEIDA. Достоинства интерфейса:
универсальность, низкий уровень шума, малая потребляемая мощность. На физическом уровне используются дифференциальные пары сигналов с разницей
уровней 0.25…0.4 В и выходным импедансом 40…140 Ом.
HDMI-2.0 — High-Definition Multimedia Interface — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости. Поддерживаются спецификации HDMI-1.4, HDMI-2.0 с
защитой от копирования HDCP-1.4/2.2. Особенности в RK3566: наличие аналогового компаратора HPD, широкий диапазон тактового сигнала 13.5…600 МГц,
3D-видео, режим «глубокого» цвета RGB/YUV с разрядностью до 10 бит. Максимальная пропускная способность 18 Гбит/с, доступные форматы изображений
1080p@120 Гц и 4096 x 2304@60 Гц. На физическом уровне используются 13 стандартных HDMI-сигналов, в том числе сигналы шины I2C для настройки режимов,
сигнал «горячего» подключения HOT и сигнал CEC для работы с ПДУ.
• ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ RK3566
Интерфейсная часть содержит две группы элементов: интерфейс внешних
связей и интерфейс внешней памяти. Назначение входящих в них блоков (сверху
вниз по схеме).
Интерфейс внешних связей
USB 2.0 (три канала) — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная шина» v2.0 для подключения различных периферийных устройств.
В RK3566 поддерживаются три канала: два канала USB 2.0 Host с сигналами DM,
1.6. Подробный анализ АР
41
DP и один канал USB 2.0 OTG с сигналами DM, DP, ID, VBUSDET. Доступные
режимы: HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с), LS (1.5 Мбит/с).
USB 3.0 — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная шина» v3.0 для подключения различных периферийных устройств. В RK3566
контроллер канала USB 3.0 работает в режиме Host, и к нему можно подключать
устройства, совместимые со спецификацией USB 2.0 (сигналы DP, DM). Пропускная способность шины до 8.48 Гбит/с. Поддерживается стандартный драйвер
xHCI для ОС Linux. На аппаратном уровне сигналы USB 3.0 мультиплексируются
с линиями PCIe, SATA, т. е. их нельзя использовать одновременно.
Ethernet@1 Gb/s — интерфейс пакетной передачи данных между устройствами
для компьютерных и промышленных сетей. В RK3566 поддерживаются скорости
10; 100; 1000 Мбит/с в полу- и полнодуплексном режимах. На практике интерфейс
Ethernet используется для подключения к локальной сети с выходом в Интернет.
PCIe-2.1 — Peripheral Component Interconnect express — последовательный
интерфейс «точка—точка», использующий программную модель компьютерной
шины PCI и высокопроизводительную физическую реализацию. В RK3566 обеспечивается совместимость с базовой спецификацией PCI Express v3.0 при скоростях 2.5 и 5.0 Гбит/с в каждом направлении. На аппаратном уровне сигналы PCIe
мультиплексируются с линиями USB 3.0, SATA, т. е. их нельзя использовать одновременно. На физическом уровне интерфейс содержит дифференциальные пары
сигналов REFCLK (тактирование, меандр 100 МГц), RX (приём), TX (передача), а
также четыре потенциальных управляющих сигнала.
SATA-3.0 — Serial Advanced Technology Attachment — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. В RK3566 поддерживается
совместимость со спецификациями SATA v3.3, AHCI v1.3.1, eSATA. Доступны три
контроллера SATA со скоростями на шине 1.5…6 Гбит/с. На аппаратном уровне
сигналы SATA мультиплексируются с линиями PCIe, USB 3.0, т. е. их нельзя использовать одновременно.
Smart Card ISO-7816 — интерфейс подключения контактных пластиковых
смарт-карт, соответствующих международному стандарту ISO/IEC 7816 (в российском сегменте действует аналогичный ГОСТ Р ИСО/МЭК 7816). Применительно к АР под смарт-картами чаще всего подразумеваются SIM-карты сотовой
связи, хотя могут подключаться таксофонные и банковские карты. В RK3566 реализованы следующие возможности: активация и деактивация карты, «холодный»
и «тёплый» рестарты, асинхронная полудуплексная блочная передача символов,
автоматический выбор рабочего напряжения, программируемая тактовая частота, регулируемая скорость передачи данных. На физическом уровне используются
сигналы CLK, RST, DET, IO.
I2C (шесть каналов) — Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина I2C для связи между микросхемами в электронных устройствах.
В RK3566 имеются шесть отдельных каналов I2C с поддержкой логических адресов с разрядностью 7 или 10 бит. Скорость передачи в режиме Standard составляет 100 кбит/с, в режиме Fast — 400 кбит/с, в режиме Fast Plus — 1 Мбит/с. На
физическом уровне в интерфейсе I2C в каждом из шести каналов используются
двунаправленные линии связи SDA, SCL, подключаемые к сети «общая шина» с
внешними нагрузочными резисторами.
42
Глава 1. Одноплатные компьютеры
SPI (четыре канала) — Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный полнодуплексный интерфейс для простого и недорогого высокоскоростного сопряжения процессоров с внешними устройствами. В RK3566 используются четыре независимых канала SPI с подключением одного или двух внешних
устройств в режиме «точка—точка». Доступны режимы ведомого и ведущего. На
физическом уровне в каждом из четырёх каналов используются сигналы CLK,
MISO, MOSI и по два сигнала выборки кристалла CS0, CS1, позволяющие подключать две микросхемы с интерфейсом SPI, работающие поочерёдно.
PWM (12 каналов) — Pulse-Width Modulation — интерфейс генерации сигналов
ШИМ на основе программных прерываний. В RK3566 используются 12 отдельных
каналов ШИМ общего назначения с выводом сигналов на корпус АР: PWM0…2,
PWM4…6, PWM8…10, PWM12…14. Каналы ШИМ обслуживаются 32-разрядным
таймером-счётчиком. Поддерживаются непрерывный и однократный режимы, а
также режим захвата. Возможно программное масштабирование частоты выходных импульсов ШИМ. На физическом уровне в каждом из 12 каналов используется по одной линии GPIO.
PWM-IR (четыре канала) — PWM-InfraRed — интерфейс генерации сигналов
ШИМ для передачи их в ИК-диапазоне 850…900 нм. Оконечными устройствами
выступают инфракрасные светодиоды, аналогичные применяемым в телевизионных ПДУ. В RK3566 для интерфейса PWM-IR отводятся четыре оптимизированных канала ШИМ: PWM3, PWM7, PWM11, PWM15, — для каждого из которых
выделяется отдельная линия GPIO.
SARADC (четыре канала) — Successive Approximation Analog-to-Digital Converter — АЦП последовательного приближения. Параметры АЦП в RK3566: разрядность 10 бит, частота дискретизации до 1 МГц, напряжение питания 1.8 В. Сигналы АЦП выводятся на четыре отдельные линии АР, без совмещения функций.
UART (10 портов) — Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — последовательный интерфейс «Универсальный асинхронный приёмник-передатчик».
В RK3566 используются 10 независимых портов UART со встроенным буфером
FIFO на 64 КБ и сигналами: TX, RX, RTS, CTS. Состав кадра: старт-бит, данные
5…8 бит, бит контроля чётности, стоп-бит. Максимальная скорость 4 Мбит/с.
GPIO (142 линии) — General-Purpose Input/Output — общий интерфейс связи
между компонентами процессорной системы через цифровые входы и выходы.
Сигналы GPIO двунаправленные, с совмещением функций, могут находиться в
режиме Z-входа, а также с подтягивающими «pull-up» и «pull-down» резисторами
с сопротивлением 16…43 кОм. Линии GPIO в RK3566 группируются в пять портов GPIO0…GPIO4 и разделяются по логическим уровням на две группы, соответственно, с напряжениями 1.8 и 3.3 В.
Интерфейс внешней памяти RK3566
eMMC-5.1 — embedded Multimedia Memory Card — интерфейс для подключения «встраиваемой мультимедийной карты памяти». Чипы eMMC внутри содержат энергонезависимую память NAND Flash большого «гигабайтного» объёма
и управляющий контроллер. В первом приближении это начинка карты памяти
microSD, размещённая в корпусе отдельной микросхемы. В RK3566 поддерживаются спецификации eMMC-4.41, eMMC-4.51, eMMC-5.0, eMMC-5.1 и стандарт
1.6. Подробный анализ АР
43
iNAND. На физическом уровне используются: тактовый сигнал CLKOUT, управляющий сигнал CMD и шина данных DATA0…7. Допускается передача информации по одной, четырём или восьми линиям шины данных.
SDIO (три канала) — Secure Digital I/O — интерфейс, разработанный на основе
протокола SD/MMC, к которому можно подключать не только внешние карты
памяти, но и другие периферийные устройства. В RK3566 имеются три независимых канала, которые совместимы со спецификациями SD v3.0, MMC v4.51. Подключать к интерфейсу SDIO можно карты памяти microSDXC. На физическом
уровне в каждом канале используются сигналы CLK, CMD, DETN, DATA0…3.
NAND Flash — Not AND — интерфейс подключения внешних микросхем флешпамяти с логической организацией И-НЕ. Поддерживаются чипы синхронной и
асинхронной архитектур с разрядностью шины данных 8 бит при максимальной
частоте тактового сигнала 75 МГц. На физическом уровне используются шесть
сигналов управления, восемь сигналов данных и два сигнала выборки кристалла,
позволяющие подключить к АР две микросхемы NAND Flash, работающие поочерёдно, или одну микросхему Multi-CS NAND chip.
SPI Flash — Serial Peripheral Interface — интерфейс подключения микросхем
памяти с последовательным интерфейсом SPI, таких как Serial NOR Flash, Serial
NAND Flash, Serial pSRAM, Serial SRAM. Допускается работа с разрядностью
шины данных 1; 2 или 4 бита. На физическом уровне используются один тактовый
сигнал, четыре сигнала шины данных и два сигнала выборки кристалла, позволяющие подключить к АР две микросхемы SPI Flash, работающие поочерёдно.
DDR3 — Double Data Rate 3 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM третьего поколения. Эффективная скорость передачи данных до 1600 MT/s. Напряжение питания 1.5 В. Объём памяти подключаемых чипов до 8 ГБ (разрядность 32 бита, два банка). На физическом уровне шина данных
содержит 32 линии, шина адреса — 16 линий.
DDR3L — DDR3 Low voltage — аналогично DDR3, но с пониженным напряжением питания 1.35 В.
LPDDR3 — Low Power DDR3 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM третьего поколения с пониженным энергопотреблением. Эффективная скорость передачи данных до 1600 MT/s. Напряжение питания
1.2 В. Объём памяти подключаемых чипов до 8 ГБ (разрядность 32 бита, четыре
банка). На физическом уровне шина данных содержит 32 линии, шина адреса —
10 линий.
DDR4 — Double Data Rate 4 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM четвёртого поколения. Эффективная скорость передачи
данных до 3200 MT/s. Напряжение питания 1.2 В. Объём памяти подключаемых
чипов до 8 ГБ (разрядность 32 бита, два банка).
LPDDR4 — Low Power DDR4— интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM четвёртого поколения с пониженным энергопотреблением. Эффективная скорость передачи данных до 3200 MT/s. Напряжение питания
1.1 В. Объём памяти подключаемых чипов до 8 ГБ (разрядность 32 бита, четыре
банка).
LPDDR4X — Low Power DDR4X — аналогично LPDDR4, но с пониженным напряжением питания 0.6 В.
44
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.6.10. Структурная схема APQ8016
Служебная часть
Timers
Memory
Thermal Sensor
Qualcomm
APQ8016
Интерфейсная часть
Интерфейс
внешних связей
Процессорная часть
USB 2.0
I2C x 6
Центральный
процессор @1.2 GHz
Системная часть
SPI x 6
UIM x 3
Cortex A53
Cortex A53
Keypad
Clock
Cortex A53
UART x 2
PLL
Cortex A53
GPIO x 122
Процессор
беспроводной связи
Интерфейс
беспроводной связи
Boot
GNSS
RPM (power)
Wi Fi, BT, FM
Мультимедийная часть
Мультимедийный
процессор
GNSS:
— GPS;
— GLONASS;
— BeiDou
Reset
Interrupts
Debug
Канал звука (вход)
DMIC (stereo)
Wi Fi
802.11 b/g/n
2D/3D GPU
Adreno 306
@400 MHz
Bluetooth 4.0
FM radio
Канал звука
(вход и выход)
Video Decoder
MI2S x 2
MDP (display)
Интерфейс
внешней памяти
CDC PDM
Web Optimization
eMMC 4.5
Канал видео (вход)
Audio Codec
SD/MMC
MIPI CSI x 2
Video Encoder
Канал видео (выход)
Системный
контроллер
MIPI DSI
Cortex M3
LPDDR2
@533 MHz
LPDDR3
@533 MHz
Рис. 1.7. Внутреннее устройство APQ8016
APQ8016 — это 64-разрядный четырёхъядерный АР фирмы Qualcomm, входящий в семейство Snapdragon 410. Предназначен в первую очередь для планшетов
и смартфонов с ОС Android. Входит в состав чипсета Snapdragon 410E, который,
кроме APQ8016, содержит три чипа-компаньона производства фирмы Qualcomm:
PM8916 (контроллер питания, аудиокодек, канал RTC), WCN3620 (модули Wi-Fi,
Bluetooth), WGR7640 (модуль GNSS).
APQ8016 был анонсирован в декабре 2013 года, став первым 64-разрядным
чипом фирмы Qualcomm. Производится на мощностях фирм TSMC, Samsung по
1.6. Подробный анализ АР
45
технологическому процессу LP CMOS и нормам 28 нм. Выпускается в корпусе
NSP (NanoScale Package) с габаритами 14.0 x 12.0 x 0.96 мм. В его нижней части располагаются 760 шариковых выводов с шагом 0.4 мм. Мощность потребления составляет 3.78 Вт при выполнении теста Dhrystone.
APQ8016 применяется в планшетах (Samsung Galaxy Tab A 9.7), а также в SBC
(DragonBoard410c фирмы Arrow Electronics, RSB-4760 фирмы Advantech).
Структурная схема и параметры APQ8016 указаны в его даташите [1-13]. Но
прежде чем изучать документацию, надо ознакомиться с расшифровкой фирменных терминов в глоссарии [1-14].
• ПРОЦЕССОРНАЯ ЧАСТЬ APQ8016
Процессорная часть содержит четыре группы элементов — три процессора и
один контроллер. Назначение входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Центральный процессор
Cortex-A53 (четыре ядра) — суперскалярный четырёхъядерный 64-разрядный
RISC-процессор средней производительности. Имеет архитектуру ARMv8-A с четырьмя ядрами Cortex-A53, работающими на частоте 1.2 ГГц. Каждое ядро содержит векторный сопроцессор Neon, выполняющий инструкции Advanced SIMD,
и модуль операций с плавающей запятой. Возможно выполнение как 64-, так и
32-разрядного кода. Объём внутренней памяти: 32 КБ кеш L1 на каждое ядро,
512 КБ общий для всех ядер кеш L2.
Для сведения: процессорная структура Cortex-A53 была разработана в 2012 году
фирмой ARM и является одной из первых в своём классе с разрядностью 64 бита.
Процессор беспроводной связи
GNSS — Global Navigation Satellite System — процессорный модуль глобальной
навигационной спутниковой системы. В APQ8016 используется фирменная технология определения местоположения в пространстве с аппаратным ускорением
под названием Qualcomm iZat [1-15]. Анализируется информация от спутниковых
сетей GPS, BeiDou, GLONASS (Galileo). Процессорный модуль GNSS работает
совместно с внешним чипом-компаньоном WGR7640, который обеспечивает сопряжение с ВЧ-радиотрактом в диапазоне 2.4 ГГц при подключении внешней антенны.
Wi-Fi, BT, FM — процессорный модуль трёх беспроводных интерфейсов: Wi-Fi
(802.11 a/b/g/n, Wi-Fi Direct), Bluetooth (4.0 LE и более ранних версий), FM-радио
(только в режиме приёма УКВ, передатчик отсутствует). Процессорный модуль
работает совместно с внешним чипом-компаньоном WCN3620, который обеспечивает функционирование ВЧ-радиотрактов в диапазонах 76…108 МГц и 2.4 ГГц.
Внешние антенны подключаются к разным выводам чипа WCN3620 и будут разными по конструкции для каждого диапазона частот.
Мультимедийный процессор
2D/3D GPU Adreno 306@400 MHz — Graphics Processing Unit — графический
процессор Adreno 306 фирмы Qualcomm. Предназначен для аппаратной обработки изображений. Максимальная тактовая частота GPU Adreno 306 составляет
46
Глава 1. Одноплатные компьютеры
600 МГц, но в APQ8016 он работает на частоте 400 МГц. Вычисления производятся
через 24 АЛУ и шесть конвейеров с общей производительностью 21.6 Гфлопс. Поддерживаются форматы: OpenGL ES 3.0, OpenCL, DirectX 9.3, Content Security.
Video Decoder — видеодекодер. В APQ8016 декодируются следующие форматы
видео: MPEG-2, MPEG-4, H.263, H.264, DivX, VC1, Soreson, VP8, WFD. Во всех
случаях разрешение экрана составляет 1080p@30 Гц.
Video Encoder — видеокодер. В APQ8016 кодируются следующие форматы видео:
H.263, H.264, MPEG-4, VP8 (разрешение экрана 1080p@30 Гц) и H.264 Baseline,
MPEG-4, WFD (разрешение экрана 720p@30 Гц).
MDP (display) — Mobile Display Processor — процессор мобильного дисплея. Он
преобразует цифровой контент, обрабатываемый ЦП и GPU, в формат синхронизации, понятный стандартному дисплею с протоколом MIPI DSI, под которым
обычно подразумеваются мобильные терминалы сотовых телефонов.
Web Optimization — процессорный модуль, который на аппаратном уровне ускоряет работу в Интернете. Его возможности: оптимизация движка JavaScript V8,
ускорение декодирования JPEG в браузере, настройка сетевого стека IP и HTTP,
оптимизация декодирования видеоданных на платформе Adobe Flash 10.x.
Audio Codec — цифровой аудиокодек (кодер и декодер). В APQ8016 поддерживаются следующие форматы кодирования, декодирования звука: G711, Raw PCM,
QCELP, EVRC, AMR, GSM, MP3, AAC, eAAC, AMR, WMA 9/10 Pro, FM-радио,
объёмный звук Dolby Digital Plus, DTS-HD. Дополнительно имеется шумоподавитель Fluence и синтезатор со 128-голосной полифонической волновой таблицей.
Системный контроллер
Cortex-M3 — встроенный 32-разрядный МК с ядром Cortex-M3. Используется
для системных нужд, а именно для управления работой диспетчера питания. Координирует процессы выключения и пробуждения АР, изменяет тактовую частоту,
напряжение питания, отслеживает аварийные ситуации.
• СЛУЖЕБНАЯ ЧАСТЬ APQ8016
Служебная часть содержит три блока, сигналы которых не выходят напрямую
за пределы АР. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Timers — цифровые таймеры. В APQ8016 имеются программируемые таймеры
общего назначения, таймеры для цифровых камер, сторожевой таймер Watchdog,
таймер сна Sleep timer.
Memory — встроенная память. Раскладка памяти в APQ8016: L2 — кеш-память
сверхбыстрого ОЗУ для ядер ЦП, System SRAM — внутренняя память ОЗУ объёмом 128 КБ для системных нужд, Fuse ROM или QFPROM — ПЗУ для хранения
таблицы настроек начального запуска (фьюзов).
Thermal Sensor — датчик температуры. В APQ8016 встроены как минимум два
полупроводниковых датчика температуры, размещённые в разных местах на подложке кристалла. Их сопротивления оцифровываются и переводятся в температуру. Полученные значения усредняются, фильтруются, после чего сравниваются
с порогом превышения температуры для формирования внутренних аварийных
сигналов. На корпус АР эти сигналы не выводятся, поэтому узел датчиков температуры относится к служебной (а не системной) части.
1.6. Подробный анализ АР
47
• СИСТЕМНАЯ ЧАСТЬ APQ8016
Системная часть содержит семь блоков, сигналы которых так или иначе выводятся наружу. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Clock — узел тактирования. Обеспечивает распределение синхронизирующих
сигналов внутри АР. На корпусе APQ8016 имеются тактовые входы CXO (Core
Crystal, системная частота) и SLEEP_CLK (поддержание функционирования АР в
спящем режиме). На них подаются от чипа-компаньона PM8916 импульсы с частотой, соответственно, 19.2 МГц и 32 768 Гц. Узла RTC внутри APQ8016 нет, часы
реального времени располагаются в PM8916.
PLL — Phase-Locked Loop — узел цифровой ФАПЧ. Предназначен для формирования внутренних частот методом дробного умножения (деления) на программно изменяемые коэффициенты (M/N counter). Получаемая на выходе сетка частот
используется для синхронизации всех шин и узлов АР. Через PLL опосредованно
формируются тактовые сигналы для подключения внешних интерфейсов, которые выводятся на корпус АР.
Reset — узел начального сброса. Внутренние блоки АР переходят в состояние
сброса по внешнему сигналу, в частности от нажатия кнопки, или при наступлении определённых внутренних событий в системе. На физическом уровне на корпусе АР имеются выводы для входного сигнала сброса RESIN и выходного КМОПсигнала RESOUT, который дублирует логическое состояние сигнала RESIN.
Interrupts — система прерываний. Приоритеты прерываний в АР устанавливаются программно. Для генерации прерываний от внешних устройств используются линии GPIO, настроенные на режимы срабатывания по фронтам и уровням.
Debug — система отладки и программирования. В APQ8016 отладка осуществляется через стандартный интерфейс JTAG с семью сигналами в фирменном
протоколе QDSS (Qualcomm Debug Subsystem), а также через сигналы UART_TX,
UART_RX. Возможна активация заводского теста АР выставлением ВЫСОКИХ
уровней на его выводах MODE_0, MODE_1.
Boot — конфигуратор начального запуска. На физическом уровне этот блок содержит 14 входных линий CONFIG[0]…[13], логические уровни на которых определяют безопасные способы загрузки и отладки программ. Режимы жёстко запрограммированы фьюзами в области памяти ПЗУ Fuse ROM. Важными для практики являются контакты BOOT_CONFIG[1]…[3], через которые задаётся источник
загрузки ОС в разных комбинациях — из чипа eMMC, из карты памяти SD/MMC,
из канала USB.
RPM (power) — Resource and Power Manager — контроллер управления ресурсами и питанием. Ключевые узлы, участвующие в его работе: базовый блок RPM,
системный контроллер Cortex M3 из процессорной части АР, контроллер безопасности, модуль питания модема MPM (Modem Power Manager). RPM улучшает эффективность работы за счёт коррекции тактовой частоты, динамического
снижения мощности, масштабирования напряжений питания, активации режимов сна с низким энергопотреблением. Предусматривается совместная работа с
чипом-компаньоном PM8916 через линии GPIO с использованием сигналов тактирования и сброса. С помощью PM8916, к примеру, можно с дискретным шагом
выставлять напряжение питания ядер Cortex-A53 в диапазоне 0.84…1.36 В для работы в ускоренном, нормальном и пониженном режимах.
48
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ ЧАСТЬ APQ8016
Мультимедийная часть содержит четыре группы элементов: входные и смешанные каналы звука, входные и выходные каналы видео. Назначение входящих
в них блоков (сверху вниз по схеме).
Канал звука (вход)
DMIC (stereo) — Digital MICrophone — интерфейс связи с цифровым микрофоном. Используются сигналы CLK и DATA. При НИЗКОМ уровне тактового сигнала CLK принимаются аудиоданные DATA с левого, а при ВЫСОКОМ — с правого каналов. Частота квантования выборок 8…48 кГц. Могут использоваться два
монофонических или один стереофонический микрофон.
Канал звука (вход и выход)
MI2S (два порта) — Multichannel I2S — многоканальный интерфейс I2S. Стандартный интерфейс I2S фирмы Philips рассчитан на одну линию данных, а многоканальный MI2S может оперировать с несколькими линиями данных. Протокол
такой же, как у I2S, но с увеличенным количеством звуковых каналов. В APQ8016
имеются два независимых порта MI2S, каждый из которых содержит сигналы:
SCLK (битовая синхронизация, частота до 12.288 МГц), WS (фреймовая синхронизация), D0 и D1 (данные приёма и передачи). Через интерфейс MI2S могут подключаться как звукоусилительные, так и звукоприёмные устройства.
CDC PDM — Coder/Decoder Pulse Density Modulation — последовательный аудиоинтерфейс с сигналами, модулированными по плотности импульсов. Интерфейс
CDC PDM служит для связи с чипом-компаньоном PM8916 через шину из шести
линий для приёма/передачи звуковой информации. К чипу, в свою очередь, подключаются аналоговые микрофоны по входу и громкоговорители по выходу.
Канал видео (вход)
MIPI CSI (два порта) — MIPI Camera Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для приёма фото- и видеоизображений от цифровых
камер. В APQ8016 имеются два порта с пропускной способностью по 1.5 Гбит/с
каждый. Первый порт CSI0 поддерживает сенсоры CMOS и CCD (ПЗС) с четырьмя потоками данных и разрешением до 13 Мп. Второй порт CSI1 рассчитан
на подключение веб-камер с двумя потоками данных и разрешением до 8 Мп.
На программном уровне допускаются манипуляции с пикселями изображения в
протоколе Qcamera, видеоэффекты, коррекция дефектных пикселей. На физическом уровне все сигналы данных DATA и синхронизации CLK дифференциальные.
Управление режимами производится через двухпроводной интерфейс I2C.
Канал видео (выход)
MIPI DSI — MIPI Display Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для подключения TFT-дисплеев. Может работать в режимах: HD
(1280 x 720@60 Гц), RGB (16; 18; 24 бита, а также как беспроводной дисплей Wi-Fi
(720p@30 Гц или 1080p@30 Гц). На физическом уровне используются четыре дифференциальные пары сигналов DATA, одна дифференциальная пара сигнала CLK
и три управляющих потенциальных сигнала.
1.6. Подробный анализ АР
49
• ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ APQ8016
Интерфейсная часть содержит три группы элементов: интерфейс внешних
связей, интерфейс беспроводной связи и интерфейс внешней памяти. Назначение входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Интерфейс внешних связей
USB 2.0 — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная
шина» v2.0 для подключения различных периферийных устройств. В APQ8016
поддерживаются режимы: HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с), LS (1.5 Мбит/с). Для
режима HS дополнительно к стандартным информационным сигналам DM, DP
используется тактовый сигнал SYSCLOCK частотой 19.2 МГц и вывод REXT на
корпусе АР для подключения внешнего калибровочного резистора.
I2C (шесть каналов) — Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина I2C для связи между микросхемами в электронных устройствах.
В APQ8016 имеются шесть каналов I2C, соответствующих спецификации v5.0
(October, 2012), с поддержкой адреса разрядностью 7 бит и максимальной скоростью 3.4 Мбит/с. Допускается работа в сети «общая шина» с сигналами SCL, SDA,
но только в режиме ведущего (master). На раскладке портов GPIO сигналы интерфейса I2C пересекаются с сигналами интерфейсов SPI и UART, поэтому один или
несколько каналов I2C могут оказаться недоступными.
SPI (шесть каналов) — Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный полнодуплексный интерфейс для простого и недорогого высокоскоростного сопряжения процессоров с внешними устройствами. В APQ8016 используются шесть каналов SPI в режиме ведущего (master) с сигналами CLK, MISO, MOSI,
CS. Максимальная тактовая частота 50 МГц. На раскладке портов GPIO сигналы
интерфейса SPI пересекаются с сигналами интерфейсов I2C и UART, поэтому
один или несколько каналов SPI могут оказаться недоступными.
UIM (три порта) — User Identification Module — пользовательский модуль.
Имеются три порта с сигналами CLK, DATA, RST, PRESENT и двойным питанием
1.8 и 2.85 В. Предусмотрен также общий аварийный сигнал BATT_ALARM.
Keypad — клавиатурный порт. Предназначен для подключения одиночных
кнопок или матрицы кнопок (тастатуры, клавиатуры) с мультиплексированием
сигналов. Для этого интерфейса выделены три двунаправленные линии GPIO.
UART (два порта) — Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — последовательный интерфейс «Универсальный асинхронный приёмник-передатчик».
В APQ8016 используются два порта UART с сигналами TX, RX, CTS, RFR (ReadyFor-Receive, аналог сигнала RTS). Состав кадра: старт-бит, данные 5…8 бит, бит
контроля чётности, 0.5…2 стоп-бита. Программируемые скорости 75…115 200 бод,
максимальная физическая скорость 4 Мбит/с. На раскладке портов GPIO сигналы интерфейса UART пересекаются с сигналами интерфейсов I2C и SPI, поэтому
один или оба канала UART могут оказаться недоступными.
GPIO (122 линии) — General-Purpose Input/Output — общий интерфейс связи
между компонентами процессорной системы через цифровые входы и выходы.
Линии GPIO в APQ8016 двунаправленные, с совмещением функций и сквозной
нумерацией GPIO_0…122. Логические уровни на линиях GPIO 1.8 или 2.95 В.
Настройки по входу: «pull-up», «pull-down», «bus-keeper» (хранитель последнего
50
Глава 1. Одноплатные компьютеры
состояния шины). Настройки по выходу: «programmable drive strength» (программируемый ток в нагрузке 2…8 мА), «EBI pads» (выходы, адаптированные к напряжению 1.2 В). Сопротивления внутренних резисторов АР технологически нестабильные и могут изменяться в широких пределах 10…50 кОм.
Интерфейс беспроводной связи
GNSS (GPS, GLONASS, BeiDou) — интерфейс подключения к сети спутниковой навигации. Для работы используется внешний чип-компаньон WGR7640,
который может получать навигационные данные от разных систем: GPS (США),
GLONASS (Россия), BeiDou (Китай). Подключение производится через дифференциальные пары сигналов с квадратурной модуляцией I (In-phase, синфазная
составляющая), Q (Quadrature, квадратурная составляющая), а также через шину
управления UART с сигналами TX, RX, EN.
Wi-Fi 802.11 b/g/n — интерфейс подключения к сети Wi-Fi. Используется
внешний чип-компаньон WCN3620. Подключение производится через мультиплексированные дифференциальные пары сигналов квадратурной модуляции I,
Q, а также через фирменную шину управления DATA0…2, CLK, SET, дополненную
тактовым сигналом WLAN_XO.
Bluetooth-4.0 — интерфейс подключения к сети Bluetooth спецификации v4.0
(BR/EDR + BLE). Используется внешний чип-компаньон WCN3620. Подключение производится через линии приёма, передачи и управления STB, CTL, SSBI.
FM-radio — Frequency Modulation — интерфейс подключения приёмника УКВсигналов. Используется внешний чип-компаньон WCN3620. Подключение производится через линии приёма и управления FM_SDI, FM_SSBI.
Интерфейс внешней памяти
eMMC-4.5 — embedded Multimedia Memory Card — интерфейс для подключения
«встраиваемой мультимедийной карты памяти». Чипы eMMC внутри содержат
энергонезависимую память NAND Flash большого объёма и управляющий контроллер. В APQ8016 поддерживается спецификация eMMC-4.51 и режим «Dualvoltage eMMC» (1.8 и 2.85 В). Разрядность шины данных 8 бит.
SD/MMC — Secure Digital/MultiMedia Card — интерфейс подключения внешних карт памяти, подобных microSD. Совместимость со спецификациями SD v3.0,
MMC v4.5.1. Разрядность шины данных 4 бита. Питание 1.8 или 2.85 В.
LPDDR2@533 MHz — Low Power DDR2 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM второго поколения с пониженным энергопотреблением. Эффективная скорость передачи данных до 1066 MT/s. Напряжение
питания 1.2 В. Максимальный объём памяти подключаемых чипов до 8 ГБ с разрядностью 32 бита. На физическом уровне контакты интерфейса LPDDR2 совмещаются с контактами интерфейса LPDDR3.
LPDDR3@533 MHz — Low Power DDR3 — интерфейс подключения синхронной
динамической памяти SDRAM третьего поколения с пониженным энергопотреблением. Ввиду того что на физическом уровне контакты интерфейса LPDDR3 совмещаются с контактами интерфейса LPDDR2, тактовая частота на шине остаётся
прежней 533 МГц, поэтому эффективная скорость передачи данных ограничивается 1066 (а не 1600) MT/s. Объём памяти подключаемых чипов до 32 ГБ.
1.6. Подробный анализ АР
51
1.6.11. Структурная схема i.MX 8QuadMax
Служебная часть
Timers
Memory
eDMA x 4
PLL
Thermal Sensor
Системная часть
NXP
i.MX 8QuadMax
Процессорная часть
Центральный
процессор
Кластер
@1.2 GHz
Cortex A53
Clock
Cortex A53
Watchdog
Cortex A53
Reset
Cortex A53
Interrupts
Debug
Кластер
@1.6 GHz
Boot
Cortex A72
Security
Cortex A72
Power Manager
Мультимедийная часть
Канал звука
(вход и выход)
S/PDIF
SAI x 4
eSAI x 2
Интерфейсная часть
Интерфейс
внешних связей
USB 2.0
USB 3.0
Ethernet x 2
@1 Gb/s
PCIe 3.0 x 2
SATA 3.0
CAN x 3
I2C x 5
LPSPI x 4
PWM x 4
Keypad 6*8
ADC x 8
LPUART x 5
GPIO x 224
Мультимедийный
процессор
Контроллерный
интерфейс
2D/3D GPU
GC7000XSVX x 2
LPUART x 3
VPU (4K)
RGPIO x 3
Audio HiFi 4 DSP
Tensilica
Интерфейс
внешней памяти
I2C x 3
Display Controller
eMMC 5.1
SD/MMC x 2
MIPI CSI x 2
Прикладные
контроллеры
Канал видео
(выход)
Cortex M4F
@266 MHz
NOR Flash
(FlexSPI)
MIPI DSI x 2
Cortex M4F
@266 MHz
FPGA (QSPI)
Канал видео (вход)
LVDS x 2
HDMI 2.0a
DP 1.3
Системный
контроллер
eDP 1.4
SCU (Cortex M4F)
NAND Flash
DDR4
@1200 MHz
LPDDR4
@1600 MHz
Рис. 1.8. Внутреннее устройство i.MX 8QuadMax
i.MX 8QuadMax — это высокопроизводительный восьмиядерный 64-разрядный АР фирмы NXP Semiconductors платформы Cortex-A, имеющий кластерную
архитектуру. Области применения: мультимедиа, обработка графики, системы
технического зрения, управляющие узлы интерфейса «человек—машина», кри-
52
Глава 1. Одноплатные компьютеры
тически важные промышленные и автомобильные контроллеры. Работает с широким спектром обычных и мобильных ОС: Android, Linux, QNX, Green Hills,
DornerWorks XEN, FreeRTOS [1-16].
Платформа i.MX 8 состоит из нескольких семейств АР, таких как i.MX 8M,
i.MX 8X, i.MX 8XLITE, i.MX 8ULP, i.MX 8Q. Рассматриваемый АР относится к
последнему семейству, которое включает в себя три модели: i.MX 8Quad (не выпускается), i.MX 8QuadMax и i.MX 8QuadPlus.
Чип i.MX 8QuadMax изготавливается по технологии FD-SOI (Fully Depleted
Silicon-On-Insulator) с производственными нормами 28 нм. Корпус FCPBGA, габаритные размеры 29 x 29 x 2.37 мм. В его нижней части размещаются 1313 шариковых выводов с шагом 0.75 мм.
Применяется в следующих SBC: SMARC-iMX8 («Computer on Module») фирмы Embedian, SBC-C43 фирмы SECO, ROM-7720 фирмы Advantech и т. д.
Структурная схема и параметры i.MX 8QuadMax приведены в даташите [1-17].
• ПРОЦЕССОРНАЯ ЧАСТЬ i.MX 8QuadMax
Процессорная часть содержит четыре группы элементов, в которых содержатся два процессора и три контроллера. Назначение входящих в них блоков (сверху
вниз по схеме).
Центральный процессор
Cortex-A53 (четыре ядра) — суперскалярный 64-разрядный процессор архитектуры ARMv8-A с четырьмя ядрами Cortex-A53. Такую же структуру имеет рассмотренный ранее процессор APQ8016, но, в отличие от него, в i.MX 8QuadMax
кеш-память L1 объёмом 64 КБ на каждое ядро и общая кеш-память L2 объёмом
1 МБ. Максимальная тактовая частота в обычном режиме при напряжении 1.0 В
составляет 0.9 ГГц, а при напряжении 1.1 В в режиме разгона Overdrive — 1.2 ГГц.
Cortex-A72 (два ядра) — двухъядерный 64-разрядный RISC-процессор архитектуры ARMv8-A с векторным сопроцессором Neon (Advansed SIMD), модулем операций с плавающей запятой, областью защиты TrustZone и 40-битной адресацией.
Объём внутренней памяти: 80 КБ кеш-памяти L1 на каждое ядро и 1 МБ общей
кеш-памяти L2. Максимальная тактовая частота при питании 1.0 В составляет
1.06 ГГц, а при питании 1.1 В в режиме разгона Overdrive — 1.6 ГГц.
Для справки: ядро Cortex-A72 было разработано фирмой ARM в 2015 году.
Мультимедийный процессор
2D/3D GPU GC7000XSVX (два ядра) — Graphics Processing Unit — два ядра 32-разрядного графического процессора GC7000XSVX фирмы Vivante [1-18]. В состав
GPU входят 16 шейдеров Vec4 с 64 исполнительными блоками. Поскольку ядра
GPU идентичны, то они могут подключаться друг к другу и образовывать единый
графический движок. Программно можно задать, чтобы графические процессоры работали как единый механизм (один GPU с 16 шейдерами) или работали
независимо (два GPU с восемью шейдерами). Поддерживается обработка 2D- и
3D-изображений, а также векторная графика с протоколами: OpenVX 1.1 для компьютерного зрения, Vulkan 1.0, OpenGL ES 1.1…3.1, OpenCL 1.2 FP, OpenVG 1.1.
Максимальная тактовая частота ядер 800 МГц, производительность 6.4 GP/s.
1.6. Подробный анализ АР
53
VPU (4K) — Video Processing Unit — видеопроцессор, который поддерживает
формат изображения 4К. Состоит из четырёх встроенных 32-разрядных МК платформы Cortex-M0+ с флеш-памятью объёмом 16 КБ у каждого. Один МК служит
мультиформатным видеодекодером, на двух МК выполнен видеокодер, а последний оставшийся МК организует транспортные потоки. Протокол кодирования
2 x H.264 (1080p@30 Гц). Протоколы декодирования: WMV9/VC-1, H.263, H.264
(4Kp@30 Гц), H.265 (4Kp@60 Гц), MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4.2 ASP, AVS, Sorenson
Spark, Divx 3.11, ON2 (Google VP6/VP8), RealVideo 8…10, JPEG, MJPEG.
Audio HiFi 4 DSP Tensilica — аудиопроцессор качества HiFi на основе ядра
32-разрядного цифрового сигнального процессора DSP Tensilica фирмы Cadence.
Аудиопроцессор предназначен для аппаратного ускорения работы аудио- и голосовых кодеков, модулей обработки звука, чтобы разгрузить ЦП. Тактовая частота
666 МГц, поддерживаются операции с фиксированной и векторной плавающей
запятыми. Объём внутренней памяти: кеш инструкций 32 КБ, кеш данных 48 КБ,
SRAM 512 КБ. Ядро процессора Tensilica лицензировано специально для работы в
SoC, снабжается программными библиотеками и применяется в 150 фирмах разных стран. В аудиопроцессоре, кроме воспроизведения звука, доступна функция
машинного обучения на основе нейросетей. Это может понадобиться для обнаружения команд в виде слов, идентификации звуковых сценариев, распознавания
речи и адаптивного шумоподавления [1-19].
Display Controller — дисплейный контроллер, поддерживающий формат 4К.
Можно подключить один дисплей UltraHD (4Kp@60 Гц) или до четырёх независимых дисплеев FullHD (1080p@60 Гц). Особенности: композиция до 18 слоев,
дополнительные механизмы 2D-копирования и функция онлайн-варпинга. Интегрированная система отказоустойчивости SafeAssure гарантирует, что отображаемый контент останется неизменным на экране даже в случае сбоя ПО.
Прикладные контроллеры
Cortex-M4F@266 МГц (два ядра) — два встроенных 32-разрядных МК с архитектурой ARMv7-M. Тактовая частота 266 МГц. Объём внутренней памяти: кеш
команд 16 КБ, системный кеш 16 КБ и 256 КБ так называемой «тесно связанной
памяти». Кроме того, в МК имеются: модуль FPU для операций с числами с плавающей запятой, модуль криптоускорителя и защиты памяти. С внешним миром
каждый МК связывается через свои интерфейсы I2C, UART, GPIO, что позволяет
в реальном времени выполнять не очень сложные, но критически важные задачи.
Системный контроллер
SCU (Cortex-M4F) — System Control Unit — устройство контроля системы на
базе встроенного 32-разрядного МК платформы Cortex-M4F (его параметры аналогичны МК с ядрами Cortex-M4F у прикладных контроллеров). Тактируется от
внутреннего нестабилизированного RC-генератора с частотой 200 МГц или от
синхроимпульсов PLL с частотой 266 МГц. Это позволяет работать контроллеру SCU даже при остановке ЦП и прикладных контроллеров. Выполняемые задачи: инициализация параметров АР, формирование сетки тактовых частот PLL
(ФАПЧ), контроль над ресурсами, управление таймерами и прерываниями, связь
с внешним контроллером питания PMIC через шину I2C и линии GPIO.
54
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• СЛУЖЕБНАЯ ЧАСТЬ i.MX 8QuadMax
Служебная часть содержит пять блоков, сигналы которых не выходят напрямую за пределы АР. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Timers — цифровые таймеры. В i.MX 8QuadMax все таймеры 32-разрядные. Они
используют программируемые делители частоты и регистры захвата по переднему или заднему фронту входных импульсов. Когда таймер настроен на работу в
режиме «установил и забыл», он обеспечивает точные прерывания через равные
промежутки времени с минимальным вмешательством ЦП. Таймеры могут синхронизироваться от внешних или внутренних «часов».
Memory — встроенная память. Процессорные, контроллерные и интерфейсные
узлы в i.MX 8QuadMax имеют свои внутренние ОЗУ и ПЗУ, о чём упоминается в
их описании. Кроме того, в системе присутствует специальный контроллер встроенной памяти (On-Chip Memory Controller), разработанный как связующее звено между 64-разрядной системной шиной и внутренней (на кристалле) памятью
Multimedia RAM объёмом 256 КБ.
eDMA (четыре модуля) — enhanced Direct Memory Access — усовершенствованный контроллер прямого доступа к памяти (УПДП). Имеется четыре идентичных
модуля eDMA, из них два модуля в подсистеме DMA и два модуля в подсистеме
аудио. Общее количество каналов 128, по 32 канала в каждом модуле. Контроллер УПДП, применяемый в i.MX 8QuadMax, служит для пересылки данных между
медленной периферией и памятью. Особенности: отдельное программирование
адреса источника, адреса получателя и размера передачи, а также наличие внутреннего буфера данных объёмом 64 байта, доступ к дескрипторам управления с
поддержкой сложных структур.
PLL — Phase-Locked Loop — узел цифровой ФАПЧ. Предназначен для формирования внутренних частот методом дробного умножения (деления) на программно изменяемые коэффициенты. Управляется от системного контроллера SCU,
разгружая тем самым ЦП и прикладные контроллеры Cortex-M4F.
Thermal Sensor — встроенный полупроводниковый датчик температуры кристалла. Распределение температуры на подложке чипа при разных режимах работы
будет неравномерным, следовательно, измеренное значение температуры может
не совсем точно отражать общую картину. Сопротивление термодатчика измеряется через канал АЦП и сравнивается с допустимым порогом, превышение которого приводит к формированию внутренних аварийных сигналов.
• СИСТЕМНАЯ ЧАСТЬ i.MX 8QuadMax
Системная часть содержит восемь блоков, сигналы которых так или иначе выводятся наружу. Их назначение (сверху вниз по схеме).
Clock — узел тактирования. Обеспечивает генерацию и распределение синхронизирующих сигналов внутри АР. Управляется от системного контроллера SCU.
На корпусе i.MX 8QuadMax имеются контакты для подключения высокочастотного XTALI, XTALO (24 МГц) и низкочастотного RTC_XTALI, RTC_XTALO (32 768 Гц)
кварцевых резонаторов. Вместо них могут подаваться импульсы от внешних задающих генераторов. Кроме того, для работы интерфейса PCIe предусмотрена подача внешнего (а не внутреннего) эталонного источника тактовой частоты 100 МГц,
который подключается через отдельные контакты на корпусе АР.
1.6. Подробный анализ АР
55
Watchdog — сторожевой таймер. Узел Watchdog отслеживает две точки сравнения в течение каждого периода счёта. Каждая из точек настраивается на вызов
прерывания, а от второй точки дополнительно формируется аварийный сигнал
SCU_WDOG_OUT, который выводится на корпус АР.
Reset — узел начального сброса. Сигнал сброса может быть внешним от кнопки
или внутренним при наступлении определённых событий в системе. Управляется
от системного контроллера SCU.
Interrupts — система прерываний. В i.MX 8QuadMax используется сложная
многоуровневая система прерываний на основе ядра универсального контроллера GIC-500 (Generic Interrupt Controller) фирмы ARM и асинхронного модуля
координации прерываний. Контроллер связан только с процессорным кластером
Cortex-A53, а модуль координации осуществляет маршрутизацию прерываний
между Cortex-A53, Cortex-M4F и системным контроллером SCU. Функциональные возможности: обработка обычных и виртуальных прерываний от различных
подсистем, в том числе от входных линий GPIO АР.
Debug — система отладки и программирования. Управляется системным контроллером SCU, при этом обеспечивается полная совместимость со стандартами
JTAG TAP, IEEE1149.1, IEEE1149.6. На физическом уровне содержит два канала
отладки — обычный и секретный. Обычная отладка производится через интерфейс SWJ-DP (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS), а секретная — через интерфейс
JTAG (сигналы TCK, TDI, TDO, TMS, TRST). Обычный режим отладки гарантирует доступ к системной памяти и периферийным регистрам без остановки ЦП.
Секретный режим отладки защищён от несанкционированного доступа фьюзами
в области памяти ПЗУ eFUSE. Он используется во время заводского тестирования
параметров АР и предназначен для выявления брака. Кроме того, уполномоченные лица через секретный режим могут отлаживать системное ПО и вносить изменения в прошивку.
Boot — конфигуратор начального запуска. На физическом уровне это блок из
шести входных линий BOOT_MODE0…5 с логическими уровнями 1.8 В. По сочетанию сигналов на этих линиях определяются способы загрузки ОС и отладки
кода программ. Сигналы с конфигуратора поступают на системный контроллер
SCU. Режимы загрузки задаются фьюзами в области памяти ПЗУ eFuse.
Security — контроллер безопасности (Security Controller). В i.MX 8QuadMAX
он выполнен на базе 32-разрядного МК платформы Cortex-M0+, работающего на
частоте 133 МГц и имеющего 80 КБ ПЗУ и 80 КБ ОЗУ. Выполняемые функции:
безопасная Boot-загрузка, генератор случайных чисел с высококачественным генератором энтропийных источников на основе хеш-функций, криптографический ускоритель. Доступные системы шифрования: AES-128…256, DES, 3DES,
MD5, SHA-1, SHA-224…512. Контроллер безопасности имеет доступ к защищённой области памяти TrustZone, секретному ОЗУ 64 КБ, заводскому однократно
программируемому ПЗУ. Кроме того, в нём имеются секретные узлы RTC, JTAG,
HDCP (защита видеоконтента в HDMI). Дополнительно к контроллеру могут подключаться активные и пассивные датчики охраны объекта и несанкционированного вскрытия изделия. Для этого предназначены 10 внешних тамперных (tamper)
контактов на корпусе АР. Поскольку тамперы выведены наружу, то контроллер
безопасности относится к системной (а не служебной) части.
56
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Power Manager — менеджер питания, он же контроллер управления питанием. Особенность в том, что в i.MX 8QuadMax функция менеджмента возложена
на системный контроллер SCU. Он, кроме всего прочего, следит за очерёдностью
подачи и снятия питающих напряжений, регулирует их в зависимости от режима
работы АР, активирует пробуждение системы после состояния сна, подаёт команды на внешний контроллер питания PMIC через контакты АР.
• МУЛЬТИМЕДИЙНАЯ ЧАСТЬ i.MX 8QuadMax
Мультимедийная часть содержит пять групп элементов: входные, выходные и
смешанные каналы звука, а также входные и выходные каналы видео. Назначение
входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Канал звука (вход и выход)
S/PDIF — Sony/Philips Digital InterFace — интерфейс «точка—точка» для последовательной однонаправленной передачи цифровых аудиоданных методом ИКМ
на звуковоспроизводящее устройство.В i.MX 8QuadMax интерфейс содержит
трансивер, который позволяет принимать (SPDIF_IN) и передавать (SPDIF_OUT)
звуковые данные в цифровом виде по двум независимым каналам. Трансивер,
кроме своих основных функций, измеряет частоту дискретизации принимаемого
сигнала. На физическом уровне на контакты i.MX 8QuadMax выводятся сигналы
SPDIF0_EXT_CLK (тактовый), SPDIF0_RX (приём), SPDIF0_TX (передача). Для
подключения их к коаксиальным разъёмам «тюльпан» или оптическим разъёмам
TOSLINK требуются внешние узлы сопряжения и защиты.
SAI (четыре канала) — Serial Audio Interface — последовательный синхронный
аудиоинтерфейс. Поддерживает полнодуплексные протоколы с кадровой синхронизацией, такие как I2S, AC97, TDM. Интерфейс четырёхканальный: SAI0 — входные и выходные голосовые данные Bluetooth, SAI1 — подключение микросхемы
аудиокодека или аудиопроцессора, SAI2, SAI3 — подключение проигрывателей
CD/DVD. В каждом канале на физическом уровне используются «тройки» сигналов: тактовый, информационный и фреймовый. Интерфейсы SAI0, SAI1 содержат по три входных и три выходных сигнала, а интерфейсы SAI2, SAI3 — только
по три входных сигнала.
eSAI (два модуля) — enhanced Serial Audio Interface — расширенный последовательный широкополосный цифровой аудиоинтерфейс. Обеспечивает полнодуплексную связь с различными устройствами, включая звуковые кодеки, цифровые микрофоны, S/PDIF, DVD, HDTV, телевизионные приставки, домашние
кинотеатры. Интерфейс eSAI требует особой координации на аппаратном и программном уровнях для улучшения функциональности и стоимости по сравнению
с обычными интерфейсами SAI. В i.MX 8QuadMax содержатся два идентичных
модуля eSAI с отдельными секциями передатчиков и приёмников с собственными тактовыми генераторами. Имеется три режима работы: обычный, сетевой и
по запросу. При обычном режиме данные передаются с одинаковой скоростью,
одно слово за период. Сетевой режим работы используется для построения сетей
с временным мультиплексированием TDM. Режим работы по запросу предназначен для непериодической передачи данных на высокой скорости. На физическом
уровне каждый из двух модулей eSAI может микшировать сигналы шести пере-
1.6. Подробный анализ АР
57
датчиков TX0…5 и четырёх приёмников RX0…3. Это позволяет конфигурировать
звуковое пространство, в частности, по шестиканальной системе объёмного звучания Dolby Digital 5.1 или по квадрофонической схеме с двумя входами аудио.
Канал видео (вход)
MIPI CSI (два порта) — MIPI Camera Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для приёма фото- и видеоизображений с цифровых
камер. В i.MX 8QuadMax имеются два порта MIPI CSI, которые поддерживают до
четырёх потоков данных с быстродействием 10…1500 Мбит/с. Этого достаточно
для работы с изображениями размерностью 4K при частоте 30 кадров в секунду.
Доступные форматы: RAW, YUV422, YUV420, RGB с различной глубиной цвета.
Интерфейс располагает сервисными функциями, доступными через каналы I2C,
PWM, GPIO. Шина I2C управляет датчиком захвата изображения и задаёт режимы
работы. Канал PWM управляет положением камеры и её диафрагмы. Линии GPIO
программируются пользователем, чаще всего для активации вспышки.
Канал видео (выход)
MIPI DSI (два порта) — MIPI Display Serial Interface — высокоскоростной последовательный интерфейс для подключения TFT-дисплеев. В i.MX 8QuadMax
интерфейс состоит из двух портов и поддерживает скорость 80…1500 Мбит/с на
одну линию передачи данных. На физическом уровне оба порта содержат сигналы
DATA (четыре дифференциальные пары), CLK (одна дифференциальная пара), а
также две линии интерфейса I2C с сигналами SCL, SDA и две программируемые
пользователем линии GPIO.
LVDS (два канала) — Low-Voltage Differential Signaling — интерфейс передачи
информации дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровней.
В i.MX 8QuadMax используется передающий блок с двумя идентичными каналами по четыре потока данных в каждом для подключения дисплеев с интерфейсом
LVDS. Быстродействие в каждом канале составляет 1050 Мбит/с, а при их объединении в восемь потоков — 595 Мбит/с. На физическом уровне в каждом канале
используются дифференциальные сигналы DATA (четыре пары), CLK (одна пара),
а также четыре сигнала от двух портов I2C и две линии GPIO.
HDMI-2.0a — High-Definition Multimedia Interface — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости. Поддерживаются спецификации HDMI-1.4b, HDMI-2.0a.
Интерфейс HDMI в i.MX 8QuadMax работает только в режиме выхода HDMI-TX.
В даташите есть указание о режиме входа HDMI-RX, но эта функция не реализована. Интерфейсы HDMI, DP, eDP используют один и тот же выходной электронный узел. Переключение между интерфейсами осуществляется программно, при
этом изменяются частоты тактовых сигналов.
DP-1.3 — Display Port — интерфейс для мультимедиа высокой чёткости. Аналогичен интерфейсу HDMI, но больше ориентирован на компьютерные мониторы.
В i.MX 8QuadMax интерфейс DP аппаратно совмещается с интерфейсами HDMI,
eDP.
eDP-1.4 — embedded Display Port — усовершенствованная версия интерфейса
DP, но для цветных сенсорных дисплеев встраиваемых систем. В i.MX 8QuadMax
интерфейс eDP аппаратно совмещается с интерфейсами HDMI, DP.
58
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• ИНТЕРФЕЙСНАЯ ЧАСТЬ i.MX 8QuadMax
Интерфейсная часть содержит три группы элементов: интерфейс внешних
связей, контроллерный интерфейс и интерфейс внешней памяти. Назначение
входящих в них блоков (сверху вниз по схеме).
Интерфейс внешних связей
USB 2.0 — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная
шина» v2.0 для подключения периферийных устройств различного назначения.
В i.MX 8QuadMax поддерживается функция OTG для связи двух устройств друг
с другом без отдельного USB-хоста. Особенность: протокол согласования хоста
и протокол запроса сеанса реализованы на аппаратном уровне, хотя ими можно
управлять программно. Доступные режимы: HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с), LS
(1.5 Мбит/с).
USB 3.0 — Universal Serial Bus — интерфейс «Универсальная последовательная
шина» v3.0 для подключения периферийных устройств различного назначения.
В i.MX 8QuadMax ядро USB 3.0 может конфигурироваться как USB 2.0 с аппаратной поддержкой сигнализации OTG. Обеспечивается полная совместимость
со спецификацией USB 3.0 и обратная совместимость с USB 2.0. Доступные режимы: Super Speed (5 Гбит/с), HS (480 Мбит/с), FS (12 Мбит/с), LS (1.5 Мбит/с).
Для ограничения тока в цепи Vbus рекомендуется устанавливать микросхемы:
PTN36043, PTN5150A, NX5P3090UK. На физическом уровне для передачи и приёма данных используются дифференциальные пары сигналов RX, TX для USB 3.0
и стандартные информационные сигналы DP, DM для USB 2.0.
Ethernet@1 Gb/s (два канала) — интерфейс пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных сетей при скоростях 10; 100; 1000 Мбит/с.
В i.MX 8QuadMax реализован улучшенный мост RGMII (Reduced Gigabit Media Independent Interface). Допускается передача через Ethernet необработанных аудиовидеоданных по стандарту AVB (Audio Video Bridging) IEEE 802.1Qav [1-20].
PCIe-3.0 (два канала) — Peripheral Component Interconnect express — последовательный интерфейс «точка—точка», использующий программную модель компьютерной шины PCI, пакетную связь и горячую замену карт. В i.MX 8QuadMax
могут использоваться как два канала PCIe-3.0 с однополосной работой, так и один
канал с двухполосной работой, при этом обеспечивается обратная совместимость
со спецификациями PCIe-1.0, PCIe-2.0.
SATA-3.0 — Serial Advanced Technology Attachment — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. В i.MX 8QuadMax интерфейс
SATA-3.0 можно использовать как дополнительный однополосный интерфейс
PCIe. На физическом уровне обмен информацией осуществляется через дифференциальные пары сигналов RX (приём), TX (передача).
CAN (три канала) — Controller Area Network — промышленный стандарт «Сеть
контроллеров», ориентированный на объединение в единую систему различных
исполнительных устройств и датчиков. Режим обмена информацией — пакетный
последовательный широковещательный. Интерфейс CAN разработан в середине
1980-х годов фирмой Bosch и в настоящее время является стандартом для автомобильной автоматики. Кроме того, применяется в промышленности и системах «умный дом». В i.MX 8QuadMax интерфейс CAN реализован в соответствии
1.6. Подробный анализ АР
59
со спецификацией CAN 2.0B и протоколом CAN FD (Flexible Data rate) с гибкой
скоростью передачи данных. Имеются три отдельных канала CAN, доступных для
подключения к сетям на скорости до 8 Мбит/с. На физическом уровне на корпус
АР выводятся КМОП-сигналы TX (передача), RX (приём), но для их подстыковки
к сети требуется ещё внешняя микросхема-драйвер CAN с цепями защиты.
I2C (пять модулей) — Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина I2C для связи между микросхемами в электронных устройствах. Всего
в i.MX 8QuadMax насчитывается 18 отдельных модулей I2C. Из них пять модулей
общего назначения с максимальной скоростью до 3.4 Мбит/с с поддержкой ПДП
и 13 низкоскоростных модулей без ПДП. Расклад: два модуля в узле MIPI DSI,
четыре модуля в узле LVDS, два модуля в узле HDMI-TX, два модуля в узле MIPI
CSI, три модуля для прикладных и системных контроллеров Cortex-M4F. Низкоскоростные интерфейсы I2C не рекомендуются к общему доступу, поскольку они
«заточены» под специализированное управление на программном уровне. Кроме
того, мультиплексирование функций портов GPIO не позволяет использовать все
модули I2C одновременно, что надо проверять при компоновке системы.
LPSPI (четыре канала) — Low-Power Serial Peripheral Interface — последовательный периферийный полнодуплексный интерфейс с низким энергопотреблением. В i.MX 8QuadMax используются четыре независимых канала LPSPI общего
применения с режимами ведомого и ведущего (Master-or-Slave). Максимальная
тактовая частота 60 МГц для ведущего и 40 МГц для ведомого режимов. Логические уровни сигналов в каналах LPSPI0, LPSPI2, LPSPI3 составляют 3.3 В, в канале LPSPI1 — 1.8 В, поскольку он совмещается с контактами входов АЦП. На физическом уровне в каждом из четырёх каналов LPSPI используются стандартные
сигналы SCK, SDO, SDI и сигналы выборки кристалла CS0, CS1.
PWM (четыре канала) — Pulse-Width Modulation — интерфейс генерации сигналов ШИМ на основе программных прерываний. В i.MX 8QuadMax используются четыре отдельных канала ШИМ. Они оптимизированы для формирования
тональных сигналов с функцией «Sound and Melody generator» и для генерации
звука из сохранённых в памяти семплов. Для работы задействуется 16-разрядный
таймер-счётчик, сопряжённый с памятью FIFO объёмом 64 бита. На физическом
уровне в четырёх каналах PWM используется по одной КМОП-линии GPIO.
Keypad 6*8 — клавиатурный порт. Предназначен для подключения внешней
тастатуры или механической клавиатуры, состоящей максимум из 48 кнопок
(шесть рядов, восемь колонок). Представляет собой 16-разрядный периферийный модуль, внешние контакты которого допускается использовать в качестве дополнительных портов GPIO. К линиям клавиатурного порта можно подключить
внутренние «pull-up» резисторы или перевести их в состояние «открытый сток».
Устранение «дребезга» контактов и декодирование нажатия нескольких кнопок
одновременно необходимо выполнять самостоятельно в программе, аппаратных
средств для этого внутри АР не предусмотрено.
ADC (восемь каналов) — Analog-to-Digital Converter — аналого-цифровой преобразователь. В i.MX 8QuadMax применяется АЦП последовательного приближения с разрядностью 12 бит, при этом реальное эффективное разрешение составляет 9.5…11.3 бит. Частота дискретизации до 24 МГц, напряжение питания 1.8 В. На
физическом уровне имеются два независимых модуля АЦП, в каждом из которых
60
Глава 1. Одноплатные компьютеры
по четыре измерительных канала. Образцовое напряжение ИОН для АЦП может
подаваться извне через отдельный вывод VREFH на корпусе АР.
LPUART (пять портов) — Low-Power Universal Asynchronous Receiver-Transmitter — последовательный интерфейс с низким энергопотреблением «Универсальный асинхронный приёмник-передатчик». В i.MX 8QuadMax используются два
физических и три виртуальных порта LPUART, управляемых от ЦП. Они совместимы со спецификацией TIA/EIA-232-F (максимальная скорость 5 Мбит/с). Допускается работа LPUART в режиме ИК-интерфейса с протоколом IrDA на скорости до 115.2 кбод. Также поддерживается 9-битный многоточечный режим RS-485
с автоматическим определением адреса ведомого устройства. Состав кадра: стартбит, данные 7…10 бит, бит контроля чётности, один или два стоп-бита. На физическом уровне используются два порта LPUART0, LPUART1 с отдельными наборами сигналов TX, RX, RTS, CTS. Эти же линии задействуются в работе виртуальных
портов LPUART2…4 при выборе альтернативных функций GPIO.
GPIO (224 линии) — General-Purpose Input/Output — общий интерфейс связи
между компонентами процессорной системы через цифровые входы и выходы.
В i.MX 8QuadMax максимальная частота сигналов на линиях GPIO зависит от рабочего напряжения драйверов. Для линий с логическими уровнями 1.8 В частота
составляет 208 МГц, с уровнями 3.3 В — 52 МГц. Линии GPIO двунаправленные,
с совмещением функций. Они могут находиться в режиме Z-входа, хранения последнего состояния шины («keeper»), открытого стока, а также с подтягивающими резисторами «pull-up», «pull-down» сопротивлением 10…100 кОм в зависимости от напряжения питания и режима. Линии GPIO группируются в семь портов
GPIO0…6 с разрядностью 32 бита в каждом, при этом отдельно выделяются линии
с допустимыми напряжениями 1.8 и 1.8…3.3 В.
Контроллерный интерфейс (Cortex-M4F)
LPUART (три порта) — Low-Power UART — последовательный интерфейс
UART с низким энергопотреблением. Эти три порта LPUART подключаются не к
ЦП, а к прикладным и системным контроллерам Cortex-M4F. Программируются
они отдельно от остальных портов. Технические параметры аналогичны спецификации портов LPUART из интерфейса внешних связей.
I2C (три модуля) — Inter-Integrated Circuit — последовательная асимметричная шина для связи I2C между микросхемами в электронных устройствах. Эти три
модуля I2C подключаются не к ЦП, а к прикладным и системным контроллерам
Cortex-M4F. На физическом уровне содержат сигналы SCL, SDA и программно
управляются отдельно от остальных модулей I2C интерфейса внешних связей.
Технические параметры всех модулей I2C в i.MX 8QuadMax идентичны.
RGPIO (три линии) — Rapid General-Purpose Input/Output — быстрый интерфейс связи между компонентами процессорной системы через цифровые входы
и выходы. Эти три линии портов RGPIO подключаются не к ЦП, а к прикладным
и системным контроллерам Cortex-M4F. Управляются они отдельно от остальных
линий GPIO общего назначения, не пересекаясь с ними логически. Для повышения быстродействия порты RGPIO связываются с ядрами контроллеров через
специальный интерфейс с нулевым состоянием ожидания (IOPORT). Внутренние
регистры RGPIO поддерживают организационную структуру 8; 16; 32 бита.
1.6. Подробный анализ АР
61
Интерфейс внешней памяти
eMMC-5.1 — embedded Multimedia Memory Card — интерфейс для подключения «встраиваемой мультимедийной карты памяти». Чипы eMMC внутри содержат энергонезависимую память NAND Flash большого объёма и управляющий
контроллер. В i.MX 8QuadMax поддерживаются спецификации eMMC версий 4.3,
4.4, 5.1 для четырёх- и восьмибитных режимов. С чипа eMMC может загружаться
ОС. На физическом уровне используются: тактовый сигнал CLK, сигнал сброса
RESET, сигнал стробирования STROBE, управляющий сигнал CMD и сигналы
шины данных DATA0…7.
SD/MMC (два канала) — Secure Digital/MultiMedia Card — интерфейс подключения внешних карт памяти, подобных microSD. В i.MX 8QuadMax имеются два
канала с шинами данных разрядностью, соответственно, 4 и 8 бит. Поддерживаются спецификации карт памяти SDXC и UHS-I (SDR104). На физическом уровне используются: тактовый сигнал CLK, сигнал сброса RESET, сигнал стробирования VSELECT, управляющий сигнал CMD, четыре или восемь сигналов шины
данных DATA0…7.
NAND Flash — Not AND — интерфейс подключения внешних микросхем флешпамяти с логической организацией И-НЕ. В i.MX 8QuadMax допускается работа
с чипами Raw NAND с различными технологиями ячеек памяти, а также с чипами спецификации ONFI-3.2 (Open NAND Flash Interface). Быстродействие до
50…400 МБ/с, разрядность шины данных 8 бит. На физическом уровне интерфейс
содержит 21 сигнал, но линии этих сигналов совмещаются с линиями интерфейсов eMMC и SD/MMC, что не позволяет их использовать одновременно.
NOR Flash (FlexSPI) — Not OR Flash (Flexible SPI) — гибкий интерфейс SPI
для подключения внешних микросхем флеш-памяти с логической организацией
ИЛИ-НЕ. «Гибкость» подразумевает, что интерфейс содержит два одинаковых канала, которые могут работать как поодиночке в режиме Quad SPI, так и в связке
друг с другом в режиме Octal SPI (HyperBus). В i.MX 8QuadMax интерфейс FlexSPI
функционирует на частотах до 60 МГц при напряжении 3.3 В и до 200 МГц при
напряжении 1.8 В. К интерфейсу могут подключаться две микросхемы памяти,
аналогичные Cypress Serial Nor Flash S25FS512S, или одна микросхема памяти,
аналогичная Micron MT35X Xccela Flash. На физическом уровне используются
сигналы: SCLK, DQS, SS0, SS1, DATA0…3.
FPGA (QSPI) — Field-Programmable Gate Array (Quad SPI) — интерфейс «счетверённого SPI», используемый для подключения внешних микросхем ПЛИС. Допускаются одно-, двух- и четырёхбитный режимы работы. Кроме ПЛИС к линиям этого интерфейса могут также подключаться микросхемы последовательной
Flash-памяти.
DDR4@1200 MHz — Double Data Rate 4 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM четвёртого поколения. Разрядность 32 бита,
максимальная частота тактирования шины 1.2 ГГц. Подключается на контакты
интерфейса LPDDR4.
LPDDR4@1600 MHz — Low Power DDR4 — интерфейс подключения синхронной динамической памяти SDRAM четвёртого поколения с пониженным энергопотреблением. Разрядность 64 бита (2 x 32 бита), питание 1.1 В, максимальная частота тактирования шины 1.6 ГГц.
62
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.6.12. Нюансы, выявленные при изучении даташитов АР
1. Внутри многих АР имеются заимствованные узлы, разработанные другими
фирмами, и это нормальная практика. Схемотехника чипа АР строится по принципу конструктора Lego, из отдельных топологических ядер на кристалле. Например, от фирмы ARM берут под лицензию стандартные ядра процессоров Cortex-A,
Cortex-M, ядра контроллера прерываний GIC и контроллера кеша. Другие ядра
покупают у сторонних (надёжных и известных) фирм. Как следствие одни и те
узлы встречаются в АР разных производителей, в частности ядра Audiocodec, USB
host, SDHC host. Остальные элементы разрабатывают самостоятельно, но так, чтобы в дальнейшем их можно было повторно применить. Это касается ядер широко
распространённых интерфейсов Ethernet, SATA, контроллеров I2C, UART, SPI.
2. Информация в даташите о важных блоках АР может ограничиваться лишь названием. Например, в APQ8016 применяется графический ускоритель Adreno 306,
но его параметры приходится отдельно искать в Интернете.
3. Некоторые даташиты составляются по шаблону и могут содержать неточности. Например, в даташите RK3566 описан интерфейс CAN, но физически он
отсутствует. Однако интерфейс CAN реализован в АР RK3568, даташит которого
сделан по образу и подобию даташита RK3566. Очевидно, что разработчик просто
забыл «почистить» документацию.
4. В даташитах разных АР обычно указываются максимальные (лучшие) значения параметров. Фраза «…ЦП работает на частоте 1.2 ГГц…» означает, что максимальная тактовая частота ЦП составляет 1.2 ГГц, но только в особых условиях.
Например, в даташите i.MX 8QuadMax максимальная тактовая частота в обычном
режиме (Normal) при питании 1.0 В равняется 0.9 ГГц, а при питании 1.1 В в режиме разгона (Overdrive) увеличивается до 1.2 ГГц. Однако режим разгона снижает
долговечность и надёжность АР, вряд ли он будет применяться постоянно. Напрашивается вывод: реклама в Интернете — это одно, а реальность — это другое.
5. Фирмы-изготовители АР стараются разрабатывать для себя чипы-компаньоны (sub-chip, Companion Chip). Это могут быть контроллеры питания, модемы,
аудиокодеки и т. д. Они программно и аппаратно адаптированы для работы с конкретным АР. С одной стороны, это приносит фирме дополнительную прибыль, а
с другой — облегчает задачу разработчикам SBC, когда из согласованных по параметрам «чипов-кубиков» собирается законченная процессорная система.
6. Нюанс, связанный с количеством ядер АР. Рядовой пользователь справедливо считает, что чем больше ядер заявлено в спецификации АР, тем быстрее он
выполняет вычисления, тем выше его быстродействие. Но в рекламных целях к
общему числу могут причислять не только процессорные ядра, но и ядра внутренних МК. Например, i.MX 8QuadMax называют восьмиядерным на основе простого суммирования: четыре процессорных ядра Cortex-A53, два процессорных ядра
Cortex-A72 и два ядра МК Cortex-M4F.
Фактически же в скоростных вычислениях на гигагерцовых тактовых частотах
принимают участие лишь ядра платформы Cortex-A. Микроконтроллерные ядра
Cortex-M4F функционируют на более низких тактовых частотах и занимаются выполнением узких прикладных задач. Следовательно, более точная классификация
i.MX 8QuadMax — это АР с шестью полноценными процессорными ядрами.
1.7. Подробный анализ SBC
63
1.7. Подробный анализ SBC
1.7.1. Внутреннее устройство SBC
https://t.me/it_boooks/2
Объём информации, который разработчик АР предлагает для изучения рядовому пользователю, подчас поражает воображение. Взять, к примеру, справочное
техническое руководство на АР RK3188, которое содержит 1150 страниц. Для работы с АР OMAP4430 придётся проштудировать 5760 страниц технической документации. Полный «Reference Manual» на АР i.MX 8QuadMax включает в себя
11 246 (!) страниц текста. Для сравнения: объём всех четырёх томов романа «Война
и мир» Льва Толстого составляет всего лишь 1300 страниц…
Вывод: даташитами на АР следует пользоваться как полезными справочниками для поиска ответа на конкретные прикладные вопросы. К примеру, уточнить
раскладку какого-либо регистра, посмотреть рекомендуемую схему включения
кварцевого резонатора, выяснить допустимый разброс питающих напряжений и
уровней. Запоминать многочисленные настройки режимов, функции протоколов, назначение системных служб, имена регистров, а также пытаться детально
вникнуть в теоретические идеологемы разработчика АР — себе дороже.
Что делать? Как «не утонуть» в море информации из даташитов? С точки зрения программиста, надо больше уделять времени на изучение стандартных библиотек функций АР для языков высокого уровня, сверяясь с даташитом. С точки
зрения работы с «железом» — использовать готовые покупные платы SBC. Это
значительно снижает требования к стартовым знаниям пользователя и облегчает
начало практического перехода от техники МК к технике АР.
Фирмы-изготовители SBC бесплатно предлагают в Интернете подробные руководства по применению. Но, в отличие от даташитов АР, они занимают несколько
десятков страниц текста с пояснительными рисунками и таблицами. Самое ценное, что к каждому SBC (за редким исключением) прилагаются полные электрические схемы, достаточные для ремонтных работ и анализа схемотехники.
Стандартизация в графике электрических схем SBC, к сожалению, отсутствует. Каждая фирма предлагает свой вариант рисования ЭРИ и связей между ними,
считая это удобным, логичным и понятным. Здесь ничего не поделаешь, надо
принять как должное, а заодно расширять кругозор, изучая схемы разных фирм.
Наиболее важными для понимания принципа работы SBC следует признать
структурные схемы. Они, как правило, приводятся в шапке электрических схем.
Именно на них показываются взаимосвязи между различными блоками, интерфейсами, сигналами, шинами, разъёмами.
Если сопоставить между собой структурные схемы разных SBC, то все входящие в них элементы можно условно разделить на три системы: процессорную, периферийную и питания.
Процессорная система занимается вычислениями, обработкой, хранением и
кодированием информации, а также управлением и контролем.
На периферийную систему возложена задача стыковки интерфейсов с внешним
миром на аппаратном и логическом уровнях.
Система питания обеспечивает физическую работоспособность SBC в целом.
64
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Для дальнейшего анализа отобраны следующие SBC:
• Rico Board фирмы MYiR (Рис. 1.9);
• Bubblegum96 фирмы uCRobotics (Рис. 1.10);
• Orange Pi 3 фирмы Shenzhen Xunlong Software (Рис. 1.11);
• Wanboard i.MX6 Quad фирмы TechNexion (Рис. 1.12).
Перечисленные SBC содержат разные АР, разные наборы интерфейсов, имеют
разные технические параметры, выпущены в разные годы. Такой разброс полезен
для сравнения их между собой и уточнения классификационных параметров.
Структурные схемы рассматриваемых SBC будут приведены к единому виду,
несколько отличающемуся от первоисточников в даташитах, с учётом следующих
условностей.
• Количество светодиодов, кнопок, каналов указывается числом после знака
« x ». Например, «LED x 5» означает наличие на плате пяти светодиодов.
• Кварцевые резонаторы внутри процессорной системы подключаются к выводам АР. Остальные, используемые в SBC кварцевые резонаторы подключаются к соответствующим интерфейсным микросхемам.
• Количество контактов в разъёмах обозначается числом возле наклонной
черты. Однако реальные разъёмы имеют ещё и «земляные» контакты держателей, которые часто рисуют на электрических схемах. На структурных схемах они учитываться не будут. Например, в SBC Rico Board для подключения
карты памяти применяется разъём TF01A [1-21]. На электрической схеме
он нарисован с 13 контактами, причём контакты 1…10 информационные, а
контакты 11…13 относятся к креплению Shell. Следовательно, на структурной схеме Rico Board разъём microSD будет нарисован как 10-контактный.
• Текстовые надписи внутри блоков можно условно разделить на верхнюю и
нижнюю части. В верхней части приводится информация о назначении блока, в нижней (если имеется) — вспомогательные данные.
• Если в нижней строке блока указано название микросхемы, это означает,
что сигналы, выходящие из АР, требуют логического и физического преобразования во внешнем драйвере (контроллере). И только после этого сигналы поступают на разъём. К примеру, «KSZ9031RN» указывает на то, что
сигналы интерфейса Ethernet от АР поступают на контроллер KSZ9031RN.
• Если название микросхемы в нижней строке блока отсутствует, то интерфейсные сигналы формируются в самом АР. После фильтрации, согласования и защиты они подаются прямо на соединительный разъём.
• В нижней строке блока может указываться дополнительная информация:
тип разъёма, версия интерфейса, объём памяти, быстродействие, корпус
чипа и т. д. К примеру, «FPC-50» означает, что дисплей TFT подключается к
выводам АР (SBC) через разъём стандарта FPC-50.
• Подробное описание спецификаций, протоколов, технологий, интерфейсов, применяемых в SBC, не входит в задачу настоящей книги. Для их детального изучения предлагается воспользоваться интернет-ссылками из
Табл. П1.2 приложения 1.
1.7. Подробный анализ SBC
65
1.7.2 Структурная схема Rico Board
Rico Board
PMIC (TPS65218); LDO x 3
In
25 MHz
Out
I2C
Power 5V@2A
VDD
Процессорная система
14
4
5
AP
Ethernet
@1 Gb/s
KSZ9031RN
TI
AM4378
(AM437x)
USB 2.0 Host
USB A
USB 2.0 Device
Micro AB
@32 bit
@1 GHz
1 core
HDMI 1.4a 19
SiI9022A,
TPD12S016
Flash QSPI
W25Q128
@16 MB
Display TFT 50
FPC 50
eMMC
KLM4G1Y
@4 GB
microSDHC 10
@4 GB
24 MHz
40
40
DDR3 x 2
MT41K128
@512 MB
30
External
Interface x 2
SPI x 2;
I2C(1);
CAN x 2;
UART x 3;
Reset
EEPROM
CAT24C256
@32 KB
ADC x 8;
I2C(2);
SD/MMC;
GPIO x 2;
McASP
32768 Hz
Camera x 2 30
LED
x7
Debug
UART
6
Button
x4
Boot
x2
ARM JTAG
20
Рис. 1.9. Внутреннее устройство Rico Board
Rico Board — это общее название серии SBC фирмы MYiR, выполненных на
базе АР архитектуры Cortex-A9 AM4376…AM4339 производства Texas Instruments.
Анонс Rico Board состоялся в марте 2015 года. Серия содержит несколько разновидностей плат, отличающихся моделью АР, наличием графического 3D-ускорителя
и поддержкой режима EtherCAT slave. Тип применяемого АР зашифрован в фирменном названии платы, например MYS-4378-10 — это SBC с АР AM4378 [1-22].
Rico Board поддерживает ОС Linux и поставляется в комплекте с дистрибутивом Linux 3.14.0 SDK, который включает в себя программное ядро и драйверы с
исходными кодами. Кроме того, на Rico Board можно поставить оптимизированную версию ОС Android-4.4.4.
Эксплуатационные характеристики SBC: габаритные размеры 65 x 100 x 1.6 мм,
восьмислойная печатная плата, напряжение питания 5 В@2 А, диапазон рабочих
температур 0…+70°C [1-23].
Области применения Rico Board — промышленная автоматизация, программируемые логические контроллеры, сканеры штрих-кода, портативные терминалы данных, испытательное оборудование, мониторинг состояния здоровья пациентов, узлы интерфейса «человек—машина».
Rico Board состоит из трёх систем: процессорной, периферийной, питания.
66
Глава 1. Одноплатные компьютеры
• Особенности процессорной системы Rico Board
АР — одноядерный 32-разрядный ЦП AM437x семейства Sitara архитектуры
Cortex-A9, работающий на частоте 1 ГГц [1-24]. Внутри имеется графический процессор PowerVR фирмы Imagination Technologies из серии SGX, обеспечивающий
скорость прорисовки 20 MTri/s (миллионов треугольников в секунду). Имеются
также четыре вычислительных модуля реального времени с прямым доступом к
линиям GPIO, что позволяет разгрузить от вычислений основное ядро.
Механические характеристики АР: тип корпуса NFBGA, габаритные размеры
17 x 17 x 1.3 мм, количество контактов 491 с шагом 0.65 мм.
Память — к шинам АР могут непосредственно подключаться следующие
микросхемы памяти: 512 МБ SDRAM DDR3 (системное ОЗУ, две микросхемы
по 256 МБ), 4 ГБ eMMC (хранение ОС), 16 МБ QSPI Flash (хранение настроек и
вспомогательных данных), 32 КБ EEPROM (начальный загрузчик).
Кварцевые резонаторы — основной резонатор имеет частоту 24 МГц и предназначен для стабилизации тактовых импульсов в системе. Узел часов реального
времени RTC синхронизируется вторым кварцевым резонатором, имеющим частоту 32 768 Гц.
• Особенности периферийной системы Rico Board
Ethernet — внешний гигабитный Ethernet-контроллер KSZ9031RN фирмы
Microchip Technology. Тактируется отдельным кварцевым резонатором частотой
25 МГц. Поддерживаются протоколы: 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T стандарта IEEE 802.3. В сетевой разъём 8P8C встроены два светодиода, управляемых
от Ethernet-контроллера.
HDMI — внешний HDMI-контроллер. Особенность в том, что он выполнен
не на одной, а на двух микросхемах, работающих в связке. Из них SIL9022ACNU
фирмы Silicon Image — трансмиттер, TPD12S016 фирмы Texas Instruments — чипкомпаньон интерфейса HDMI.
Display TFT — интерфейс подключения цветных сенсорных дисплеев, которые
имеют гибкие кабели с плёночными 50-контактными разъёмами стандарта FPC.
USB 2.0 Device — к разъёму могут подключаться компьютеры, ноутбуки, планшеты и т. д. Поддерживаются скорости HS, FS, LS.
USB 2.0 Host — к разъёму могут подключаться внешние устройства спецификации USB 2.0, для которых SBC является аналогом ПК. К примеру, клавиатура,
принтер, мышь, 3G-модем и т. д. Поддерживаются скорости HS, FS, LS.
Camera — два разъёма подключения основной и дополнительной цифровых
фото- и видеокамер. Разрядность шины данных 8 бит, тактовая частота 75 МГц,
доступные форматы: YUV422/RGB422, BT656, RAW.
External Interface — по краям печатной платы SBC имеются два разъёма расширения с шагом контактов 2.54 мм. На них выводятся периферийные сигналы, при
этом название интерфейса I2C повторяется дважды. Это не ошибка, поскольку
интерфейс один, а каналы в двух разъёмах разные, независимые.
ADC — восьмиканальный АЦП с разрядностью 12 бит и максимальной частотой дискретизации 867 кГц.
McASP — Multichannel Audio Serial Port — многоканальный последовательный
аудиопорт, поддерживающий форматы: TDM, I2S, S/PDIF, IEC60958-1, AES-3.
1.7. Подробный анализ SBC
67
microSDHC — интерфейс подключения карты памяти microSDHC с объёмом
2…32 ГБ, скорость передачи данных до 25 МБ/с. На плате SBC размещается картоприёмник (слот, держатель). В комплект поставки SBC входит карта памяти
объёмом 4 ГБ, с которой может загружаться ОС.
SD/MMC — интерфейс подключения дополнительной карты памяти через
разъём расширения «External». Требуется дополнительный кабель, к которому
подключается отдельный внешний картоприёмник.
ARM-JTAG — 20-контактный разъём для тестирования и отладки АР. Разъём
изначально на плате SBC не установлен, поэтому на структурной схеме он обозначается пунктиром. Разъём имеет раскладку JTAG ARM, что надо учитывать
при выборе адаптера. Если адаптер имеет раскладку ByteBlaster, то необходимо
использовать переходной кабель.
Debug UART — шестиконтактный разъём для подключения отладчика прикладных программ через порт UART. Ближайшая аналогия — интерфейс загрузки и
отладки ПО в платах Arduino. Два из шести контактов разъёма свободные, остальные заняты цепями: VCC, TXD, RXD, GND.
LED — Light-Emitting Diode — семь светодиодных индикаторов. Их назначение: четыре синих светодиода программно доступны пользователю, красный
светодиод указывает на наличие напряжения питания 3.3 В, встроенные в разъём
8P8C Ethernet зелёный и жёлтый светодиоды индицируют прохождение сетевых
транзакций.
Button — три тактовые кнопки, из них две программно доступные пользователю и одна кнопка включения питания.
Boot — два джампера, определяющих порядок запуска boot-загрузчика ОС: из
микросхемы eMMC, из карты памяти microSD, из чипа QSPI Flash.
• Особенности системы питания Rico Board
Power 5V@2A — для питания Rico Board используется сетевой адаптер с выходным постоянным напряжением 5 В и силой тока не меньше 2 А. Из этого напряжения образуются все остальные при помощи контроллера питания PMIC и
аналоговых стабилизаторов LDO.
PMIC — контроллер питания TPS65218 фирмы Texas Instruments, который был
специально разработан для применения совместно с различными АР архитектуры Cortex-A8, Cortex-A9. В контроллере PMIC размещаются шесть импульсных
DC/DC-преобразователей, работающих на частоте 2.4 МГц, и один аналоговый
стабилизатор LDO. Для связи с внешним миром используются сигналы управления IN, OUT и шина I2C, через которую АР может удалённо регулировать выходные напряжения в каналах.
• Взаимодействие систем в Rico Board
Из системы питания в остальную часть SBC поступают питающие напряжения,
условно обозначенные шиной VDD, а также логические сигналы, подтверждающие текущее состояние. В систему питания обратно поступают сигналы включения, пробуждения и управления, для чего используется интерфейс I2C контроллера питания PMIC.
68
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.7.3 Структурная схема Bubblegum96
32768 Hz
12 MHz
In
USB Host
4
2
USB 2.0 Hub
GL852G
Out
AP
VDD
32768 Hz
HDMI 1.4b 19
Type A
LPDDR3
x2
K4E8E304
@2 GB
USB 2.0 OTG
Micro AB
Actions
S900
9
USB 3.0 Host
Type A
@64 bit
@1.8 GHz
4 cores
EXT Interface
60 Low
Speed
(40 pin)
I2C
Процессорная система
5
40
Power 12V@2A
(8...18V)
PMIC (ATC2609); DC/DC x 2; LDO x 4
Bubblegum96
26 MHz
Wi Fi / BT
AP6212
eMMC 4.5
H26M41103
@8 GB
24 MHz
microSDHC
@2...32 GB
High
Speed
(60 pin)
PCM;
UART x 2;
SPI;
Reset;
I2C x 2;
GPIO x 12
MIPI HSIC;
MIPI DSI;
MIPI CSI x 2;
SDIO;
I2C x 2;
USB 2.0 (Hub)
LED x 7
Debug
UART
4
2.4 GHz
9
Key x 3
JTAG
10
Рис. 1.10. Внутреннее устройство Bubblegum96
Bubblegum96 — это SBC фирмы uCRobotics, собранный на базе 64-разрядного
АР S900 фирмы Actions (Zhuhai) Technology. Особенностью SBC является совместимость с универсальной платформой Linaro 96Boards (сокращённо 96Boards).
Для справки: эта платформа насчитывает более 60 SBC, разработанных разными
фирмами, но по единым конструктивным, техническим и функциональным нормам [1-25].
Анонс Bubblegum96 состоялся в середине 2015 года. Основные сферы применения: игровые приставки, цифровые дисплеи с высокой частотой обновления
информации, нетбуки, интеллектуальные проекторы, учебные приборы, роботы,
устройства виртуальной реальности и другая электронная аппаратура.
Bubblegum96 соответствует спецификации Linaro 96Boards CE (Consumer Edition), которая рассчитана на потребительскую мобильную электронику. Минимальные требования стандарта к «железу»: 0.5 ГБ ОЗУ, слот карты памяти microSDHC, разъём USB, два разъёма расширения, наличие модулей Wi-Fi
802.11g/n и Bluetooth с функцией BLE, размеры платы 85 x 54 или 85 x 100 мм.
В дополнение к стандартным функциям платформы 96Boards в Bubblegum96
имеются дополнительные факультативные возможности, а именно подача сигнала на внешний телевизор HDMI Ultra HD 4K, запись видео в формате Full HD
(1080p@60 Гц, H.264), поддержка системы безопасности ARM TrustZone.
1.7. Подробный анализ SBC
69
Эксплуатационные характеристики SBC: габаритные размеры 85 x 54 x 7 мм,
восьмислойная печатная плата, напряжение питания 12 В@2 А, диапазон рабочих
температур 0…+70°C [1-26].
Bubblegum96 состоит из трёх систем: процессорной, периферийной, питания.
• Особенности процессорной системы Bubblegum96
АР — четырёхъядерный 64-разрядный ЦП S900 архитектуры Cortex-A53, работающий на частоте 1.8 ГГц и изготовленный по технологическим нормам
28 нм [1-27]. Внутри имеется графический процессор PowerVR G6230, который
при частоте шины 600 МГц поддерживает форматы: OpenCL 1.2EP, DirectX 10,
OpenGL ES 3.1/3.2. Встроенный в АР видеопроцессор обрабатывает изображения
с разрешением 4К и формирует стереоскопическую картинку 3D-видео.
Механические характеристики АР: корпус чипа FCCSP, габаритные размеры
19 x 19 мм, количество контактов 642 с шагом 0.65 мм.
Память — к шинам АР непосредственно присоединяются следующие микросхемы памяти: 2 ГБ SDRAM LPDDR3 (системное ОЗУ, две микросхемы по 1 ГБ),
8 ГБ eMMC (поставляется с предустановленной ОС Android-5.1). Тактовая частота шины SDRAM 533 МГц. Внутри АР имеется загрузочный Boot ROM объёмом
64 КБ, быстрое ОЗУ объёмом 128 КБ, из них 32 КБ относятся к секретной области
TrustZone.
Кварцевый резонатор — имеет частоту 24 МГц и стабилизирует тактовые импульсы в системе. Узел часов реального времени RTC в АР синхронизируется
внешним импульсным сигналом частотой 32 768 Гц, поступающим из системы
питания от контроллера PMIC.
• Особенности периферийной системы Bubblegum96
USB 2.0 Hub — расширитель портов USB 2.0 на микросхеме GL852G фирмы
Genesys Logic, так называемый «хаб». Синхронизируется кварцевым резонатором
частотой 12 МГц. На вход хаба подаются сигналы одного порта USB от АР, а на выходе образуются четыре отдельных порта USB. Раскладка портов в Bubblegum96:
два порта не используются, один порт USB 2.0 Host выводится на внешний четырёхконтактный USB-разъём, ещё один порт c сигналами D+, D– подключается к
60-контактному разъёму EXT Interface. Поддерживаются скорости HS, FS, LS.
USB 2.0 OTG — разъём универсального интерфейса, поддерживающего режимы
USB 2.0 Host и Device. К разъёму OTG могут подключаться как внешние устройства, наподобие USB-клавиатуры, так и ПК через специальный кабель.
USB 3.0 Host — разъём для подключения быстродействующей периферии в режиме Host со скоростями передачи: SuperSpeed (5 Гбит/с), HS (480 Мбит/с), FS
(12 Мбит/с), LS (1.5 Мбит/с). Конструкция разъёма и состав сигналов позволяют
подключать к нему также устройства, соответствующие спецификации USB 2.0.
HDMI — выход на телевизор, монитор или дисплей от внутреннего HDMIконтроллера. Контроллер содержит видео- и аудиомодули, а также узел HDCP.
Соблюдается совместимость со спецификациями: HDMI 1.4b, MHL2.1, DVI 1.0,
HDCP 1.4. Поддерживаются видеоформаты: H.265 (4 096 x 2 304@30 Гц), MPEG-4
(1 080p@60 Гц), H.263, AVS и др.
70
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Wi-Fi / BT — совмещённый интерфейс беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth,
работающий в диапазоне частот 2.4 ГГц. Основой является чип AP6212 фирмы
AMPAK Technology. Интерфейс Wi-Fi соответствует стандарту IEEE 802.11 b/g/n,
а интерфейс Bluetooth совместим со спецификациями BT версии 4.1 (BLE) с низким потреблением мощности. В обоих случаях выполняются минимальные технические требования, предъявляемые к SBC платформы 96Boards.
microSDHC — интерфейс подключения карты памяти microSDHC с объёмом
2…32 ГБ, скорость передачи данных до 25 МБ/с. На плате SBC имеется картоприёмник «push-push» с сигналом обнаружения вставленной в слот карты памяти.
Debug UART — четыре контактные площадки для распайки кабеля к отладчику,
анализирующему системные сообщения ядра ОС (Kernel Log) через порт UART2.
Используются цепи 3V1, TXD, RXD, GND с напряжениями логических сигналов
3 В. Кроме того, для отладки можно использовать порт UART5, выведенный на
40-контактный разъём EXT Interface, используя специальный переходник [1-26].
JTAG — интерфейс подключения отладчика ПО. Спецификация платформы
96Boards не требует наличия специального разъёма JTAG, поэтому в Bubblegum96
печатные проводники на плате разведены, но сам разъём физически не установлен (на схеме Рис. 1.10 отмечено пунктиром).
EXT Interface — External Interface — два разъёма для подключения внешней периферии. Перечень сигналов регламентирован в спецификации 96Boards. Левый
40-контактный разъём предназначен для низкоскоростных, а правый 60-контактный разъём — для высокоскоростных интерфейсов.
UART (два порта) — интерфейс «Универсальный асинхронный приёмникпередатчик». Один порт использует сигналы TX, RX, RTS, CTS, а другой порт —
TX, RX. Напряжение логических уровней 1.8 В.
I2C (четыре канала) — последовательный интерфейс I2C. В низкоскоростном
разъёме «EXT Interface (40 pin)» имеется доступ к двум каналам I2C общего пользования. В высокоскоростном разъёме «EXT Interface (60 pin)» — к двум специализированным каналам I2C, предназначенным для управления цифровыми камерами
с интерфейсами MIPI CSI0, MIPI CSI1. Цепи SCL, SDA во всех каналах I2C имеют
резистивные нагрузки 2.2 кОм, подключённые к питанию 1.8 В.
GPIO (12 линий) — 12 линий портов ввода и вывода GPIO общего назначения.
Напряжение логических уровней 1.8 В.
SPI — последовательный периферийный интерфейс. Работает в режиме мастера с сигналами: CLK, CS, MOSI, MISO. Напряжение логических уровней 1.8 В.
PCM — интерфейс на базе ИКМ для подключения внешних аудиоустройств.
Используются сигналы CLK, FS, DO, а также DI (опционально). Напряжение логических уровней 1.8 В. Интерфейс PCM в спецификации 96Boards совмещается
с интерфейсом I2S, но в Bubblegum96 последний не реализован, хотя сигнал DI для
него предусмотрительно оставлен.
MIPI HSIC — MIPI High-Speed Inter-Chip — разновидность шины USB 2.0 с
низким потреблением энергии. Интерфейс предназначен для внутренней связи
между микросхемами на печатной плате. Считается, что экономия по мощности
потребления составляет до 50%, а экономия места на плате — до 75% по сравнению с драйвером традиционной шины USB 2.0 [1-28]. Рекомендуемая длина проводников между связываемыми по HSIC микросхемами не более 10 см.
1.7. Подробный анализ SBC
71
MIPI DSI — интерфейс подключения внешнего дисплея. Поддерживаются
четыре потока данных согласно спецификации DSI-1.1 при скорости каждого
потока 75…1000 Мбит/с. Для справки: в требованиях, предъявляемых к платам
96Boards, достаточно обеспечить работу всего лишь одного потока данных DSI.
MIPI CSI (два порта) — интерфейс подключения цифровых фото- и видеокамер. В Bubblegum96 поддерживаются два порта: полный четырёхпотоковый CSI0
и усечённый двухпотоковый CSI1.
SDIO — Security Digital Input Output — интерфейс подключения внешнего запоминающего устройства, например карты памяти, eMMC и т. д.
LED — семь светодиодных индикаторов, из них четыре пользовательских, доступных программно. Оставшиеся светодиоды используются для контроля напряжения питания, а также индикации работы модулей Wi-Fi и Bluetooth.
Button — три малогабаритные тактовые кнопки: «Reset Key» — начальный сброс
системы, «ON/OFF Key» — включение и выключение питания, «ADFU Key»
(Actions Device Firmware Upgrade) — обновление прошивки микросхемы памяти
eMMC через канал USB от компьютера.
• Особенности системы питания Bubblegum96
Power 12V@2A — вход подачи питания. В разных источниках в Интернете указываются не совпадающие между собой сведения о входном напряжении
и токе потребления. Встречаются варианты 6.5…18 В; 8…18 В; 9…18 В при токах
2…3 А. Ориентироваться в таких случаях следует на параметры микросхем, которые подключаются непосредственно к входному разъёму. Такой микросхемой
в Bubblegum96 является синхронный понижающий DC/DC-преобразователь
RT7295CGJ6F фирмы Richtek. Он допускает работу в диапазоне 4.3…18 В при токах нагрузки до 3.5 А. Однако на выходе DC/DC-преобразователя формируется
напряжение 5 В, поэтому входное напряжение должно быть с запасом больше 5 В.
Итого получается, что для питания Bubblegum96 больше всего подходят блоки
«сетевая вилка» 9 В@3 А и 12 В@2…3 А.
PMIC — это микросхема ATC2609 фирмы Actions Semiconductor, в которой размещаются шесть ключевых DC/DC-преобразователей, 10 аналоговых стабилизаторов LDO, зарядное устройство для аккумуляторов Li-ion, цифровой контроллер с управлением по шине I2C, а также модуль аудиокодека с УНЧ, АЦП, ЦАП,
инфракрасным приёмником и входами для подключения стереотелефонов и стереомикрофонов. Тактируется PMIC импульсами, формируемыми от кварцевого
резонатора частотой 32 768 Гц.
Аудиокодек и зарядное устройство, находящиеся внутри микросхемы ATC2609,
в схеме Bubblegum96 не используются.
• Взаимодействие систем в Bubblegum96
Из системы питания в остальную часть SBC поступают питающие напряжения,
условно обозначенные шиной VDD, сигналы контроля OUT, импульсы частотой
32 768 Гц для часов реального времени АР, а обратно — сигналы IN (включение,
пробуждение, сброс) и управляющие команды от АР на микросхему PMIC через
интерфейс I2C.
72
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1.7.4 Структурная схема Orange Pi 3
Orange PI 3
25 MHz
I2C
18
18
4
Opto
5
Power
5V@2...3A
PMIC (AXP805); DC/DC x 2; LDO x 2
IRQ, PowerON,
PowerOK
VDD
HDMI2.0a
Процессорная система
USB 3.0
Host x 4
GL3510
AP
USB 2.0 Host
Type A
USB 2.0 OTG
Micro AB
34.7 MHz
LPDDR3
@1...2 GB
FBGA178
eMMC5.0
@8 GB
FBGA169
Audio Stereo, 5
Video CVBS
TF Card Slot 9
(microSDHC)
IR Receiver
52
26
25 MHz
24 MHz
32768 Hz
Mini PCIe2.0
Ethernet
@1 Gb/s
RTL8211E
EXT Interface
UART x 2;
I2C;
SPI;
GPIO x 6;
PWM
2.4 GHz
WiFi / BT
AP6256
Allwinner
H6
@64bit
@1.8 GHz
4 cores
19
Mic
LED x 6
14
Button
Debug UART
3
"Power"
Рис. 1.11. Внутреннее устройство Orange Pi 3
Orange Pi 3 (сокращённо OPi-3) — это SBC фирмы Shenzhen Xunlong Software,
собранный на базе 64-разрядного АР H6 фирмы Allwinner. Входит в третье по счёту поколение SBC под общим названием Orange Pi. Первые упоминания о новой
модели OPi-3 появились в 2016 году, электрическая схема версии 1.0 датируется
2018 годом. В 2021 году вышел в свет модернизированный SBC OPi-3 LTE.
Существует четыре варианта платы OPi-3 в следующих комбинациях: с ОЗУ
ёмкостью 1 или 2 ГБ, с чипом флеш-памяти eMMC или без него. Доступные ОС:
Android 7.0, Ubuntu, Debian. Основные области применения OPi-3: робототехника, 3D-принтеры, интернет вещей, ТВ-боксы, десктопы, торрент-машины.
Эксплуатационные характеристики SBC: размеры печатной платы 90 x 64 мм,
вес 75 г, напряжение питания 5 В@2…3 А [1-29].
OPi-3 состоит из трёх систем: процессорной, периферийной, питания.
• Особенности процессорной системы OPi-3
АР — четырёхъядерный 64-разрядный ЦП H6 (полное название H6 V200) архитектуры Cortex-A53 фирмы Allwinner, работающий на частоте 1.8 ГГц. Внутри
находится двухъядерный графический процессор Mali-T720 с частотой шины
650 МГц, который обладает производительностью 70 GFLOPS и поддерживает
форматы: OpenGL ES1.1…3.1, OpenCL 1.1, Microsoft DirectX 11.
1.7. Подробный анализ SBC
73
Механические характеристики АР — тип корпуса FBGA, габаритные размеры
15 x 15 x 1.2 мм, количество контактов 451 с шагом 0.65 мм.
Память — к шинам АР непосредственно подключаются микросхемы памяти
ёмкостью 1 или 2 ГБ SDRAM LPDDR3 (системное ОЗУ, одна или две микросхемы), 8 ГБ eMMC (хранение ОС, может отсутствовать). Конкретные названия микросхем памяти на электрической схеме разработчик не указывает, очевидно из-за
того, что они унифицированы по параметрам и цоколёвке выводов. Вместо этого
приводятся надписи, содержащие тип корпуса и количество выводов по образцу:
FBGA169, FBGA178.
Кварцевый резонатор частотой 24 МГц стабилизирует тактовые импульсы в системе. Узел часов реального времени RTC синхронизируется кварцевым резонатором частотой 32 768 Гц.
• Особенности периферийной системы OPi-3
Ethernet — АР подключается к внешнему гигабитному Ethernet-контроллеру
RTL8211E фирмы Realtek, который тактируется отдельным кварцевым резонатором частотой 25 МГц. Поддерживаются протоколы: 10Base-T, 100Base-TX,
1000Base-T стандарта IEEE 802.3. На электрической схеме указана его возможная
замена RTL8211D. В сетевой разъём 8P8C встроены два управляемых светодиода.
Wi-Fi / BT — совмещённый интерфейс беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth,
работающий в диапазонах 2.4 и 5 ГГц. Основой является чип AP6256 фирмы
AMPAK Technology. Интерфейс Wi-Fi соответствует стандарту IEEE 802.11 версий a/b/g/n/ac. При работе в режиме IEEE 802.11ac может развиваться скорость до
433.3 Мбит/с. Интерфейс Bluetooth совместим со спецификациями BT версии 5.0
с низким потреблением энергии BLE и скоростью передачи данных 1…3 Мбит/с.
Сопряжение чипа AP6256 с АР производится через интерфейсы SDIO (Wi-Fi) и
UART (Bluetooth).
HDMI — контроллер HDMI находится внутри АР. Его возможности: воспроизведение видео 4Kp@60 Гц в форматах: RGB (глубина цвета до 10 бит), YUV444,
YUV422, YUV420, поддержка HDCP 2.2, HDR, CEC. Настройки режимов осуществляются через отдельный порт I2C. Допускается подключение 3D-дисплеев.
IR Receiver — InfraRed — беспроводной оптический канал управления SBC в
ИК-диапазоне от телевизионного ПДУ с частотой модуляции 38 кГц.
USB 2.0 OTG — разъём универсального интерфейса USB 2.0 Host и Device. Через этот разъём может подаваться напряжение питания 5 В на SBC.
USB 2.0 Host — к разъёму могут подключаться внешние устройства спецификации USB 2.0, для которых SBC является аналогом ПК.
USB 3.0 Hub (два разъёма, четыре порта) — расширитель портов USB 3.0 (хаб)
собран на микросхеме GL3510 фирмы Genesys Logic. Синхронизируется кварцевым резонатором частотой 25 МГц. На вход хаба подаются сигналы одного порта
USB от АР, а на выходе образуются четыре отдельных порта USB Host. Сигналы
с портов поступают на два двухслотовых 18-контактных разъёма. К слотам разъёмов можно подключать устройства, поддерживающие спецификации USB 3.0
или USB 2.0. Соответственно, в первом случае максимальная скорость на шине
будет SuperSpeed (5 Гбит/с), во втором — HS (480 Мбит/с).
74
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Mini PCIe-2.0 — Mini PCI Express — последовательный интерфейс, аналогичный
компьютерной шине PCI, с разъёмом «Mini Card 52pin», к которому подключают:
твёрдотельные диски памяти SSD, WiMax-карты, GSM-модемы, GPS-приёмники.
Устройства должны соответствовать спецификации PCI Express Base 2.0 при скорости на шине до 5 Гбит/с. На разъём miniPCIe также выводятся сигналы D+, D–
порта USB 2.0 Host от разъёма USB Micro AB.
TF Card Slot (microSDHC) — интерфейс подключения карты памяти TF Card
или microSDHC через слот с девятью контактами.
Audio (стерео), Video (CVBS) — разъём «mini-Jack» с размыканием контактов.
К нему подключается телевизор, который имеет унифицированные аудиовидеовходы «AV». Сигнал передаётся в телевизионных стандартах NTSC, PAL.
Debug UART — трёхконтактный разъём для подключения отладчика прикладных программ через порт UART. Используются цепи: TXD, RXD, GND. Напряжение логических уровней 3.3 В.
EXT Interface — 26-контактный разъём расширения, на который выводятся
сигналы интерфейсов: UART (цепи TX, RX), I2C (цепи SCL, SDA), SPI (цепи CS,
CLK, MISO, MOSI), GPIO (линии портов общего назначения от АР), PWM (импульсный сигнал ШИМ).
MIC — Microphone — встроенный аналоговый микрофон из серии 4522D.
LED — шесть светодиодных индикаторов. К выходам АР подключаются красный светодиод «PWR» (питание) и зелёный светодиод «STATUS» (состояние). Светодиод «PLED» контролирует работу хаба USB 3.0, а светодиод «PCIE» — внешнего модуля, подключённого к разъёму PCIe-2.0. Зелёный и жёлтый светодиоды,
встроенные в разъём 8P8C Ethernet, индицируют обмен сетевыми данными.
Button — тактовая кнопка «PWRON» для включения SBC. Сигнал от кнопки
поступает в контроллер питания PMIC.
• Особенности системы питания OPi-3
Power 5V@2…3A — на плате SBC размещаются: контроллер питания PMIC, два
импульсных DC/DC-преобразователя и два аналоговых стабилизатора LDO. Питание OPi-3 может осуществляться двумя способами. Во-первых, через сетевой
адаптер с выходным постоянным напряжением 5 В и силой тока не меньше 2 А
(по некоторым данным 3 А), во-вторых, через разъём USB 2.0 OTG.
PMIC — контроллер питания AXP805 фирмы X-Powers. Он содержит пять импульсных многофазных DC/DC-преобразователей, работающих на частоте 3 МГц,
и 10 аналоговых стабилизаторов LDO (один из них в OPi-3 не используется). Контроллер обеспечивает защиту от перенапряжения OVP, от пониженного напряжения UVP, от перегрузки по току OCP, от теплового перегрева OTP. Для связи PMIC
с АР используется шина I2C, через которую настраиваются режимы и программно
регулируются выходные напряжения в каналах.
• Взаимодействие систем в OPi-3
Из системы питания в остальную часть SBC поступают питающие напряжения,
условно обозначенные шиной VDD, и управляющие сигналы, а обратно — сигнал
включения Power_ON и команды для изменения режимов контроллера PMIC через интерфейс I2C.
1.7. Подробный анализ SBC
75
1.7.5 Структурная схема Wanboard i.MX6 Quad
EDM CF IMX6 (SOM System On Module)
Wandboard i.MX6 Quad
2.4 GHz
5
9
Opto
9
Процессорная система
USB 2.0 OTG
AP
USB 2.0 Host
NXP
i.MX6Q
microSD (User)
S/PDIF Opto
19
HDMI 1.4
@64 bit
@1 GHz
4 cores
EEPROM
AT24C08
@1 KB
PMU
microSD
(OS)
7
24 MHz
Data
2
14
Camera,
Display
Ethernet
@1 Gb/s
AR8031
32768 Hz
Ethernet (14 pin)
Debug
JTAG
3
Line In
Line Out
Audio
Codec
GTL5000
33
9
SATA 2.0
Mic In
25 MHz
DC/DC x 4; LDO x 3
LED
5V
8
"Power 5V"
314
20
EDM Connector
20
20
32768 Hz
Power
3
3
Wi Fi / BT / FM
WM BN BM 04
DDR3 x 4
H5TQ2G63
@1 GB
Expansion
Pin headers
20
LVDS; SPI; DSS;
I2C x 2; GPIO x 8
LE D x 3
Button
RS 232
ADM3202
9
2V 5
3V3
LDO x 2
5V
Power
5V@2A
"Power 3.3V" "Reset"
"Ethernet" x 2
Рис. 1.12. Внутреннее устройство Wanboard i.MX6 Quad
Wanboard i.MX6 Quad — это бюджетный SBC фирмы TechNexion линейки
Wanboard, использующий АР i.MX 6Quad фирмы NXP Semiconductors. Позиционируется изготовителем как мини-ПК для разработчиков, был задуман в качестве
конкурента популярных SBC BeagleBoard и PandaBoard [1-30].
Отличительной особенностью является модульная конструкция, состоящая из
двух частей: Carrier Board (материнская плата) и SOM (система на модуле). Соединяются обе части механически, с помощью унифицированного 314-контактного
печатного краевого разъёма.
Комбинируя разные по функционалу, но одинаковые по присоединительным размерам материнские платы и модули SOM, можно получить разные модификации SBC линейки Wanboard. Отличия заключаются в составе поддерживаемых интерфейсов и типе применяемого АР, например i.MX 6Solo, i.MX 6Dual,
i.MX 6DualLite, i.MX 6Dual, i.MX 6Quad.
Первый модуль SOM под маркой EDM1-CF-IMX6 был разработан в 2013 году.
Через небольшой промежуток времени появились модифицированные версии
модулей: EDM1-IMX6 PLUS (2016 год), EDM1-IMX6 (2018 год), а также разновидности материнских плат к ним.
76
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Эксплуатационные характеристики SBC: размеры печатной платы SOM
82 x 60 мм, габариты материнской платы 95 x 95 x 37.8 мм, напряжение питания 5 В
при токе 2 А (в некоторых вариантах материнских плат указывается 12 В при токе
2 А), диапазон рабочих температур 0…+60°C.
Wanboard i.MX6 Quad состоит из трёх систем: процессорной, периферийной,
питания. Процессорная система физически находится в SOM. Периферийная система большей частью размещается на материнской плате, за исключением пары
интерфейсов, расположенных в SOM. Система питания, наоборот, большей частью размещается в SOM, а меньшей частью — на материнской плате.
• Особенности процессорной системы i.MX6 Quad
АР — четырёхъядерный 64-разрядный ЦП i.MX 6Quad фирмы NXP Semiconductors архитектуры Cortex-A9, работающий на частоте 1 ГГц. Внутри находится
ядро графического процессора Vivante GC2000. Особенностью АР является встроенный контроллер питания PMU (Power Management Unit). Основная область
применения АР — устройства с интенсивным использованием графики, например высокопроизводительные информационно-развлекательные системы.
Механические характеристики АР: тип корпуса FCBGA, габаритные размеры
21 x 21 мм, количество контактов 624 с шагом 0.8 мм.
Память — к шинам АР непосредственно подключаются следующие микросхемы памяти: 1 ГБ SDRAM DDR3 (системное ОЗУ, четыре микросхемы
H5TQ2G63BFR-PB объёмом 0.5 ГБ каждая), 1 КБ ПЗУ EEPROM (AT24C08BN,
хранение настроек). Кроме того, АР формирует сигналы для разъёма карты памяти microSD объёмом 2…32 ГБ (запуск ОС).
Кварцевый резонатор частотой 24 МГц стабилизирует тактовые импульсы в системе. Узел часов реального времени RTC синхронизируется кварцевым резонатором частотой 32 768 Гц.
• Особенности периферийной системы i.MX6 Quad
Camera, Display — цифровая камера и TFT-дисплей подключаются к универсальному разъёму на плате модуля SOM. На разъём выводятся сигналы интерфейсов: MIPI CSI (четыре полосы данных), MIPI DSI, I2C, GPIO. Поддерживаются
форматы: 1080p@60 Гц H.264 на приёме и 1080p@30 Гц H.264 на передаче.
Ethernet — в модуле SOM находится микросхема гигабитного Ethernet-контроллера AR8031-AL1A фирмы Qualcomm. Она тактируется кварцевым резонатором частотой 25 МГц. Поддерживаются протоколы: 10BASE-Te, 100BASE-TX,
1000BASE-T стандарта IEEE 802.3. Сетевой разъём 8P8C впаян в материнскую
плату. В него встроены два светодиода, управляемых от Ethernet-контроллера.
Wi-Fi / BT / FM — совмещённый интерфейс беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth (2.412…2.484 ГГц), дополненный УКВ-радиоприёмником (76…108 МГц).
Основой служит модуль WM-BN-BM-04 фирмы USI, внутри которого размещается чип BCM4330 фирмы Broadcom, кварцевый резонатор частотой 20 МГц, согласующие цепи. Такая технология называется SiP (System in Package). Модуль
WM-BN-BM-04 имеет корпус LGA с 54 контактами. Для синхронизации узла RTC
используется внешний кварцевый генератор частотой 32 768 Гц. Интерфейс Wi-Fi
1.7. Подробный анализ SBC
77
соответствует стандарту IEEE 802.11 b/g/n/. Интерфейс Bluetooth отвечает классу
4.0 + HS. Приёмник диапазона УКВ в Wanboard i.MX6 Quad не используется.
HDMI-1.4 — параметры интерфейса определяются возможностями контроллера HDMI, встроенного в АР i.MX6 Quad: спецификация HDMI версии 1.4, формат видео Full HD, битрейт до 3 Гбит/с, поддержка протокола CEC, управление
режимами через отдельную шину I2C.
Audio Codec — аудиотракт выполнен на чипе SGTL5000 фирмы NXP Semiconductors, который управляется от АР. Это стереокодек с низким энергопотреблением, предназначенный для портативных устройств. Технические возможности:
линейный вход, микрофонный вход, линейный выход, выход на стереотелефоны,
цифровой аудиоинтерфейс. К аудиокодеку подключаются три отдельных разъёма
«mini-Jack 3.5mm» для микрофона, линейного входа и линейного выхода.
USB 2.0 OTG — разъём универсального интерфейса, поддерживающего режимы
USB 2.0 Host и Device. К этому разъёму могут подключаться как внешние устройства, наподобие USB-клавиатуры, так и ПК через специальный кабель.
USB 2.0 Host — к разъёму могут подключаться внешние устройства, поддерживающие спецификацию USB 2.0, для которых SBC является аналогом ПК. Особенность: девятиконтактный разъём USB3-TypeB, на который выводятся дополнительные сигналы SSTXN, SSTXP, SSRXN, SSRXP, применяемые в интерфейсе
USB 3.0. Поскольку АР i.MX6 Quad работает только с шиной USB 2.0, то дополнительные сигналы в рассматриваемом SBC Wanboard i.MX6 Quad не используются.
В будущем это может пригодиться, если в материнскую плату будет установлен
модуль SOM с другим АР.
S/PDIF-Opto — передача цифрового звука по протоколу S/PDIF через оптоволоконный (не коаксиальный) кабель. Для организации связи применяется оптомодуль KYT-1150A-T фирмы Kyoyaku с разъёмом Toslink.
SATA-2.0 — последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. Подключаться могут жёсткие диски (винчестеры) или твёрдотельные
диски SSD, на которых установлена ОС. Скорость обмена данными до 3 Гбит/с.
Используются два разъёма: семиконтактный информационный и двухконтактный силовой для подачи внешнего питания с напряжением 5 В.
microSD (User) — девятиконтактный слот на материнской плате для установки
пользовательской карты памяти microSD, которая предназначена для хранения
данных и прикладных программ. Системная карта памяти microSD устанавливается в другой слот, находящийся на плате модуля SOM, в ней хранится ОС.
Debug JTAG — интерфейс отладки для АР находится в модуле SOM. «JTAG» —
это общее название стандартного порта тестового доступа IEEE 1149.1. Используется при отладке ПО, граничном контроле и производственном тестировании. На
печатной плате модуля SOM для интерфейса JTAG оставлены пустые контактные
площадки с возможностью запаивания в них штыревой колодки.
RS-232 — Recommended Standard 232 — стандарт физического уровня для асинхронного последовательного интерфейса UART/USART. На материнской плате
размещается микросхема-драйвер ADM3202 фирмы Analog Devices. Со стороны
АР к драйверу подводятся КМОП-сигналы TXD, RXD, CTS, RTS с уровнями 3.3 В.
Со стороны девятиконтактного разъёма DSUB-9M — те же сигналы, но в стандарте RS-232 с удвоенной амплитудой и разной полярностью.
78
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Expansion Pin headers — четыре 20-контактных разъёма расширения, на которые выводятся сигналы интерфейсов: LVDS, SPI, DSS (Display SubSystem), I2C
(два порта), GPIO (восемь линий).
LED — светодиодные индикаторы. Один из них находится в модуле SOM и индицирует наличие напряжения питания 5 В, остальные три светодиода находятся
на материнской плате: «Power 3.3V» (контроль напряжения питания 3.3 В) и два
встроенных светодиода в разъём 8P8C Ethernet (жёлтый и зелёный) для индикации обмена сетевыми данными.
Button — тактовая кнопка «RESET», от которой формируются сигналы начального сброса для всех систем SBC.
• Особенности системы питания i.MX6 Quad
Power 5V@2A — питание через сетевой адаптер с выходным постоянным напряжением 5 В и силой тока не меньше 2 А. На плате модуля SOM внутри АР имеется
встроенный контроллер питания PMU, обеспечивающий основные напряжения в
процессорной системе. Дополнительно используются четыре ключевых импульсных DC/DC-преобразователя и три аналоговых стабилизатора напряжения LDO.
На материнской плате находятся ещё два стабилизатора LDO, формирующих
из входного напряжения 5 В выходные напряжения 2.5 и 3.3 В.
• Взаимодействие систем в i.MX6 Quad
Система питания функционально размещается и в SOM, и на материнской
плате, поэтому напряжения и сигналы, формируемые для процессорной и периферийной систем, тесно переплетаются через 314-контактный соединительный
разъём спецификации EDM Compact.
1.7.6 Нюансы, выявленные при изучении документации SBC
1. Названия микросхем на электрической схеме SBC не обязательно совпадают с установленными в реальной плате. Пример — микросхемы памяти eMMC ёмкостью 4 Гбита KLM4G1YEMD-B031 (фирма Samsung) и MTFC4GACAJCN-1M
(фирма Micron) взаимозаменяемые, хотя и выпускаются разными изготовителями. Они имеют практически одинаковые параметры и единый стандарт расположения выводов. Следовательно, на заводе-изготовителе может быть установлена
любая из двух микросхем (и не только этих). В Интернете многие пользователи
публикуют самодельные перечни элементов BOM (Bill Of Materials) для SBC.
В свои перечни они включают микросхемы, которые реально видят на платах,
поэтому не стоит удивляться, что разные списки BOM будут содержать разные
наборы микросхем и других ЭРИ.
2. Общее число светодиодных индикаторов в документации на SBC не всегда указывается точно. Обычно в технических руководствах подсчитывают светодиоды на плате, но не учитывают встроенные светодиоды, которые находятся
внутри разъёмов 8P8C интерфейса Ethernet. Они ярко мигают при линковании и
транзакциях данных, поэтому игнорировать их нельзя. На структурных схемах в
настоящей книге светодиоды Ethernet приплюсовываются к общему количеству
индикаторов.
1.7. Подробный анализ SBC
79
3. Система питания современных SBC строится на многоканальных контроллерах PMIC, DC/DC-преобразователях и стабилизаторах LDO. Взаимосвязи
между ними сложные. И это не случайно. Для справки: АР i.MX 8M Mini фирмы
NXP Semiconductors согласно даташиту требует для своей работы 39 (!) источников питания с различными напряжениями и токами нагрузки, причём под каждую
цепь отводится от одного до 16 запараллеленных выводов на корпусе АР.
Интересно, что идея контроллера питания PMU, встроенного в АР, широкого
распространения не получила, хотя и применяется в моделях i.MX 6 фирмы NXP
Semiconductors. Почему? Можно предположить, что встроенный силовой блок является мощным источником электромагнитных помех на подложке кристалла АР
и требует увеличенной площади теплоотвода, что в целом снижает надёжность.
4. У многовыводных АР появилась проблема подключения к ним внешних чипов памяти SDRAM DDR. Имеется в виду недостаток места и физическая сложность компоновки элементов на печатной плате. На помощь приходит технология
PoP, при которой АР изготавливается в корпусе с двухсторонним расположением
шариковых контактов, а чип памяти распаивается сверху (Рис. 1.13).
У неискушённого пользователя такой «сэндвич» поначалу вызывает шок, поскольку визуально АР скрыт за микросхемой памяти и его нельзя найти и идентифицировать! Технология PoP действительно экономит место, но удорожает
изготовление, поэтому применяется при массовом производстве. Пример — АР
BCM2835, который используется в популярном SBC Raspberry Pi.
Микросхема памяти (BGA)
AP (PoP)
Печатная плата
Рис. 1.13. Технология PoP
1.8. Условные обозначения на схемах с АР
Условные обозначения ЭРИ на схемах в настоящей книге будут такими же, как
и в «Выпусках 1…4», но с использованием обозначения АР вместо МК:
• входные сигналы (Рис. 1.14, а…г);
• выходные сигналы (Рис. 1.15, а…з);
• совмещённые входы/выходы (Рис. 1.16, а…г);
• сигналы различных интерфейсов (Рис. 1.17, а…з);
• цепи управления, тактирования и сброса (Рис. 1.18, а…г).
80
Глава 1. Одноплатные компьютеры
+VCC
+VCC
+VCC
+VCC
INT
AP
AP
D
в)
б)
а)
ADC
INT
AP
AP
VIN
R
г)
Рис. 1.14. Условные обозначения входных сигналов АР:
а) цифровые входы без внутреннего резистора, сигнал VIN может иметь другое название;
б) цифровые входы с резисторами «pull-up» (R) и «pull-down» (D);
в) цифровые входы обработки прерывания INT (прямой и инверсный);
г) аналоговый вход внутреннего АЦП, надпись «ADC» может отсутствовать
+VCC
X/0
AP
AP
AP
1/0
б)
а)
AP
д)
DAC
е)
г)
в)
+VCC
AP
+VCC
AP
+VCC
+VCC
AP
+VCC
+VCC
AP
+VCC
ж)
VSYN
з)
Рис. 1.15. Условные обозначения выходных сигналов АР:
а) цифровой КМОП-выход с произвольной информацией («1» — ВЫСОКИЙ уровень,
«0» — НИЗКИЙ уровень);
б) цифровой выход с открытым или квазиоткрытым стоком и произвольной
информацией («X» — состояние обрыва, «0» — НИЗКИЙ уровень);
в) аналоговый выход аппаратного ЦАП, надпись «DAC» может отсутствовать;
г) цифровые выходы с перепадами «НИЗКИЙ—ВЫСОКИЙ» и «ВЫСОКИЙ—НИЗКИЙ»;
д) цифровые выходы с генерацией импульсов, близких к меандру;
е) цифровые выходы с сигналами ШИМ преимущественно НИЗКОГО уровня и
преимущественно ВЫСОКОГО уровня;
ж) цифровые выходы с одиночными импульсами ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней;
з) цифровой выход с периодическим или непериодическим импульсным КМОП-сигналом.
Для примера показан сигнал VSYN, но он может иметь любое другое название
1.8. Условные обозначения на схемах с АР
+VCC
б)
а)
+VCC
1/0
AP
AP
In�Out
AP
In�Out
+VCC
AP
In�Out
+VCC
81
г)
в)
Рис. 1.16. Условные обозначения входных/выходных сигналов АР:
а) совмещённый цифровой вход/выход с активным спадающим фронтом по входу;
б) совмещённый цифровой вход/выход с активным нарастающим фронтом по входу;
в) цифровой выход, совмещённый с аналоговым входом АЦП;
г) две независимые цифровые линии, одна из которых (слева) настроена на вход, а другая
(справа) настроена на выход
+VCC
SCK
д)
AP
+VCC
DO
е)
D+
AP USB
SD
A0...An
г)
+VCC
CK
AP PDM
WS
в)
б)
+VCC
+VCC
TXD
TX
D–
ж)
К портам АР
AP
AP I2C
RX
MOSI
а)
AP I2S
MISO
RXD
Codec
SCL
SCL
SDA
+VCC
+VCC
AP
+VCC
OUT
з)
Рис. 1.17. Условные обозначения сигналов различных интерфейсов:
а) двухпроводной интерфейс I2C, надписи сигналов или интерфейса могут отсутствовать;
б) трёхпроводной интерфейс SPI (может быть дополнен сигналом CS);
в) двухпроводной интерфейс UART;
г) многопроводной цифровой параллельный интерфейс с линиями A0…An;
д) интерфейс I2S. Названия сигналов и их направления (вход/выход) могут отличаться [1-31];
е) интерфейс PDM, надписи сигналов или интерфейса могут отсутствовать;
ж) интерфейс USB с двунаправленными линиями D+, D–;
з) микросхема кодека (Codec) имеет выходной сигнал OUT и связывается с линиями портов
АР через внутренний интерфейс
Глава 1. Одноплатные компьютеры
а)
Vref
AP
+VCC
VREF
XIN
AP
XOUT
б)
+VCC
RES
Vref
VREF
+VCC
AP
+VCC
AP
82
в)
г)
Рис. 1.18. Условные обозначения сигналов управления, тактирования, сброса:
а) вход ИОН; б) выход ИОН; в) вход XIN и выход XOUT генераторного узла, находящегося
внутри АР; г) сброс АР сигналом НИЗКОГО уровня RES
Отличить, «что есть что», помогают вертикальные линии в условном графическом обозначении АР. Линий может быть одна или две, при этом слева находятся
входы, а справа — выходы. Двунаправленные линии могут располагаться как слева, так и справа УГО. Это соответствует рекомендациям [1-32] при составлении
электрических схем, содержащих цифровые микросхемы.
Если в АР используются двунаправленные линии входов и выходов, то вертикальных линий УГО будет две, слева и справа. Условное обозначение АР превращается в классический прямоугольник.
На всех последующих электрических схемах общий провод, т. е. цепь GND,
будет рисоваться внизу, питание VCC вверху. Цепи питания в АР изображаются
минималистично, с одним или двумя напряжениями. Остальные силовые выводы
для экономии места не показываются, поскольку считается, что они включаются
строго по даташиту, правильно и корректно.
Ограничения и условности
ЭРИ на схемах приводятся с их полными фирменными названиями или обезличенно, если точные данные отсутствуют. Фирму-изготовитель и интернет-адрес
можно посмотреть в приложении 2. Технические характеристики применяемых
ЭРИ содержатся в даташитах и руководствах по применению, которые свободно
распространяются в Интернете.
Резисторы на схемах условно рисуются с одинаковой мощностью 0.125 Вт, что
соответствует типоразмеру SMD 0805. Реально в SBC ставятся резисторы с типоразмерами SMD от 0201 до 1206.
Если применяется ЭРИ, тип которого не имеет принципиального значения, то
возле его буквенно-цифрового обозначения вводятся пояснения в скобках. Например, VD1 (0.5А) — диод с допустимым прямым током 0.5 А; VD1 (3.6V) — стабилитрон с напряжением стабилизации 3.6 В; VD1 (ESD) — защитный супрессор;
M1 (5V) — двигатель с номинальным рабочим напряжением 5 В; HL1 (1.8V) —
светодиод зелёного цвета, у которого прямая ветвь ВАХ начинается с 1.8 В;
HL1 (red) или HL1 (кр.) — светодиод красного цвета, у которого прямая ветвь ВАХ
начинается с 1.6 В; HL1 (red-green) — двухцветный светодиод с красным и зелёным излучателями.
1.8. Условные обозначения на схемах с АР
83
Возле обозначения силовых SMD-дросселей указываются два основных параметра: индуктивность и допустимый ток, например L1 10µH@4A (индуктивность
10 мкГн, ток 4 А).
В схемах с напряжением питания до 5 В у конденсаторов указывается только
их ёмкость. Дело в том, что стандартные электролитические SMD-конденсаторы
имеют рабочее напряжение выше 6.3 В, а керамические SMD-конденсаторы —
выше 25 В.
Ферритовые фильтры Ferrite Bead бывают двух типов:
• обычные SMD EMI Suppression Ferrite Bead, у которых регламентируется сопротивление на частоте 100 МГц. Пример обозначения фильтра, имеющего
сопротивление 600 Ом, — FB1 (600R);
• высокочастотные HF SMD EMI Suppression Ferrite Bead, у которых регламентируется сопротивление на частоте 1 ГГц. Пример обозначения фильтра,
имеющего сопротивление 1.1 кОм, — FB1 (1100R/1G).
Маркировка резисторов и конденсаторов
В настоящей книге принята следующая условная маркировка.
• Конденсаторы ёмкостью до 9.9 пФ включительно обозначаются в пикофарадах с надписью «pF» и разделительной десятичной точкой, например
«2.2pF» = 2.2 пФ; «7.5pF» = 7.5 пФ; «9.1pF» = 9.1 пФ.
• Конденсаторы ёмкостью от 10 до 9999 пФ включительно обозначаются в пикофарадах без десятичной точки и надписи «pF», например «39» = 39 пФ;
«1000» = 1000 пФ; «6800» = 6800 пФ.
• Конденсаторы ёмкостью от 0.01 мкФ до 9999 мкФ включительно обозначаются в микрофарадах с десятичной точкой без надписи «µF», например
«0.01» = 0.01 мкФ; «0.1» = 0.1 мкФ; «10.0» = 10 мкФ; «4.7» = 4.7 мкФ.
• Конденсаторы ёмкостью от 0.01 Ф и более обозначаются в фарадах с десятичной точкой, например «0.68F» = 0.68 Ф; «0.022F» = 0.022 Ф.
• Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением до 999 Ом включительно обозначаются в омах, но без надписи «Ом», например «1» = 1.0 Ом,
«3.3» = 3.3 Ом; «910» = 910 Ом.
• Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением от 1 до 999 кОм
включительно обозначаются в килоомах с добавлением буквы «k», например «10k» = 10 кОм; «1.1k» = 1.1 кОм; «910k» = 910 кОм.
• Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением от 1 МОм и более
обозначаются в мегаомах с добавлением заглавной буквы «M», например
«1M» = 1 МОм; «4.7M» = 4.7 МОм.
• Резисторы повышенной точности ±0.5; ±1; ±2% безотносительно от сопротивления обозначаются с прибавлением к номиналу третьей значащей цифры, например «10.0k» = 10.0 кОм; «3.62k» = 3.62 кОм; «0.10» = 0.1 Ом. Если
три цифры уже имеются, то ориентироваться надо по числам, не входящим
в ряд Е24, например «499k» = 499 кОм; «362» = 362 Ом.
84
Глава 1. Одноплатные компьютеры
Прочие разъяснения
Чтобы не загромождать электрические схемы лишней информацией, в подрисуночном тексте к схемам приводятся встречающиеся на практике замены ЭРИ.
Начинаются они общим словом «Варианты:», далее через запятую перечисляются
заменяемые элементы. Названия ЭРИ и номиналы разделяются знаком равенства. Пример: «Варианты: DA1 = L7805CV, C1 = 100.0».
Если элемент можно заменить перемычкой, то его номинал приравнивается
к нулю. Если допускается отсутствие элемента, то вводится обозначение NC (No
Connect). Пример: «Варианты: FB1 = 0, R2 = NC».
Если один элемент может устанавливаться с несколькими разными номиналами, то они добавляются через знак равенства. Если несколько элементов
могут отсутствовать или быть закороченными, то они также перечисляются через знак равенства. Пример: «Варианты: R1 = 100 = 150 = 560, C1 = C3 = C6 = 0,
VT1 = VT2 = NC».
Условные графические обозначения ЭРИ, названия сигналов, шин, интерфейсов, приводимые в настоящей книге, могут отличаться от встречающихся в
Интернете. Это не стандарт и не ГОСТ, а учебно-техническая литература, которая
подчиняется правилам, принятым в издательстве, с учётом технических возможностей ПО, применявшегося при рисовании схем. Например, на электрических и
структурных схемах интерфейс I2C обозначается как «I2C», а интерфейс I2S — как
«I2S».
Ссылки на первоисточники и литературу даются выборочно, поскольку при
подборе информации не ставилась задача составить полную библиографию по
всем рассматриваемым вопросам.
Несмотря на то что электрические схемы SBC, которые использовались при
анализе, являются фирменными, но и в них встречаются опечатки, неточности,
противоречия, нестыковки. Что замечено, то исправлено, остальные «ребусы»
останутся на совести разработчиков схем.
Список использованных источников и литературы к главе 1
85
Список использованных источников и литературы к главе 1
1-1. Слепов, Н. Англо-русский толковый словарь сокращений в области связи и новых
информационных технологий / Николай Слепов. — М.: Техносфера, 2013. — 800 с. —
ISBN 978-5-94836-344-8.
1-2. Arm-based processors [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2022. — Режим доступа: https://www.ti.com/microcontrollers-mcus-processors/arm-based-processors/overview.
html (англ.). — 15.01.2022.
1-3. Интегрированные ПК-серверы [Электронный ресурс] / НОУ «ИНТУИТ», 2022. —
Режим доступа: https://intuit.ru/studies/professional_skill_improvements/2080/courses/
245/lecture/6305?page=4. — 15.01.2022.
1-4. Apple Silicon [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа: https://
ru.wikipedia.org/wiki/Apple_silicon#Apple_A4. — 15.01.2022.
1-5. Texas Instruments OMAP [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Texas_Instruments_OMAP. — 15.01.2022.
1-6. OMAP4430. Technical Reference Manual [Электронный ресурс] / Texas Instruments,
2014. — Режим доступа: https://www.ti.com/lit/ug/swpu231ap/swpu231ap.pdf (англ.). —
15.01.2022.
1-7. Ракович, Н. CameraChips — полная видеосистема на одном кристалле / Николай Ракович. // Компоненты и технологии. — 2004. — № 1. — С. 108–110.
1-8. Технические характеристики и спецификации Rockchip RK3566 и RK3568 [Электронный ресурс] / «CNXSoft», 2020. — Режим доступа: https://cnx-software.ru/2020/12/
17/tehnicheskie-harakteristiki-i-speczifikaczii-rockchip-rk3566-i-rk3568. — 15.01.2022.
1-9. Rockchip RK3566 Datasheet [Электронный ресурс] / Rockchip Electronics, 2021. —
Режим доступа: https://www.boardcon.com/download/Rockchip_RK3566_Datasheet_
V1.1.pdf (англ.). — 15.01.2022.
1-10. Chat GPT free bot [Электронный ресурс] / OpenAI, 2022. — Режим доступа: https://t.
me/GPT_chat_robot. — 15.01.2022.
1-11. Зачем нам нужны нейронные процессоры? [Электронный ресурс] / Валерий Истишев, 2020. — Режим доступа: https://habr.com/ru/company/droider/blog/508290/. —
15.01.2022.
1-12. Mali-G52 2EEMC2 GPU [Электронный ресурс] / «ChipGuider», 2022. — Режим доступа: https://chipguider.com/?gpu=mali-g52-2eemc2-950-mhz (англ.). — 15.01.2022.
1-13. Qualcomm Snapdragon 410 Processor APQ8016 Device Specification [Электронный ресурс] / Qualcomm Technologies, 2015. — Режим доступа: https://www.penguinsolutions.
com/edge/wp-content/uploads/2022/03/Qualcomm-Snapdragon-410-APQ8016-DeviceSpecification.pdf (англ.). — 15.01.2022.
1-14. Qulcomm Glossary [Электронный ресурс] / «postmarketOS», 2022. — Режим доступа:
https://wiki.postmarketos.org/index.php?title=Qualcomm_Glossary&mobileaction
(англ.). — 15.01.2022.
1-15. Что такое Qualcomm iZat в настройках местоположения Android [Электронный ресурс] / «TonV», 2023. — Режим доступа: https://tonv.ru/chto-takoe-qualcomm-izat-vnastrojkah-mestopolozheniya-android/. — 15.01.2022.
1-16. Микроконтроллеры серии i.MX8 компании NXP Semiconductors [Электронный
ресурс] / Евгений Говоров, 2020. — Режим доступа: https://russianelectronics.ru/wpcontent/uploads/2020/11/28966.pdf. — 15.01.2022.
1-17. IMX8QMAEC. Technical Data [Электронный ресурс] / NXP Semiconductors, 2020. —
Режим доступа: https://www.olimex.com/Products/OLinuXino/iMX8/IMX8QMTUKHLA/resources/IMX8QMAEC.pdf (англ.). — 15.01.2022.
86
Глава 1. Одноплатные компьютеры
1-18. Vivante Corporation [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Vivante_Corporation. — 15.01.2022.
1-19. Tensilica HiFi DSPs for Audio, Voice, Speech, and AI [Электронный ресурс] / Cadence,
2022. — Режим доступа: https://www.cadence.com/en_US/home/tools/ip/tensilica-ip/
hifi-dsps.html (англ.). — 15.01.2022.
1-20. Профессиональное Audio/Video по Ethernet, абсолютно новый подход [Электронный
ресурс] / «NikolayN», 2013. — Режим доступа: https://habr.com/ru/companies/muk/
articles/174153/. — 15.01.2022.
1-21. TF01A [Электронный ресурс] / Shenzhen Xinmaosheng Technology, 2011. — Режим
доступа: http://www.szxmskj.com/ProductShow_en.asp?ArticleID=848 (англ., кит.). —
15.01.2022.
1-22. MYIR Rico Board [Электронный ресурс] / «Wireless Cat», 2022. — Режим доступа:
https://wikidevi.wi-cat.ru/MYIR_Rico_Board. — 15.01.2022.
1-23. MYS-437X-100-C — высокопроизводительный одноплатный компьютер Rico Board
на базе микропроцессора AM437x [Электронный ресурс] / ДКО Электронщик,
2018. — Режим доступа: https://www.electronshik.ru/pdf/m/mys-437x-100-c.pdf. —
15.01.2022.
1-24. AM437x Sitara Processors [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2022. — Режим
доступа: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/am4376.pdf?ts=1685263037350 (англ.). —
15.01.2022.
1-25. 96Boards [Электронный ресурс] / Linaro, 2022. — Режим доступа: https://www.96boards.
org/ (англ.). — 15.01.2022.
1-26. Hardware Manual Bubblegum96 v1.1 [Электронный ресурс] / Actions Semiconductor,
2016. — Режим доступа: https://www.electronicsdatasheets.com/datasheet/96Boards%20
Bubblegum-96%20User%20Manual.pdf (англ.). — 15.01.2022.
1-27. S900. Datasheet Brief, v1.3 [Электронный ресурс] / Actions Semiconductor, 2015. — Режим доступа: http://192.163.232.151/model/CubieBoard9/Hardware/Datasheet/S900%20
Datasheet%20Brief%20V1.3.pdf (англ.). — 15.01.2022.
1-28. Шина HSIC (High-Speed Inter-Chip, InterChip USB) [Электронный ресурс] / «PC4XP»,
2022. — Режим доступа: https://www.pc4xp.ru/gds/ports/detail.php?ID=11233. —
15.01.2022.
1-29. Orange Pi 3 — одноплатный мини ПК на базе Allwinner H6 с PCI Express и USB 3.0
[Электронный ресурс] / «MicroPi», 2019. — Режим доступа: https://micro-pi.ru/orangepi-3-opi-3-h6/. — 15.01.2022.
1-30. Wandboard Freescale i.MX6 — мини ПК для разработчика за 69 у. е. [Электронный
ресурс] / Максим Агаджанов, 2012. — Режим доступа: https://habr.com/ru/
articles/156181/. — 15.01.2022.
1-31. Atmel-11260A-ATARM-How-to-Simulate-I2S-Interface-With-USART-Port-OnSAM9G15-eMPU-ApplicationNote [Электронный ресурс] / Microchip Technology,
2015. — Режим доступа: http://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/Atmel11260-32-bit-Cortex-A5-Microcontroller-Simulating-I2S-Interface-with-USART-onSAM9G15_ApplicationNote.pdf/ (англ.). — 15.01.2022.
1-32. ГОСТ 2.743—91. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой
техники [Электронный ресурс] / Издательство стандартов, 1995. — Режим доступа:
https://www.gostrf.com/normadata/1/4294849/4294849507.pdf. — 15.01.2022.
Глава
2
СХЕМЫ УЗЛОВ ввода СИГНАЛОВ
Секрет первого шага в том, чтобы разбить сложные,
кажущиеся неодолимыми задачи на простые и осуществимые.
(Марк Твен)
2.1. Механические датчики
2.1.1. Тактовые кнопки
Важную роль в управлении SBC играют тактовые кнопки. С их помощью включается питание, устанавливаются режимы работы, производится начальный сброс
параметров, выполняются команды в прикладных программах.
Кнопки по выполняемым функциям являются механическими датчиками, следовательно, им присущ эффект «дребезга» контактов. Это означает, что в моменты
нажатия (включения) и отпускания (выключения) возникают короткие разрывы
электрической цепи и неконтролируемые изменения сопротивления.
Борьба с «дребезгом» контактов в АР ведётся программным способом. Блокировочные конденсаторы, которыми иногда запараллеливают контакты кнопок,
по большей части снижают электромагнитные наводки и радиопомехи, хотя и
служат первичным «антидребезговым» фильтром (Рис. 2.1, а…и).
R1 1k
R
R
SB1
+3.3V
AP
AP
"USER"
+3.3V
SB1
R1 22
"KEY"
C1
0.1
SB1
а)
R2
10k
AP
+3.3V
б)
в)
Рис. 2.1. Схемы подключения тактовых кнопок к АР (начало):
а) кнопка пользователя «USER» подключается к цифровому входу АР напрямую. Подтягивающий к питанию резистор находится внутри АР. Варианты: SB1 = B3F-1000 (у кнопки четыре
вывода, по два на каждый контакт замыкания);
б) особенность: защитный резистор R1, который снижает ток КЗ, если линия порта АР при
отладке программы случайно перестраивается с входа на выход, а кнопка SB1 нажата;
в) последовательный резистор R1 снижает ток разряда конденсатора C1, уменьшая тем самым импульсные помехи. Варианты: R1 = 0 = 330, C1 = 1000, R1/R2 = 6.8k/100k;
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
+3.3V
R1
4.7k
SB1
TS 1109W
+3.3V
SB1
C1
0.1
"KEY"
R2
10k
R1
100
"KEY"
C1
0.01
U
RV1 AVRL101A1R1NTB
VD1
д)
г)
+2.5V
1; 3
C1
2.2
2; 4
е)
SB2
R2 1.5k
SB3
R3 3.3k
R4
10k
C1
0.01
SB1
+1.8V
VD1
1N4148
AP
R2
10k
PMIC
R1 100
R1 10
ж)
+3.3V
"ON/OFF"
SB1
AP
R1
10k
AP
+3.3V
SB1
KMR231GLFS
AP
VD1
D5V0L1B2LP 7B
AP
88
R
C1
0.1
Рис. 2.1. Схемы
подключения тактовых
кнопок к АР
(продолжение):
з)
г) кнопка SB1 зашунтирована супрессором VD1 для защиты АР от воздействия ESD, что может случиться при касании рукой человека токоведущих частей кнопки. Конденсатор C1 фильтрует помехи и в какой-то мере аппаратно снижает «дребезг» контактов кнопки SB1. Варианты:
C1 = NC, R1 = 10k = 47k = 100k, VD1 = ESD5451N = ES0402V014BT = NC;
д) особенность: защитный полупроводниковый варистор RV1, специально разработанный
для защиты от ESD. Считается, что он лучше защищает порт АР, чем стабилитрон [2-1];
е) редкий случай шунтирования кнопки SB1 конденсатором большой ёмкости C1. Это может
существенно снизить «дребезг» контактов, однако при этом увеличивается ток разряда конденсатора C1 через контакты кнопки SB1, и они «подгорают», быстро изнашиваясь;
ж) факт нажатия кнопок определяется по напряжению на входе канала АЦП АР. Резисторы
R1…R4 образуют делитель: 0 В (SB1), 0.32 B (SB2), 0.81 В (SB3), 2.5 B (кнопки не нажаты). Конденсатор C1 фильтрует ВЧ-помехи. Варианты: R1 = 6.8k, R2 = 8.2k, R3 = 50k, R4 = 100k;
з) кнопкой SB1 включается и выключается питание узлов SBC через контроллер PMIC. Параллельно этому АР отслеживает факт нажатия кнопки SB1 для своих нужд. Диод VD1 предотвращает конфликт, связанный с разным напряжением питания PMIC и AP. Резистор R1 ограничивает ток через контакты кнопки SB1. Его сопротивление рекомендуется 100…330 Ом [2-2];
2.1. Механические датчики
R1 6.81k
SB2
R2 8.25k
SB3
R3 10k
SB4
R4 11k
SB5
R5 13k
SB6
R6 16.2k
SB7
R7 22.1k
R8
100k
+3V
AP
SB1
89
Рис. 2.1. Схемы
подключения тактовых
кнопок к АР (окончание):
C1
1000
и)
и) аналогично Рис. 2.1, ж, но для семи кнопок и с другими соотношениями резисторов в делителе напряжения R8 (верхнее плечо), R1…R7 (нижнее плечо)
2.1.2. Джамперы
Джамперные перемычки (джамперы), в отличие от кнопок, не предназначены
для частой смены положения. Они используются для установки логических уровней на цифровых линиях GPIO, для выбора цепи питания в силовых цепях, для
изменения направления приёма/передачи сигналов (Рис. 2.2, а…в).
R1
10k
AP
XT1
XT1
а)
AP
D
R1 220
SB1
R1
10k
AP
+3.3V
+1.8V
+1.8V
XT1
б)
C1
0.1
в)
Рис. 2.2. Схемы подключения джамперов к АР:
а) простая классическая схема. При наличии джампера XT1 формируется НИЗКИЙ, а при
его отсутствии — ВЫСОКИЙ логический уровень на входе АР. Напряжение питания может варьироваться в широких пределах без изменения сопротивления резистора R1;
б) если джампер XT1 установлен, то на вход АР подаётся ВЫСОКИЙ уровень, и наоборот.
Порт АР должен иметь внутренний «pull-down» резистор, чтобы вход «не висел в воздухе»;
в) кнопка SB1 не имеет фиксации положения. Джампер XT1 превращает её… в кнопку с фиксацией положения. На входе АР при замыкании джампера удерживается НИЗКИЙ уровень, что
может пригодиться при отработке ПО с имитацией залипания контактов кнопки SB1
90
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
2.2. Акустические датчики
2.2.1. Аналоговые микрофоны
Аналоговые пьезоэлектрические микрофоны подключаются к АР, аудиокодекам и аудиопроцессорам. Их производительности достаточно для того, чтобы в
режиме реального времени осуществить оцифровку звуковых сигналов, их обработку и фильтрацию от помех. При работе с системами ИИ через микрофон может
осуществляться голосовой ввод команд и распознавание речи.
На Рис. 2.3, а…в показано включение микрофонов по одноканальной схеме.
C3 0.1
BM1 (piezo)
ADC
+3.3V
R1 2.2k
FB1
C2
0.1
C1 0.1
AP
+3.3V
C2
3300
BM1 MP6027P (piezo)
BIAS
C4
4.7
AP
R1
4.3k
R2 2k
VMIC
C1
4.7
FB1 BLM18EG601SN
а)
б)
FB1...FB3
120R
C1
C4
4.7 R2 2.2k 4.7
+3.3V
AP
R1
4.3k
FB1
VMIC
BM1 (piezo)
HPCOM
C2
33
C3
0.1
FB2
HPFB
FB3
R3
22
C5
0.1
в)
Рис. 2.3. Подключение аналоговых микрофонов по одноканальной схеме:
а) простая одноканальная (не дифференциальная) схема подключения микрофона BM1 к АР.
Питание на микрофон подаётся с внутреннего ИОН АР через вывод VMIC. Элементы C1, R2,
C4 образуют ФНЧ, снижающий шумы по питанию. Конденсатор C3 устраняет постоянную составляющую, что необходимо для корректной работы канала АЦП АР. Конденсатор C2 снижает
ВЧ-наводки и импульсные помехи на микрофон. Варианты: C1 = C4 = 10.0, R1 = 4.99k;
б) аналогично Рис. 2.3, а, но с меньшим числом элементов и дополнительным радиочастотным фильтром FB1. Варианты: C1 = 1.0, C2 = 10.0;
в) аналогично Рис. 2.3, а, но с эффективным снижением ВЧ-помех и наводок фильтрами
FB1…FB3, R3, C5. Для повышения устойчивости системы используются специальные выводы
HPFB, HPCOM, которые корректно (с точки зрения путей прохождения тока) соединяют отрицательный контакт микрофона BM1 с общим проводом GND внутри АР
91
2.2. Акустические датчики
На Рис. 2.4, а…е показаны варианты подключения аналоговых микрофонов по
двухканальной дифференциальной схеме.
C3
33
C4
33
R2
1.5k
а)
C7 0.1
R4 1k
C4
33
C5
33
C2, C3,
C5 100
VD1, VD2 ESD5451N
в)
R2
2k
C2
C5
C6
100
C3
C2, C3 0.022
C4, C5
1.0
MIC BIAS
C4
+3.3V
Аудиокодек ALC5631Q
C3
R1
2k
BM1 (piezo)
C7 0.1
MIC BIAS
C5
R3 33
C1 10.0
К портам АР
BM1 (piezo)
R2
2.2k
C6 0.1
+3.3V
Аудиокодек ALC5640
R3 100
C4
0.1
C2
C3
10
б)
C1 10.0
R1
2.2k
C1
10.0
MIC BIAS
C6 0.1
C6 0.1
AP
C2
100
C2
1.0
R1
1.5k
BM1 (piezo)
C5 0.1
К портам АР
R2
2k
C1
10.0
+3.3V
R3 1k
MIC BIAS
BM1 (piezo)
R1
2k
AP
+3.3V
г)
Рис. 2.4. Подключение аналоговых микрофонов по дифференциальной схеме (начало):
а) дифференциальная схема используется для снижения внешних помех и наводок. Микрофон BM1 подключается к двум аналоговым входам АР, при этом верхний и нижний каналы симметричны. Питание на микрофон подаётся от ИОН внутри АР по цепи MIC-BIAS. Конденсатор
C1 уменьшает пульсации. Конденсаторы C2…C4 снижают радиочастотные наводки. Конденсаторы C5, C6 разделительные, устраняют постоянную составляющую. Варианты: C3 = C4 = 100;
б) аналогично Рис. 2.4, а, но с улучшенной фильтрацией напряжения питания микрофона
BM1 дополнительными элементами C1, R3, R4. Варианты: R1 = R2 = R3 = R4 = 4.7k, C1 = 0.1,
C3…C5 = NC, C6 = C7 = 0.47;
в) сигналы от микрофона BM1 сначала подаются на дифференциальные входы аудиокодека
ALC5640 и только после оцифровки внутри него поступают к портам АР. Опорное напряжение
MIC-BIAS фильтруется элементами R3, C1, C4. Супрессоры VD1, VD2 защищают от всплесков напряжения вследствие механических ударов по корпусу микрофона или его падения с высоты;
г) особенность: другой тип микросхемы аудиокодека ALC5631Q, повышенные на порядок
ёмкости конденсаторов C2, C3 и размещение конденсатора фильтра C6 после (а не до) разделительных конденсаторов C4, C5;
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
R1
2.2k
R3 1k
+3.3V
C1 1.0
FB1
600R
R1
2.2k
R2
2.2k
C2
100
C7 0.1
C3
100
C5
100
BM1 (piezo)
C8
4.7
К портам АР
BM1 MIC 4020
(piezo)
C6 0.1
+3.3V
R4 100
C3
0.1
MIC BIAS
C4
0.1
AP
C1
22.0
ES8388
92
R2
2.2k
R3 C2
10k 220 C4
0.1
C5
4.7
FB1 BLM18EG601SN1
е)
д)
Рис. 2.4. Подключение аналоговых микрофонов по дифференциальной схеме (окончание):
д) особенность: напряжение на микрофон BM1 подаётся от общей цепи +3.3 В (не от ИОН)
через ФНЧ R3, C1, C4. Питание аудиопроцессора ES8388 фильтруется элементами FB1, C8, чтобы импульсные помехи не модулировали ток микрофона. Варианты: FB1=BLM18EG601SN1;
е) особенность: резистор R3, который совместно с резисторами R1, R2, R4 создаёт постоянную нагрузку по току для ИОН внутри АР в цепи MIC-BIAS
2.2.2. Цифровые микрофоны
Цифровые микрофоны, как правило, изготавливаются по технологии МЭМС,
что позволяет получить качественный электроакустический прибор с малыми габаритами, высокой механической прочностью и хорошими электрическими параметрами. Внутри цифрового микрофона на общей кремниевой подложке размещаются: заказная интегральная схема (ASIC) и собственно МЭМС-сенсор, у
которого под воздействием потока воздуха изменяется ёмкость обкладок.
На Рис. 2.5, а…е показано подключение цифровых микрофонов к АР.
4
DO
5
DOUT
GND
LR
2
2
5
3
1
DATA
4
SELECT
6
VDD CLOCK
PDM
CLK
GND
+1.8V
PDMCLK0
PDMDIN0
NC
PDM
CK
VDD
BM1
IM69D130V01
+1.8V
AP
+1.8V
BM1
MP34DT06JTR
1
3
AP
+1.8V
R1 499
а)
б)
Рис. 2.5. Схемы подключения цифровых микрофонов к АР (начало):
а) монофонический цифровой микрофон BM1 подключается к АР через интерфейс PDM по
левому каналу (LR=0) с тактовым сигналом CLK и информационным сигналом DOUT;
б) аналогично Рис. 2.5, а, но на вывод переключения левого и правого каналов SELECT подаётся лог. 1, а не лог. 0, что означает передачу данных по правому (а не левому) каналу [2-3];
2.2. Акустические датчики
4
DO
CLK
"RIGHT"
DOUT
GND
LR
1
2
CHIPEN SD
3
WS
5
5; 6; 9
2
SCK
GND
TX_BCLK
RXD0
TX_FS
LR
AP
5
7
VDD
8
I2S
CK
VDD
+3.3V
BM1
INMP441
+3.3V
PDM
BM1
MP34DT06JTR
3
1
AP
+1.8V
+1.8V
93
+1.8V
BM2
MP34DT06JTR
1
3
VDD
CLK
"LEFT"
5
4
DOUT
GND
г)
2
LR
Рис. 2.5. Схемы подключения цифровых
микрофонов к АР (окончание):
в)
в) стереофонический вариант подключения двух одинаковых цифровых микрофонов BM1,
BM2 к АР. Логические уровни на выводах LR у двух микрофонов разные, чтобы правильно определить, где левый, а где правый звуковые каналы. Один из микрофонов может находиться на
плате SBC, а другой — подключаться к внешнему разъёму. Если стереофония не требуется, то
внешний микрофон можно использовать как аудиодатчик в системе шумоподавления;
г) для сопряжения микрофона BM1 с портами АР используется интерфейс I2S [2-4]
2.2.3. Приём линейных звуковых сигналов
Диапазон стандартных уровней линейных звуковых сигналов простирается от
–10 дБВ (MP3- и DVD-проигрыватели) до +4 дБн (микшерные студийные пульты). В среднем можно принять уровень переменного напряжения «на линии» около 1 В, что примерно в 1000 раз больше амплитуды сигнала от микрофона.
Для подачи линейных сигналов в SBC предусматриваются специальные разъёмы. Обычно это «стереоджек» с диаметром 3.5 мм (Рис. 2.6, а…е).
C2
47
AP
LINEINR
C2 4.7
а)
+3.3V
LINEINL
LINE�IN�L
LINE�IN�R
VD2
C3 0.1
XS1
LINEINL
LINE�IN�L
VD1
LINEINR
LINE�IN�R
C1
47
К портам АР
XS1
VD1, VD2
V5.5MLA0603WH
TPS65950
+3.3V
C1 4.7
C4 0.1
б)
Рис. 2.6. Схемы приёма линейных звуковых сигналов (начало):
а) простейшая схема приёма линейных аудиосигналов с разъёма XS1 в АР Allwinner-A10;
б) иногда целесообразнее для приёма сигналов с линейного входа использовать не АР, а специализированную микросхему, например комбинированный аудиоконтроллер TPS65950. С его
выходов звуковой сигнал в цифровом виде поступает в АР. Для повышения надёжности ставятся
защитные супрессоры (варисторы) VD1, VD2 и конденсаторы подавления ВЧ-помех C1, C2;
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
+3.3V
FB1, FB2 220R@100MHz
R1, R2 2.2k
C1 470
R1
R2
C3
1.0
FB1
XS1
AP
94
INL
LINE IN L
FB2
BIAS
C5
10.0
INR
LINE IN R
C2 470
C4 1.0
в)
R2 33
LINE IN R
+3.3V
S1A
S1A
S
S1B
D1
S2A
D2
S2B
D3
S3A
D4
S3B
EN
S4B
GND
S4A
S4B
2
3
5
6
11
10
14
13
LINEINL
LINEINR
C4
AP
VD1 VD2
VD1, VD2
V5.5MLA0603
+3.3V
C5
L INL
C1, C2 47
C3...C6 0.1
К портам АР
LINE IN L
VCC
SGTL5000
R1 33
16
1
4
7
9
12
15
8
+3.3V
C3
L INR
К портам АР
XS1
DA1
ADG794BRQZ
+3.3V
C2
TLV320AIC3106
C1
C6
г)
R2 1k
C2 22.0
+3.3V
C5 4.7
LIN
LINE IN
C1
0.01
C4 0.1
ES8388
C3 0.1
XS1
К портам АР
FB1
600R
R1
2.2k
Рис. 2.6. Схемы приёма
линейных звуковых сигналов
(продолжение):
д)
в) особенность: «pull-up» резисторы R1, R2, которые позволяют подключать к разъёму XS1 не
только источник линейного сигнала, но и стереомикрофон;
г) линейные аудиосигналы LINE-IN-L, LINE-IN-R поступают на аналоговый коммутатор
DA1, с выходов которого они распределяются на два звуковых процессора: TLV320AIC3106 и
SGTL5000. Коммутацию сигналов (вход DA1:1) и полное их отключение (вход DA1:15) осуществляет АР. Переходное сопротивление аналоговых ключей DA1 составляет 0.7 Ом;
д) аналогично Рис. 2.6, в, но для монофонического ввода аудиосигналов. Смещение в линию
формируется резисторами R1, R2 от напряжения питания аудиопроцессора ES8388;
2.2. Акустические датчики
+3.3V
R1 R2
C1 10.0
XT1
C8
C4
BIAS
C5
LINE/MIC L
MIC R1
C9
"LINE MIC"
C10
LINE/MIC R
XT2
C6
C4...C7 33
C8...C11 0.1
R1, R2 2.2k
R3
470
MIC R2
AP
XS1
95
MIC L1
MIC L2
C7
C11
C2 0.1
LINE L
C3 0.1
LINE R
е)
Рис. 2.6. Схемы приёма линейных звуковых сигналов (окончание):
е) к разъёму XS1 можно подключать или стереомикрофон (MIC), или источник звуковых сигналов с линии (LINE). Нужный режим выбирается джамперами XT1, XT2. Сигналы от микрофона поступают на входы MIC-R1 и MIC-L1 по одноканальной схеме. Дифференциальные входы
MIC-R2 и MIC-L2 шунтируются конденсаторами C4…C7
2.3. Фотодатчики и ИК-приёмники
Фотодатчики и ИК-приёмники в SBC используются в качестве самостоятельных датчиков или для приёма управляющих сигналов от телевизионных ПДУ в
рабочем диапазоне 930…950 нм (Рис. 2.7, а…д).
R1 33
R2
10k
VCC
OUT
"38 kHz"
IR
+3.3V
AP
C1 0.1
Рис. 2.7. Схемы подключения
фотодатчиков и ИК-приёмников к
АР (начало):
GND
B1 LBST0038A
а)
а) интегральный ИК-приёмник B1 настроен на частоту модуляции излучения 38 кГц. Элементы R1, C1 фильтруют помехи по питанию. Резистор R2 служит нагрузкой, увеличивающей
крутизну фронта импульсов с выхода OUT. Нюанс в том, что внутри В1 находится свой «pull-up»
резистор с сопротивлением 30k…100k, следовательно, резисторы R1, R2 подключаются параллельно ему. Варианты: R1 = 0 = 10 = 22, R2 = 4.7k = 47k, B1 = HS0038B = FT-009 = VS1838B;
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
R1 240
VCC
C1
1.0
C2
0.1
C3
1000
+3.3V
AP
96
R2 33
OUT
"38 kHz"
IR
B1
IRM 3638M3
C4
1000
GND
б)
R1
47k
VCC
OUT
8
BL1
(Infrared)
7
6
AP
"38 kHz"
IR
5
GND
в)
R1 R2 R3
VCC
IR
SDA
SCL
AMB
GND
INT
REXT
AP
6
SDA
5
4
SCL
3
INT
R4
I2C
R1, R2 2.2k
R3 10k
R4 499k
2
IN
VS
GND
OUT
NC
NC
1
2
R1
240
3
4
C1
1.0
+3.3V
B1
ISL29023IROZ T7
1
NC
GND IR
г)
FB1 120R
C1
0.1
+3.3V
DA1
VSOP58438
AP
+3.3V
B1 IRM V538
Рис. 2.7. Схемы
подключения фотодатчиков
и ИК-приёмников к АР
(окончание):
д)
б) аналогично Рис. 2.7, а, но без внешнего нагрузочного резистора и с «гирляндой» конденсаторов фильтра C1…C3, каждый из которых, по задумке, подавляет помехи в своём диапазоне частот. Фильтр R2, C4 устраняет «звон» на фронтах импульсов. Варианты: C1 = 4.7 = 10.0, C3 = 10 =
NC, C4 = NC, R1 = 22 = 100 = 470, R2 = 22 = NC, B1 = ROM-WT138LM(N) = IRM-2638;
в) особенность: заземлённый металлический корпус фотодатчика B1 и широкий угол обзора
по вертикали и горизонтали благодаря особой конструкции линзы. Длина волны 940 нм, ток
потребления 1.2 мА, дальность 8 м по центру оси и 5 м под углом 45°;
г) DA1 — это высокочувствительный интегральный усилитель-преобразователь для фотодиодов различного типа. Внутри находится режекторный фильтр, настроенный на частоту 38 кГц,
АРУ, выходной формирователь прямоугольных импульсов. Нагрузка по выходу не требуется,
поскольку в DA1 имеется резистор 33 кОм между выводами OUT и VS. Связка фотодиода BL1
и микросхемы DA1 по функциональным возможностям эквивалентна стандартному интегральному ИК-приёмнику, применяемому в телевизорах. Отличие — повышенная чувствительность,
поскольку порог обнаружения по току у фотодиода составляет 0.7…5 нА;
д) B1 — это микросхема с двумя встроенными фотодатчиками: видимого света и диапазона
ИК. Оцифровка показаний производится внутренним АЦП с разрядностью 16 бит. Предусмотрена фильтрация пульсаций светового потока в диапазоне 50…60 Гц. Передача данных в АР осуществляется по шине I2C. Резистором R4 настраивается частота 725 кГц внутреннего генератора
микросхемы B1. Её ток потребления составляет 85 мкА, габариты 2 x 2.1 x 0.7 мм
.
2.4. Датчики пространственного положения
97
2.4. Датчики пространственного положения
К датчикам пространственного положения в SBC относятся [2-5]: акселерометры, гироскопы, магнитометры, выполненные в виде микросхем (Рис. 2.8, а…в).
Акселерометр, он же G-сенсор, — это прибор, предназначенный для измерения проекции кажущегося ускорения по трём осям. С его помощью можно узнать,
какая часть устройства, образно говоря, «смотрит вниз».
Гироскоп, он же гиродатчик, измеряет угловую скорость по трём составляющим: азимуту, тангажу и крену. В отличие от акселерометра, он служит не только
для ориентации устройства в пространстве, но и отслеживает его перемещение.
Магнитометр, он же цифровой компас, — это сенсор для измерения магнитного поля вдоль осей X, Y, Z. Используется в навигационных и картографических
приложениях для определения сторон света.
Датчики положения иногда размещаются в одном чипе, дополняя друг друга.
FB1 120R
C1
C2
1
VDDIOV
TEST
CAP A
INT1
GND2
R2
9
INT
7
SCL
6
SDA
5
4
CAP R
10
R1
AP
B1 MAG3110FCR1
2
VDD
8
3 C3
+3.3V
SCL
SDA
GND1
I2C
C1...C3 0.1
R1, R2 2.2k
а)
FB1 120R
R2 R3 R4 R5
FB1
+3.3V
C2 14 VDD2
0.1 15
C1
4.7
7
R1
10k
SDA
RSV1
INT1
SA0
INT2
16
GND3
5
13
SCL
CS
GND1
TEST
GND2
GND
4
SCL
6
SDA
11
INT
9
8
10
R2, R3 2.2k
R4, R5 10k
AP
VDD1
I2C
B1 LIS331DLH
1
12
б)
Рис. 2.8. Схемы подключения датчиков пространственного положения к АР (начало):
а) B1 — это цифровой трёхосевой магнитометр с параметрами: диапазон ±1000 мкТл, разрешение 0.1 мкТл, уровень шумов 0.25 мкТл, частота обновления данных 80 Гц, управление по
шине I2C на частоте до 400 кГц. Ток потребления 0.8 мА, габаритные размеры 2 x2 x 0.85 мм;
б) B1 — это цифровой трёхосевой акселерометр для ускорений ±2/4/8g, выполненный по
технологии МЭМС. Скорость обновления данных 0.5…1000 Гц. Выход INT2 в акселерометре не
используется, но на него можно вывести сигнал и проверить осциллографом при наладке;
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
FB1 600R
R2, R3
10k
5
13
VDD1
VDD2
SCL
SDA
INT1
SA0
INT2
EN
GND1
TEST
GND2
GND
4
SCL
6
SDA
11
INT1
9
INT2
8
10
I2C
14
7
R1
10k
+1.8V
B1 MMA8450Q
1
C1
0.1
R2 R3
AP
98
12
в)
Рис. 2.8. Схемы подключения датчиков пространственного положения к АР (окончание):
в) B1 — это низковольтный цифровой акселерометр для ускорений ±2…8g с разрядностью
8/12 бит, имеющий малые габариты 3 x3 x 1 мм. Логический адрес на шине I2C определяется логическим уровнем на входе SA0. Наличие резистора R1 позволяет изменить логический адрес с
0x1C на 0x1D соединением вывода B1:7 с питанием +1.8 В. Активация акселерометра производится ВЫСОКИМ уровнем на входе EN. Сигналы прерывания INT1, INT2 можно запрограммировать на смену уровней при достижении определённых событий, например начало движения
объекта, смена положения в пространстве и т. д.
2.5. Приём аналоговых видеосигналов
Общеизвестно, что SBC способны формировать видеосигналы для телевизоров, мониторов, дисплеев. Однако они с таким же успехом могут принимать и обрабатывать видеосигналы от различных датчиков изображения.
Аналоговые видеосигналы CVBS (Composite Video Baseband Signal) генерируются аналоговыми и цифровыми видеокамерами, видеопроигрывателями, а также конверторами видеосигналов, например HDMI-to-CVBS.
С практической точки зрения приём аналоговых видеосигналов актуален для
сопряжения SBC с удалёнными системами видеонаблюдения. Аналоговая техника имеет в данном случае преимущество перед цифровой в длине линии связи,
ведь для передачи используется обычный коаксиальный кабель.
Следует отличать сигнал CVBS от телевизионного ВЧ-сигнала. Первый из них
является потенциальным сигналом и отвечает только за изображение. Второй передаётся в радиодиапазоне и включает в себя как картинку, так и звук.
Состав CVBS: сигналы яркости, цветности, импульсы синхронизации, гашения. Кодирование производится в телевизионных стандартах PAL, NTSC.
Типовая цветная маркировка проводов аналоговой видеокамеры: красный —
плюс блока питания 12 В; чёрный — минус питания, общий провод; жёлтый —
собственно видеосигнал, поступает на центральную жилу коаксиального кабеля.
АР принимает видеосигнал, квантует, обрабатывает, фильтрует, после чего может конвертировать его в один из цифровых стандартов (Рис. 2.9, а…г).
2.5. Приём аналоговых видеосигналов
99
+3.3V
VIN
CVBS
R1 75
C2 680
C1 330
К портам АР
"TV IN"
C4
0.1
L2
2.7µH
TVP5146PFP
L1
2.7µH
C3 330
а)
R2 39
+3.3V
C1, C2
0.047
C1
VADC1
VADC2
R1
75
R2
75
б)
C2
AP
CVBS
"Analogue Camera"
VIN
К портам АР
"TV IN"
C1
0.1
R1
36
ADV7180BCPZ
+3.3V
в)
+3.3V
"TV IN"
C1
0.1
L1
8.2µH
R2
330
VIN
AP
CVBS
R1 75
C2 22
C3 47
г)
Рис. 2.9. Схемы приёма аналоговых видеосигналов:
а) оцифровка полного телевизионного цветового сигнала ПТЦС (CVBS) производится не в
АР, а в видеодекодере TVP5146PFP. Это разгружает мощности ЦП и позволяет ему заниматься
другими задачами. Входное сопротивление со стороны разъёма в цепи TV-IN составляет 75 Ом,
что определяется резистором R1. Двухзвенный фильтр L1, L2, C1…C3 подавляет внеполосные
гармоники в видеосигнале;
б) аналогично Рис. 2.9, а, но с другим типом видеодекодера ADV7180BCPZ. Входное сопротивление 75 Ом определяют последовательно включённые резисторы R1, R2. Они же образуют
делитель напряжения, который снижает уровень телевизионного сигнала на входе VIN;
в) АР принимает видеосигналы от двух аналоговых видеокамер или от двух других источников телевизионного сигнала. Используются отдельные каналы быстродействующего видеоАЦП,
находящегося внутри АР. Волновое сопротивление входного кабеля должно быть 75 Ом, на что
указывают сопротивления резисторов R1, R2. Конденсаторы C1, C2 разделительные;
г) аналогично Рис. 2.9, а, но с однозвенным LC-фильтром. Количество звеньев определяет
глубину подавления ВЧ-гармоник, которые могут появляться от «ступенек» напряжения, если
исходный сигнал формировался с помощью видеоЦАП. Чем больше звеньев, тем лучше
100
Глава 2. Схемы узлов ввода сигналов
2.6. Прочие схемы узлов ввода
На Рис. 2.10, а…в приведены прочие схемы, которые дополняют информацию,
относящуюся к узлам ввода сигналов.
R1 R2 R3 +3.3V
VCC t
SDA
2
GND
"I2C"
SCL
6
SDA
1
SCL
R1
100k
XS1 ADC IN
I2C
5
AP
B1
TMP102AIDRLT
+3.3V
3
ALE
C1
0.1
4
ADR
б)
а)
+3.3V
"
XS1
Vbus
R1 10k
R3 1k
D–
AP
"
1
2
3
4
AP
R1...R3 4.7k
D+
GND
R2
15k
C1
22.0
C2
0.1
в)
Рис. 2.10. Прочие схемы узлов ввода:
а) B1 — это это термодатчик, контролирующий температуру окружающей среды (корпуса АР,
силовых элементов платы SBC) через шину I2C. Диапазон измеряемых температур –40…+125°С,
точность ±2…3%. Адрес датчика на шине I2C может иметь четыре разных значения в зависимости от соединения входа ADR с выводами GND, VCC, SDA, SCL микросхемы В1. В случае соединения выводов ADR и GND (как в рассматриваемой схеме) двоичный адрес равен 1001000. На
выходе ALE (ALErt) появляется сигнал НИЗКОГО уровня, когда температура превышает программно задаваемый порог;
б) подача входного аналогового сигнала произвольной формы производится напрямую через
разъём XS1 от внешнего шилда. В связи с этим вход АР защищается от всплесков напряжения
только конденсатором C1, чего в других случаях может оказаться недостаточно. «Настоящий» защитный элемент, например супрессор, должен находиться в шилде. Оцифровка входного сигнала ADC-IN производится в канале АЦП АР. Сопротивление источника входного сигнала должно
быть значительно меньше, чем сопротивление резистора R1, который не даёт «висеть в воздухе»
входу АР при отстыкованном шилде от разъёма XS1;
в) резисторы R1, R2 образуют делитель, служащий детектором наличия напряжения питания
+5 В на линии Vbus интерфейса USB. Конденсатор C1 сглаживающий, накопительный. Конденсатор C2 фильтрует ВЧ-помехи. Резистор R3 ограничивает ток в линию порта АР при всплесках напряжения Vbus в случае «горячего» подключения кабеля USB к разъёму XS1. Варианты:
R1/R2 = 4.7k/10k = 100k/200k, R3 = 0, С2 = NC
Список использованных источников и литературы к главе 2
101
Список использованных источников и литературы к главе 2
2-1. Защита микросхем от ESD и перенапряжений [Электронный ресурс] // Pavel Bobkov, 2011. — Режим доступа: https://chipenable.ru/index.php/how-connection/item/97zaschita-mikroshem-ot-esd-i-perenapryazheniy.html. — 15.01.2022.
2-2. SAM D21/DA1 Family [Электронный ресурс] / Microchip Technology, 2021. — Режим
доступа: https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/MCU32/
ProductDocuments/DataSheets/SAM-D21-DA1-Family-Data-Sheet-DS40001882H.pdf
(англ.). — 15.01.2022.
2-3. Подключение цифровых PDM-микрофонов к STM32 [Электронный ресурс] / «microsin», 2020. — Режим доступа: http://microsin.net/programming/arm/interfacing-pdmdigital-microphones-using-stm32-mcu-and-mpu.html. — 15.01.2022.
2-4. DIY-микрофон i2s для Raspberry Pi [Электронный ресурс] / «renice», 2022. — Режим
доступа: https://habr.com/ru/articles/655407/. — 15.01.2022.
2-5. Рюмик, С. Эксперименты с Android. Приложение 6 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. — 2015. — № 10. — С. 43–45.
Глава
3
СХЕМЫ УЗЛОВ управления
и тактирования
Свет принципов управления, как и свет маяков,
является путеводным лишь для тех, кто знает вход в гавань.
(Анри Файоль)
3.1. Формирование сигналов начального сброса
3.1.1. Автоматический сброс АР
На Рис. 3.1, а…г показаны схемы узлов автоматического сброса АР, когда сигнал формируется при выполнении одного или нескольких условий.
Простейшим условием проверки является сравнение напряжения питания
с порогом при старте. Выше порога — действия АР предсказуемые, и наоборот.
Сигнал сброса должен иметь НИЗКИЙ уровень вплоть до окончания переходных
процессов, чтобы триггеры внутри АР перешли в исходное положение.
Технически более сложным является условие проверки «просадок» напряжения питания. Как только оно уменьшается ниже допустимого предела, то автоматически должен вырабатываться сигнал сброса АР, предотвращающий работу ЦП
в условиях возможного «программного хаоса».
R1
11k
C1
0.1
AP
RES
C1
4.7
R1
10k
+3.3V(GPIO)
VD1 XBS104S14
VD2 ESL100503
VT1
MMBT3904
R3
10k
R2 10k
RES
+3.3V(RTC)
AP
+3.3V
VD1
C2 0.1 VD2
а)
б)
Рис. 3.1. Схемы узлов автоматического сброса АР (начало):
а) цепочка сброса R1, C1 «обнуляет» АР при начальной подаче питания +3.3 В. Кнопка сброса в SBC существует, но подключается она не к АР, а к контроллеру питания PMIC, который, в
свою очередь, формирует подачу напряжения +3.3 В на АР при старте. Варианты: R1 = 1M;
б) двойной сброс АР: при появлении питания в цепи +3.3V(GPIO) (элементы R3, C2) и при
активации питания часов реального времени в цепи +3.3V(RTC). В последнем случае дифференциальная цепочка R1, C1 формирует импульс, которым открывается транзистор VT1;
103
3.1. Формирование сигналов начального сброса
+3.3V
R1 1.5k
+3.3V
+5V
R1
10k
2
RES
+2.63V
RES
GND
1
2
GND
HL1
(red)
R2
470
1
"POWER OK"
C2
0.1
DA1
UM803RS
RES
R3
470
RES
R2 1k
+4.6V
R3
100k
3
VCC
AP
3
VCC
AP
C1 0.1
C1 0.1
DA1
APX803 46SAG
VT1
DMG1012T
в)
г)
Рис. 3.1. Схемы узлов автоматического сброса АР (окончание):
в) супервизор питания DA1 следит за напряжением в цепи +3.3V. Если оно выше, чем порог
+2.63 В, то на выходе DA1:2 устанавливается ВЫСОКИЙ уровень, и наоборот. Два ФНЧ на элементах R1, C1 и R2, C2 повышают помехоустойчивость. НИЗКИЙ уровень на выходе супервизора DA1 сохраняется в течение 140 мс после восстановления напряжения;
г) особенность: супервизор питания DA1 следит не за цепью питания АР, а за напряжением
+5 В. Если оно выше порога +4.6 В, то на выходе DA1:2 устанавливается ВЫСОКИЙ уровень,
транзистор VT1 открывается и индикатор HL1 светится. При критическом снижении напряжения появляется НИЗКИЙ уровень на входе сброса АР и светодиод HL1 гаснет
3.1.2. Ручной сброс АР
Во многих SBC имеется тактовая кнопка сброса, которая помогает вывести систему из зависания или досрочно прекратить выполнение программы. Устанавливаться кнопка может как в цепи сброса АР, так и на входе PMIC (Рис. 3.2, а…г).
R1 1k
RES
3
SB1
C1
4700
VD1
SB1
2
C1
0.1
"RESET"
а)
1
R1
10k
AP
"RESET"
VD1
BAT54C
R2
100k
RES
VD1 ESL100503
+3.3V
+3.3V
C2
1.0
AP
RES
(PMIC)
ROM Flash, Ethernet
б)
Рис. 3.2. Схемы узлов ручного сброса АР (начало):
а) VD1 — это ESD-диод, защищающий входы АР и PMIC от статического электричества при
случайном касании рукой контактов кнопки SB1. Подтягивающий «pull-up» резистор находится
или внутри АР, или внутри PMIC. Варианты: VD1 = ESD9B5V-2, R1 = 510, C1 = 0.01;
б) кнопкой SB1 одновременно сбрасываются: АР, микросхема ПЗУ (ROM-Flash) и контроллер Ethernet. Поскольку постоянная времени у цепочки R1, C1 меньше, чем у цепочки R2, C2, то
сброс AP происходит позже по времени. Это сделано для того, чтобы АР после сброса мог сразу
работать с периферийными устройствами, не ожидая их начальной инициализации;
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
R1
100k
R2
47k
KEYADC
INT
VD1
1N5819
SB1
R1
PCI E
VD1...VD4, VD6
1N5819
R6
VD2
10k
VD3
VD6 R5 100
VD4
VD1
R2
mPE
R3
MCU
R4
OTP
R1...R4
100
C1
0.1
VD5 (TVS)
ESD5451N
SB1
"RESET"
"RESET"
+1.8V
RES
+3.3V(RTC)
AP
+3.3V
(AVCC)
AP (Allwinner H3)
104
г)
в)
Рис. 3.2. Схемы узлов ручного сброса АР (окончание):
в) нажатие на кнопку SB1 приводит к запуску процедуры прерывания по входу INT АР. При
её отработке анализируется состояние входа KEYADC, который на аппаратном уровне может различать короткие, нормальные и длинные нажатия кнопки SB1 [3-1];
г) от одной кнопки SB1 осуществляется начальный сброс НИЗКИМ уровнем следующих
устройств: АР, контроллеры шин PCI-E, mini PCIe, вспомогательный МК, узел включения питания микросхемы OTP. Развязка между каналами производится диодами Шоттки VD1…VD4, VD6
3.1.3. Комбинированный сброс АР
Разработчики процессорных систем часто используют принцип совмещения
функций. Например, в SBC может применяться комбинированный начальный
сброс (Рис. 3.3, а…е), когда на вывод сброса АР приходят сигналы как от тактовой
кнопки, так и от узла автоматического сброса. В последнем случае отслеживаются: напряжение питания, частота тактовых импульсов, ток потребления и т. д.
GND
1
AP
2
RES
+2.93V
RES
SB1
"RESET"
а)
+3.3V
XP1
C1 0.1
2
9
10
+3.3V
5
"JTAG"
R1
10k
3
VCC
+3.3V
NRES
1
VCC
OUT
IN
OE
4
SB1
GND
DD1
SN74LVC1G125DCK
RES
DA1 SGM803 SXN3
3
"RESET"
б)
Рис. 3.3. Схемы узлов комбинированного сброса АР (начало):
а) A1 — это трёхвыводной супервизор с открытым стоком, который устанавливает НИЗКИЙ
уровень на выходе RES при уменьшении питания ниже +2.93 В. Супервизор имеет встроенную
цепь, которая расширяет импульс сброса на 150…240 мс после восстановления питания до нормы. Резистор R1 служит нагрузкой для кнопки сброса SB1, а конденсатор C1 снижает влияние
помех. Варианты: R1 = 100k, DA1 = XC61FN2712MR (порог 2.7 В, задержка 50…200 мс);
б) сброс АР производится сигналом NRES интерфейса JTAG через повторитель DD1, имеющий выход с тремя состояниями. При появлении на входе DD1:1 НИЗКОГО уровня сигнал OUT
переходит из Z-состояния в состояние, повторяющее уровень на входе IN, т. е. НИЗКИЙ;
105
3.1. Формирование сигналов начального сброса
R3 100
R1 100
VD1
(TVS)
DA1 CAT823TTDI GT3
3
RES
3
4
SB1
C1
0.1
2
VCC
MR
WDI
GND
RES
R2 22
+3.3V
DA1
TPS3808G09DBVRG4
3
"RESET"
C2 220
4
2
VDD
MR
CT
RES
+0.9V
R1 10k
C1
220
1
г)
в)
SB1
5
"RESET"
DD1 SN74LVC1G07
"RESET"
+3.3V
R1 10k
R2 10k
"ERROR"
SB1
C1 0.1
+3V
AP
RES
RES
5 DD1
2 1
4
+3.08V
+2.5V
GND
SEN
6
R2
10k
+1.5V
AP
1
RES
5
R3
4.99k
R4
10k
д)
+3.3V
R2
47k
R3
10k
R1 1k
VT2
2N3906
+1.2V
AP
R5 10k
R4
10k
VT1
2N3904
RES
C1
0.1
Рис. 3.3. Схемы узлов
комбинированного сброса
АР (окончание):
SB1
"RESET"
е)
в) особенность: буферный логический элемент DD1, имеющий выход с открытым стоком.
Через него транслируется внешний сигнал ERROR для сброса АР и других узлов SBC;
г) микросхема монитора питания DA1 вырабатывает импульс сброса 140…400 мс при начальном включении, при «просадках» ниже +3.08 В, при нажатии на кнопку SB1, а также при пропадании импульсов на входе WDI в течение 1.12…3 с. Их генерирует АР по специальному алгоритму для подтверждения отсутствия «зависания» программы. Варианты: C1 = R1 = NC, R2 = 100;
д) аналогично Рис. 3.3, г, но на супервизоре DA1. Измеряемое напряжение подаётся на вход
SEN с делителя R3, R4. Длительность импульса сброса определяется ёмкостью конденсатора C2 и
составляет примерно 1 с. Напряжение +1.5 В — это питание микросхем памяти DDR3. Варианты: C2 = 0.1, +1.5V = +3.3V (R3/R4 = 1.5k/1k), +1.5V = +12V (без подачи на АР, R3/R4 = 10k/1k);
е) кнопка сброса SB1 функционирует лишь при наличии напряжения питания ядра АР +1.2 В,
при этом транзисторы VT1, VT2 открываются, резистор R5 подключается к цепи +3.3 В. Если нет
питания, то транзисторы закрываются и вход сброса АР соединяется с GND через R4, R5
106
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
3.2. Низкочастотная стабилизация тактовой частоты
Известный факт: чем выше тактовая частота АР, тем больше потребление тока
от источника питания. В целях энергосбережения стараются переходить на более
низкие тактовые частоты, для чего применяют динамические (DVFS, AVS, DPS)
и статические (SLM) методы управления [3-2]. В последнем случае процессорная
система переводится в ждущий режим ожидания или отключения, при этом работа узлов пробуждения синхронизируется низкочастотным «часовым» кварцевым
резонатором 32 кГц. Питание этого канала делается отдельным, с возможностью
подключения аккумулятора, батареи или ионистора большой ёмкости.
На Рис. 3.4, а…г источник питания низкочастотного генератора условно показан с напряжением 3.3 В, хотя может быть 1.2; 1.8 или 3 В.
+3.3V
C1 18
XIN
C2 22
ZQ1
32768 Hz
+3.3V
XIN
AP
ZQ1
32768 Hz
AP
C1 22
C2 18
XOUT
XOUT
R1 10M
а)
б)
RTC_VDD
R2
5.1M XIN
ZQ1
32768 Hz
R1
470k
C2 20
AP
C1 25
+3.3V
+0.9V
ZQ1
32768 Hz RTC32KI
C3 20
XOUT
RTC32KO
C1
1.0
C2 25
в)
AP (Amlogic S805)
+3.3V
г)
Рис. 3.4. Схемы низкочастотной стабилизации тактовой частоты:
а) классическая схема подключения НЧ-резонатора ZQ1 к АР. Ёмкости конденсаторов C1, C2
обычно указываются в даташите АР с привязкой к ёмкости нагрузки резонатора ZQ1;
б) необходимость установки внешнего резистора R1, который облегчает самозапуск генератора, определяется особенностями схемотехники осцилляторного узла внутри АР и, как правило, указывается в его даташите. Варианты: R1 = 5.1M, C1 = C2 = 10 = 15;
в) особенность: резистор R1, который снижает мощность рассеяния на резонаторе ZQ1. Это
повышает надёжность работы и стабильность генерации, но ухудшает условия самозапуска;
г) точка соединения конденсаторов C2, C3 замыкается не на общий провод, а на цепь питания канала RTC с напряжением +0.9 В. Однако на частоте 32 768 Гц реактивное сопротивление
конденсатора C1 составляет 4.8 Ом, т. е. почти КЗ на «землю», поэтому работа генераторного
узла внутри АР не нарушается. Такое решение может быть вызвано удобством соединения проводников на печатной плате или особенностями схемотехники конкретного АР
3.3. Высокочастотная стабилизация тактовой частоты
107
3.3. Высокочастотная стабилизация тактовой частоты
Анализ схемных решений разных SBC показывает, что стандартом де-факто
для АР разных фирм является головной кварцевый резонатор частотой ровно
24 МГц (Рис. 3.5, а…л). Возможно, это связано с формированием частот для канала High-Speed USB (скорость 480 Мбит/с, тактовая частота 24 · 20 = 480 МГц).
+3.3V
XTALI
XT24 IN
C2 15
AP
ZQ1
24 MHz
ZQ1
24 MHz
C1 18
AP
C1 15
+3.3V
C2 18
XTALO
XT24 O
R1
2.2M
R1 560k
а)
б)
+3.3V
+3.3V
+1.8V
R1 100k
ADC
ИОН
R2
10M
C3
1000
C1 22
XTALI
XIN0
C2 18
XTALO
R1
2.2M
ZQ1
FSX 3M 24MHZ
в)
ZQ1
24 MHz
4
1
2
3
AP
ZQ1
24 MHz
AP
C1 18
t
C2 22
XOUT0
ZQ1 NX2520SG 24M
г)
Рис. 3.5. Схемы высокочастотной стабилизации тактовой частоты (начало):
а) особенность: резистор R1 обеспечивает стабильность запуска генератора АР на рабочей
частоте 24 МГц. Варианты: R1 = 100k = 1M = 10M, C1 = C2 = 18 = 30;
б) резистор R1 создаёт небольшой «перекос» симметрии генераторного узла, что, по идее,
должно облегчить самозапуск ВЧ-осциллятора внутри АР;
в) комбинация схем Рис. 3.5, а, б. Необходимость в двух резисторах или указывается в даташите АР, или определяется экспериментально. Варианты: ZQ1 = S2520A-24MHz;
г) ZQ1 — это кварцевый резонатор, на подложке которого размещается терморезистор [3-3].
Установка термодатчика в одном воздухонепроницаемом корпусе с кварцевым резонатором
позволяет точно измерить его температуру и, косвенно, температуру окружающей среды. Эту
информацию может использовать АР для программной коррекции частоты. Кроме того, экономится место на печатной плате, поскольку не нужен отдельный термодатчик. Резистор R1 служит верхним плечом делителя напряжения. Сигнал, пропорциональный температуре, поступает
на оцифровку в канал АЦП АР. Точность измерения обеспечивает ИОН +1.8 В;
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
+3.3V
C1 18
C1 15
XIN0
1
XT24 IN
2
AP
4
R2
1M
C2 15
3
C2 18
XT24 O
XOUT0
R1
100
ZQ1 TSX 3225 24MHz
з)
ж)
ZQ1
19.2 MHz
+3.3V
C1 15
XT�IN
AP
C1 18
AP
ZQ1
24 MHz
+3.3V
ZQ1
24 MHz
C2 18
+3.3V
ZQ1
24 MHz
C2 15
XT24 IN
R1 1k
XT�O
и)
R2
1M
AP
108
XT24 O
к)
C2 33
+3.3V
ZQ1
24 MHz
XT24 IN
R1 0
AP
C1 33
XT24 O
л)
Рис. 3.5. Схемы высокочастотной стабилизации тактовой частоты
(окончание):
ж) SMD-резонатор ZQ1 имеет четырёхвыводной корпус с габаритами 2.5 x 3.2 x0.6 мм, при
этом его контакты 2 и 4 соединяются с металлическим экраном. Экранировка корпуса защищает
резонатор от внешних электромагнитных помех и наводок. Варианты: C1 = C2 = 33;
з) резистор R1 снижает нагрузку по мощности на резонатор ZQ1, но обычно его включают
между конденсатором C2 и резистором R2, как показано на Рис. 3.5, к;
и) особенность: прямое подключение кварцевого резонатора ZQ1 к АР и другая частота генерации, отличная от 24 МГц (это относится к АР семейства BCM2837, на которых базируются
SBC Rapsberry Pi);
к) особенность: резистор R1, который снижает мощность рассеяния на резонаторе ZQ1.
Из-за этого повышается долговечность работы и улучшается стабильность генерации. Низкое
сопротивление резистора R1 не ухудшает условия самозапуска. Варианты: C1 = C2 = 12, R1 = 22;
л) особенность: «нулевой» резистор R1, который можно для эксперимента заменить низкоомным гасящим резистором по аналогии с Рис. 3.5, к или временно удалить для имитации аварии кварцевого резонатора ZQ1
3.4. Умножение тактовой частоты
109
3.4. Умножение тактовой частоты
В технических параметрах АР фигурируют гигагерцовые тактовые частоты. Но
кварцевых резонаторов в диапазоне 1…2 ГГц не бывает. Чтобы превратить частоту резонатора 24 МГц во внутреннюю частоту ядра АР 1 ГГц, нужно произвести
умножение на дробное число 41.666. Сделать это помогает система ФАПЧ, без которой сейчас не обходится ни один АР.
В системе ФАПЧ можно программно выставлять разные коэффициенты умножения и деления в цепи обратной связи, получая богатую палитру частот. Для
поддержания стабильности ФАПЧ к выводам PLLx АР подключаются внешние
конденсаторы и корректирующие RC-цепи (Рис. 3.6, а, б).
C1 22
ZQ1
20 MHz
XIN0
ZQ1
24 MHz
X24MI
R2
10k
C2 12
X24MO
XIN1
AP
R1 C9
430 1800
C7 0.018
C6 12
C3 12
ZQ2
32768 Hz
AP
C5 0.22
X32KI
PLL1
X32KO
PLL2
C6 1.0
C4 12
XOUT1
C5 12 ZQ3
32768 Hz XIN32
X32KFO
"32768 Hz"
PLL0
C4 22
+3.3V
XT1
R3
1k
XOUT0
ZQ2
12 MHz
C1 12
OSCEN
C2 22
C3 22
+1.8V_PLL
+3.3V
R1 10M
PLL1
R2 C10
150 5600
XOUT32
C8 0.056
б)
Рис. 3.6. Схемы подключения цепей ФАПЧ
для умножения тактовой частоты:
а)
а) АР использует три тактовых сигнала: 20 МГц для основного ядра, 12 МГц для модулей периферии, в частности USB, и 32 768 Гц для канала RTC. Кварцевые резонаторы ZQ1…ZQ3 и конденсаторы C1…C6 включаются по типовым схемам. Элементы R1, R2, C7…C10 также относятся к
подсистеме тактирования, т. к. они обеспечивают работу двух узлов ФАПЧ, которые умножают
частоту генераторов 20 и 12 МГц. Сопротивления резисторов и ёмкости конденсаторов регламентируются в даташите АР, поскольку это влияет на фазовое дрожание частоты (джиттер). Резистор R3 задаёт НИЗКИЙ уровень на входе разрешения OSCEN. Если его подключить к цепи
+3.3V, как показано пунктиром, то все три генератора отключаются. Это может потребоваться в
диагностических целях для подачи внешних импульсов на входы XIN0, XIN1, XIN32;
б) для работы АР используются два тактовых генератора: ВЧ (ZQ1, 24 МГц, 12.5 пФ, 10 ppm)
и НЧ (ZQ2, 32 768 Гц, 12.5 пФ). Питание канала ФАПЧ осуществляется от отдельного источника
с напряжением +1.8 В. Накопительные конденсаторы C5, C6 сглаживают пульсации внутренних стабилизаторов. Выходной сигнал КМОП-уровня с частотой 32 768 Гц снимается с выхода
X32KFO и имеет амплитуду 3.3 В. Варианты: C1…C4 = 18, C1 = C2 = 30, C3 = C4 = 18
110
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
3.5. Тактирование АР от внешнего генератора
По мере удешевления производства кварцевых и МЭМС-генераторов их стали
чаще применять в SBC вместо обычных кварцевых резонаторов. Преимущества
генераторов: точность настройки частоты, низкий ТКЧ, документированное фазовое дрожание (джиттер), гарантированный начальный запуск (Рис. 3.7, а…г).
DD1 WM8326 (PMIC)
C1 12
Y11
R1 100
1
XIN
ZQ1
XTI
CLKOUT
C2 12
XOUT
Y12
2
W11
G1 FCO 336B 4S 24MHz
DBVDD1
4
GND GND
2
32XIN
AP
G1 (32 kHz)
CLK
1
G1 SiT1532AI J4 DCC 32.768
в)
R1 51
XIN
ZQ1 SMR150
32768 Hz
XGND
б)
+3.1V
VDD
H1
XOUT
XTO
а)
3
+3.3V
B11
R1
100k
R2
100k
G1
+3.1V
+1.8V; +3.1V
DSC6151HI2B 025
1
4
STB VDD
25MHz
2
3
GND OUT
+1.8V
G2
27MHz
DSC6151HI2B 027
1
4
STB VDD
2
3
AP
3
AP
4
AP
+3.3V
OSCEN
GND OUT
г)
Рис. 3.7. Схемы тактирования АР от внешнего генератора:
а) параметры кварцевого генератора G1: частота 24 МГц, КМОП-уровень выходного сигнала,
ток потребления 10 мА, время выхода на режим 10 мс. Вход запуска генерации G1:1 соединяется с
цепью питания, следовательно, генератор никогда не выключается и работает постоянно. Варианты: G1 = DSC6111HI2B-24.000 (МЭМС-генератор с примерно такими же параметрами);
б) тактовый сигнал XIN для АР поступает с выхода контроллера питания DD1 PMIC (уровни
КМОП), обеспечивая синхронизм в системе. Импульсы стабилизируются кварцевым резонатором ZQ1 частотой 32 768 Гц. Резистор R1 уменьшает выбросы на фронтах импульсов;
в) микросхема G1 — это генератор стабильных импульсов с частотой 32 768 Гц, изготовленный по МЭМС-технологии на кремниевой подложке [3-4]. Применение НЧ-генератора, а не
«часового» кварцевого резонатора, обусловлено несколькими факторами. Во-первых, сокращение числа деталей, поскольку сигнал КМОП-уровня частотой 32 768 Гц может поступать ещё
на несколько узлов. Во-вторых, стабильные технические параметры, не зависящие от ёмкости
нагрузки: точность настройки частоты — 10 ppm, уход частоты за год — 1 ppm, время старта —
0.3…0.45 с, фазовое дрожание (джиттер) — 35 нс, диапазон питающих напряжений — 1.5…3.6 В,
потребляемый ток — 0.9 мкА, сверхминиатюрные габаритные размеры 0.8 x 1.5 x 0.6 мм;
г) микросхемы G1, G2 являются однотипными генераторами тактовых импульсов, но с разными выходными частотами 25 и 27 МГц и разными напряжениями питания 3.1 и 1.8 В. Включаются и выключаются оба генератора общим сигналом OSCEN от АР через делитель R1, R2
3.6. Управление загрузкой ОС
111
3.6. Управление загрузкой ОС
В микроконтроллерной технике для загрузки ПО широко используется технология «bootloader» (рус. бутлоудер). Имеется в виду, что в памяти программ размещается небольшой загрузчик, с которого начинается выполнение кода и через
который производится программирование кристалла.
Похожая технология применяется и в SBC, но прямая загрузка прикладных
программ через бутлоудер здесь не актуальна, поскольку используются ОС и
RTOS. Именно они заведуют всем процессом установки рабочего ПО.
Бутлоудер в SBC обеспечивает загрузку ОС, а также проверку обновлений,
тестирование, инициализацию. Для активации бутлоудера используется «предзагрузчик» [3-5]. В первую очередь он определяет устройство или интерфейс, с которого будет производиться чтение. Помогают в этом переключатели и джамперы,
состояние которых «предзагрузчик» опрашивает после старта (Рис. 3.9, а…д).
S1
(DIP x 2)
1
2
+1.8V
R1...R4
1k
"1"
4
3
"0/1"
"0/1"
D
D
D
+3.3V
S1
(DIP x 4)
1
2
3
4
8
7
6
5
"1/0"
"1/0"
"1/0"
"1/0"
AP
R3
R2
AP
R1
R
R
R
R
R1...R3 10k
б)
а)
R1...R4
1k
+VRTC
(+3.3V)
S1
(DIP x 4)
1
2
3
4
8
7
6
5
"0/1"
"0/1"
"0/1"
"0/1"
AP
+3.3V
D
D
D
D
в)
Рис. 3.9. Схемы управления загрузкой ОС (начало):
а) логическими уровнями на трёх входах АР задаётся источник загрузки ОС через бутлоудер,
например с Flash-ПЗУ, с карты памяти, от компьютера через канал USB. Внутри АР находятся
«pull-down» резисторы сопротивлением 55…390 кОм. Переключателем S1 к ним подключаются
резисторы R1, R2, после чего на входах АР вместо НИЗКИХ устанавливаются ВЫСОКИЕ уровни. Резистор R3 задаёт постоянный ВЫСОКИЙ уровень. Это связано с тем, что конкретный АР
допускает до восьми источников загрузки, но в данной схеме не все из них используются;
б) аналогично Рис. 3.9, а, но с удвоенным количеством контактов переключателя S1, с противоположными активными уровнями и «pull-up» резисторами на входах АР;
в) аналогично Рис. 3.9, а, но с другим переключателем S1. Нижние два сигнала формируются
от напряжения +VRTC, которое не исчезает при пропадании питания в цепи +3.3V;
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
+3.3V
R1
100k
R3
100k
R5
1
"0/1"
XT2
R2
10k
R4
10k
AP
XT1
5
2
3
R2
R3
R7
R4 100
R13
6
6
4
+3.3V
R1...R6, R8...R13
100k
R1
"0/1"
R12
R6
11
7
8
R8
R9
9
12
10
1
R10
AP
112
R11
S1
12
д)
г)
Рис. 3.9. Схемы управления загрузкой ОС (окончание):
г) установка режимов загрузки производится съёмными джамперами XT1, XT2;
д) двоичные уровни в объединённом 12-разрядном регистре режимов АР формируются резисторами R1…R13 (110000x10001). Кнопка S1 активирует режим загрузчика, устанавливая в
шестом разряде регистра режимов НИЗКИЙ уровень (x = 0) вместо ВЫСОКОГО уровня (x = 1)
3.7. Идентификация изделия
В сфере защиты авторских прав изготовители могут использовать нестандартные приёмы. В частности, если аппаратным способом «отмаркировать» страну и
дату изготовления, вариант печатной платы, версию ПО, начальные режимы, то
появляется шанс отклонить претензию к продукции при их несоответствии.
В простейшем случае идентификация может быть пассивной (Рис. 3.10, а, б).
R3
R5
R1, R3,
R5, R7 10k
R7
+1.8V
+3.3V
R2
0
"0"
R4
R2, R4,
R6, R8 1k
R6
"1"
"0"
"1"
"1"
"0"
R8
а)
"0"
"0"
AP
R2
R3
0
R1
10k
R4
10k
AP
R1
б)
Рис. 3.10. Схемы пассивной идентификации изделий:
а) резисторами R1…R8 задаётся один из 16 режимов работы SBC. Для этого запаиваются четыре резистора, по одному в парах R1-R2, R3-R4, R5-R6, R7-R8. Если в секретную область ПЗУ
записывать все изменения уровней на четырёх входах АР, то можно будет установить факт несанкционированного изменения настроек при эксплуатации. Варианты: R1…R8 = 10k;
б) аналогично Рис. 3.10, а, но с питанием +3.3 В и применением «нулевых» SMD-резисторов
R2, R3, которые формируют ВЫСОКИЕ уровни на входах АР
113
3.7. Идентификация изделия
Более сложной является активная идентификация изделия, которая выполняется с применением специализированных микросхем (Рис. 3.11, а…г). Уникальный код, который хранится у них внутри, может, кроме всего прочего, выступать
идентификатором конкретного экземпляра SBC с отметкой в паспорте изделия.
GND
3
SDA
SDA
GND
в)
In Out
Wi Fi
+3.3V
DS1 24LC32A
5
2
WP
GND
EEPROM (32K)
SDA
5
К портам AP
SCL
6
I2C
GND
SECURE
4
8
3
R2 R3
1.5k 1.5k
R1
10k
+3.3V
VCC
1
б)
а)
DS1
ATECC608A
R1
4.7k
AP
AP
1
SCL
2
VCC
SCL
SDA
4
AP
A0
VCC
1
3
I2C
2
6
VCC
+3.3V
DS1
ATSHA204A STUCZ T
+3.3V
SECURE
4
A1
R1 R2
2k 2k
I2C
5
EEPROM (2K)
DS1
24AA025E48T I/OT
г
Рис. 3.11. Схемы активной идентификации изделий:
а) DS1 — это микросхема памяти EEPROM в корпусе SOT-23/6, подключаемая к АР через
интерфейс I2C. В этой микросхеме имеется область, в которую на заводе-изготовителе заносится
уникальный 48-битный двоичный код (не путать с кодом Chip ID, определяющим назначение
микросхемы). В эксплуатации его изменить нельзя, поэтому микросхема DS1, кроме выполнения своей прямой функции, может выступать идентификатором SBC, в который она установлена. Варианты: ВЫСОКИЕ уровни на входах DS1:4 и (или) DS1:5;
б) DS1 — это крипточип для безопасного подключения к общедоступным и частным облачным сервисам, а также для аутентификации и защиты конфиденциальных данных при связи
между устройствами. Внутри чипа DS1 находится защищённая область памяти с уникальным
72-битным ключом, подтверждающим подлинность микросхемы. Имеется встроенный генератор случайных чисел, а также область памяти EEPROM для хранения паролей и ключей. Связь
с АР производится по однопроводному интерфейсу, аналогичному 1-Wire. Варианты: DS1 = любой чип с интерфейсом 1-Wire, имеющий внутри заводской ключ идентификации;
в) аналогично Рис. 3.11, б, но с другим крипточипом DS1 и двухпроводной шиной I2C.
Чип DS1 предназначен для прохождения аутентификации в облачных сервисах интернета вещей таких как Amazon AWS IoT, Google Cloud IoT, по принципу «одно устройство — несколько
аккаунтов» [3-6]. В памяти чипа есть защищённая область ПЗУ (OTP), информацию из которой можно использовать в качестве идентификатора конкретного экземпляра SBC. Варианты:
DS1 = ECC608-TFLXWPC;
г) уникальный идентификационный код может храниться в обычной малогабаритной пятивыводной микросхеме памяти DS1, которая поддерживает интерфейс I2C. Резистор R1 соединяется с цепью питания, запрещая запись и изменение ячеек памяти при эксплуатации
114
Глава 3. Схемы узлов управления и тактирования
3.8. Восстановление ОС и заводских настроек
Как известно, в современных смартфонах и планшетах предусматривается секретное меню «Recovery Mode» (режим восстановления). Вызывается оно определённой комбинацией нажатия клавиш [3-7]. С помощью режима восстановления
можно сбросить настройки до заводских, сделать резервное копирование данных
или загрузить (восстановить) ОС.
В некоторых SBC тоже имеется возможность восстановления ОС и заводских
настроек. Для этого используется специальный вход АР под названием Recovery
(рус. восстановление), к которому подключается тактовая кнопка. В разных АР
этот вход может называться по-разному, что не меняет смысл.
Принцип работы. Сразу после подачи на SBC питания начинает исполняться
встроенная в АР программа бутлоудера из области BROM (Boot ROM). Она зашита производителем АР, изменить её невозможно.
В бутлоудере сначала опрашивается вывод АР, к которому подключается кнопка «RECOVERY». Если кнопка нажата, то в простейшем случае происходит переход в режим ожидания обновления прошивки от компьютера через USB. Более
продвинутые SBC позволяют формировать на дисплее экранное меню по аналогии со смартфонами и разрешают выбирать требуемое действие.
Если кнопка «RECOVERY» (Рис. 3.8, а, б) не нажата при включении питания,
то бутлоудер ищет загрузочный раздел ОС, по порядку, на карте памяти microSD,
затем на eMMC, чипе NAND Flash и т. д. Если нигде ничего не найдено, то программа переходит в режим обновления прошивки от компьютера через USB или
через беспроводной интерфейс «по воздуху».
SB1
"RECOVERY"
а)
R2
10k
VD1 (TVS)
ESD5451N
R1 22
SB1
"RECOVERY"
C1
0.1
RECOVERY
+1.8V
AP
R1
10k
AP RECOVERY
+3.3V
б)
Рис. 3.8. Схемы узлов восстановления заводских настроек:
а) простая схема подключения к АР кнопки восстановления системы SB1. Варианты:
SB1 = джампер, R1 = NC (это возможно, например, для АР Allwinner-A20, внутри которого на
входе BOOTSEL, который является аналогом входа RECOVERY, имеется «pull-up» резистор);
б) резистор R2 служит нагрузкой «pull-up» для входа АР. ФНЧ на элементах R1, C1 осуществляет фильтрацию помех, супрессор VD1 защищает от воздействия ESD. Варианты: R1 = 10,
C1 = 1000
Список использованных источников и литературы к главе 3
115
Список использованных источников и литературы к главе 3
3-1. Allwinner H3. Datasheet, Version 1.2 [Электронный ресурс] // Allwinner Technology,
2015. — Режим доступа: https://linux-sunxi.org/images/4/4b/Allwinner_H3_Datasheet_
V1.2.pdf (англ.). — 15.01.2022.
3-2. Dynamic power management techniques for multimedia processors [Электронный ресурс] // EDN, 2008. — Режим доступа: https://www.edn.com/dynamic-power-management-techniques-for-multimedia-processors/ (англ.). — 15.01.2022.
3-3. Рюмик, С. Ответы на викторину «Тактирование микроконтроллеров» / Сергей Рюмик. // Радио. — 2018. — № 7. — С. 63–64.
3-4. Нечаева, Н. Радиочастотные элементы на основе компонентов микросистемной
техники / Надежда Нечаева. // Радио. — 2012. — № 12. — С. 10–11.
3-5. Загрузка ОС на ARM [Электронный ресурс] // «vlk77», 2017. — Режим доступа:
https://habr.com/ru/companies/aladdinrd/articles/338806/. — 15.01.2022.
3-6. ATECC608A. Microchip CryptoAuthentication Device [Электронный ресурс] //
Microchip, 2021. — Режим доступа: https://ww1.microchip.com/downloads/en/
DeviceDoc/40001977A.pdf (англ.). — 15.01.2022.
3-7. Как войти в Recovery Mode на Android и зачем это нужно [Электронный ресурс] //
Стас Лавренюк, 2018. — Режим доступа: https://lifehacker.ru/recovery-modeandroid/. — 15.01.2022.
Глава
4
СХЕМЫ ПОДАЧИ питания
В любой загадке таится энергия.
И тот, кто ищет ответ, этой энергией питается.
(Джон Фаулз)
4.1. «Дерево питания» процессорной системы
Схемы питания МК и AP значительно отличаются друг от друга.
Для простых отладочных плат, содержащих МК, достаточно, как правило, одного стабилизированного источника питания с напряжением 3.3 или 5 В. Бывает, что
используются сразу два канала — и на 3.3, и на 5 В. Первый из них запитывает периферийные устройства, а второй — МК, или наоборот. Два стабилизированных
напряжения также нужны для работы современных МК, которые внутри содержат
низковольтное процессорное ядро и более высоковольтные периферийные буферы. В любом случае в такой системе головным будет канал с напряжением 5 В, от
которого понижающим стабилизатором получается напряжение 3.3 В.
Диапазон напряжений 1.8…3.6 В встречается при батарейном (аккумуляторном) питании МК. В таком случае применяются или понижающий линейный
стабилизатор, или повышающий импульсный конвертор. Главное, чтобы их выходное напряжение «не плавало» при снижении ёмкости батареи.
Платы на основе высокопроизводительных AP более критичные к подсистеме
питания. Для них требуется не один-два канала, а гораздо большее их количество.
Каждый канал питания должен быть рассчитан на свою нагрузку, поэтому в документации приводится не только напряжение, но и расчётный ток потребления.
Примеры записи — 3.3V/1.5A, 3.3V@1.5A, 3.3 В@1.5 А, что одинаково по смыслу.
Особенностью системы питания АР являются каналы с пониженным до
0.8…1.8 В напряжением. Они программно изменяемые и обеспечивают оптимальную работу процессорного ядра AP и микросхем памяти. Для питания интерфейсов и внешней периферии используются источники 3.3 В (чаще) и 5 В (реже).
В АР применяется архитектура распределённого питания, когда от входного
источника путем понижения напряжения DC/DC-преобразователями формируется достаточно мощная промежуточная шина, от которой уже запитываются отдельные маломощные источники, обслуживающие конкретные нагрузки.
В АР стабилизация напряжений производится не только аналоговыми микросхемами LDO и импульсными DC/DC-преобразователями, но и контроллерами
питания PMIC (Power Management Integrated Circuit). Их применение позволяет
сократить число ЭРИ на печатной плате и обойтись одним теплоотводом.
Иногда контроллер питания входит прямо в состав АР, но тогда его правильнее
называть не PMIC, а PMU (Power Management Unit).
4.1. «Дерево питания» процессорной системы
117
PMIC может иметь цепи для подключения внешнего аккумулятора, а также систему его зарядки от USB или от сетевого источника питания. Аккумулятор (батарея) используется как для автономных изделий, так и для стационарных устройств
в качестве резервного «бесперебойника».
В некоторых PMIC применяется технология многофазного питания [4-1], при
этом выходные импульсные последовательности ШИМ-контроллера разбиваются на несколько каналов со сдвигом фазы между ними. Это позволяет снизить
пульсации выходного напряжения, а также более равномерно распределить потребление тока, нивелируя пиковые нагрузки при разных режимах работы.
В даташитах SBC на первых листах структурных и электрических схем обычно
приводится так называемое «дерево питания». Это графический рисунок взаимосвязей между стабилизаторами напряжения в виде блок-схемы.
На Рис. 4.1, а…ж показаны базовые топологии «деревьев питания» SBC в обобщённом виде.
LDO
LDO(1)
DC/DC
DC(1)
DC/DC
DC(n)
PWR�IN
PWR�IN
LDO
LDO(n)
PWR�OUT
PWR�OUT
а)
б)
PWR IN
DC/DC
DC(1)
DC/DC
DC(n)
LDO
LDO(1)
LDO
LDO(m)
PWR OUT
в)
Рис. 4.1. Базовые конфигурации «деревьев питания» SBC (начало):
а) простая схема, больше характерная для питания отладочных плат с МК, когда от входного
напряжения PWR-IN формируются выходные напряжения LDO(1)…LDO(n) с помощью микросхем линейных стабилизаторов LDO. Здесь и далее выходное напряжение PWR-OUT поступает
на внешний разъём SBC и (или) используется для нужд системных интерфейсов;
б) от входного напряжения PWR-IN формируются выходные напряжения DC(1)…DC(n) с помощью импульсных (ключевых) DC/DC-преобразователей. Здесь и далее преобразователи напряжения могут быть как одно-, так и многоканальными;
в) комбинированное применение линейных и импульсных стабилизаторов напряжения.
Каждый канал запитывается непосредственно от входного напряжения PWR-IN;
118
Глава 4. Схемы подачи питания
DC/DC
DC(1)
LDO
LDO(1)
DC/DC
DC(n)
LDO
LDO(m)
PWR�IN
PWR�OUT
г)
DC/DC
DC(1)
DC/DC
DC/DC(n+1)
DC/DC
DC(n)
DC/DC
DC/DC(p)
DC/DC
DC(n+1)
DC(p)
PWR�IN
PWR�OUT
д)
DC/DC
DC(1)
DC/DC
DC/DC
DC(n)
LDO
LDO(1)
LDO
LDO(m)
PWR�IN
PWR�OUT
е)
PWR IN
DC/DC
DC(1)
DC/DC
DC(n+1)
DC/DC
DC(n)
DC/DC
DC(p)
LDO
LDO(1)
LDO
LDO(m+1)
LDO
LDO(m)
LDO
LDO(s)
PWR OUT
ж)
Рис. 4.1. Базовые конфигурации «деревьев питания» SBC (окончание):
г) двухступенчатая система питания с импульсными и линейными стабилизаторами;
д) двухступенчатая система питания с импульсными DC/DC-преобразователями;
е) многоступенчатая система с мощными первичными источниками питания DC(1)…DC(n);
ж) многоступенчатая комбинированная система питания
4.1. «Дерево питания» процессорной системы
119
На Рис. 4.2, а…д показаны практические иллюстрации к структурным схемам
«деревьев питания», которые встречаются в SBC разной степени сложности и разных фирм-изготовителей.
3.3V
5V�IN
DC/DC
PAM2306A
1.8V
3.3V (CAMERA)
1.8V (Core AP)
5V (HDMI)
а)
5V@2A
DC/DC
RT9050 33GB
5V@2A
3.3V@0.3A
DC/DC
SY8008B
1.2V@A
DC/DC
SY8089A
1.2V@2A
DC/DC
SY8106A
1.25V@3A
SPDIF,
USB,
HDMI
2.4...3.6V
BATTERY_3V
RTC
AVCC
DRAM
12V�IN
"9...15V
@0.5A"
DC/DC
TLV62130
3.8V
3.8V
LTE
DC/DC
SY8008B
5V
5V
HDMI
SYS
CPUX
3.3V@0.8A
LDO
GPIO
AMS1117T33
DC/DC
B0505
+5V
–5V
LDO
RT9018
3.3V
3.3V
GPIO
LDO
RT9013
1.8V
1.8V
AUDIO
3.3V@0.8A
LDO
Wi Fi
AMS1117T33
LDO
µP0107BMA5
3.3V@0.3A
RTC
в)
б)
Рис. 4.2. Практические схемы реализации «деревьев питания» (начало):
а) иллюстрация к Рис. 4.1, б. Микросхема двухканального понижающего DC/DC-преобразователя PAM2306A формирует напряжение 3.3 В для подключения цифровой камеры, а также
напряжение 1.8 В для питания АР. Основное напряжение 5 В подаётся в канал HDMI;
б) иллюстрация к Рис. 4.1, в. Для каждого канала питания указаны «крейсерские» токи нагрузки. В каких каналах использовать линейные, а в каких импульсные стабилизаторы,чёткого
разделения не существует. При выборе типа стабилизатора учитываются разные факторы, в том
числе допустимые пульсации выходного напряжения, шумовые характеристики, габаритные
размеры и т. д.;
в) иллюстрация к Рис. 4.1, е. Особенностями являются: трёхступенчатая схема организации
питания, изолированный выходной канал с напряжениями ±5 В, а также батарейное питание
BATTERY_3V для цепи RTC (часы реального времени АР);
Глава 4. Схемы подачи питания
RK808 (PMIC)
DC/DC 5.1V
SY8113B
12V IN
USB
BUCK1
BUCK2
@1.2A
DC/DC 5.1V
SY8113B
IN
BUCK3
BUCK4
DC/DC 3.3V
SY8089A
LDO2
5.1V
LDO3
DC/DC
SY8089A
FAN,
HDMI
3.3V
SOC
LDO4
LDO6
LDO7
3.3V
LDO
RT9013
3V
LDO
TT2102
0.9V
LDO8
SD
0.7...1.5V@5A
0.7...1.5V@5A
1.0...1.8V@2.5A
1.8...3.3V@2A
1.8...3.4V@0.15A
0.8...2.5V@0.1A
1.8...3.4V@0.15A
0.8...2.5V@0.15A
0.8...2.5V@0.3A
1.8...3.4V@0.3A
5V@2A
AP,
SYS
LDO
RT9013
1.8V
AP,
SYS
RTC
SOC
AP
DRAM
SYS
HDMI
PLL
SDIO
PST
MIPI
API
CPU
5V@2A
EFUSE
120
GPU
3V
+
G1
г)
AXP805 (PMIC)
VINT
DC/DC�A
5V
DC/DC�B
VIN
DC/DC�C
DC/DC�D
DC/DC�E
A�LDO1
VIN�A
A�LDO2
A�LDO3
B�LDO1
VIN�B
B�LDO2
B�LDO3
C�LDO1
VIN�C
C�LDO2
C�LDO3
1.8V@0.1A
1.8V�RTC
1...1.52V@2.5A
1...1.52V@2.5A
0.6....1.52V@2.5A
0.6...3.3V@1.5A
0.6...3.3V@1.5A
0.7...3.3V@0.3A
0.7...3.3V@0.3A
0.7...3.3V@0.3A
0.7...1.9V@0.4A
0.7...1.9V@0.3A
0.7...1.9V@0.2A
0.7....3.3V@0.4A
0.7....3.3V@0.3A
0.7....3.3V@0.2A
0.9V�CPU
0.9V�GPU
0.9V�SYS
1.5V�DDR3
3.3V�Wi�Fi
3.3V�AVCC
3.3V�GPIO
1.8V�BIAS
1.8V�Interface
1.8V�PM
3.3V�eMMC
3.3V�Wi�Fi(2)
3.3V�Wi�Fi(3)
д)
Рис. 4.2. Практические схемы реализации «деревьев питания (окончание):
г) иллюстрация к Рис. 4.1, е. Трёхступенчатая стабилизация с контроллером питания PMIC;
д) иллюстрация к Рис. 4.1, в. Все стабилизаторы находятся внутри контроллера питания
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO
121
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO
4.2.1. Общие сведения
Микросхемы линейных стабилизаторов с низким падением напряжения LDO
(Low DropOut) широко применяются в подсистеме питания SBC (Рис. 4.3, а, б).
В большинстве своём они стабилизируют положительное напряжение.
DA1 (LDO)
DA1 (LDO)
+VIN
IN
OUT
+VOUT
+VIN
+VDD
CS
+VHIGH
GND
а)
IN
OUT
VDD
PG
CAP
EN / CE
BIAS
ADJ
BYP
SENSE
GND; K
+VOUT
P GOOD
NC
б)
Рис. 4.3. Обобщённые схемы LDO: а) минимальная; б) расширенная
Расшифровка названий:
• ADJ (FB, FEED_BACK) — регулировка выходного напряжения +VOUT;
• BIAS — вход внешнего, относительно высокого напряжения +VHIGH;
• BYP (BP, BYPASS, NR) — подключение конденсатора, снижающего шумы;
• CAP — подключение выходного конденсатора к цепи OUT;
• CE — вход разрешения работы, ВЫСОКИЙ/НИЗКИЙ активные уровни;
• EN (SHTD) — вход разрешения работы, ВЫСОКИЙ активный уровень;
• GND — общий провод, «земля», «минус»;
• IN (VIN) — входное напряжение, должно быть больше, чем +VOUT;
• K (EP, Power_Pad) — подложка корпуса или теплоотвод микросхемы LDO;
• NC — свободный вывод, не используется;
• OUT (VOUT) — выходное напряжение, фиксированное или переменное;
• PG (POWER_GOOD) — выход, свидетельствующий о нормальной работе;
• SENSE — доступ к внутреннему резистивному делителю;
• VDD — цепь питания узлов контроля и плавного выхода на режим.
В скобках приводятся альтернативные названия. Они отличаются у разных
фирм-изготовителей [4-2], что означает отсутствие стандартизации. С одной стороны, выполняемые функции в микросхемах LDO похожие, но с другой — названия сигналов, корпуса микросхем и цоколёвка выводов разные.
4.2.2. Входные и выходные цепи
Как известно, в минимальном варианте для полноценной работы LDO достаточно всего лишь трёх выводов: VIN (вход), VOUT (выход), GND (общий провод).
122
Глава 4. Схемы подачи питания
По входу и выходу микросхем LDO ставят один или несколько конденсаторов
фильтра (Рис. 4.4, а, б). Зачем? Для повышения динамической устойчивости, блокировки самовозбуждения, а также снижения пульсаций напряжения.
К слову сказать, некоторые новые LDO допускают работу вообще без входных
и (или) выходных конденсаторов, но на практике их всё же устанавливают, руководствуясь принципом: «Кашу маслом не испортишь».
Интересное наблюдение: в современных SBC в цепях питания почти не встречаются полярные электролитические конденсаторы большой ёмкости. На смену им пришли керамические SMD-конденсаторы, которые лучше по частотным
свойствам, токам утечки, импульсным перегрузкам. Технологические достижения
последнего времени позволяют изготавливать их в микроминиатюрных корпусах
0402…1210, несмотря на внушительные ёмкости 10…330 мкФ.
DA1 (LDO)
+5V
IN
OUT
DA1 (LDO)
+3.3V
C2
10.0
C1
10.0
GND
а)
+3.3V
IN1
OUT
IN2
OUT
+1.2V
C2
0.1
C1
1.0
GND
K
б)
Рис. 4.4. Схемы входных и выходных цепей LDO:
а) микросхема DA1 стабилизатора LDO в простейшем случае имеет трёхвыводной корпус
SOT-23. Нумерация выводов DA1 не унифицирована, более того, в одном семействе могут быть
микросхемы с различной цоколёвкой. Делается это в первую очередь для удобства разводки печатных плат. Входное напряжение IN должно превышать выходное напряжение OUT больше,
чем на 0.05…0.25 В. Это обобщённая оценка для всех стабилизаторов LDO, но в SBC данное
требование обычно выполняется с запасом. Рекомендуемые ёмкости конденсаторов C1, C2 указываются в даташитах LDO. Устанавливаться они должны как можно ближе к выводам IN, GND
и OUT, GND. Конденсаторов на входе и выходе может быть несколько, паралельно включённых.
На плате они размещаются вблизи от микросхем и нагрузок, потребляющих большие токи;
б) некоторые микросхемы LDO имеют не один, а два и более вывода для входа IN и для выхода OUT. Называться они могут как одинаково (OUT, OUT), так и по-разному (IN1, IN2). Суть
от этого не меняется: чтобы использовать весь потенциал стабилизатора LDO, надо соединять
между собой все одноимённые силовые цепи. Если при разводке печатной платы этого сделать
нельзя, то дублирующие выводы оставляют свободными. Минус такого решения — пропорциональное снижение предельных токов нагрузки
4.2.3. Управление сигналом EN
Если в стабилизаторе LDO присутствует вывод EN, разрешающий формирование выходного напряжения, то нелишним будет уточнить, имеется ли внутри
микросхемы LDO подтягивающий резистор. Если имеется, то какой именно,
«pull-up» или «pull-down» (Рис. 4.5, а…е).
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO
DA1 (LDO)
+5V
DA1 (LDO)
+5V
IN
DA1 (LDO)
+5V
IN
EN
IN
R1
0
EN (pull�up)
GND
EN (pull down)
GND
GND
а)
в)
б)
DA1 (LDO)
+5V
+1.8V
DA1 (LDO)
4
R1
10k
3
EN
GND
DD1 SN74LVC1G06DBVR
+3.3V
+5V
IN
5
ON/OFF 2 1
123
ON/OFF 2
5
1
4
IN
R1
100k
3
EN
GND
DD1 SN74LVC1G04DBVR
д)
г)
DA1 (LDO)
+5V
IN
XS1
EN
R1
10k
Рис. 4.5. Схемы управления
сигналом EN:
GND
е)
а) прямое соединение выводов DA1:IN, DA1:EN обеспечивает постоянно ВЫСОКИЙ уровень на входе разрешения EN, а значит, постоянное включение стабилизатора LDO DA1;
б) если на входе EN имеется внутренний «pull-up» резистор, то вывод микросхемы допускается оставлять «висящим в воздухе», при этом стабилизатор LDO будет постоянно включённый;
в) «нулевой» резистор R1 полезен, если внутри LDO имеется «pull-down» резистор. При отсутствии R1 стабилизатор выключается, на входе EN формируется НИЗКИЙ уровень. Сопротивление внутреннего «pull-down» резистора, например в микросхеме AP2112, составляет 3 МОм;
г) DD1 — это КМОП-инвертор с открытым стоком, поэтому наличие нагрузочного резистора
R1 для него обязательно (конечно, если внутри стабилизатора DA1 нет «pull-up» резистора);
д) DD1 — это обычный КМОП-инвертор. Ограничительный резистор R1 нужен, если питание микросхемы DD1 (+5 В) больше, чем входное напряжение IN (+3.3 В);
е) в исходном состоянии стабилизатор LDO выключен НИЗКИМ уровнем на входе EN. При
подаче через разъём XS1 ВЫСОКОГО уровня стабилизатор автоматически включается
4.2.4. Управление сигналом CE
Сигнал CE выполняет такую же функцию, как и EN, но в зависимости от модификации микросхемы он может иметь НИЗКИЙ или ВЫСОКИЙ активный уровни. Модификация обычно завуалирована в конечной букве названия LDO.
124
Глава 4. Схемы подачи питания
Пример — стабилизаторы TCS2108A…TCS2108D имеют разную полярность
управляющих сигналов CE и наличие/отсутствие внутренних резисторов, что позволяет более гибко конструировать аппаратуру (Рис. 4.6, а…г).
DA1 (LDO)
TCS2108A
+5V
DA1 (LDO)
TCS2108B
+5V
DA1 (LDO)
TCS2108C
DA1 (LDO)
TCS2108D
+5V
+5V
IN
IN
IN
CE (pull down)
CE
CE (pull up)
GND
GND
а)
б)
IN
CE
GND
GND
в)
г)
Рис. 4.6. Схемы управления сигналом CE:
а) активный ВЫСОКИЙ уровень, при отключённом входе CE LDO выключается;
б) активный ВЫСОКИЙ уровень, при НИЗКОМ уровне на входе CE LDO выключается;
в) активный НИЗКИЙ уровень, при отключённом входе CE LDO выключается;
г) активный НИЗКИЙ уровень, при ВЫСОКОМ уровне на входе CE LDO выключается
4.2.5. Вспомогательные выводы
Одновременное присутствие всех вспомогательных сигналов, перечисленных
на Рис. 4.3, б, в конкретном стабилизаторе LDO маловероятно. Микросхемы стабилизаторов, как правило, имеют компактный корпус с относительно небольшим
количеством выводов. Если задействуются вспомогательные (дополнительные,
неосновные) функции LDO, то разработчик должен чётко понимать, зачем это
нужно. В качестве подсказок на Рис. 4.7, а…е приведены типовые примеры.
DA1 (LDO)
DA1 (LDO)
+3.3V
OUT
+0.95V
IN
OUT
+0.8V
SENSE
C1
10.0
GND
а)
+3.3V
C1
0.47
BIAS
GND
б)
Рис. 4.7. Схемы подключения вспомогательных выводов LDO (начало):
а) вывод SENSE внутри стабилизатора DA1 подключается к резистивному делителю напряжения, который регулирует выходное напряжение +3.3 В. Чтобы снизить влияние помех и не
нарушить заводскую юстировку отношения сопротивлений, соединительный проводник от вывода SENSE по топологии должен подключаться непосредственно к конденсатору фильтра C1;
б) на вывод BIAS подаётся повышенное (по сравнению с входным на выводе IN) постоянное
напряжение +3.3 В. Допуск +2.4…5.5 В. Это нужно для нормальной работы внутреннего ИОН
стабилизатора LDO DA1. Пример микросхемы с выводом BIAS — TPS7A14 фирмы TI;
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO
DA1 (LDO)
+3.3V
EN
OUT
IN
DA1 (LDO)
+3.3V
+1.8V
IN
+1.5V
OUT
C2
10.0
EN
BYP
GND
CAP
C1
0.01
г)
DA1 (LDO)
DA1 (LDO)
IN
OUT
C1
1.0
GND
в)
+3.3V
125
+3.3V
+1.8V
IN
OUT
R1
10k
R1
10k
PG
GND
+1.8V
AP
д)
PG
GND
AP
е)
Рис. 4.7. Схемы подключения вспомогательных выводов LDO (окончание):
в) «байпасный» конденсатор C1 снижает уровень шумов выходного напряжения OUT в звуковом диапазоне частот до 20 кГц. Внутри LDO он подключается к внутреннему ИОН. Применение конденсатора «bypass» актуально, если от LDO запитываются звуковые тракты АР и аудиокодеков, входящих в SBC. Чем больше ёмкость конденсатора C1, тем лучше фильтрация, но тем
больше задержка времени включения стабилизатора DA1 сигналом разрешения EN;
г) конденсатор фильтра C1, подключаемый к выводу CAP, нужно отличать от конденсатора
шумоподавления, который подключается к выводу BYP на Рис. 4.7, в. Внутри микросхемы DA1
выводы OUT и CAP соединяются вместе. Получается «развилка» — конденсатор C1 подавляет
самовозбуждение стабилизатора, а конденсатор C2 обеспечивает низкие пульсации выходного
напряжения. Соответственно, конденсатор C1 размещается максимально близко от микросхемы
DA1, а выходной конденсатор C2 может находиться на некотором удалении от неё. Пример микросхемы с выводом CAP — LP3992 фирмы TI [4-3] (но не LP3992 фирмы LowPowerSemi [4-4]!);
д) вывод PG является выходом с открытым стоком. Подключение резистора R1 к цепи IN
гарантирует повышенный до +3.3 В уровень сигнала «Норма». При аварии — около 0 В;
е) аналогично Рис. 4.7, д, но с подключением нагрузочного резистора R1 к цепи OUT, т. е. к
более низкому напряжению +1.8 В. Сигнал аварии LDO на выходе PG имеет НИЗКИЙ уровень
4.2.6. Практические схемы применения LDO
Микросхемы LDO в SBC ставятся в цепях вторичной стабилизации напряжения. Под первичной стабилизацией в распределённой системе подразумевается
основной мощный импульсный (ключевой) DC/DC-преобразователь, на вход которого поступает внешнее питание.
Стабилизаторы LDO образуют автономные каналы, через которые питание
раздаётся по разным направлениям в разные узлы системы. Таким способом каналы физически изолируются друг от друга, при этом снижается нагрузка по току
и повышается помехоустойчивость (Рис. 4.8, а…е).
126
Глава 4. Схемы подачи питания
+3.3V
DA1 TS9011AC
3
2
+1.5V
+3.3V
IN OUT
1
C2 0.1
C1
22.0
C2
22.0
ADJ
1
C3 10.0
R1
120
б)
а)
+3V
DA1
TS9011P
3
2
+5V
DA2
MIC5319 3.3YML
R1
4.7k
3
1
IN OUT
C1
22.0
+1.25V
IN OUT
R1
2k
GND
C1
10.0
DA1
AMS1117
3
2
VD1
1N4007
IN
OUT
EN
BYP
GND
GND
1
2
C2
1.0
C3
10.0
+3.3V
4
6
C4
1.0
C5
0.1
C6
10.0
в)
DA1
TT2102
+1.8V(2)
+1.8V(1)
1
R1
47k
C1
4.7
R2
120k
3
IN
OUT
SHDN
FB
GND
2
+0.9V
5
4
R3
12k
R4
82k
C2
4.7
C3
0.1
г)
Рис. 4.8. Практические схемы применения LDO (начало):
а) DA1 — это стабилизатор фиксированного напряжения +1.5 В. Резистор R1 создаёт начальную нагрузку по току для микросхемы DA1 и ускоряет разряд конденсатора C3. Варианты:
DA1 = TS9011DC (на выходе +1.8 B) = NCP1117DT33G (на входе +5 В, на выходе +3.3 В);
б) микросхема DA1 отличается по внутреннему строению от обычных стабилизаторов LDO.
Это интегральный регулируемый стабилизатор с «плавающими» (по отношению к общему проводу) выводами, аналог известной микросхемы LM317, но с более низким падением напряжения. Включается нестандартно, по схеме с «нулевым» регулированием, когда вывод ADJ соединяется с общим проводом GND. В этом случае выходное напряжение OUT становится равным
напряжению внутреннего ИОН +1.25 B. Резистор R1 определяет начальную нагрузку по току;
в) после подачи напряжения +5 В первым появляется напряжение в цепи +3V, затем с задержкой по времени появляется напряжение в цепи +3.3V. Длительность задержки определяется
цепочкой R1, C4 и составляет примерно 0.1 с. Если стабилизатор DA1 неисправный или у него
сработает защита по току, то на выводе DA2:1 установится НИЗКИЙ уровень, блокирующий стабилизатор DA2. Варианты: DA1 (разные стабилизаторы), DA2 (стабилизатор с входом EN);
г) особенность: два разных источника напряжения 1.8 В. Основным является канал питания
+1.8V(1). Вспомогательный канал +1.8V(2) активирует стабилизатор DA1 по входу SHDN;
4.2. Стабилизаторы напряжения LDO
DA2 NCP606
1
4
VIN1 VOUT
6
C7
R6
12.1k 22
127
+1.8V
VIN2
R3
4.7k
3
C4
0.1
C1
+3.3V 10.0
C2
0.1
VOUT
VDD
R2
10k
EN
R4
6.04k
6
+1.0V
1
PG
ADJ
GND
C8
10.0
R7
27.4k
2
3
VIN
4
2
5
GND
DA1
APL5933
+5V R1 4.7k
ADJ
EN
C5
150
7
C6
22.0
R5
23.7k
8
C3
0.1
д)
+5V
VIN
4
C1
22.0
NC
ADJ
2
EN
R4 C2
47k 0.01
+3.3V@3A
VOUT
VDD
PGOOD
R1
100k
R3
100k
GND
+3.3V
(CPU)
5
1
7
8
R2 1k
R5
15k
C3
22.0
AP
DA1
RT9018A 18GSP
3
6
е)
Рис. 4.8. Практические схемы применения LDO (окончание):
д) зависимое включение двух выходных каналов, выполненных на LDO DA1, DA2. Условие
проверки: напряжение +1.8 В не может появиться на выходе, если напряжение +1.0 В отсутствует. Особенность: для включения стабилизатора DA1 используется напряжение питания +5 В
через делитель на резисторах R1, R2, а для включения стабилизатора DA2 — логический сигнал
PG (Power Good) ВЫСОКОГО уровня, который вырабатывается на выводе DA1:1 в случае нормы
допуска напряжения в канале +1.0 В;
е) DA1 — это универсальный стабилизатор, который теоретически может работать в двух режимах. Во-первых, в режиме фиксированного выходного напряжения (для этого должны быть
закорочены выводы DA1:7 и DA1:8, в данной схеме не используется). Во-вторых, в режиме «плавающего» выходного напряжения, когда его номинальный уровень +3.3 В определяют резисторы R4, R5. Сигналом НИЗКОГО уровня с выхода АР стабилизатор DA1 отключается (вход EN).
ВЫСОКИЙ уровень сигнала PGOOD означает, что напряжение VOUT не падает ниже 90% от номинала 3.3 В. Варианты: DA1 = RT9035-18GQW, R1 = 4.7k, R2 = 0, R3 = 2.87k, R4 = 1k, C2 = NC
128
Глава 4. Схемы подачи питания
4.3. Резервное питание
SBC потенциально могут выполнять все основные функции смартфонов, а раз
так, то и питание у них допускается автономное, аккумуляторное. Этому способствует тот факт, что АР поддерживают несколько вариантов энергопотребления,
включая ждущий и спящий режимы.
Для организации пробуждения АР используется резервный канал питания, который обеспечивает функционирование контролирующих узлов. В канале резервного питания АР, по аналогии с материнскими платами ПК, задействуются малогабаритные аккумуляторы (Рис. 4.9, а…е). Кроме того, от источника резервного
питания может поступать питание на всю плату SBC (Рис. 4.9, д).
R1
100
+3.3V
VD1
+VBAT
VD2
DA1
XC6215B0927R
VD3
4
X1
G1
3V
C1
4.7
G1
3V
G1 MS621FE
3
C1
10.0
C2
1.0
GND
2
VD2, VD3 1PS79SB30
VD1 ESD5451N
а)
б)
VT1 AO7407
"+2.9V...+4.3V"
DA1
RT9073A 18G
4
+5V
G1
3V
OUT
IN
CE
VDD(RTC)
+0.9V
1
3
R1
100k
VD1
1N4148
C1
1.0
VIN VOUT
1
VDD(RTC)
+1.8V
EN
GND
2; 5
C2
1.0
в)
Рис. 4.9. Схемы резервного питания (начало):
а) миниатюрный дисковый литиевый аккумулятор G1 имеет размеры 6.8 x 2.1 мм и ёмкость
5.5 мА·ч. Он обеспечивает резервное питание канала RTC. Аккумулятор выдерживает 100 полных циклов зарядки при токе 15…250 мкА. Резистор R1 защищает его от КЗ в цепи +VBAT;
б) питание канала RTC (часы реального времени АР, напряжение 0.9 B) производится через
стабилизатор DA1 от двух источников: основного (+3.3 В) и резервного (+3 В). При установке
аккумулятора G1 в разъём X1 возможно касание руками, поэтому применяется супрессор VD1,
защищающий от ESD. Варианты: VD1 = NC, VD2 = VD3 = XBS104S14 = 1N5819;
в) при штатной работе канал RTC питается от основной цепи +5V через открытый диод VD1.
Если напряжение+5 В исчезнет, то автоматически подключается резервный аккумулятор G1.
Диод VD1 нужен, чтобы напряжение на истоке транзистора VT1 (+4.3 В) было больше, чем на
стоке (+3.0 В). Этим обеспечивается надёжное запирание диода, находящегося внутри транзистора VT1, чтобы через него не разряжался аккумулятор. Микросхема DA1 стабилизирует выходное напряжение +1.8 В при изменении входного напряжения в диапазоне +2.9…+4.3 В. Варианты: R1 = 10k, VD1 = RB521S30T1G = B5819WS, DA1 = XC6209E18AM = RT9193-18PU5;
4.3. Резервное питание
129
VD1 BAT54C
+5V
2
DA1
XC6215B1827R
1
3
4
3
G1
3V
(3.7V)
IN
OUT
1
VDD(RTC)
+1.8V
CE
GND
2
C1 4.7
C2 0.1
C3 0.1
г)
+VBAT(IN)
R1
39k
3
3.08V
VT1.1
"+3.7V"
VCC
RES
GND
R2
47k
VT1.2
R3 47
+VBAT(OUT)
R5
47k
R4 47
C2
1000
C1
1000
C3
10.0
1
VT2.1
VT2.2
VT1
DMP2160UFDB
1
DA1 APX809 31SAG 7
VT2 2N7002DW
д)
Рис. 4.9. Схемы резервного питания (окончание):
г) аналогично Рис. 4.9, б, но с запаянным аккумулятором G1 и для других напряжений;
д) супервизор DA1 постоянно отслеживает входное напряжение +VBAT(IN) от аккумулятора
+3.7 В. Как только оно станет ниже +3.08 В, на выводе DA1:1 устанавливается НИЗКИЙ уровень, которым закрываются четыре транзистора в сборках VT1, VT2. Особенность: транзисторы
VT1.1, VT1.2 включаются встречно друг к другу. Это позволяет надёжно отключить аккумулятор
при подаче в цепь +VBAT(OUT) внешнего питания, например от сетевого блока. При замене супервизора этот узел может контролировать и другие напряжения, отличные от +3.7 В
4.4. Понижающие DC/DC-преобразователи (5 В)
Напряжение +5 В является стандартным для внешнего питания многих SBC.
Поступает оно от блока питания «сетевая вилка». Далее формируются более низкие напряжения при помощи понижающих DC/DC-преобразователей типа «buck»
или «step-down» (Рис. 4.10, а…и). Их назначение заключается в организации локальных шин питания стандарта PoL (Point-of-Load) – это когда каждый преобразователь размещается в непосредственной близости от своей нагрузки [4-5].
Современные микросхемы, используемые в DC/DC-преобразователях, позволяют создавать малогабаритные источники питания с высоким КПД, с широким
диапазоном входных и выходных напряжений. Источники, которые легко поддаются фильтрации и не требуют тепоотвода даже при больших токах до 3 А.
130
Глава 4. Схемы подачи питания
R2 100k
DA1 AP3503F
+5V...+6V(IN)
C1
10.0
R1
13k
C2
0.1
2
VIN
6
COMP
8
SS
7
SW
1
5
FB
4
BS
EN
C4
0.1
3
L1
6.3µH@3A
C5
0.01
GND
+5V(OUT)
R3
44.2k
3
3
R4
10.0k
C6...C8
22.0
L1 NRS6045T6R3MMGK
C3 3300
а)
DA1 AOZ1021AI
+5V
2
C1
22.0
C2
0.1
5
VIN
LX
COMP
LX
R1 6
EN
20k
C3
1000
FB
GND
7
L1
4.7µH@10A
8
4
1; 3
R2
31.6k
+3.3V@1A
C4
22.0
C5
0.1
R3
10.0k
L1 WSRPG0603 4.7UH 10A
б)
R2 10k
+5V
C1
10.0
R1
12.7k C3
100
C2
DA1 RT8070
4
VIN
1
COMP
2
SS
3
EN
C4
5
8
PG
6
RT
7
FB
9
GND
C2 560
L1 2.2µH
+3.3V@4A
LX
C4 0.33
R4
75k
R3
10k
R5
24k
C5
22.0
в)
Рис. 4.10. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (5 В) (начало):
а) стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения 0.07 В@0.7 А между входом и выходом. Частота преобразования 340 кГц. Может использоваться как повторитель напряжения +5/+5 В с функцией стабилизации. Узел универсальный, поскольку будет работать с
блоками питания напряжением +5 и +6 В;
б) DA1 — это DC/DC-преобразователь с тактовой частотой 500 кГц в малогабаритном корпусе SO-8. Особенность: цепочка R1, C3, которая входит в систему регулирования и повышает устойчивость работы при начальном запуске. Выходное напряжение преобразователя в
цепи +3.3V@1A определяется по формуле Vout[B] = 0.8·(1 + (R2[кОм] / R3[кОм])). Варианты:
DA1 = RT8070ZQW, L1 = 2.2µH;
в) аналогично Рис. 4.10, б, но с другой микросхемой преобразователя DA1 и с дополнительными ЭРИ в обвязке. Цепочка R2, C4 задерживает запуск DC/DC-преобразователя на время
стабилизации входного напряжения +5 В. Конденсатор C3 обеспечивает плавную установку выходного напряжения в течение первых 0.8 мс. Резистор R3 задаёт частоту внутреннего тактового
генератора 2 МГц. Варианты: L1 = 1.5µH@4A, C3 = 560, R1 = 13k, R2 = 0, R3 = NC;
4.4. Понижающие DC/DC-преобразователи (5 В)
+3.3V
DA1
TCS4199
+5V
4
SW
VIN
1
L1
4.7µH@1.5A
3
FB
+3V OUT
R1
442k
EN
C1
10.0
C2
47
5
131
C3
10.0
C4
0.1
R2
100k
GND
2
г)
DA1 ETA3451D2I T
+5V
8
VIN
1
C1
47.0
EN
C2
0.1
R1
33
7
5
VOS
6
NC
4
C3 22
+1.0V@3A
C4
C5
47.0 0.1
R2
402k
FB
GND
ON/OFF
L1 1.5µH
SW
2; 3
R3
270k
L1 DFE252010P 1R5M=P2
д)
R1
10k
+3.3...+5V
C1
10.0
DA1 MIC33050 4YHL
1
7
VIN
OUT
8
3; 4
SW
OUT
10
5; 6
SW
SNS
9
+1.2V@0.6A
C2
560
C3
10.0
EN
2; 12
GND
CFF
11
ON/OFF
е)
Рис. 4.10. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (5 В) (продолжение):
г) запуск DC/DC-преобразователя DA1 разрешается только при наличии ВЫСОКОГО уровня на входе DA1:1 (проверка исправности источника напряжения 3.3 В). Конденсатор C2 улучшает устойчивость начального запуска преобразователя. Варианты: DA1 = ETA3409 = SY8008C =
SY8009B = NCP1529ASNT1G = NCP1595AMNR2G = MP2143DJ = RT8010GQW = RT8096C,
L1 = 2.2µH@1.5A = 2.2µH@1.7А = 3.3µH@2A = SWPA252012S1R0NT = DFE252010P2R2M = CB2012T1R0M, C1 = 4.7, C2 = 22 = 100 = NC, C3 = C4 = 22.0, R1/R2 = 4.99k/3.32k =
15k/10k = 100k/22k (выходное напряжение 3.3 В), +3.3V = +2.5V;
д) DA1 — это синхронный DC/DC-преобразователь с КПД до 95%. Особенность: адаптивное
управление Constant-On-Time через вывод VOS с динамическим изменением времени включения при стабильной частоте. Варианты: DA1 = MP2143DJ = ETA3409, R2/R3 = 100k/100k;
е) DA1 — это импульсный стабилизатор напряжения со встроенным силовым дросселем и
двухтактным транзисторным ключом. Тактовая частота 4 МГц, размеры корпуса 3 x3 мм. Выходное напряжение +1.2 В фиксированное. Его можно изменить от 1 до 3.3 В заменой микросхемы
DA1 аналогичной, но с другими буквами в конце названия: MIC33050-xxxx. Конденсатор C2 входит в типовую схему включения. Ёмкости конденсаторов C1, C3 не менее 2 мкФ;
132
Глава 4. Схемы подачи питания
+5V
VD1 1N5819
DA1 SY8008B
4
1
VIN
EN
LX
FB
GND
C1 C4
10.0 0.1
3
5
2
4
1
VIN
EN
C2 C5
10.0 0.1
LX
FB
GND
3
5
2
DA3 SY8089A
4
R2
10k
C3
22.0
C6
0.1
C7
22
R3
442k
”+3.3V@1A”
C10 C13
22.0 0.1
R4
100k
+VRTC
DA2 SY8008B
R1
10k
L1
2.2µH@2A
1
VIN
EN
LX
FB
GND
3
5
2
L2
2.2µH@2A
C8
22
+VSYS
R5
150k
C11 C14
10.0 0.1
AP
R6
120k
L3
2.2µH@2A
R7
100k
+VDRAM
”+1.35V@1A”
C9
22
”+1.2V@1A”
C12 C15
22.0 0.1
R8
100k
ж)
Рис. 4.10. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (5 В)
(продолжение):
ж) система питания АР содержит три однотипных DC/DC-преобразователя понижающего
типа DA1…DA3 в корпусах SOT-23/5. Первой запускается в работу микросхема DA1, поскольку её
вывод включения EN напрямую соединяется с входом VIN. На выходе микросхемы DA1 появляется напряжение 3.3 В (+VRTC), после чего на входы DA2:1, DA3:1 подаются ВЫСОКИЕ уровни
через подтягивающие резисторы R1, R2. На выходах DC/DC-преобразователей DA2, DA3 формируются два напряжения: +VDRAM (1.35 В) для динамического ОЗУ SDRAM DDR3 и +VSYS
(1.2 В) для процессорного ядра АР и системных нужд. Отключить эти напряжения может сам АР
выставлением НИЗКИХ уровней на двух линиях GPIO. Конденсаторы фильтров C1…C6, C10…
C15 физически должны размещаться как можно ближе к выводам микросхем.
Выходные напряжения преобразователей рассчитываются по формулам:
• +VRTC[В] = 0.6·(1 + R3[кОм] / R4[кОм]);
• +VDRAM[В] = 0.6·(1 + R5[кОм] / R6[кОм]);
• +VSYS[В] = 0.6·(1 + R7[кОм] / R8[кОм]).
Варианты: DA1 = SY8088, DA3 = SY8032, L1 = 4.7µH = 2.2µH@1.6A (SWPA3015S2R2NT),
L2 = L3 = 2.2µH@3A = 2.2µH@5A (SWPA4030S2R2NT);
4.4. Понижающие DC/DC-преобразователи (5 В)
DA1 MP2143DJ
2
+5V
R1
100k
8
+3.3V
SW
EN
4; 6
R6
44.2k
C3 0.1
DA2 RT8059GJ5
4
R2
10k
C2
10.0
1
VIN
LX
EN
FB
GND
C6 C8
10.0 0.1
R5
200k
FB
GND
C1
10.0
L1 2.2µH
3
5
OUT
1
PG
7
VIN
133
L2 2.2µH
3
R3
49.9k
5
2
C5
68
+1.35V
C7
10.0
C9
0.1
R4
39k
C4 0.1
з)
DA1
PAM2306AYPKE
+5V
R1
100k
C1
0.1
L1
4.7µH@2A
7
VIN1
6
EN1
5
8
4
FB1
11
1
VIN2
12
EN2
3
2
10
FB2
9
NC
GND
+3.3V
LX1
NC
L2
4.7µH@2A
C2
10.0
+1.8V
LX2
GND
C3
10.0
L1, L2 SRN4018 4R7M
и)
Рис. 4.10. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (5 В) (окончание):
з) аналогично Рис. 4.10, ж, но с двумя (а не тремя) DC/DC-преобразователями и без управления их включением от АР. Микросхема DA2 запускается только при наличии напряжения +3.3 В
на выходе микросхемы DA1, причём с небольшой задержкой во времени, которую организуют
элементы R2, C4. Варианты: DA1 = DA2 = GS5571-ADJ, C5 = 20;
и) два DC/DC-преобразователя размещаются в одном корпусе микросхемы DA1. Тактовая
частота 1.5 МГц, КПД до 96%, выходные напряжения не регулируются. Канал питания +1.8 В
запускается в работу позже, чем канал питания +3.3 В, из-за интегрирующей цепочки R1, C1
4.5. Понижающие DC/DC-преобразователи (12 В)
К некоторым SBC подключаются блоки питания с повышенным напряжением
12 В. Обычно это насыщенные электроникой устройства с расширенными возможностями и большой мощностью потребления. Исходное напряжение 12 В в
них, как правило, сначала понижается до промежуточных 5 В (Рис. 4.11, а…е).
134
Глава 4. Схемы подачи питания
C1 100.0 x 16V
C2, C3 22.0 x 16V
+12V
DA1
AOZ1021AI
2
6
C2, C3
C1
C4, C5
2
2
2
R1
2 20k
5
VIN
LX
EN
LX
COMP
FB
GND
C6
1000
C4, C5 0.1
7
L1
5.6µH@5A
8
+5V@3A
R2
52.3k
4
1; 3
C7
10.0
C8
0.1
R3
10.0k
L1 WQPCRH1004R/5.6UH
а)
DA1
MP1584
R3
R4
100k 158k 7
1
VIN
SW
3
COMP
6
8
BST
FREQ
4
2
EN
FB
5
R1
100k
+12V
C1
10.0
x 16V
L1
8.2µH@2A
C3
0.1
R5
210k
VD1
SK34
GND
R2
22k
C2
R6
39.2k
L1 SDR5832 8R2M
C2 150
+5V
2
2
C4, C5
22.0
б)
DA1
TLV62130RGTT
C3 3300
+12V
10...12
13
C1
10.0
x 16V
C2
0.1
9
C3
PVIN
EN
SW
VOS
FSW
SS_TR
FB
GND
1...3
L1
2.2µH@4A
L1 IHLP2020BZER2R2M01
R1
680k
+5V@3A
14
C4
7
10.0
5
6; 8; 15...17
C5
0.1
R2
130k
в)
Рис. 4.11. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (12 В) (начало):
а) питание SBC производится от стабилизированного или нестабилизированного источника
с напряжением +12 В (например, «сетевая вилка» 12V@3A). Для получения базового напряжения +5 В используется DC/DC-преобразователь на микросхеме DA1, включённый по типовой
схеме. Выходное напряжение +5 В зависит от отношения сопротивлений резисторов R2, R3;
б) особенность: тактовая частота 1 МГц DC/DC-преобразователя DA1 задаётся резистором
R4. Силовой диод VD1 внешний, а не внутренний, как на Рис. 4.11, а. Резисторами R1, R2 снижается напряжение, подаваемое на вход разрешения работы DA1:EN. Варианты: DA1 = G5642,
VD1 = MS22, C4 = 470.0, C5 = 0.1, L1 = 3.3µH;
в) аналогично Рис. 4.11, а, но с другим типом DC/DC-преобразователя DA1, который работает в более широком диапазоне входных напряжений +5…+17 В при тактовой частоте 2.5 МГц.
Особенность: высокоомный делитель напряжения на резисторах R1, R2 повышает экономичность устройства. Варианты: R1/R2 = 909k/240k (выходное напряжение +3.8 B@3 А);
4.5. Понижающие DC/DC-преобразователи (12 В)
DA1 AP1509
+12V
1
ON/OFF
C1
0.1
R2
10k
4
R1 4.7k
VIN
OUT
SD
FB
GND
L1 22µH
2
135
+5V
VD1 R3
MS22 3k
3
5...8
C2
C3
470.0 0.1
R4
976
VT1 2N3904
г)
L1
4.7µH@4A
DA1 RT8288A
+12V
1
R1
100k
5
8; 9
VIN
2; 3
SW
BOOT
EN
FB
GND
VCC
C1
0.1
4
6
FB1
+4.2V
FB2
R2
43k
2
2
7
R3
C2 10k
0.1
C3, C4
22.0
FB1, FB2
120R
д)
L1
4.7µH@4A
DA1 TPS563200
ON/OFF
+12V
3
R1
10k
R2
100k
2
VIN
EN
SW
2
C1
0.1
6
4
FB
1
BST
+5V
R3
56k
3
3
GND
L1 MWSA0518 4R7MT
R4
10k
C2
0.1
C3...C5
22.0
е)
Рис. 4.11. Схемы понижающих DC/DC-преобразователей (12 В) (окончание):
г) особенность: согласующий инвертор на транзисторе VT1. Если на базу транзистора подаётся ВЫСОКИЙ уровень, то работа DC/DC-преобразователя DA1 разрешается, и наоборот;
д) особенность: дополнительный конденсатор C2, являющийся внешним фильтром для внутреннего стабилизатора LDO +5 В в импульсном DC/DC-преобразователе DA1;
е) на входе ON/OFF с учётом делителя на резисторах R1, R2 допускается напряжение ВЫСОКОГО уровня 2.2…6 В. Варианты: DA1 = TPS56628 (другая цоколёвка), R3/R4 = 100k/22.1k
4.6. Повышающие DC/DC-преобразователи
DC/DC-преобразователь, напряжение на входе которого ниже, чем на выходе,
называется повышающим [4-6]. В англоязычных источниках это «step-up», «boost
converter». Строиться он может на основе специализированных микросхем, аналогичных DC/DC-преобразователям понижающего типа, или по схеме диодноконденсаторного умножителя постоянного напряжения (Рис. 4.12, а…в).
136
+5V
L1 2.2µH@1.5A
FB1 BLM18PG181SN1
DA1 MT3608
5
6
C1
10.0
+3.3V 4
LX
IN
VD1
1
R1
1M
NC
EN
FB
3
GND
C2
0.1
C3
47 +5V@2A
2
2
C4
C2
1
ON/OFF
C1
0.1
4
LX
1
1
OVP
EN
FB
GND
2
2
3
DA1
TCS3358
VCC
VD2 BAT54S
C3
L1 10µH
3
VD4
(7V0)
R4 1k
C8
2
C2, C3, C8, C9
0.1
5
C5
2
VD1 BAT54S
3
VD1 1N5819
R1
10k
1
б)
C2
6
VD2 BAV99 7
+10V
а)
+5V
C3
1
C1...C5
0.1
VD1 XBS104S14
L1 LVF252A12 2R2
VD1 BAV99 7
3
3
C4
10.0
R2
130k
C1
„300 kHz”
FB1
NB670 (DC/DC)
+3.0...4.8V
Глава 4. Схемы подачи питания
–7V
R6
100k
C5 1.0
R5 4.7k
C6
1.0
+18V
C9
VD5
(18V)
VD1
C4
100
R2
56k
+9.6V
C7
10.0
R3
7.15k
в)
Рис. 4.12. Схемы повышающих DC/DC-преобразователей:
а) повышающий DC/DC-преобразователь собран на микросхеме DA1. Входное питание поступает от аккумулятора Li-ion с напряжением 3.7 В. Выходное напряжение +5 В может использоваться для нужд системы или как источник питания для внешней периферии, подключённой,
например, к разъёму USB. Выходное напряжение преобразователя определяется отношением
резисторов R1, R2. Тактовая частота 1.2 МГц, КПД до 97%, ИОН с напряжением 0.6 В, корпус
SOT-23/6. Варианты: VD1 = SS24 = SS34, C3 = NC, DA1 = DT6104, R1/R2 = 150k/20k;
б) умножитель напряжения 5/10 В выполнен на элементах C1…C5, VD1, VD2 по схеме с накачкой заряда (charge pump). На выходе конвертора питания NB670 формируются импульсы
частотой 300 кГц. Функцию переключателей заряда выполняют диоды в сборках VD1, VD2. Реальное напряжение на выходе будет меньше +10 В из-за потерь в диодах;
в) формирователь трёх высоких разнополярных напряжений от одного DC/DC-преобразователя на микросхеме DA1. Используются диодно-конденсаторные умножители в цепях –7 В
и +18 В. Варианты: DA1 = LP3301S, L1 = 22µH, C4 = 22, C6 = C7 = 0.1, C8 = C9 = 4.7, R5 = 2.2k
4.7. Организация подсветки TFT-дисплеев
137
4.7. Организация подсветки TFT-дисплеев
Для подсветки используются источники постоянного тока (Рис. 4.13, а…в).
L1 6.8µH
+5V
AP
5
R1
10k
DD1
2 1
4
VD1 SR34
HG1
DA1
FP6745S9GTR
6
1
VIN
SW
4
EN
3
5
FB
LED+
LED–
NC
3
2
DD1 SN74LVC1G06D
L1 SGRH6D28/6.8UH
C1
1.0
R2
1
GND
TFT 7"
+1.8V
VSS
а)
L1 10µH
+5V
AP
R2 4.7k
DA1
AP3031KTR
6
VDD
4
EN
2
R1 220
VD1 1N5819
GND
HG1
1
5
OVR
3
R4
2.2k
LX
FB
C1 1.0
C2 0.1
LED+
C2
C1
R5
2.2
R3 60.7k
TFT 7"
+3.3V
LED–
GND
б)
L1 10µH
VD1 1N5819
HG1
DA1 SY7201
R2
47k
+3.3V
6
VDD
4
EN
2
GND
AP
R3 4.7k
R1
4.7k
C2 1.0
C3 0.1
1
5
OVR
3
LX
LED+
FB
R4 33k
C1 1.0
C2
R5
2.2k
C3
LED–
TFT 7"
+5V
GND
R6
2.2
в)
Рис. 4.13. Схемы питания TFT-дисплеев:
а) генератор стабильного тока для подсветки дисплея HG1 выполнен на микросхеме DA1. Ток
задаётся резистором R2. Напряжение подсветки 9.3 В. Включить/выключить подсветку можно
сигналом с АР. Варианты: L1 = 22µH, DA1 = EMD2053-00VC06NRR, C1 = 10.0, R2 = 12;
б) аналогично Рис. 4.13, а, но с диммированием (изменением) яркости экрана импульсами
переменной скважности ШИМ. Ток подсветки зависит от сопротивления резистора R5;
в) особенность: фильтрация напряжения в канале ШИМ АР конденсатором C1. Варианты:
C1 = 10.0 = 0.1, DA1 = AP3032 = SS6635 = SY7203, L1 = 4.7µH@0.8A, R6 = 1.5 = 1.0, VD1 = SS34
138
Глава 4. Схемы подачи питания
4.8. Подстройка напряжения питания
Чем выше тактовая частота АР и его напряжение питания, тем быстрее производятся вычисления, но тем больше энергии потребляет процессорное ядро. Чтобы
кристалл не перегревался, для каждого режима работы рассчитывают оптимальную пару «частота—напряжение». Изменение частоты производится программно,
«на лету», а изменение напряжения — программно-аппаратно (Рис. 4.14, а…д).
+VRTC
"+3.3V"
DA1 SY8113B
+5V
5
IN
SW
C3
0.1
R1
10k
4
C1
22.0
C2
0.1
1
BS
EN
L1 2.2µH@3A
6
3
FB
GND
2
VCPU
R2
10.0k
C4
220
R3
11.8k
R4
30.1k
"+1.1 / +1.2V"
R5
10k
FB
C6
C5
22.0 0.1
AP
VT1
BSN20
L1 DFE252010P 2R2M=P2
а)
+5V
+1.8V
DA1 MP2161GJ
2
3
SW
IN
5
OUT
C1
1
22.0
PG
7
FB
8
4
PGND
EN
6
AGND
L1 1µH
R1
100k
"+1.1V...+1.2V"
R3
1M
R2
120k
R4
100k
C2
1000
R5 10k
VCPU
+3.3V
4
4
C3...C6
C3, C4 22.0
C5, C6 0.1
AP
б)
Рис. 4.14. Схемы перестройки напряжения питания (начало):
а) ключевой DC/DC-преобразователь на микросхеме DA1 формирует выходное напряжение
двух градаций для питания ядра АР. Первое напряжение +1.1 В, когда транзистор VT1 закрыт:
VCPU[В] = 0.6·(1 + R2[кОм] / R3[кОм]). Второе напряжение +1.2 В, когда транзистор VT1 открыт:
VCPU[В] = 0.6·(1 + R2[кОм] / (R3[кОм] | | R4[кОм])). В нужный момент времени АР может вообще отключить питание ядра выставлением НИЗКОГО уровня на своей нижней выходной линии
GPIO. Сигнал обратной связи FB снимается с отдельного вывода АР (в процессоре Allwinner H6
он называется VDD-CPUFB [4-7]), который внутри микросхемы соединяется с цепью питания
ядра АР. Это позволяет максимально точно отслеживать колебания напряжения питания VCPU в
зависимости от потребляемого тока. Варианты: C4 = 22, R4 = 30k, VT1 = L2N7002WT1G;
б) выходное напряжение DC/DC-преобразователя DA1 подаётся на ядро АР и изменяется
программно через канал ШИМ в пределах +1.1…+1.2 В. Элементы R4, C2 фильтруют тактовую
частоту ШИМ-сигнала, выделяя постоянную составляющую. В целях снижения «игольчатых»
помех конденсаторы C3, C4 шунтируются конденсаторами C5, C6 небольшой ёмкости;
4.8. Подстройка напряжения питания
VIN4
SW1
SW2
SW3
SW4
VOUT
+1.8V
R1
10k
SCL
A2
SDA
EN
VSEL
PGND
C1
0.1
AGND
D3
D4
R3
E3
100
E4
A4
A3
B1
A1
B2; B3; C1...C4
B4
+3V
C3...C6
22.0
"+0.8...1.2V"
R5
4
R6
+VCPU
D1
VIN1
D2
VIN2
E1
VIN3
E2
+VGPU
+5V
L1
0.24µH@6.5A
4
FB1
AP
I2C
DA1 SYR838PKC
139
FB2
DA1_"OUT1/OUT2"
L2
0.24µH@6.5A C7...C10
22.0
D3
DA2 SYR837PKC
D1
VIN1
D2
VIN2
E1
VIN3
E2
VIN4
SW1
SW2
SW3
SW4
VOUT
R2
10k
SCL
A2
SDA
EN
VSEL
PGND
C2
0.1
AGND
D4
R4
E3
100
E4
A4
A3
B1
A1
B2; B3; C1...C4
B4
"+0.8...1.2V"
4
4
R5, R6
2.2k
DA2_"OUT1/OUT2"
в)
+1.8V
DA1 FAN53555UC04X
2
2
D1
VIN
D2
VIN
E1
VIN
E2
VIN
C1, C2
10.0
A2
EN
A1
VSEL
SW
SW
VOUT
SCL
SDA
GND
AGND
L1 0.33µH C3, C4
22.0
D3; D4
E3, E4
A4
A3
B1
B2; B3; C1...C4
B4
"+0.6V...+1.4V"
2
4
2
4
+VGPU
AP
I2C
+4.2V
C5...C8 0.1
R1 R2
R1, R2
1k
г)
Рис. 4.14. Схемы перестройки напряжения питания (продолжение):
в) DC/DC-преобразователи DA1, DA2 рассчитаны на работу в паре, поэтому они имеют разные
логические адреса на общей шине I2C. Резисторы R5, R6 нагрузочные. Внутренняя частота DA1,
DA2 — 2.4 МГц. Программно перестраиваются напряжения основного (+VCPU) и графического
(+VGPU) ядер АР RK3399. Шаг изменения 12.5 мВ в диапазоне 0.7…1.5 В. Преобразователи включаются при наличии напряжения +1.8 В на выводах EN. Сигналами OUT1/OUT2 можно выбрать
одну из двух раскладок программного регистра, отвечающего за напряжение питания, например
«норма» и «сон». Варианты: DA1/DA2 = SYR828/SYR827, L1 = L2 = SWPA5020SR22NT/5A;
г) перестройка выходного напряжения DC/DC-преобразователя DA1 производится через
шину I2C. Тактовая частота преобразования 2.4 МГц, ток нагрузки до 5 А. Соединение вывода
DA1:A1 с GND определяет начальное выходное напряжение 1.1 В после включения питания;
140
Глава 4. Схемы подачи питания
DA1 RT8088AWSC
+5V
C1
10.0
AVIN
D2
SW1
SW2
FB
SCL
SDA
EN
PGND
AGND
+3.3V
"+0.6V...+1.4V"
+VCPU
A2
B2
C2
E3
47.0
AP
E2
D3
A3; B3; C2; C3
R1
R2
4.7k 4.7k
E1
I2C
A1
PVIN
B1
PVIN
C1
PVIN
D1
L1
0.47µH
д)
Рис. 4.14. Схемы перестройки напряжения питания (окончание):
д) питание ядра АР в цепи +VCPU осуществляется от DC/DC-преобразователя на микросхеме DA1. Выходное напряжение программно регулируется с шагом 6.25 мВ от АР через шину I2C.
Тактовая частота преобразования 3 МГц, ток нагрузки до 3 А. Варианты: DA1 = NCP6343
4.9. Защита входных цепей питания 5 В
Слабым местом любого банковского хранилища является входная дверь, через
которую злоумышленники могут попытаться проникнуть внутрь. В случае с SBC
его слабым местом являются разъёмы, через которые подаётся внешнее питание.
Для купирования проблемы разработчики вводят дополнительные защитные и
фильтрующие элементы, уменьшающие помехи и снижающие риск аварий. Как
это делается в канале питания с напряжением 5 В, показано на Рис. 4.15, а…к.
X1
5V
1
FU1
2A@6V
"TEST"
XT1
XT2
C1
22.0
2
VD1 SM6T6V8A
а)
VD2
1N5819
C2
0.1
+5V
X1
5V
1
VD1
DL4733A
+5V
C1
0.1
2
C2
22.0
б)
Рис. 4.15. Схемы защиты входных цепей питания 5 В (начало):
а) защитный ESD-диод VD1 (Transil Diode) может в импульсе рассеивать мощность до 600 Вт,
при этом постоянный ток через него при напряжении 5.8 В составляет 1 мА, а при напряжении
6.8 В — 10 мА. Название цепи +5V условное, поскольку имеет пониженное на 0.1…0.3 В напряжение из-за диода Шоттки VD2. На контактных площадках XT1, XT2 можно контролировать исправность блока питания и предохранителя FU1. Варианты: FU1 = 3A, VD1 = SMBJ6.0A;
б) защита от превышения входного напряжения 5V построена на одноваттном стабилитроне
VD1, который имеет напряжение стабилизации 5.1 В и максимальный регулируемый ток 178 мА.
Если случайно перепутать полярность входного напряжения, то стабилитрон VD1 будет включён инверсно, при этом с маломощным блоком питания выходное напряжение «подсадится» до
1.2 В при токе 0.2 А, а с более мощным блоком питания стабилитрон выйдет из строя;
141
4.9. Защита входных цепей 5 В
X1
FB1 60R@3A
1
5V
C1
0.1
2
X1
+VCC_5V
C2
0.1
5V
C3
10.0
1
R1 0.1 Ohm
2
в)
X1
5V
C1 150.0
1
г)
FB1
VD1
SMAJ6.0A
1
C3
4.7
C2
0.1
2
X1
+5V
5V
FU1
4A@5V
R1
1
2
C1
22.0
FB1 600R@2.5A
ILHB1206ER500V
д)
X1
5V
1
2
ON/OFF
+5V(DC)
C2
4.7
е)
VT2 A03407
FU1 3A
C1
1.0
R1
10k
+5V
R3 100k
R2
100k
SB1
"PWR OFF"
R4
1k
R6
10k
C2
1.0
VT1
2N3904
R5
47k
ж)
Рис. 4.15. Схемы защиты входных цепей питания 5 В (продолжение):
в) ферритовая «бусинка» FB1 и конденсаторы C1…C3 образуют П-образный ФНЧ, снижающий ВЧ- и НЧ-помехи, которые поступают от импульсного блока питания 5 В или наводятся на
длинный соединительный кабель;
г) низкоомный SMD-резистор R1 (типоразмер 0805) выполняет функцию предохранителя
при попадании большого напряжения на корпус устройства. Рабочая земля и корпус обозначаются разными по форме знаками заземления;
д) аналогично Рис. 4.14, в, но с защитным супрессором VD1 и электролитическим конденсатором C1 большой ёмкости. Варианты: VD1 = SMAJ6.0CA (двунаправленный супрессор);
е) низкоомный резистор R1 (типоразмер 0805) ограничивает импульс тока и гасит колебательные процессы. Варианты: FU1 = SML1210-300 (ток срабатывания 3 A) = SEF005 (быстродействующий предохранитель Fast Acting, ток срабатывания 5 A);
ж) тумблеры для прямой подачи питания на SBC обычно не используются. Вместо них применяются электронные ключи, управляемые «логикой». В рассматриваемой схеме ВЫСОКИМ
уровнем сигнала ON/OFF открываются транзисторы VT1, VT2 и питание +5 В подаётся на узлы
SBC. Выключение питания осуществляется НИЗКИМ уровнем сигнала ON/OFF или нажатием
тактовой кнопки SB1. Варианты: VT1 = MMBT3904, VT2 = DMG2305U;
142
Глава 4. Схемы подачи питания
X1
FB1 90R
FU1 4A
1
C1
22.0
5V
+VCC(5V)
3
C2
22.0
3
2
C3...C5
1.0
FB2 90R
VD1 (ESD)
SMBJ5.0CA
з)
FU1
ZEN056V130A24
X1
1
5V
1.3A
1
3
C1
10.0
+5V
5V6
2
C2
0.1
2
VD1 ESD5451R
и)
X1
1
X1
1
2
3
2
3
X2
GND
XT1
X2
2
5V
1
P
N
1
XT2
A1
(DC/DC)
(XT1)
(XT2)
R2 0.5
+3.7V
R1 0.5
2
C1
10.0
C2
0.1
C3
47.0
C4
0.1
к)
Рис. 4.15. Схемы защиты входных цепей питания 5 В (окончание):
з) ток срабатывания предохранителя FU1 выбирается не из допустимого импульсного тока
через супрессор VD1, а исходя из тока потребления SBC по цепи +VCC(5V). Фильтры FB1, FB2
снижают ВЧ-помехи как по питанию, так и по «земле». Варианты: VD1 = SMBJ7A;
и) FU1 — это комбинированный радиоэлемент, который содержит самовосстанавливающийся полимерный предохранитель, срабатывающий при токе 1.3 А, дополненный стабилитроном с
пороговым напряжением 5.6 В. Последний входит в цепь вторичной защиты от всплесков входного напряжения. Первичную защиту осуществляет двунаправленный супрессор VD1;
к) разъём X2 служит для подачи питания, а разъём X1 предназначен для подключения внешнего вольтметра. В зависимости от того, куда будут установлены джамперы XT1, XT2 (влево или
вправо по схеме), вольтметр будет измерять падение напряжения, соответственно, на низкоомных резисторах R1 или R2. Пользователь, зная показания вольтметра, по закону Ома вычисляет
ток, потребляемый входными или выходными цепями стабилизатора напряжения A1. Стабилизатор может быть как импульсным, так и линейным, что не принципиально. В каждый момент
времени допускается установка только двух джамперов, а не трёх или четырёх. Ставить большее
количество нельзя из-за закорачивания входных и выходных цепей стабилизатора A1
4.10. Защита входных цепей 12 В
143
4.10. Защита входных цепей питания 12 В
Разъём для подключения блока питания с напряжением 12 В касается мощных
SBC. «Мощных» и по энергопотреблению, и по вычислительным возможностям,
и по сложности периферийных интерфейсов. Система защиты цепей 12 В похожа
на систему защиты цепей 5 В, но со своими особенностями (Рис. 4.16, а…г).
X1
12V
S1
1
S1
SK 12F14
FU1
1.5A
+12V
"ON OFF"
C1 10.0
x 16V
VD1
SMCJ12A
2
а)
X1
1
X1
12V
2
X2
X2
2
12V
VD1
1
2
VD1, VD2 SS14
VD3 SMBJ12A
FU1 2A
VD2
1
2
+VDD(12V)
C1
220.0
x 16V
VD3
1
б)
X1
1
X1
12V
2
X2
X2
2
12V
1
1
VD1 ESD9N12BA
FU1 3A
mSMD300
2
1
C1
0.1
2
+12V
2
2
VD1
C2, C3 22.0
в)
Рис. 4.16. Схемы защиты входных цепей питания 12 В (начало):
а) особенность: выключатель питания S1, контакты которого в верхнем по схеме положении
разряжают конденсатор C1. Собственно защита по входу производится супрессором VD1;
б) диоды Шоттки VD1, VD2 соединяются по схеме монтажное «ИЛИ» относительно разъёмов
X1, X2. Из-за этого напряжение на выходе +VDD(12V) примерно на 0.2…0.3 В меньше, чем должны быть «истинные» 12 В. Супрессор VD3 срабатывает при напряжении 13.3…14.7 В [4-8];
в) аналогично Рис. 4.16, б, но без суммирующих диодов Шоттки. Супрессор VD1 размещается до (а не после) предохранителя FU1. Это связано, скорее всего, с тем, что разъём X1 может
служить как входом, так и транзитным выходом напряжения +12 В. Кроме того, к этому разъёму
может подключаться внешний вольтметр для оперативного контроля напряжения;
144
Глава 4. Схемы подачи питания
X1
12V
FU1 8A
1
2
VT1 CSD18501Q5A
+12V(OUT)
DA1
LM74610
VD1
C1
0.22
VD2
VD1 SMCJ30A 13 F
VD2 SMCJ14A 13 F
6
8
GATE
CATH
2
GT
4
ANODE
1
7
CAPH
CAPL
C2
C2 2.2 x 25V
г)
Рис. 4.16. Схемы защиты входных цепей питания 12 В (окончание):
г) DA1 — это специализированная микросхема, защищающая от переполюсовки входного
напряжения 12 В на контактах разъёма X1. Транзистор VT1 открывается только при правильной
полярности питания. Для его надёжного открывания на затвор подаётся напряжение вольтодобавки от конденсатора С2. При смене полярности транзистор VT1 закрывается. Особенность
защиты: отсутствие связи с цепью GND, поскольку применяется двухполюсник «Zero IQ» [4-9]
4.11. Питание от USB
Канал USB может использоваться не только для сопряжения с компьютером в
процессе программирования АР или передачи информации, но и для питания маломощных SBC, являясь источником напряжения 5 В@0.5/1.5 A (Рис. 4.17, а…в).
X1
X1
2
5V
5
MicroUSB B
1
X2
1
2
3
4
5
+VCC_5V
C1
10.0
2
1
X2
FU1
2A@6V
1
VBus
D–
D+
FU1
SMD1210P200
ID
GND
а)
Рис. 4.17. Схемы питания от USB (начало):
а) питание может поступать от любого из двух разъёмов: X1 (штекерного типа), X2 (разъём
microUSB без информационных цепей). Самовосстанавливающийся предохранитель FU1 допускает длительную работу при токе 2 A. Он обрывает цепь, если в течение 1 с будет протекать ток
8 А. Чем больше ток, тем меньше время срабатывания, и наоборот. Варианты: FU1 = 3A;
4.11. Питание от USB
X1
X1
VD1
1
2
5V
FU1 2A
+VCC(5V)
2
1
VD3
SMAJ5.0A
VD2
X2
MicroUSB B
X2
1
5
C2
47.0
VBus
1
2
3
4
5
145
D–
C1
47.0
D+
ID
GND
VD1, VD2 SS14
б)
X1
5
X2
MicroUSB B
1
X1
1
2
3
4
5
"+5V(1)"
VBus
D–
D+
R1
10k
ID
GND
X2 PJ 200A
"+5V(2)"
1
+VCC(5V)
C1
10.0
12
VOUT
13
VOUT
2
3
5V
1
5
2
DA1
TPS2141
7
VIN
VIN
2
3
EN
GND
в)
Рис. 4.17. Схемы питания от USB (окончание):
б) аналогично Рис. 4.17, а, но в разъёме X2 используются информационные цепи. Кроме
того, можно одновременно подключить два источника питания +5 В (Х1, X2), которые развязываются диодами Шоттки VD1, VD2. Супрессор VD3 защищает от всплесков напряжения;
в) напряжение в цепи +VСС(5V) появляется из двух источников: от разъёма USB X1 через
ключ, находящийся в микросхеме DA1, и от разъёма X2 напрямую. Активация микросхемы DA1
производится ВЫСОКИМ уровнем на её входе EN, т. е. когда замкнуты контакты X2:2, X2:3
разъёма X2. При включении штекера блока питания 5 В в разъём X2 его контакты X2:2, X2:3 механически размыкаются, и ключ в микросхеме DA1 выключается. Это необходимо, чтобы не
произошёл конфликт «пересиливания» двух пятивольтовых напряжений
4.12. Контроль тока и индикация напряжения
В одноплатном компьютере после подачи питания должна засветиться индикация, показывающая исправность оборудования. Обычно это делается светодиодами, включёнными параллельно питанию, или светодиодами, соединёнными с
линиями GPIO АР. В дополнение к визуальной сигнализации ещё используются
аппаратные измерители тока и напряжения (Рис. 4.18, а…г).
Глава 4. Схемы подачи питания
R1 0.01
DA1
INA226AIDGSR
9
6
7
2
1
VIN–
VS
VIN+
VBUS
GND
SCL
A0
SDA
A1
ALERT
+3.3V
"+1.2V"
VCC
+1.2V
R2, R3
4.7k
10
8
5
4
3
VCC IO
146
AP
SCL
SDA I2C
R2
R3
а)
+5V HL1, HL2 (red, green)
+3.3V
+1.3V
(SATA)
HL1
KP 2012MGC
(green)
R1
1k
HL1
+3.3V
(LCD)
HL2
R2
1k
6
R1
470
R3
1k
5
R4
1k
3
VT1
BSS138DW
2
1
б)
4
в)
R1 0.01
+5V(IN)
+5V(OUT)
C1
10.0
C2
10.0
XT1
Рис. 4.18. Схемы контроля тока и
индикации напряжения:
XT2
г)
а) DA1 — это цифровой измеритель тока потребления АР по цепи +1.2 В с точностью 0.1%.
Ток зависит от падения напряжения на низкоомном измерительном резисторе R1. Съём информации производится через интерфейс I2C. Адрес устройства на шине I2C 1001001 определяется
подключением выводов А0, A1 (соединение с SDA — это не ошибка!). Питание на микросхему
DA1 поступает от источника +3.3 В. Аналогично измеряют токи потребления в других узлах, при
этом в некоторых SBC одновременно может контролироваться до 10 (!) цепей;
б) простейший способ индикации напряжения 3.3 В. Светодиод HL1 может быть другого
цвета. Сопротивление резистора R1 зависит от типа светодиода и может широко варьироваться;
в) наличие напряжений питания 1.3; 3.3; 5 B в разных точках SBC индицируется светодиодами HL1, HL2, которые коммутируются ключами в сборке транзисторов VT1;
г) к контактным площадкам XT1, XT2 подключается цифровой милливольтметр, которым
измеряется падение напряжения на образцовом резисторе R1 (типоразмер 1206). Ток в цепи
+5V(OUT) рассчитывается по закону Ома: Ix[мA] = Vx[мB] / R1[Ом]. Току 1 А соответствует напряжение 10 мВ. На плате может быть установлено несколько таких резисторов в разных цепях
4.13. Электронные ограничители напряжения
147
4.13. Электронные предохранители и ограничители
Электронные предохранители и ограничители напряжения создают дополнительную защиту с жёстким порогом и высоким быстродействием (Рис. 4.19, а…з).
X1
VT2
DMG2305U
FU1
2A
1
VT1.1
5V
+5V
VT1.2
C1
1.0
2
C2
47.0
FU1 MF MSMF200
VT1 BCM857BS
R1
10k
R2
47k
VD1
SMBJ5.0A
а)
VT1
VT2
MBT3906DW1T1 FDMA291P
FU1
3A
X1
1
C1
0.1
5V
+5V
VT1
R1 R2
0.1 2.7k
R3 10k
C2
1.0
2
C3
100.0
VD1 (5V1)
R4
470k
C4
VD2
ESD9L5.0ST5G 10.0
C5
1.0
VD1 MMSZ5231BT1G
б)
X1
1
5V
2
FU1
2A
VT1
2N3906
R1
2k
VD1 (ESD)
SMAJ7.0A
VT2
IRLML6401
+5V
R2 10k
VD2 (5V1)
MMSZ5231 G
C1
R3 47.0
47k
C2
0.1
в)
Рис. 4.19. Схемы электронных ограничителей напряжения (начало):
а) на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R1, R2 собран электронный ограничитель напряжения. Предохранитель FU1 самовосстанавливающийся, время срабатывания 2 с при токе 8 А.
Варианты: FU1 = 2.5 A, R1 = 47k, VT1 = DMMT5401;
б) особенность: опорный стабилитрон VD1, определяющий порог срабатывания защиты.
Когда входное напряжение больше +5.8 В (сумма напряжений на стабилитроне VD1 и переходе
«база–эмиттер» транзистора VT1), то транзистор VT2 начинает закрываться из-за шунтирования
перехода «исток–затвор». При напряжении больше 6 В транзистор VT2 закрывается полностью;
в) аналогично Рис. 4.19, б, но более просто, причём защитный супрессор VD1 ставится на
входе, а не на выходе. Порог срабатывания защиты от перенапряжения составляет около 6 В;
148
Глава 4. Схемы подачи питания
+5V
C1 1000
R1
6.8k
R5
47k
R4 1k
VD1
VT2
VD1 PTVSLC3D5VB
R3 1k
+VIN
R2
4.7k
VD2
PD431
VT1
MMBT3906
C2
10.0
R6
10k
VT2 PPMT20V4E
г)
X1
FB1
FB1, FB2
120R@3A
1
C1, C2
0.1
5V
FB2
R1
2.2
2
2
2
C4
0.22
C3
1.0
VT1
IRF9321
+VCC(5V)
C5
10.0
2 C6, C7
0.1
2
R2
100k
д)
X1
R1
2.2
1
VT1
P5103EMG
C3
0.1
C4
4.7
C1
1000
5V
2
+VCC(5V)
C2
1.0
R2
100k
C5
0.1
R3
100k
е)
Рис. 4.19. Схемы электронных ограничителей напряжения (продолжение):
г) электронная защита от скачков напряжения по входу. Если напряжение +VIN меньше, чем
6 В, то стабилитрон VD2 и транзистор VT1 закрываются, транзистор VT2 открывается, питание
поступает из цепи +VIN прямо в цепь +5V. Если напряжение +VIN больше, чем 6 В, то через
трёхвыводной стабилитрон VD2 протекает компенсирующий ток, который увеличивает падение
напряжения на резисторе R3 до уровня, когда открывается транзистор VT1. Последний шунтирует переход «исток–затвор» транзистора VT2, вызывая его отключение и обрыв соединения в
тракте между цепями +VIN и +5V. Порог срабатывания защиты Vx задаётся резисторами R1, R2
согласно формуле Vx[B] = 2.5·(R1[кОм] + R2[кОм]) / R2[кОм];
д) особенность: параллельное включение ферритовых фильтров FB1, FB2, что позволяет
удвоить допустимый протекающий ток. Защитный транзистор VT1 снижает броски входного напряжения при «горячем» подключении блока питания 5 В к разъёму X1;
е) аналогично Рис. 4.19, д, но с дополнительным резистором R2 и с другими номиналами
радиоэлементов;
4.13. Электронные ограничители напряжения
X1
149
DA1 NCP372
1
5V
2
C1
1.0
1
2
3
4
5
6
IN
OUT
IN
OUT
GND
FLAG
RES
EN
RES
NC
RES
GND
+5V
12
11
10
9
8
7
XT1
C2
4.7
R1
10k
ж)
X1
5V
1
C1
100.0
C2
1.0
DA1 TPS259251
3...5
R1
1M
2
R2
560k
2
11
VIN
EN
6...8
OUT
9
NC
10
ILIM
1
C3
DV
1000
PAD
VD1
(30V@1A)
+5V
C4
1.0
R3
150k
з)
Рис. 4.19. Схемы электронных ограничителей напряжения (окончание):
ж) DA1 — это специализированный контроллер защиты питания OVC (Overvoltage Protection
Controller). Ток нагрузки не более 2.5 А, переходное сопротивление от входа до выхода не более
130 мОм. Связь между выводами IN и OUT внутри микросхемы DA1 обрывается при следующих
неполадках: смена полярности напряжения IN, нагрев корпуса микросхемы DA1 выше 150оС,
уход напряжения в цепи +5V за пределы диапазона 2.7…6.3 В. Отключить выходное напряжение
можно принудительно, установкой джампера XT1 (показано пунктиром);
з) DA1 — это интеллектуальный электронный предохранитель семейства eFuse, рассчитанный на входное напряжение 5 В. Ток срабатывания составляет 5.2 А. Подбирается он резистором
R3 согласно формуле Ix[A] = 0.7 + 0.03·R3[кОм]. Резисторы R1, R2 задают порог отключения по
входу на уровне 3.9 В, исходя из формулы Vx[B] = 1.4 + (R1[кОм] + R2[кОм]) / R2[кОм]. Конденсатор C3 корректирует скорость нарастания выходного напряжения в момент включения
микросхемы DA1. Вместо диода Шоттки VD1 может ставиться супрессор, который устраняет выбросы напряжения, возникающие в индуктивных цепях при скачках тока в нагрузке
4.14. Внешние контроллеры питания
Внешние контроллеры питания PMIC являются характерным элементом в
структуре практически всех АР. По внутреннему устройству микросхемы PMIC
многоканальные, специализированные. Они часто дополняют «свои» АР. Примером может служить PMIC PCA9450 фирмы NXP Semiconductors, которая является
чипом-компаньоном для линейки АР семейства NXP i.MX 8M.
В Табл. 4.1 перечислены основные параметры микросхем PMIC, которые применяются в популярных SBC, а на Рис. 4.20, а…г приведены реальные схемы их
использования.
150
Глава 4. Схемы подачи питания
Таблица 4.1. Параметры микросхем PMIC
Каналы Каналы Ключи Частота
DC/DC
DC/DC
LDO
[МГц]
3
4
—
1.8…2.2
Микросхема
PMIC
Фирмаизготовитель
ACT8865QI305T
Qorvo
AXP209
X-Powers
2
5
—
1.5
AXP228
X-Power
5
14
2
3
AXP803
X-Powers
6
15
1
3
AXP805
AXP818
X-Powers
X-Powers
5
7
10
14
1
—
3
3
BD71847AMWV
MC34708
ROHM
Freescale
Semiconductor
6
6
6
8
1
—
2
2…4
MC32PF3000A
NXP
Semiconductors
NXP
Semiconductors
NXP
Semiconductors
Rockchip
Electronics
Rockchip
Electronics
Qualcomm
Technologies
Samsung
Electronics
Texas
Instruments
Texas
Instruments
Texas
Instruments
Cirrus Logic
5
6
—
1…2
6
6
—
2
6
5
1
2
4
3
—
2
I C, GPIO, Charger, Timer,
On/Off, ADC
I2C, GPIO, On/Off, Meters,
Charger, RTC_LDO
I2C, GPIO, Charger, RSB,
RTC, On/Off
I2C, GPIO, On/Off
I2C, GPIO, Charger, RTC,
Audio, I2S x3, TWI, On/Off
I2C, GPIO, OTP, RTC
I2C, GPIO, SPI, RTC,
USB, PWM, Charger, ADC,
VREF, UART, Touch, Audio
I2C, Charger, On/Off, OTP,
VREF SDRAM
I2C, Charger, On/Off, OTP,
VREF SDRAM
I2C, GPIO, On/Off, RTC,
Wdog, Discharge
I2C, On/Of, Sleep
4
8
2
2
I2C, RTC
5
20
—
1.6
10
38
—
—
6
1
3
2.4
I2C, GPIO, Charger, RTC,
Audio, Motor, PWM, USB
I2C, GPIO, Charger, RTC,
Audio, Touch
I2C, GPIO, Charger, On/Off
4
8
—
3
I2C x2, GPIO, RTC
5
5
—
1.7…2.7
4
13
—
2…4
I2C x2, GPIO, SPI, RTC,
ADC, OTP
I2C, SPI, GPIO, RTC,
ADC, On/Off
MMPF0100NPA
PCA9450
RK805
RK808
PM8916
S2MPS11B
TPS65218
TPS659102
TPS65917
WM8326
Интерфейсы, основные
функции
I2C, GPIO, On/Off
2
Количество каналов импульсных DC/DC и линейных LDO стабилизаторов
напряжения в PMIC не регламентируется, всё зависит от назначения устройства,
мощности нагрузки, функционала. Частоты преобразования мегагерцовые.
Электронные ключи на полевых транзисторах в PMIC обеспечивают включение и отключение определённых каналов или оперативное их переподключение.
Режимы питания выставляются программно по командам от АР через интерфейсы I2C или SPI. Для включения питания от кнопок предусматриваются входы
On/Off. В некоторых PMIC обеспечивается доступ к портам ввода/вывода GPIO, а
также к встроенным узлам АЦП, ШИМ, USB, зарядному устройству Charger.
Иногда в PMIC встраивается канал RTC с подключением кварцевого резонатора частотой 32 768 Гц. Данные от часов реального времени передаются в АР.
4.14. Внешние контроллеры питания
DA1 AXP209
G1
3.7V
6
32; 33
VPWR
30
7
VBUS EN
VBAT
IPS OUT
VIN2
DCDC2
C1...C6
4.7
LX2
R3
11k
+3.3V
AP
R1 R2
I2C
SDA
SCL
NMI
13
40
LX3
*ST
LDO1
LDO24IN
*ST
LDO2
LDO3IN
*ST
LDO3
*ST
LDO4
RES
C7
4.7
24
C8
4.7
41
47
EXTEN
VIN1
PWROK
C12, C13
22.0
L1
C12
L2
C13
34; 35
+VDD CPU
10
8
+VDD INT
17
15
28
+3V
C9
C14
12
C11
41
11
C10
+2.5V
+LDO4
IRQ/WAKE
25
L1, L2
2.2µH
+VRTC
21
APS
1
SDA
2
SCL
48
44
SB1
DCDC3
LDO
6
R1, R2
1.5k
VIN3
DC/DC
14
6
C9...C11, C14
4.7
R4 11k
+5V
151
LDO1SET
VREF
N_OE
VINT
BIAS
PWRON
TS
"ON OFF"
GND
20
27
4
23
37
EXTEN
R5 2k
R6 1.5k
R7 200k
R8 100
9; 16; 22; 46; 49
а)
Рис. 4.20. Схемы подключения внешних контроллеров питания (начало):
а) DA1 — это контроллер питания, обеспечивающий АР всеми основными напряжениями
для процессорного ядра, периферии, памяти, часов реального времени и т. д. Входным напряжением является +5 В от «сетевой вилки». Батарея G1 обеспечивает резервное питание. Выходные
напряжения делятся на два канала: DC/DC-преобразователи с выходами DCDC2, DCDC3 и аналоговые стабилизаторы LDO с выходами LDO1…LDO4. Выход DCDC1 не задействуется. Выходное напряжение в канале LDO1 задаётся резистором R5. Ключевые и аналоговые стабилизаторы
включаются и выключаются кнопкой SB1 через специальный вывод PWRON. Контроллер питания DA1 выполняет дополнительные функции, в частности он генерирует сигнал сброса RES для
АР при сбоях и авариях. Сигнал EXTEN становится ВЫСОКИМ после переходных процессов,
им можно включать различные системные узлы. Связь с АР и установка режимов производятся
через двухпроводной интерфейс I2C (SCL, SDA) и систему прерывания по выводу NMI;
152
Глава 4. Схемы подачи питания
DA1
TPS65218
+5V
36
IN BIAS
VREF
+VREF
C10
INT L
35
C7
G1
3V
27
25
R3 10
1
VIN BU
L5
CC
FB5
VIN1
L1
FB1
C1...C6
43
L2
6
FB2
37
L1 10µH
L2...L5 1.5µH
C1...C7 4.7
FB3
12
C8, C9, C11,
C13...C16
10.0
+DDR
31
32
+3.3V
R1 R2
L3
VIN3
6
VIN4
L4A
DC/DC
6
VIN2
L4B
OUT4
IN LS1
LS1
IN LS2
LS2
IN LS3
LS3
C10, C12, C17
22.0
+1.0V(BAT)
20
L1
21
C12
+CORE
48
L2
47
C13
+MPU
42
L3
41
C14
+DDR
38
L4
39
C15
+3.3V
13
L5
14
C16
15
+VDDR
C17
30
C11
33
7
C8
+5V(1)
+5V(2)
5
AP
I2C
SDA
SCL
R1, R2 3.3k
3
2
IN LDO1
*ST
LDO1
4
+1.8V
C9
SDA
SCL
PB
44
R4 10k
+5V
SB1
THERMAL PAD
(GND)
"ON OFF"
VD1 (ESD)
б)
Рис. 4.20. Схемы подключения внешних контроллеров питания (продолжение):
б) DA1 — это контроллер питания PMIC, имеющий на борту два стабилизатора LDO, пять
импульсных (ключевых) стабилизаторов, три коммутируемых электронных ключа. Назначение
сигналов: +VREF — выход ИОН для системных узлов; +1V(BAT) — резервное питание службы
RTC от аккумулятора G1; +CORE — питание процессорного ядра; +MPU — питание сопроцессоров; +DDR — питание ОЗУ; +3.3V — питание периферийных устройств; +VDDR — ключ, который подаёт напряжение питания на микросхемы памяти; +5V(1), +5V(2) — ключи, коммутирующие базовое напряжение 5 В для питания внешних устройств; +1.8V — выход стабилизатора
LDO для системных узлов. Связь с АР производится через интерфейс I2C (сигналы SDA, SCL),
а также через ряд вспомогательных сигналов управления и оповещения. Кнопка SB1 позволяет
включать и выключать работу контроллера питания PMIC, переводя систему питания SBC сначала в режим сна, а затем обратно в режим пробуждения;
4.14. Внешние контроллеры питания
DA1 (PMIC)
LX0_1
LX0_2
Hi6422GWCV212
LX0_3
LX1_1
LX1_2
LX1_3
LX2_1
LX2_2
LX2_3
LX3_1
LX3_2
LX3_3
L1
B4
B5
B6
H4
H5
H6
H1
H2
H3
B1
B2
B3
153
+VDD_CPU
8
L2
C1...C8
8
L3
L1...L4
240nH
L4
C1...C8
10.0
в)
DA1 (PMIC)
LDO_OUT10
Hi6422GWCV211
LDO_OUT11
LDO_OUT12
LDO_OUT13
LDO_OUT14
LDO_OUT15
LDO_OUT16
C3
T17
C1
U12
T9
+3.2V@0.1A
+1.8/2.95V@0.15A
R2
C1, C3 1.0
C2, C4 4.7
M1
C4
P3
C2
U8
+3V@0.6A
+2.95V@0.8A
г)
Рис. 4.20. Схемы подключения внешних контроллеров питания (окончание):
в) выходы четырёх DC/DC-преобразователей соединяются параллельно для увеличения отдаваемого в нагрузку тока. Количество каналов в разных схемах может варьироваться;
г) стабилизаторы LDO обеспечивают разные выходные напряжения и токи нагрузки. Если в
микросхеме PMIC DA1 имеются незадействованные в работе каналы LDO, то их выходы можно
оставлять свободными, ненагруженными, как в примерах LDO_OUT12…14
4.15. Система питания внутри АР
Современные АР столь насыщены электроникой, что симбиоз цифровых
узлов и ячеек памяти, дополненный элементами аналоговой системы питания,
не вызывает большого удивления. Действительно, размещение маломощных стабилизаторов LDO внутри АР позволяет экономить место и уменьшает габариты
устройства. Дополнительный плюс: не надо разводить лишние проводники на печатной плате SBC, их и так слишком много.
154
Глава 4. Схемы подачи питания
Характерные примеры организации внутреннего питания в реальных АР приведены на Рис. 4.21, а…в.
DD1
MCIMX6Y2DVM05AA
(AP i.MX6)
LDO1
SH1
+1.2V
H9 VDD_SOC_IN
G6
+1.35V
=
DRAM
SOC_CAP
=
2
C2
C7
C11
G8
C3
C8
C12 C13
R14
C4
C9
P13
C5
C10
SOC
LDO3
+2.5V
=
=
N13 VDD_HIGH_IN
G9
Cortex Core
LDO2
=
+3.3V
ARM_CAP
=
HIGH_CAP
eFuse, USB
LDO4
VD1
BAT54C
BAT
=
3
1
R1
1k
PLL, 24 MHz
LDO5
P12 VDD_SNVS_IN
=
C1
PLL_CAP
+1.1V
=
SNVS_CAP
=
N12
OSC 32 kHz
C6
C9...C12 10.0
C1...C8, C13 0.1
а)
DD1 (AP i.MX 8M Mini)
VDD_ARM
R13
W16
C1
C2
C3
C4
C5
C6
10.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
VDD_ARM_0V9
б)
Рис. 4.21. Схемы узлов питания внутри АР (начало):
а) внутренняя система питания АР семейства i.MX 6. Аналоговые стабилизаторы формируют
фиксированные (LDO3, LDO4) и программно управляемые (LDO1, LDO2, LDO5) напряжения.
Внешние конденсаторы C2…С13 устраняют импульсные помехи, которые возникают при скачкообразных изменениях токов потребления. Сборка диодов Шоттки VD1 позволяет переходить с
основного канала питания +3.3V на резервный аккумулятор, подключаемый к цепи BAT.
В цепях, подводящих питание к АР, могут устанавливаться короткозамкнутые перемычки SH
(Solder sHhort), чаще всего выполняемые в виде резисторов с нулевым сопротивлением, или, подругому, «нулевых» резисторов. Выпаивание их из платы разрывает путь тока, что полезно при
поисках неисправностей или экспериментальных работах. В частности, снятие перемычки SH1
в рассматриваемой схеме позволяет выяснить причину снижения напряжения на входе +1.2V.
Если напряжение 1.2 В восстановится, значит, произошло аварийное замыкание внутренних цепей ядра АР в канале стабилизаторов напряжения LDO1, LDO2. Иначе под подозрением оказывается источник питания, от которого поступает напряжение +1.2 В на вход АР;
б) количество конденсаторов фильтра C1…C6 и их ёмкости определяются на этапе проектирования АР. Разработчик их обычно указывает в документации, например [4-10];
4.15. Система питания АР
155
DD1
OSD335x
(AP AM335x)
TPS65217C (PMIC) 4.7k
I2C
C20
«ADAPTER»
VIN BAT
(3.7 B)
Y2, Y3
10.0
10.0
D20
D19
Digital Control
VIN USB
(5 B)
Y8, Y9
4.7k
10.0
B20
B19
A19
A20
C6
DC/DC, LDO
Y5, Y6
Battery Changer
VIN AC
(DC_5 B)
C19
"+3.3 B"
F14
PMIC_IN_I2C_SCL
PMIC_IN_I2C_SDA
PMIC_IN_PB_IN
PMIC_IN_PWR_EN
PMIC_OUT_LDO_PGOOD
PMIC_OUT_NINT
PMIC_OUT_NWAKEUP
PMIC_OUT_PGOOD
PMIC_POWER_EN
VDDSHV_3P3V
10.0
9
"+4.9 B (+3.6 B)" 60.0
9
W4
+1.1...3.3 B
@0.1...1.2 A
SYS_VOUT
TL5209 (LDO)
=
"+3.4 B"
=
U20
SYS_VDD1_3P3V
2.2
в)
Рис. 4.21. Схемы узлов питания внутри АР (окончание):
в) внутренняя система питания АР семейства AMC335x. На одной подложке размещаются:
ядро интегральной микросхемы TPS65217 (контроллер питания PMIC), ядро микросхемы LDO
аналогового стабилизатора напряжения TL5209, а также резисторы сопротивлением 4.7 кОм и
керамические конденсаторы достаточно большой ёмкости 2.2…60 мкФ. Питание АР допускается от трёх разных источников: от сетевого блока питания с выходным постоянным напряжением
5 В (VIN-AC), от разъёма USB с напряжением 5 В (VIN-USB) и от внешнего литиевого аккумулятора с напряжением 3.7 В (VIN-BAT)
4.16. Прочие схемы узлов питания
Не все схемы узлов питания, встречающиеся в SBC, можно однозначно распределить по функциональным группам и «разложить по техническим полочкам».
Те из них, которые подходят под определение «взять на заметку», показаны на
Рис. 4.22, а…е.
В раздел вошли схемы узлов, которые имеют одиночное (не массовое) применение или узкую специализацию, ограниченную типовым включением. Некоторые узлы, относящиеся к силовой части, содержат оригинальные и необычные
технические решения, которые можно применить и в других системах.
Глава 4. Схемы подачи питания
+3.3V
VT1 MMBT2907
R1
499
VT1
+3.3V
R2
10k
X1
PJ 200A
1
R3
40.2k
3
5V
+1.8V
R1
10k
AP
156
2
VD1
TLVH431
б)
а)
"+3.3V"
+3.3V(RTC)
VD1
R1
2k
R
C1
10.0
1
1
2
AP
DD1
74AHC1G32GW
4
VD2
SB1
PMIC
R2 1k
DD1
VD1, VD2
RB521S30T1G
C2 0.1
"SLEEP"
DD1:3 connected by GND
DD1:5 connected by +3.3V(RTC)
в)
Рис. 4.22. Прочие схемы узлов питания (начало):
а) снижение напряжения с +3.3 В до +1.8 В обеспечивается параметрическим стабилизатором на трёхвыводном стабилитроне VD1, который дополнен усилителем тока на транзисторе
VT1. По функциональному оформлению это двухполюсник, не имеющий связи с общим проводом GND. Резисторы R2, R3 гарантируют, что падение напряжения на транзисторе VT1 будет
составлять ровно 1.55 В в широком диапазоне токов нагрузки. Расчёт падения напряжения на
двухполюснике производится по формуле Vx[B] = 1.24·(1 + R2[кОм] / R3[кОм]);
б) узел, который определяет, подключён или нет внешний источник питания.Если к разъёму
X1 не подстыкован штекер от сетевого блока с напряжением 5 В, то контакты X1:2, X1:3 замкнуты, на входную линию AP поступает НИЗКИЙ уровень. При подстыковке штекера к разъёму
X1 контакты X1:2, X1:3 механически размыкаются, и благодаря резистору R1 на входе порта АР
появляется ВЫСОКИЙ уровень;
в) определение коротких и длинных нажатий. При нажатии на кнопку SB1 сигнал НИЗКОГО уровня поступает на вход контроллера питания PMIC, который через свой внутренний стабилизатор отключает напряжение +3.3 В, подаваемое на АР. Если кнопка SB1 нажата коротко,
то конденсатор C1 не успевает разрядиться через резистор R1 и цепь питания +3.3V, на выходе
логического элемента DD1:4 остаётся ВЫСОКИЙ уровень. При длинном нажатии на кнопку
SB1 на выходе DD1:4 устанавливается НИЗКИЙ уровень. Для АР это информация, чтобы подготовиться к ждущему режиму или к режиму глубокого «сна» (sleep). Дежурное питание на АР в
режиме «сна» поступает через цепь +3.3V(RTS)
157
4.16. Прочие схемы узлов питания
A1
XCL206B183AR G
3
6
+5V @ 0.27A
VOUT
VIN
R1
100k
L2
4
C1
10.0
5
L1
EN
Lx
VSS
VSS
+1.8V @ 0.6A
+1.8V
8
7
1
2
R2
1.8k
+5V
DA1
TPS3106K33DBVR
6
4
3
R2
360k
C2
0.1
VT1
BC847A
C1
0.1
д)
R3
100k
R1
750k
R3
100k
R1
2.7k
C2
22.0
г)
+1.8V
VT2
IRLML6401 +4.9V
+5V
VDD
RST_S
SENSE
MR
RST_V
VT2
IRLML6401
+4.9V
R4
100k
C1
0.1
5
1
GND
VT1
IRLML2060
2
е)
Рис. 4.22. Прочие схемы узлов питания (окончание):
г) А1 — это не микросхема, а модуль понижающего синхронного DC/DC-преобразователя.
Внутри него располагаются кристалл управляющей микросхемы и силовой дроссель между выводами А1:7, А1:8. Частота преобразователя 3 МГц, КПД при средней нагрузке около 80%. Габариты модуля 2.5 x 2.0 x 1.0 мм. Особенностью включения являются два вывода общего провода
VSS. Левый по схеме вывод подключается к входному, а правый — к выходному конденсаторам
фильтра С1, С2. Это оптимизирует пути прохождения токов внутри модуля и снижает импульсные помехи по «земляным» проводникам;
д) узел зависимого включения питания в канале +4.9 B. Транзисторы VT1, VT2 открываются
только при наличии напряжения в цепи +1.8 B. Конденсатор С1 повышает помехоустойчивость,
чтобы транзисторы не открывались от коротких просадок напряжения и помех;
е) аналогично Рис. 4.21, д, но с более точным порогом срабатывания и низким расходом
энергии. Порог включения транзисторов VT1, VT2 определяется микросхемой супервизора DA1,
ток потребления которой составляет единицы микроампер. Супервизор обеспечивает прецизионный контроль напряжения в цепи +1.8 В с гистерезисом, что снижает вероятность ложных
срабатываний от просадок напряжения и помех. Из особенностей: применяется полевой (а не
биполярный) транзистор VT1 и значительно увеличены сопротивления резисторов R1, R2, что
позволяет кардинально снизить общий ток потребления
.
158
Глава 4. Схемы подачи питания
Список использованных источников и литературы к главе 4
4-1. Деревятников, В. Многофазные преобразователи / Владимир Деревятников. //
Электронные компоненты. — 2018. — № 2. — С. 50—53.
4.2. Несколько фактов, которые нужно знать о стабилизаторах LDO [Электронный
ресурс] / «digitrode.ru», 2018. — Режим доступа: http://digitrode.ru/articles/1422neskolko-faktov-kotorye-nuzhno-znat-o-stabilizatorah-ldo.html. — 15.01.2022.
4-3. LP3992 Datasheet [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2015. — Режим доступа: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lp3992.pdf?ts=1691426097770&ref_
url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F (англ.). — 15.01.2022.
4-4. LP3992 Preliminary Datasheet [Электронный ресурс] / LowPower Semi, 2017. — Режим
доступа: http://ai.lowpowersemi.com:811/ESAPP1_13.1/201806/L_rc20180623000005_
L20180623000047_LP3992-06.pdf (англ.). — 15.01.2022.
4-5. Гринлэнд, П. Разработка системы питания устройства с использованием POLпреобразователей / Пол Гринлэнд. // Электронные компоненты. — 2009. — № 6. —
С. 17—19.
4.6. Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы [Электронный ресурс] /
«DI HALT», 2010. — Режим доступа: http://easyelectronics.ru/povyshayushhij-dc-dcpreobrazovatel-princip-raboty.html. — 15.01.2022.
4-7. Allwinner H6 V200 Datasheet [Электронный ресурс] / Allwinner, 2017. — Режим доступа:
https://linux-sunxi.org/images/5/5c/Allwinner_H6_V200_Datasheet_V1.1.pdf (англ.). —
15.01.2022.
4-8. SMBJ Series [Электронный ресурс] / Littelfuse, 2020. — Режим доступа: https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/datasheets/tvs_diodes/littelfuse_tvs_diode_smbj_datasheet.
pdf.pdf (англ.). — 15.01.2022.
4-9. LM74610-SQ EVM User’s Guide [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2015. —
Режим доступа: https://www.ti.com/lit/pdf/snvu489 (англ.). — 15.01.2022.
4-10. i.MX 8M Mini Hardware Developer’s Guide [Электронный ресурс] / NXP Semiconductors, 2019. — Режим доступа: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm74610-q1.
pdf?ts=1694505641583&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
(англ.). — 15.01.2022.
Глава
5
СХЕМЫ УЗЛОВ вывода
Если выхода нет, то его всегда можно сделать.
(Хирому Аракава)
5.1. Светодиодные индикаторы
5.1.1. Одиночные светодиоды
Светодиодам в SBC отводится важная, но всё-таки второстепенная роль.
Основной поток информации идёт через монитор, телевизор или «продвинутые»
TFT-дисплеи. Светодиоды обычно индицируют наличие питания, исправность
процессорной части, ход загрузки программы.
Иногда порты подключения светодиодов используются не только в режиме
выхода, но и в режиме входа, когда мало свободных выводов АР (Рис. 5.1, а…д).
+3.3V
R2
2k
а)
(Z)
R2
10k
AP
AP
R1
2k
(Z)
1/0
HL1
(blue)
R1
1k
0/1
(Z)
AP
HL1
(red)
1/0
+3.3V
+3.3V
HL1
(red)
R1
1k
б)
R2
10k
в)
Рис. 5.1. Схемы подключения одиночных светодиодов к АР (начало):
а) функция светодиода HL1 — индикация режимов работы. При ВЫСОКОМ уровне на линии АР светодиод гаснет, при НИЗКОМ — светится ярко, при переходе в Z-состояние — светится тускло из-за добавления резистора R2. Если на выходе АР генерируется ШИМ-сигнал, то
светодиод может своей яркостью указывать на плавное изменение какого-либо параметра;
б) линия порта АР используется не только как выход, но и как вход с Z-состоянием. В последнем случае резистор R2 гарантирует ВЫСОКИЙ уровень на входе АР (лог. 1). Это может
пригодиться, например, при проверке внешнего бита в многоразрядном регистре установки режимов;
в) аналогично Рис. 5.1, б, но с инверсными выходными уровнями для включения/выключения светодиода HL1. Резистор R2 гарантирует НИЗКИЙ уровень для АР в режиме Z-входа;
160
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
+3.3V
HL1
(red)
R1 2k
HL1...HL3 LG 192G CT/T
R1 220
"SYS"
AP
"POWER"
R2 2k
HL1
R2 220
HL2
(green)
HL2
"A"
"STATUS"
R3 220
HL3
"B"
г)
д)
Рис. 5.1. Схемы подключения одиночных светодиодов к АР (окончание):
г) светодиод HL1 индицирует исправность канала питания не напрямую, а через логику программы АР, что даёт дополнительные возможности. В частности, АР может измерить напряжение питания через вход АЦП и помигать светодиодом по принципу: чем меньше частота мигания, тем ниже напряжение. Светодиод HL2 пользовательский, индицирует режимы работы АР;
д) три «зелёных» светодиода подключаются к отдельным (обособленным!) выводам АР. Такую
роскошь могут позволить себе АР с большим числом линий GPIO. Варианты: HL1…HL3 = blue
(синий цвет, 20 мА) = HL1.1…1.3 (один трёхцветный светодиод), R1 = R2 = R3 = 200 = 330 = 510
5.1.2. Одиночные светодиоды с буферными элементами
На Рис. 5.2, а…и показаны схемы подключения светодиодов к цифровым линиям АР через буферные (развязывающие, согласующие, защитные) элементы.
В качестве буфера обычно используются биполярные и полевые транзисторы.
+3.3V
+3.3V
HL1
(green,
red)
HL1
(blue)
R3
100
R1 10k
R2
100k
VT1
S8050
а)
AP
AP
+1.8V
R1
10k
VT1
MMBT3904
R2 2k
R3
3k
(Z)
б)
Рис. 5.2. Схемы подключения светодиодов к АР через буферные элементы (начало):
а) добавление ключа на транзисторе VT1 оправдано тем, чтобы снизить нагрузку по току
на стабилизатор напряжения +1.8 В, который тоже питается от источника +3.3 В. Варианты:
R2 = NC, R3 = 330 = 470, HL1 = green, VT1 = 2N3904 = MMBT3904, +1.8V/+3.3V = +3.3V/+5V;
б) аналогично Рис. 5.2, а, но при начальном сбросе АР светодиод HL1 светится, а не гаснет. Транзистор VT1 открывается током, протекающим через резисторы R1, R2, при этом линия
GPIO АР при сбросе находится в Z-состоянии. Варианты: R1 = 47k = NC;
5.1. Светодиодные индикаторы
+3.3V
+5V
HL1
(orange)
R1
10k
HL1
(green)
+1.8V
R1
10k
R2
220
R2
576
AP
AP
161
VT1
BSS138W
VT1
2N7002BKW
г)
в)
+3.3V
+4.2V
+5V
+3.3V
R2
1k
R1
100k
AP
AP
HL1
(R, G, B)
HL1
(red)
VT1
RN1907
10k
R1
300
47k
VT1 BSS138LT1G
д)
+3.3V
е)
+5V
R2
470
AP
HL1 (blue @20mA)
LTST C191TBKT
C1
2.2
R1
10k
Рис. 5.2. Схемы подключения
светодиодов к АР через буферные
элементы (продолжение):
VT1 FDN327N
ж)
в) замена биполярного буферного транзистора полевым транзистором VT1. Резистор R1, с
одной стороны, позволяет открываться транзистору VT1 при сбросе питания (индикатор HL1
светится), а с другой — его можно использовать как информационный «бит» логической единицы при опросе входа АР;
г) аналогично Рис. 5.2, в, но с разными напряжениями питания АР и светодиода HL1. Транзистор VT1 согласует уровни, кроме того, его применение снижает нагрузку по току на стабилизатор напряжения +1.8 В аналогично Рис. 5.2, а. Варианты: VT1 = 2N7002W, R1 = NC, R2 = 4.7k,
+1.8V = +3.3V;
д) аналогично Рис. 5.2, в, но с информационным «битом» логического нуля, который определяется наличием «pull-down» резистора R1. Варианты: VT1 = SSM3K35MFV, R2 = 470;
е) применение «цифрового» транзистора VT1 (корпус SOT-23) экономит количество ЭРИ;
ж) HL1 — это сверхъяркий «синий» светодиод. Плавное регулирование яркости достигается
изменением длительности импульсов ШИМ и наличием усредняющего конденсатора C1;
162
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
VT1
S8550
+3.3V
HL1 (green)
APT1608SGC
R1
200
R3
1k
R2
4.7k
TXD
HL1
AP
AP
R1
10k
HL1
(red)
VT1
HL2 (blue)
APT1608QBC
R2
68
HL2
VT2
UART TX
VT1, VT2 RUM002N05T2L
з)
и)
Рис. 5.2. Схемы подключения светодиодов к АР через буферные элементы (окончание):
з) на холостом ходу сигнал TXD интерфейса UART имеет ВЫСОКИЙ уровень, поэтому светодиод HL1 загорается (мигает) лишь при передаче информации, в паузах он гаснет;
и) резисторы R1, R2 имеют разные сопротивления, поскольку светодиоды HL1, HL2 имеют разный цвет и разные падения напряжения: HL1 (зелёный) — 2.2 В@7.5 мА, HL2 (синий) —
3.0 В@10 мА. Разбаланс сопротивлений позволяет уравнять яркости свечения индикаторов
5.2. Видеотехника
5.2.1. TFT-дисплеи c интерфейсом MIPI DPI
На Рис. 5.3 приведена общая схема подключения дисплеев с параллельным интерфейсом MIPI DPI [5-1].
AP
K=15; 17; 23
Display
DATA_0
DATA_K
DATA_K
PCLK
VSYNC
HSYNC
DE
PCLK
VSYNC
HSYNC
DE
X1
X2
Y1
Y2
Touch Screen
GPIO
RGB
DATA_0
Рис. 5.3. Обобщённая структурная
схема подключения дисплея с интерфейсом MIPI DPI к АР:
• DATA0…K — информационные сигналы формата RGB с разрядностью
16; 18; 24 бита;
• PCLK, VSYNC, HSYNC — тактовые
и синхронизирующие сигналы;
• DE — сигнал управления;
• X1, X2, Y1, Y2 — сигналы от сенсорной накладки к экрану дисплея.
Примечание: в разных дисплеях
могут использоваться дополнительные
сигналы и интерфейсы, но на схеме
указаны лишь основные из них
5.2. Видеотехника
163
На Рис. 5.4, а…в показаны электрические схемы подключения дисплеев TFT с
параллельным интерфейсом MIPI DPI (RGB) в реальных SBC.
R1...R27
10
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
G0
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
44
DCLK
46
PDN
48
DE
32
NC
33
NC
38
X1
40
X2
37
Y1
39
Y2
44
NC
45
NC
3
VDD
4
VDD
35
PWR
P1
P1
P2
P2
29
VSS
1
VSS
2
VSS
36
VSS
41
VSS
43
LED+
42
LED–
R25
R26
R27
К контроллеру
тачскрина
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
+3.3V
20 mA
AP
+3.3V
HG1
TFT (4.3")
R1
R24
а)
Рис. 5.4. Схемы подключения TFT-дисплеев с параллельным интерфейсом MIPI DPI к АР
(начало):
а) интерфейс MIPI DPI (Display Parallel Interface) разработан альянсом MIPI и относится к
интерфейсам с параллельной передачей сигналов по 16-; 18- или 24-разрядной шине данных.
TFT-дисплей HG1 с диагональю 4.3 дюйма поддерживает 24-битовое цветовое разрешение,
общее количество цветовых оттенков более 16 млн. Имеются 24 линии связи между HG1 и АР:
R0…R7 (красный цвет), G0…G7 (зелёный цвет), B0…B7 (синий цвет). Резисторы R1…R27 согласующие, они устраняют «звон» на фронтах импульсов. Управление дисплеем производится через
трёхпроводной интерфейс от АР с сигналами DCLK (тактирование), PDN (отключение питания),
DE (активация дисплея). Подсветка организуется через выводы LED+, LED– от генератора стабильного тока 20 мА. Сопротивления распределённых резистивных датчиков между контактами
тачскрина X1, Y1, X2, Y2 изменяются каждый раз при касании пальцами экрана дисплея. Сигналы с этих контактов поступают на микросхему контроллера тачскрина TSC2046IPWR (на схеме
не показан), который управляется от АР по отдельному последовательному четырёхпроводному
интерфейсу;
Глава 5. Схемы узлов вывода
AP
+3.3V
R1...R28
33
R29, R30
4.7k
HG1 HY070CTP (FPC 40)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
G0
G1
G2
G3
G4
G5
G6
G7
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
R24
30
PCLK
32
HSYN
33
VSYN
34
DE
R25
R26
R27
R28
31
DISP
35
BADJ
XR
YD
XL
YU
VDD
GND
GND
GND
37
38
39
40
SDA
R29
R30
4
SCL
RST
INT
+3.3V
29
36
3
2
LED+
1
LED–
9V@135 mA
R1
TFT (800 x 480), 7"
164
б)
Рис. 5.4. Схемы подключения TFT-дисплеев с параллельным интерфейсом MIPI DPI к АР
(продолжение):
б) аналогично Рис. 5.4, а, но для TFT-модуля HG1 с диагональю экрана 7 дюймов, который
внутри содержит жидкокристаллический TFT-дисплей, тачскрин и контроллер тачскрина. Для
подключения дисплея к АР используется 40-контактный гибкий шлейф с разъёмом FPC-40. Через линии R0…R7, G0…G7, B0…B7 передаётся цветовая информация в 24-битном формате 8:8:8.
Общее количество цветовых оттенков более 16 млн. Синхронизация видеосигналов производится отдельно по строкам (HSYN) и отдельно по кадрам (VSYN).
Назначение сигналов управления: DE (разрешение ввода данных), PCLK (тактирование),
BADJ (диммирование подсветки импульсами ШИМ с частотой 0.1…200 кГц). Сигналы XR, YD,
XL, YU поступают на контроллер тачскрина, который находится внутри модуля HG1 на печатной
плате, из них XR, YD — сигналы интерфейса I2C; XL — сигнал сброса НИЗКОГО уровня; YU —
сигнал прерывания, сообщающий АР, что данные от контроллера тачскрина готовы для чтения.
Контроллер тачскрина выполнен на микросхеме FT5206GE1 (FT5306DE4) фирмы FocalTech.
Подсветка организуется через выводы LED+, LED– от отдельного DC/DC-преобразователя напряжения 9 В, обеспечивающего ток нагрузки 135 мА. Резисторы R1…R28 — «антизвонные». Резисторы R29, R30 служат «pull-up» нагрузкой шины I2C;
5.2. Видеотехника
AP
+3.3V
R1...R40
22
C1...C5
10
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
G0
G1
G2
G3
G4
TFT (480 x 272), 4.3"; (800 x 480), 7"
R1
HG1
(FH12 50S 0.5SV)
32
33
34
35
36
37
38
40
41
VSYN
42
HSYN
43
PCLK
R25
BL
RES
DISP
INT
TRES
TWC
TWO
DEN
XR
XL
YD
YU
G5
G6
G7
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
165
LR
C1
45
46
47
48
49
R40
3V3
5V
GND
3; 4
1; 2
C5
+3.3V
+5V
5; 6; 31; 39; 44; 50
R24
в)
Рис. 5.4. Схемы подключения TFT-дисплеев с параллельным интерфейсом MIPI DPI к АР
(окончание):
в) аналогично Рис. 5.4, б, но для TFT-модуля HG1 с диагональю экрана 4.3 или 7 дюймов.
Особенности:
• 50-контактный соединительный разъём FPC-50;
• дополнительные сигналы управления BL, DISP, TWC, TWO;
• сигнал прерывания LR, сообщающий АР о выходе внутреннего контроллера тачскрина из
«спящего» режима;
• наличие антизвонных конденсаторов C1…C5;
• наличие на плате дисплея генератора тока для подсветки экрана, который запитывается от
внешнего источника с напряжением +5 В.
Варианты: C1…C5 = 0, неподключённые сигналы B0…B2, G0, G1, R0…R2 (структура цветовых
составляющих 5:6:5)
166
Глава 5. Схемы узлов вывода
5.2.2. TFT-дисплеи c интерфейсом MIPI DSI
Для работы последовательного интерфейса MIPI DSI (Рис. 5.5, а…е) требуется
меньше соединительных линий, чем для параллельного интерфейса MIPI DPI.
MIPI DSI
DATA_0+
DATA_0–
DATA_K+
DATA_K–
DATA_K+
DATA_K–
CLK+
CLK–
CLK+
CLK–
SCL
SDA
SCL
SDA
I2C
XS1 FPV WZA21 20 LF
+3.3V
VCC 5V
+5V
+3.3V
VCC 3V3
GND
DSI RST
DSI EN
DSI BKL
а)
DSI D0N
DSI_DN1
+3.3V
DSI_DP1
GND
DSI_CN
DSI_CP
GND
DSI_DN0
AP
DSI_DP0
GND
SCL_DSI
SDA_DSI
GND
VDD_3V3
VDD_3V3
+3.3V
DSI D0P
AP
GND
DSI D1N
DSI D1P
GND
DSI D2N
DSI D2P
GND
DSI D3N
MIPI DSI
GND
XS1
ZIF 15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
DSI D3P
GND
DSI CKN
DSI CKP
XS1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
MIPI DSI
K=1...3
Дисплей (хост)
АР (устройство)
AP
DATA_0+
DATA_0–
в)
б)
Рис. 5.5. Схемы подключения дисплеев с последовательным интерфейсом MIPI DSI к АР
(начало):
а) структурная схема подключения дисплеев с интерфейсом MIPI DSI к АР. Количество дифференциальных линий (потоков) DATA± может варьироваться от одного до четырёх, при этом
поток «0» двунаправленный. Тактирование осуществляется сигналом CLK±. Режимы устанавливает АР через интерфейс I2C. В разных дисплеях могут быть и другие дополнительные сигналы;
б) двухпотоковый интерфейс MIPI DSI. Подсказки по функциям сигналов заложены в их
названиях. Расшифровка: «DSI» — тип интерфейса, «D» (DATA), «С» (CLK), «SCL, SDA» (I2C).
Дифференциальные пары различаются буквами «P» (Positive, плюс) и «N» (Negative, минус);
в) четырёхпотоковый интерфейс MIPI DSI. Перечень сигналов: DSI-D0x…D3x — потоки;
DSI-CKx — тактирование; DSI-EN, DSI-RST, DSI-BKL — управление; GND — общий провод;
VCC-5V — питание подсветки; VCC-3V3 — питание цифровой логики;
5.2. Видеотехника
+5V
+3.3V
R1 2k
+5V
GND
SDA
SCL
R2 2k
GND
GPIO1
R3 10k
GND
GPIO2
GND
NC
NRES
GND
GND
DN3
AP
DP3
GND
DN2
DP2
GND
DN1
DP1
GND
DN0
DP0
GND
NCLK
PCLK
GND
XS1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
GND
DSI_D0_N
XS1
MIPI DSI
+5V
+5V
167
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
DSI_D0_P
DSI_D1_N
DSI_D1_P
DSI_CLK_N
DSI_CLK_P
I2C_SCL
I2C_SDA
3V3
XS2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
д)
г)
Рис. 5.5. Схемы подключения дисплеев с последовательным интерфейсом MIPI DSI к АР
(продолжение):
г) четырёхпотоковый интерфейс MIPI DSI. Перечень сигналов: DP0…3, DN0…3 — четыре
информационных потока с дифференциальными сигналами; PCLK, NCLK — тактирование;
NRES — начальный сброс (НИЗКИЙ активный уровень); SDA, SCL — интерфейс I2C для передачи команд управления; GND — общий провод; +5V — питание подсветки и логики дисплея.
Резисторы R1, R2 служат внешней нагрузкой шины I2C. В некоторых дисплеях нагрузочные резисторы шины I2C могут размещаться внутри корпуса. Линии GPIO1, GPIO2 доступны для программирования. Через них можно организовывать программное включение и выключение подсветки дисплея, а также регулирование яркости экрана методом ШИМ;
д) разные дисплеи с интерфейсом MIPI DSI имеют разные разъёмы с разным числом контактов, обычно от 15 до 30. Однако набор сигналов у них совпадает. Следовательно, можно воспользоваться переходными кабелями. В данном случае в качестве примера показана распайка
кабеля для подключения 22-контактного дисплея к 15-контактному разъёму, расположенному
на плате SBC [5-2];
168
Глава 5. Схемы узлов вывода
XS1 (FPC 30)
+3.3V
DSI DN1
DSI DP1
GND
DSI CN1
DSI CP1
GND
AP
DSI DN0
DSI DP0
GND
SCL
SDA
GND
+3.3V
+3.3V
+3.3V
NC
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16...30
DISPLAY
GND
Рис. 5.5. Схемы
подключения дисплеев
с последовательным
интерфейсом MIPI DSI к АР
(окончание):
е)
е) аналогично Рис. 5.5, б, но с унифицированным 30-контактным разъёмом XS1 серии FPC.
Контакты 1…15 предназначены для передачи данных и питания, контакты 16…30 не задействуются. Назначение линий связи: DP0, DN0, DP1, DN1 — дифференциальные информационные;
CN1, CP1 — дифференциальные тактовые; SDA, SCL — интерфейс I2C (нагрузочные резисторы
могут быть внутренние на плате SBC или внешние в дисплее)
5.2.3. TFT-дисплеи c интерфейсом LVDS
Интерфейс LVDS был разработан в 1994 году фирмой National Semiconductors
в противовес господствовавшему в то время параллельному интерфейсу RGB. Достоинства LVDS связаны с низким энергопотреблением и высокой помехоустойчивостью при передаче широкополосных видеосигналов на большие расстояния.
В передатчике сигналов LVDS используется генератор тока 3.5 мА, нагруженный через дифференциальную линию связи на сопротивление 100 Ом на приёмном конце. Размах напряжения составляет 350 мВ, при этом ВЫСОКИЕ и НИЗКИЕ логические уровни формируются изменением направления тока в линии.
Крейсерская скорость передачи данных составляет 655 Мбит/с, а теоретическая предельная — 1.923 Гбит/с [5-3].
Из недостатков интерфейса LVDS можно отметить использование его только
для передачи видеоданных, без стандартизованной системы управляющих команд
через интерфейс I2C. Кроме того, в интерфейсе LVDS не предусмотрена возможность «горячей» замены с перестыковкой кабеля.
Дисплеи TFT с последовательным интерфейсом LVDS (Рис. 5.6, а…ж) похожи
по схемам подключения и набору сигналов на дисплеи с интерфейсом MIPI DSI.
Однако они не взаимозаменяемые. Чтобы преобразовать сигналы одного интерфейса в другой, требуется специальный конвертор. Следовательно, прежде чем
решиться на установку дисплея с интерфейсами LVDS или MIPI DSI, необходимо
выяснить, какой из них поддерживается конкретным АР или SBC.
169
5.2. Видеотехника
+3.3V
GND
GND
TX0_N
TX0_P
GND
AP
TX1_N
TX1_P
GND
TX2_N
TX2_P
GND
CLK_N
CLK_P
GND
+5V
VCC
VCC
PWM#A
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
LVDS1_TX0_P
+3.3V
XS1
LVDS1_TX0_N
LVDS1_TX1_P
LVDS1_TX1_N
LVDS1_TX2_ P
LVDS1_TX2_N
LVDS1_TX3_P
LVDS1_TX3_N
LVDS1_CLK_P
LVDS1_CLK_N
GND
LVDS1_IRQ_N
LVDS1_CONTRAST
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
DISPLAY LVDS
+3.3V
AP
+3.3V
XS1
DISPLAY LVDS
+3.3V
б)
а)
+3.3V
XS1
"Extension"
AP
LVDS#B_TX3_N
LVDS#B_TX3_P
1
2
в)
Рис. 5.6. Схемы подключения дисплеев с интерфейсом LVDS (начало):
а) к разъёму XS1 подключается TFT-дисплей, в котором цветовая информация передаётся
через последовательный интерфейс LVDS с дифференциальными парами сигналов. Из них три
информационных потока TX0_N…TX2_P и один тактовый сигнал в виде дифференциальной
пары CLK_N, CLK_P. Интерфейс LVDS позволяет экономить число линий связи по сравнению с
интерфейсом RGB, но для этого требуется увеличение тактовой частоты сигналов. Для подключения дисплея к АР используется 40-контактный гибкий кабель с разъёмом FPC-40. Волновое
сопротивление ВЧ-линий интерфейса LVDS должно быть 100 Ом. Яркость подсветки регулируется сигналом PWM#A от АР методом ШИМ;
б) аналогично Рис. 5.6, а, но с четырьмя потоками данных. В разъёме XS1 меньшее количество контактов, соответственно, на него не выводятся цепи питания и сокращаются цепи GND.
Подача питающих напряжений должна производиться через отдельный разъём. Такая ситуация
возможна в дисплеях с двумя экранами;
в) разъём XS1 называется «Extension Connector» (коннектор расширения). Он служит для
подключения дополнительного, четвёртого потока данных TX3_N, TX3_P к интерфейсу LVDS
(Рис. 5.6, а);
Глава 5. Схемы узлов вывода
XS1
+3.3V
+3.3V
VDD 3V3
VDD 3V3
DISP0 CONTRAST
LVDS I2C SCL
LVDS I2C SDA
FB1
TX0 N
AP
TX0 P
GND
FB2
TX1 N
TX1 P
GND
FB3
TX2 N
TX2 P
GND
FB1...FB4
90R
FB4
TX3_N
TX3 P
GND
+5V
VDD 5V
VDD 5V
GND
GND
VDD 5V
VDD 5V
VDD 5V
I2C1 SCL
I2C1 SDA
TOUCH INT
NC
г)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
FB1
100R
+5V
XS1
C1 22.0
C1
C2
+5V
+5V
C2 0.01
+5V
FB2
Y0M
Y0P
+3.3V
GND
FB3
Y1M
Y1P
GND
FB4
AP
VDD 3V3
Y2M
Y2P
GND
LVDS
CABC EN
FB5
CLKM
CLKP
GND
FB6
Y3M
Y3P
+3.3V
GND
R1 10k
GPIO1
GND
R2 2k
SCL
SDA
GPIO2
R3 2k
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
LVDS
170
FB1 MPZ1608S101ATAH0
FB2...FB6 (90R) EXC24CE900U
д)
Рис. 5.6. Схемы подключения дисплеев с интерфейсом LVDS (продолжение):
г) разъём XS1 рассчитан на подключение сенсорного TFT-дисплея с интерфейсом LVDS.
Информация передаётся по четырём потокам дифференциальных сигналов, которые для устранения синфазных помех комплектуются фильтрами на сдвоенных ферритовых дросселях FB1…
FB4. Импеданс их обмоток 90 Ом согласуется с волновым сопротивлением тракта LVDS. Сигналы на контактах XS1:6, XS1:7 аналогичны по выполняемым функциям сигналам на контактах
XS1:27, XS1:28. Это два отдельных интерфейса I2C, через которые программируются режимы
работы, соответственно, матрицы дисплея TFT и сенсорной панели Touch Screen (сенсорное
стекло). Нагрузочные «pull-up» резисторы обеих шин I2C имеются, но на схеме для простоты не
показаны. Варианты: FB1…FB4 = 100R, сигналы интерфейсов LVDS-I2C-SCL и I2C1-SCL, I2C1SDA и LVDS-I2C-SDA могут быть физически запараллелены (отличаться они друг от друга будут
логическими адресами на шине I2C);
д) аналогично Рис. 5.6, г, но с другими названиями и составом сигналов и с уменьшенным
количеством контактов в разъёме XS1;
5.2. Видеотехника
DAT2_S
VD1
DAT2+
VD2
DAT2–
DAT1_S
VD3
AP
XS1
mini HDMI
DAT1+
VD4
DAT1–
DAT0_S
VD5
DAT0+
VD6
DAT0–
CLK_S
VD7
CLK+
VD8
CLK–
DDC/CEC
R1
R2
R3
R4
R5
CEC
SCL
SDA
UTILITY
+5V
R1, R2, R5 10k
R3, R4 4.7k
+5V
HPLG
R1 R2 R3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Embest 9.7'
LCD
+3.3V
R1 10k
R2, R3 4.99k
LVDS PWM
LVDS CABS
LVDS I2C SCL
LVDS I2C SDA
LVDS TX0 N
LVDS TX0 P
LVDS TX1 N
LVDS TX1 P
LVDS TX2 N
LVDS TX2 P
LVDS
VD1...VD8
ES0402V014BT
AP
+3.3V
171
LVDS TX3 N
LVDS TX3 P
LVDS CLK N
LVDS CLK P
GND
ж)
е)
Рис. 5.6. Схемы подключения дисплеев с интерфейсом LVDS
(окончание):
е) разъём XS1 mini-HDMI используется для подключения к АР дисплея фирмы Embest
Technology с диагональю экрана 9.7 дюйма. Названия сигналов в разъёме XS1 разработчик схемы
позаимствовал из интерфейса HDMI, но на самом деле на этот разъём выводятся сигналы интерфейса LVDS! Соответствие названий: DAT0±…DAT2± (информационные потоки LVDS0_TX0±…
LVDS0_TX2±); CLK± (тактовые сигналы LVDS0_CLK±); SCL, SDA (шина управления I2C интерфейса LVDS); DDC/CEC (сигнал подачи питания LCD_PWR_EN на включение дисплея); CEC
(сигнал прерывания для тачскрина Touch-Int); UTILITY (сигнал подачи питания LED_PWR_EN
на включение подсветки); HPLG (импульсы ШИМ с линии GPIO для регулирования яркости
подсветки);
ж) ещё один вариант набора сигналов интерфейса LVDS: дифференциальные пары с импедансом 100 Ом LVDS-TX0-N…LVDS-TX3-P (информационные), LVDS-CLK-N, LVDS-CLK-P
(тактовые); LVDS-I2C-SCL, LVDS-I2C-SDA — сигналы интерфейса I2C; LVDS-PWM — импульсы
ШИМ для плавного регулирования какого-либо параметра, чаще всего яркости подсветки дисплея; LVDS-CABS — общий сигнал управления
172
Глава 5. Схемы узлов вывода
5.2.4. Подключение SVGA-мониторов
Лет 20 назад геймеры говорили, что плохой монитор лучше хорошего телевизора. В этой шутке есть доля истины, связанная с лучшей разрешающей способностью мониторов по сравнению с аналоговыми телевизорами.
Сейчас геймеры говорят, что плохой цифровой монитор лучше хорошего аналогового монитора, но связано это уже с интерфейсом передачи данных, который
в цифровых мониторах обеспечивает лучшую помехозащищённость и более высокую чёткость. Однако аналоговые мониторы ещё остались в эксплуатации, и к
ним можно подключить АР через стандартный разъём (Рис. 5.7, а, б, Табл. 5.1).
Розетка XS1 DHS15F
Вилка XP1 DHS15M
1
5
10
15
6
11
5
1
10
15
6
11
а)
б)
Рис. 5.7. Распиновка видеоразъёма: а) вилка, б) розетка
Таблица 5.1. Распиновка контактов видеоразъёма [5-4]
Расшифровка
Назначение сигнала
Параметры сигнала
1
Название
сигнала
R
Red
Видео (красный), от АР
0…0.7 В/75 Ом
2
G
Green
Видео (зелёный), от АР
0…0.7 В/75 Ом
3
B
Blue
Видео (синий), от АР
0…0.7 В/75 Ом
4
RES
Reserved
Резерв
—
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
GND
GND-R
GND-G
GND-B
+5V
SGND
ID0
VGA-SDA
HSYNC
VSYNC
VGA-SCL
Ground
Ground-Red
Ground-Green
Ground-Blue
+5 Volt
Signal Ground
Identification-0
VGA-Data
Horizontal Synchro
Vertical Synchro
VGA-Clock
Общий провод, «земля»
«Земля» (красный)
«Земля» (зелёный)
«Земля» (синий)
Питание +5 В, от платы АР
Сигнальная «земля»
Идентификация, к АР
Данные I2C-VGA, от/к АР
Строчная синхронизация, от АР
Кадровая синхронизация, от АР
Тактирование I2C-VGA, от АР
0В
0В
0В
0В
+5 В
0В
ТТЛ, +0.4/+2.4 В
ОК, 0/+5 В, 15 кОм
ТТЛ, +0.4/+2.4 В
ТТЛ, +0.4/+2.4 В
ОК, 0/+5 В, 15 кОм
Контакт
Из истории. В 1987 году появились первые VGA-видеокарты, которые вырабатывали аналоговые видеосигналы трёх цветов для экрана с разрешением 640 x 480.
В 1989 году ассоциацией по стандартизации в области видеотехники и микроэлектроники VESA (Video Electronics Standards Association) был разработан стандарт SVGA с форматом 800 x 600. Затем с промежутком в несколько лет стали появляться новые версии аналоговых стандартов с увеличенной разрешающей способностью экрана вплоть до 3840 x 2400.
173
5.2. Видеотехника
Термины «VGA-монитор» и «SVGA-монитор» до сих пор являются нарицательными для обозначения всех мониторов, имеющих 15-контактный разъём из серии
D-Sub, независимо от поддерживаемых форматов: VGA, SVGA, XGA, SXGA.
Качественное изображение для аналоговых мониторов гарантируется при разрешении 1280 x 1024, но ещё лучше 1920 x 1080 и 2048 x 1536 [5-5]. Для справки: чтобы глаза не утомлялись, нужно выставлять режим на мониторе не меньше, чем
1024 пикселя по горизонтали.
Аналоговые мониторы автоматически подстраиваются под частоту сигналов
VSYN, HSYN в режиме «multimode». Типовой диапазон рабочих частот аналоговых
мониторов составляет 30…70 кГц строчной и 50…160 Гц кадровой разверток.
Для сопряжения стандартного SVGA-монитора с АР используются: три выхода
видеоЦАП, два цифровых порта, генерирующие синхроимпульсы, а также двухпроводной интерфейс управления I2C (Рис. 5.8, а…ж).
C1...C3 18
+3.3V
C1 R1
VGA R
C2 R2
C3 R3
VGA G
AP
VGA B
VD1 2
VD2 2
VD3 2
3
3
3
1
1
R1...R3 75
X1
"VGA"
1
6
2
7
3
8
4
9
5
10
11
+5V
+3.3V
VT1
R6
10k
12
R4 2k
13
R5 2k
14
R7 10k
VT2
15
1
VD4
VGA HSYNC
VGA VSYNC
VD5
VGA CLK
VGA DATA
VD1...VD3 BAT54S
VT1, VT2 BSN20
VD4, VD5 ULCE0505A015FR
а)
Рис. 5.8. Схемы подключения SVGA-мониторов к АР (начало):
а) полная схема вывода видеоинформации на SVGA-монитор. На транзисторах VT1, VT2
собраны двунаправленные преобразователи уровней 3.3/5 В. С помощью шины I2C (VGA-CLK,
VGA-DATA) производится общение АР с внутренним контроллером монитора для установки
частоты синхронизации, разрешающей способности и т. д. Напряжение +5 В постоянно подаётся от SBC в монитор. Это сделано для того, чтобы АР мог получить информацию о типе
подключённого монитора через шину I2C в его «спящем» (обесточенном) режиме. Ток, потребляемый монитором по цепи +5 В, обычно не превышает нескольких десятков миллиампер.
Диоды VD1…VD5 защитные. Резисторы R1…R3 создают ВЧ-нагрузку 75 Ом, равную волновому
сопротивлению коаксиального кабеля, соединяющего разъём X1 с монитором. Это позволяет
устранить отражения сигналов в длинной линии и улучшить качество изображения. Варианты:
VT1 = VT2 = WNM2021 = 2SK3018, VD4 = VD5 = SRV05-4 (сборка супрессоров);
174
Глава 5. Схемы узлов вывода
R1 10k
VGA VSYNC
R2 10k
VGA HSYNC
DD1 74V1G125
1
2
3
OE
X1 "VGA"
4
GND
1
2
3
OE
VCC
Y
A
5
4
GND
DD3 TXS0102
3
VCCA
5
A1
4
A2
6
VGA SCL
Y
A
5
DD2 74V1G125
+3.3V
VGA SDA
VCC
+3.3V
OE
+5V
7
8
B1
1
B2
2
VCCB
1
6
2
7
3
8
4
9
5
10
R3
100
R4
100
11
12
13
14
15
GND
б)
+5V
R1
4,7k
VT1
X1:12
X1:15
VD1 SRV05 4
R3
10k
VGA CLK
VGA R
VGA G
R2
4,7k
+2.75V
X1:1
X1:2
X1:3
+3.3V
VD1
1N5819
R4
10k
VGA B
5
1
3
4
6
VT2
VGA DATA
2
VT1, VT2 WNM2021
в)
г)
Рис. 5.8. Схемы подключения SVGA-мониторов к АР (продолжение):
б) микросхема DD3 служит преобразователем логических уровней 3/5 В для сигналов на контактах X1:12, X1:15, при этом для сигнала VGA-SDA обеспечивается двунаправленность. Сигналы
VGA-HSYNC (X1:13) и VGA-VSYNC (X1:14) не конвертируются, а буферизируются двумя микросхемами DD1, DD2, поскольку для нормальной работы узлов внутри VGA-монитора требуются
входные сигналы с уровнями ТТЛ. Варианты: R3 = R4 = 0, DD2 = DD3 = SN74LVC1T45 (с двойным питанием);
в) на транзисторах VT1, VT2 выполнены преобразователи уровней 3.3/5 В для двухпроводного интерфейса I2C, через который осуществляется связь с АР. Особенность: защитный диод VD1
и отсутствие нагрузочных резисторов по истокам транзисторов VT1, VT2;
г) особенность: видеосигналы R, G, B ограничиваются по амплитуде от бросков напряжения сборкой диодов VD1, которая подключается к источнику с напряжением +2.75 В. Защитный
супрессор сборки, рассчитанный на номинальное напряжение 5 В, в работе не участвует;
5.2. Видеотехника
VGA R
X1:1 (Red)
FB1
+5V
X1:1 (Red)
2
L1
VGA R
L2
3
3
L1, L2
82nH
1
VD1
BAT54S
C2
47
C1
10
R1
75
C1
22
C2
22
VGA HSYNC
DD1 SN74LVC1G125
5
2
1
C3
22
VD1
BAT54S
е)
д)
R1
10
+3.3V
2
1
R1
75
175
1
EN
VD1
BAT54S
3
DD1
FB1
4
C1 10
3
+5V
2
C2 47
X1:13
(HSYNC)
1
Рис. 5.8. Схемы
подключения
SVGA-мониторов к АР
(окончание):
ж)
д) в канале красного цвета VGA-R применяется ВЧ-фильтр C1, C2, FB1. Диодная сборка VD1
защищает от бросков напряжения в диапазоне –0.3…+5.3 В. Аналогичная схемотехника используется в каналах зелёного (VGA-G, X1:2) и синего (VGA-B, X1:3) цветов;
е) аналогично Рис. 5.8, д, но с двухзвенным фильтром L1, C2, L2, C3. Диодная сборка VD1
защищает от бросков напряжения в диапазоне –0.3…+3.6 В;
ж) сигнал VGA-HSYNC поступает не от АР, а от видеокодека ADV7125JSTZ240. На повторителе DD1 выполнен преобразователь уровней 3/5 В, который, по сути, служит защитным буфером
в аварийных ситуациях. Аналогичная схемотехника используется для сигнала VGA-VSYNC (контакт X1:14). Варианты: R1 = 0, C1 = NC, C2 = 22, FB1 = 82nH, DD1 = NC7SZ125
5.2.5. Подключение цветных телевизоров
Одной из сфер применения SBC являются телевизионные смарт-приставки,
или, по-другому, TV-Box. Эти устройства обеспечивают доступ к Интернету и сервисам, транслирующим онлайн-телевидение, фильмы, YouTube и т. д.
На корпусе популярного TV-Box Ugoos AM6 [5-6] размещаются разъёмы: OTG,
USB, AUX-IN, TF-CARD, LAN, HDMI, SPDIF, DC/12V, AV-OUT. Через последний разъём приставку можно подключить к аналоговым входам звука и изображения цветных телевизоров. Про канал видео этого разъёма и пойдёт речь дальше.
Видеосигнал на разъёме AV-OUT называется композитным, поскольку содержит в своём составе сигналы яркости, цветовой поднесущей, гашения, синхронизации. В англоязычной литературе он обозначается аббревиатурой CVBS (Color,
Video, Blanking and Sync). Для сведения: нельзя отождествлять сигналы CVBS и
ПЦТС, поскольку в последнем присутствует канал звука.
Современные АР обладают достаточным быстродействием, чтобы формировать сигнал CVBS напрямую, без промежуточных микросхем (Рис. 5.9, а…д).
176
Глава 5. Схемы узлов вывода
C2 240
C2 220
"TV OUT"
+5V
L1 1.8µH
R1
75
3
VD1
BAT54S
C1
150
R1
49.9
XS1
RCA 1
3
VD1
BAT54S
1
б)
VD1 ESD5451N
VD1 ESD5451R
"TV OUT"
CVBS
VD2
BAT54S
R2
27
AP
3
+5V
L1 1.8µH
CVBS
2
L1 C1
1µH 1000
"TV"
+1.8V
+3.3V
R1
75
C3
150
1
а)
+3.3V
2
CVBS
AP
C3
162
C1
162
+5V
L1 1.8µH
2
CVBS
AP
"VIDEO OUT"
+3.3V
+3.3V
R1
330
2
C2
390
C1
10
3
VD2
BAT54S
1
1
г)
в)
+3.3V
"VIDEO TV"
AP
CVBS
R1
75
VD1
PTVSLC3D5VB
Рис. 5.9. Схемы
подключения цветных
телевизоров по
видеоканалу к АР:
д)
а) AP генерирует потенциальный сигнал CVBS с амплитудой 0…1.073 В. Резистор R1 имеет
сопротивление, равное волновому сопротивлению телевизионного кабеля 75 Ом. Элементы L1,
C1…C3 снижают ВЧ-помехи на экране телевизора. Сборка диодов Шоттки VD1 ограничивает
всплески напряжения в диапазоне –0.3…+5.3 В. Варианты: C1 = 100, C2 = 22, C3 = 330;
б) аналогично Рис. 5.9, а, но для систем отображения информации, которые используют кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Как следствие другие номиналы R1, C1…C3;
в) особенность: «горб» на АЧХ в районе 5 МГц для подавления гармоник. Формируется он
параллельным контуром L1, C1. Резистор R1 снижает добротность контура, расширяя тем самым
полосу пропускания;
г) АР (RK3328) имеет внутренний видеоЦАП, который генерирует сигнал CVBS в форматах
480i и 576i. В последнем случае параллельно дросселю L1 рекомендуется включить конденсатор
ёмкостью 20 пФ (на схеме не показан). При низком качестве изображения можно уменьшить сопротивление резистора R1 до 75 Ом. Диоды в сборке VD2 ограничивают напряжение в диапазоне
–0.3…+5.3 В. Супрессор VD1 защищает от статического электричества;
д) простейшая схема формирования сигнала CVBS на нагрузке 75 Ом, без коррекции АЧХ, но
с защитой выхода супрессором VD1
5.3. Звуковая система
177
5.3. Звуковая система
5.3.1. Вывод звука на громкоговорители
АР имеет возможность самостоятельно или через аудиокодек генерировать высококачественный звук. Если внутри АР имеется УМЗЧ, то к его выходам можно
подключить колонки или громкоговорители сопротивлением 4…30 Ом. Иногда
простые динамики устанавливают прямо на плату SBC, но звук через них напоминает компьютерную «пищалку» (Рис. 5.10, а, б).
Аудиокодек ALC5631Q
К портам АР
C3
C1
+3.3V
AUDLP
FB1
AUDLN
FB2
AUDRP
FB3
AUDRN
FB4
C1...C4 680
FB1...FB4 60R
3
VD1
VD3
2
XS1
PJ313B
SPEAKERL
4
VD2
C2
VD4
5
C4
SPEAKERR
VD1...VD4
ESD5451N
а)
+3.3V
AP
R1 510
XT1
VT1
S8550
"ON/OFF"
BA1
Рис. 5.10. Схемы вывода
звука на
громкоговорители:
б)
а) аудиокодек ALC5631Q имеет встроенный импульсный УНЧ мощностью 650 мВт на каждый канал при нагрузке 8 Ом, коэффициенте гармоник 1%. К двум парам диференциальных сигналов AUD-LP, AUD-LN и AUD-RP, AUD-RN подключаются громкоговорители, соответственно,
левого и правого каналов. Полярность определяется буквами «P» (плюс) и «N» (минус) в названиях сигналов. Элементы FB1…FB4, C1…C4 снижают ВЧ-помехи. Супрессоры VD1…VD4 защищают от ESD. Варианты: C1…C4 = 1000, УНЧ = TPA2012D2RTJR, VD1…VD4 = NC;
б) BA1 — это миниатюрный электромагнитный динамик-пищалка, в оригинальной схеме
называемый Buzzer. Звук формируется каналом ШИМ от АР. Частота модуляции высокая, она
подавляется (не воспроизводится) громкоговорителем BA1. Звук отключается джампером XT1
5.3.2. Вывод звука на головные телефоны
На Рис. 5.11, а…л показаны схемы подключения к АР или аудиокодекам головных телефонов с типовыми сопротивлениями: 16; 22; 28; 32; 55; 60 Ом. Из них
наибольшее распространение получили модели с сопротивлением 32 Ом.
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
C1 33.0
AUD_L
C1, C2 220.0
"Headphone"
R1
10k
XS1
R1 20k
FB1...FB3 220R
FB1
AUD L
R2 20k
AudioCodec
SGTL5000
К портам АР
Codec (TLV320AIC3106)
+3.3V
AP
178
AUD R
AUD_R
C2 33.0
OUT_R
C1
4
FB2
OUT_L
C2
XS1
HP_DET
AUD R
5
1
FB3
а)
AUD L
б)
+3.3V
C1, C2 0.1
VD1, VD2 ESL100503
C3 10.0
AUD_L
R1 22
6
C1
R3 1k
R5 22
XS1
AP
AUDIO L
R2 22
C2
R4 1k
R6 22
AUDIO R
AUD_R
VD1
VD2
C4 10.0
в)
+3.3V
FB1
WM8904C
К портам АР
AUD_L
"Headphone"
XS1
C3
AUD_FB
FB2
AUD_R
C1
C2
R1
22
R2
22
AUDIO L
C4
AUDIO R
Рис. 5.11. Схемы вывода
звука на головные
телефоны (начало):
FB1, FB2 220R@100MHz
C1, C2 0.1
C3, C4 470
г)
а) простая схема подключения головных телефонов к аудиоконтроллеру семейства TLV320;
б) в исходном состоянии контакты XS1:5, XS1:6 замкнуты. Они размыкаются механически
при подстыковке головных телефонов к разъёму XS1. АР фиксирует изменение уровня сигнала;
в) цепочки R1, C1 и R2, C2 устраняют самовозбуждение внутреннего УНЧ АР. Резисторы R3,
R4 служат нагрузками по выходу и способствуют быстрой разрядке конденсаторов C3, C4. Резисторы R5, R6 ограничивают броски тока. Защитные ESD-диоды VD1, VD2 нужны на случай прикосновения к токоведущим частям разъёма XS1 руки человека (защита от электростатики);
г) особенность: гальваническое подключение стереовыходов аудиокодека WM8904C к головным телефонам, а также дополнительная фильтрация гармоник конденсаторами C3, C4;
5.3. Звуковая система
179
+3.3V
RV2
FB1, FB2 (1000R)
BLM15AG102SN1
R5
200k
AP
C1, C2 10.0
U
AudioCodec ES8316
R2 22
C3 0.1
HP DET
C1
HPOUT L
2
R3 22
5
U
R1 10k R4 10k
AUDIO R
7
FB2
C2
RV1...RV3
AVRL101A1R1NTB
HP DET
6
FB1
HPOUT R
XS1
PJ 353D
AUDIO L
U
RV1
RV3
д)
+3.3V
FB1
AUD L
XS1
FB2
HEAD L
FB3
HEAD R
AP
AUD COM
AUD FB
"Headphone"
AUD R
R1
22
R2
22
R3
22
FB1...FB3
600R@2A
C1...C3 0.1
C1
C2
C3
е)
Рис. 5.11. Схемы вывода звука на головные телефоны (продолжение):
д) аналогично Рис. 5.11, б, но с дополнительной защитой. В частности, SMD-варисторы
RV1…RV3 защищают выводы АР и микросхемы аудиокодека ES8316 от статического электричества. Резисторы R2, R3 ограничивают токи, а конденсатор C3 снижает помехи от «дребезга»
механических контактов при подключении стереотелефонов к разъёму XS1. Резистор R5 формирует ВЫСОКИЙ уровень на входе АР при отсутствии стереотелефонов в разъёме XS1;
е) особенность: общий провод подключения головных телефонов в разъёме XS1 соединяется
не с «массой» GND, а с двумя отдельными выводами АР под названиями AUD-COM, AUD-FB. Это,
по теории, должно уменьшить перекрёстные помехи, которые наводятся через пути протекания
тока по «земляным» полигонам печатной платы. Звуковые сигналы AUD-L, AUD-R генерируются внутренним аудиоЦАП АР для левого и правого каналов. Цепочки R1…R3, C1…C3 сглаживают
«цифровые ступеньки» в сигналах. Высокочастотные гармоники дополнительно уменьшаются
фильтрами FB1…FB3. Варианты: R1 = R2 = R3 = 47, FB1 = FB2 = FB3 = 0;
180
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
C1 3.3
AUD L
+3.3V
R3 10k
CS4352
AUDIO L
R4 10k
R6 560
AUDIO R
C2 3.3
AUD R
AP
XS1
R5 560
VT1 2N3904
R1 560
"MUTE"
C4
2200
C3
2200
R2 560
VT2 2N3904
ж)
+3.3V
VT2
AUD L
C4
0.01
XS1
AUDIO L
R5 470
C2
47.0
AUD R
AP
R3
R4 470
C1
47.0
ES8388
+3.3V
AUDIO R
VT1
R6
R2 10k
"MUTE"
R1
10k
C5
0.01
R3, R6 4.7 Ohm
VT1, VT2 WNM2016
C3 0.1
з)
Рис. 5.11. Схемы вывода звука на головные телефоны (продолжение):
ж) программно-аппаратное включение (выключение) звука НИЗКИМ (ВЫСОКИМ) уровнем, подаваемым от линии GPIO АР через цепь MUTE. При включённом звуке транзисторы VT1,
VT2 закрываются и не оказывают влияния на сигналы AUD-L, AUD-R. При выключённом звуке транзисторы VT1, VT2 открываются и шунтируют своими переходами «коллектор—эмиттер»
цепи AUDIO-L, AUDIO-R, через которые подключаются головные телефоны к разъёму XS1;
з) аналогично Рис. 5.11, ж, но с обрывом звуковой цепи вместо шунтирования выходных
сигналов. Включение/выключение звука в головных телефонах производится двумя ключами на полевых транзисторах VT1, VT2, при этом АР выставляет в цепи MUTE, соответственно,
ВЫСОКИЙ/НИЗКИЙ уровни. Варианты: C3 = 2.2, C4 = C5 = NC, R3 = R6 = 22, аудиокодек
ES8388 = ALC5640;
5.3. Звуковая система
+3.3V
R2 100k
XS1
PJ 3540 W
C3
HP DET
4
AP
HP DET
6
HP L
181
3 (R)
AUDIO R
XP1
2
C4
HP R
R1
22
R3
22
C1
2 (L)
5
R4
10k
C2
AUDIO L
1 (GND)
C1, C2 0.1
C3, C4 22.0
к)
и)
DD1
NC7WZ16
AP
+3.3V
C1
1
6
2
5
GND
VCC
3
R1
C3
XS1
LINE L
+3.3V
C4
4
R2
R1, R2 220
R5
1.8k
R3
100
C2
R4
100
LINE R
R6
1.8k C1, C2 0.1
C3, C4 47.0
л)
Рис. 5.11. Схемы вывода звука на головные телефоны (окончание):
и) в исходном состоянии контакты XS1:4, XS1:6 замкнуты, на вход АР HP-DET поступает
НИЗКИЙ уровень от делителя напряжения на резисторах R2, R4. При подключении штекера головных телефонов в разъём XS1 связь между контактами механически разрывается. Логический
уровень сигнала HP-DET становится ВЫСОКИМ благодаря «pull-up» резистору R2. Анализируя
уровни, АР определяет, подключены или нет головные телефоны;
к) типовая раскладка аудиосигналов для левого (L) и правого (R) каналов в штекере XP1;
л) микросхема DD1 содержит два буферных логических элемента с высокой нагрузочной
способностью. С выходов АР на них поступают сигналы ШИМ, модулированные звуковой составляющей. Элементы R1, R2, C1, C2 фильтруют гармоники. Резисторы R3, R4 снижают амплитуду сигнала. Конденсаторы C3, C4 устраняют постоянную составляющую. Резисторы R5,
R6 разряжают конденсаторы большой ёмкости C3, C4 при отключённых головных телефонах в
разъёме XS1
5.3.3. Звуковой линейный выход
АР может не только принимать сигналы с линейного звукового входа, но и сам
быть генератором линейных звуковых сигналов (Рис. 5.12, а…д).
Амплитуда сигналов в линии зависит от требований выбранного стандарта.
Например, в студийной аппаратуре существует несколько унифицированных
уровней: +4 дБ (1.23 В), +6 дБ (1.55 В), –10 дБв (0.32 В), –10 дБ (0.25 В) [5-7].
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
C1 1.0
LINE R
R2 100
AUD_L
LINE L
RK1000
XS1
R3 20k
R1 470
R4 22
LINE R
C2 1.0
а)
б)
+3.3V
C3 47.0
C5
47
AUD_L
SGTL5000XNAA3
XS1
LINE L
R2 470
C2 2.2
К портам АР
R3 22
AUD_R
AUD_L
C1 2.2
R4 20k
AUD_R
К портам АР
TLV320AIC3106
+3.3V
R1 100
К портам АР
182
C1 100
R1 100
C6
47
XS1
R3 33
LINE L
C2 100
R2 100
R4 33
LINE R
AUD_R
VD2
VD1
C4 47.0
VD1, VD2
RCLAMP0524P
в)
+3.3V
C3 47
C1 47.0
TPS65950
К портам АР
AUD_L
C4 47
XS1
R1 33
LINE L
R2 33
AUD_R
LINE R
C2 47.0
VD1
VD2
VD1, VD2
V5.5MLA0603
г)
Рис. 5.12. Схемы организации линейных выходов (начало):
а) звуковые сигналы линейного выхода поступают на разъём XS1. Резисторы R3, R4 обеспечивают быструю разрядку конденсаторов C1, C2 при отключённой линии;
б) резисторы R1, R2 — нагрузка аудиотракта, резисторы R3, R4 — ограничители тока;
в) конденсаторы C1, C2 сглаживают «ступеньки» напряжения (дискретизации) аудиоЦАП.
Конденсаторы C5, C6 устраняют ВЧ-помехи. Варианты: C1 = C2 = NC, C3 = C4 = 1000;
г) особенность: отсутствие резисторов для разрядки конденсаторов большой ёмкости C1, C2
при отстыкованном штекере от разъёма XS1. Разрядка (хотя и очень медленная) осуществляется
через варисторы VD1, VD2, которые защищают от всплесков напряжения и выдерживают импульсы тока до 30 А;
183
5.3. Звуковая система
DA1
SGM89000YTS14G
R5 33k
R9 22
+3.3V
AOL
R1 3.3k
C1
4.7
R3 3k
C3
C5
+3.3V
AOR
C4
R2 3.3k
R4 3k
C3, C4 2200
C5, C6, C9, C10 1000
C10
C9
R6 5.6k
AP
C2
4.7
VD1, VD2 ESD5451N
13
C7 14
47
9
C6
C8
R7 5.6k 47
12
XS1
R10
10k
LINE L
10
1
2
3
R11
10k
LINE R
R12
22
R8 33k
VD1 VD2
д)
Рис. 5.12. Схемы организации линейных выходов (окончание):
д) сигналы AOL, AOR с выхода аудиоЦАП АР поступают на многоступенчатый ФНЧ, собранный на элементах C1…C8, R1…R8, причём в последней ступени фильтрации задействуются
два ОУ, находящихся внутри драйвера DA1. Драйвер усиливает аудиосигналы до 5.6 В (размах по
амплитуде) благодаря внутреннему умножителю напряжения. Коэффициент гармоник 0.001% в
полосе частот 0…20 кГц. При нагрузке 2.5 кОм в линии обеспечивается напряжение 2 В (rms)
5.3.4. Комбинированный вывод звука
На Рис. 5.13, а…е показаны схемы подключения стандартных звуковых разъёмов, на которые поступают дополнительные сигналы. Например, выход видео на
телевизор, вход звука от микрофона и т. д.
+3.3V
AUD L
AUD R
C1 4.7
AP
L1 1.8µH
CVBS
Z=37.5
R1
49.9
C1
150
C2 4.7
C2
150
R2
30k
2
R3
30k
1
XS1
PJ 3533
4
5
3
LINE L
LINE R
CVBS TV
а)
Рис. 5.13. Схемы комбинированного вывода (начало):
а) штекерный SMD-разъём XS1 служит для комплексного подключения к телевизору по
стандарту AV-OUT. Звуковые стереосигналы AUD-L, AUD-R относятся к левому и правому каналам, при этом аудиоЦАП находится внутри АР. Сигнал CVBS — это телевизионный сигнал
стандарта PAL или NTSC. Линия связи от АР (Allwinner H5) к резистору R1 должна иметь волновое сопротивление 37.5 Ом [5-8], что обеспечивает оптимальное согласование с ТВ-входом;
184
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
R1
330
2
C4
10.0
C1
0.033
AP
3
VD1
BAV99L
R2
150
1
C5 100.0
AudioCodec
SGTL5000
XS1
(3.5mm)
3
AUD_L
LINE L
4
C6 100.0
2
AUD_R
C2 0.1
MIC_IN
BIAS
LINE R
1
MIC
R3 2.2k
C3 0.1
б)
+3.3V
C1
0.1
R1
22
C2
0.1
R3 XT1
22
FB1...FB3 600R
FB1
HPOUT L
AP
"HEAD – LINE"
2
FB2
3
HPOUT R
XT2
R2 100k
R
1
LINE L
C3 0.1
LINE R
C4 0.1
FB3
4
XS1
LINE/HEAD L
LINE/HEAD R
DETECT
R5 1M
+3.3V
R4
47k
в)
Рис. 5.13. Схемы комбинированного вывода (продолжение):
б) разъём XS1 совмещённый. Через него выводятся аудиосигналы левого (L) и правого (R)
каналов, а также вводится сигнал от микрофона MIC. Микрофон электретный, поэтому для
его работы нужно постоянное напряжение, которое формируется линией BIAS от аудиокодека
SGTL5000. Все звуковые и микрофонные сигналы поступают в аудиокодек. Извне к ним добавляется звуковой ШИМ-сигнал от АР через элементы R1, R2, C1, C4. Таким способом в правый
канал могут вводиться дополнительные звуковые и речевые оповещения;
в) к разъёму XS1 можно подключать не только стереотелефоны (HEAD-L, HEAD-R), но и выход на линию (LINE). Нужный режим выбирается джамперами XT1, XT2. В исходном состоянии
контакты XS1:3, XS1:4 замкнуты, на входе АР НИЗКИЙ уровень, что определяется делителем на
резисторах R2, R5 (джампер XT2 влево по схеме). При подключении стереотелефонов контакты
размыкаются, на входе АР появляется ВЫСОКИЙ уровень. Защиту АР от всплесков напряжения обеспечивает высокоомный резистор R4;
5.3. Звуковая система
185
+3.3V
R3
10k
VT1 2N3904
R2
100k
FB1
VT1
AudioCodec SGTL5000
FB1...FB3 220R
AP
R1
47k
HPOUT
C1 220.0
1
FB2
MIC IN
6
FB3
C2 0.1
XS1
DET
HEAD
5
4
MIC
R4 2.2k
BIAS
C3 1.0
г)
C1
0.1
AudioCodec WM8903
R1
22
C4
0.1
R3
22
XS1
PhoneJack
5
HPOUT L
AUDIO L
2
3
HPOUT R
MIC IN
BIAS
C2 1.0
1
AUDIO R
MIC
R2 2k
XP1
L
GND
C5
33
C3 10.0
VD1...VD3 ESD9B5V 2/T
MIC
R
е)
VD1 VD2 VD3
д)
Рис. 5.13. Схемы комбинированного вывода (окончание):
г) к разъёму XS1 подключается гарнитура, содержащая монофонический головной телефон
HEAD и электретный микрофон MIC. В исходном состоянии контакты XS1:5, XS1:6 в разъёме
замкнуты, транзистор VT1 закрыт, на входе АР присутствует ВЫСОКИЙ уровень. При подключении гарнитуры контакты размыкаются, транзистор VT1 открывается, на входе АР появляется
НИЗКИЙ уровень. Разумеется, можно было бы подключить контакт DET разъёма XS1 прямо к
входу АР, но транзистор VT1 служит защитным буфером на случай непредвиденных аварийных
ситуаций;
д) особенность: отсутствие разделительных конденсаторов в цепях HPOUT-L, HPOUT-R для
выходов на головные телефоны. Через цепь BIAS от аудиокодека WM8903 подаётся постоянное
напряжение на микрофон MIC. Варианты: R2 = 2.2k, C5 = NC, VD1…VD3 = ESD5451 = NC;
е) типовая раскладка контактов в штекере XP1 для приёма сигналов от микрофона (MIC,
GND) и вывода звука на головные стереотелефоны (R, L, GND)
186
Глава 5. Схемы узлов вывода
5.4. Силовая электроника
Силовые ключи, по определению, коммутируют цепи питания. Выполняются
они обычно на полевых транзисторах, имеющих низкие потери (Рис. 5.14, а…н).
DA1
AMS1117T33
2
3
+5V
VT1
AO3423
+3.3V(RTC)
+VGPIO
"+3.3V@1A"
IN OUT
GND
C3
10.0
1
C1
10.0
C2
0.1
R1
100k
AP
C4
10.0
C5
0.1
"ON=0, OFF=1"
а)
VT1 AO3423
L1 SWPA3015S2R2NT
+5V
4
C1
10.0
C2
0.1
1
DA1 SY8008B L1 2.2µH@1.6A C3
22
3
VIN
EN
+3.3V(RTC)
+VGPIO
"+3.3V@1A"
LX
FB
GND
5
2
R1 20k
R2
150k
R3
33k
AP
R4
100k
C4
22.0
C5
0.1
"ON=0, OFF=1"
б)
VT1 IRLML6401
AP
+3.3V
R1 1k
+3.3V(OUT)
R2
10k
C1 2.2
C2
10.0
C3
0.1
в)
Рис. 5.14. Схемы управления силовыми цепями (начало):
а) DA1 — это стабилизатор фиксированного положительного напряжения +3.3 В в корпусе
SOT-223. Он формирует напряжение +VGPIO для портов ввода/вывода АР и периферии. Это
напряжение появляется сразу после подачи питания, поскольку открывается транзистор VT1
вследствие того, что резистор R1 «притягивает» затвор транзистора к общему проводу. Закрыть
транзистор может АР ВЫСОКИМ уровнем на линии GPIO. Единственное требование — эта
линия должна управляться от независимого источника напряжения +3.3V(RTC);
б) аналогично Рис. 5.14, а, но вместо аналогового применяется импульсный стабилизатор
напряжения на микросхеме DA1. Ключом служит полевой транзистор VT1, который открывается
НИЗКИМ уровнем с линии GPIO АР. Достоинство: экономичность, высокий КПД;
в) транзистор VT1 открывается НИЗКИМ уровнем с выхода АР, после чего напряжение 3.3 В
поступает в нагрузку. Конденсатор C1 обеспечивает более плавное включение транзистора;
5.4. Силовая электроника
VT1
AO3415A
+3.3V(OUT)
AP
C1
10.0
R1
100k
R1
10k
C2
0.1
C2
10.0
R2
47k
C1
0.1
г)
+3.3V
C2
0.1
+5V(IN)
+5V(OUT)
R2
100k
VT2
C2
1.0
C1
1.0
VT1
2N3904
R2
4.7k
R1
10k
AP
AP
C1
10.0
VT1 2N7002K
е)
C3
10.0
C4
0.1
VT2 SK8603190L
ж)
C1
10.0
+5V
C2
0.1
R2
10k 1
R1 10
"ON=0,
OFF=1"
DA1
IN
OUT
C3
5 10.0
+1.8V(OUT)
C5
1.0
+1.8V_IO
AP
VT1
2N3904
+10V
+3.3V
+12V(OUT)
R3
10k
R1
10k
C3
0.1
д)
VT2
GSM9105
+12V
+3.3V(OUT)
R3
10k
AP
+3.3V
VT2 TCS1305
+3.3V
187
3
5
DD1
EN
4
2 1
3
BP
4
GND
C4 470
2
DA1 AME8801MEEVZ
DD1 SN74LVC1G06D
з)
Рис. 5.14. Схемы управления силовыми цепями (продолжение):
г) аналогично Рис. 5.14, в, но с другой полярностью сигнала управления от АР. При начальном сбросе АР линия GPIO переходит в Z-состояние, поэтому транзистор VT1 будет открыт;
д) двухтранзисторный коммутатор напряжения +3.3 В. Биполярный транзистор VT1 является
защитным буфером для АР. Конденсатор С1 сглаживает броски выходного напряжения. Варианты: VT1 = S8050 = L9013QLT1G, VT2 = AO3401 = AO4421, C1 = NC, R2 = 100k, R3 = 47k = 100k;
е) аналогично Рис. 5.14, д, но с коммутацией повышенного напряжения +12 В;
ж) аналогично Рис. 5.14, д, но с двумя полевыми транзисторами. Ключ на транзисторе VT2
закрывается высоким напряжением +10 В (оно больше, чем напряжение коммутации +5 В). Это
позволяет снизить токи утечки транзистора VT2 в закрытом состоянии. Однако такое решение
не всегда возможно, поскольку повышенные напряжения в SBC встречаются редко;
з) для включения/выключения стабилизатора напряжения DA1 используется инвертор с открытым стоком DD1. Он выполняет функцию согласования уровней, поскольку АР и DA1 запитываются от разных напряжений +1.8 и +5 В. Варианты: DA1 = TPS79633DCQR (+3.3 B);
188
Глава 5. Схемы узлов вывода
+3.3V
C1 0.1
VT2
WPM2015
VT1
FDC6331
+3V3(OUT)
+3.3V
R2
100k
R1 332k
AP
R1 10k
C3
0.1
AP
C2
R3 10.0
10k
2 +3V3(OUT)
4
3
6
C1
10.0
5
R2
10k
VT1
S8050
1
R3
11.8k
и)
к)
DA1 RT9179GB
+3.6...+5V
1
IN OUT
5
C1
1.0
3
EN ADJ
4
+3.3V
AP
R1
10k
2
DA2 RT9179GB
1
R2
100k
C4
1.0
R3
442k
R4
820k
GND
C2
1.0
"+1.8V"
3
IN OUT
EN ADJ
GND
VT1
2N7002W
2
5
4
"+3.3V"
R5
360k
R6
220k
+1.8V
or
+3.3V
C3
1.0
л)
Рис. 5.14. Схемы управления силовыми цепями (продолжение):
и) особенность: конденсатор C1, который сглаживает колебания выходного напряжения
+3.3V(OUT) при переходном процессе в момент подачи ВЫСОКОГО логического уровня на базу
транзистора VT1. Резистор R3 ограничивает ток через транзистор VT1;
к) аналогично Рис. 5.14, ж, но с интегральной сборкой полевых транзисторов VT1 и резистором R3, снижающим скорость нарастания напряжения на выходе +3.3V(OUT). Последнее
обстоятельство важно для уменьшения импульса тока заряда конденсатора С1 при его малом
сопротивлении ESR;
л) сигналом НИЗКОГО (ВЫСОКОГО) уровня с линии АР активируется один из двух стабилизаторов LDO: DA1 с выходным напряжением +1.8 В или DA2 с выходным напряжением +3.3 В.
Происходит это потому, что транзистор VT1 инвертирует сигнал разрешения EN для стабилизатора DA2. Выходы OUT микросхем DA1 и DA2 соединяются напрямую. Это, на первый взгляд, может привести к КЗ в цепях +1.8 и +3.3 В, однако авария не случится, поскольку в любой момент
времени одна из микросхем DA1 или DA2 обязательно будет выключена;
5.4. Силовая электроника
189
VT3
+5V
+3.3V
C1
4.7
R2 10k
AP
R1
10k
+5V(OUT)
VT1, VT2
2N7002DW
VT1
VT4
+3.3V
C2
4.7
R3 10k
+3V3(OUT)
VT3, VT4
SI2307BDS
VT2
м)
VD2 1N5819
+12V
R1
47k
R4
100k
C2
0.1
C3
10.0
R3 10k
C1
10.0
VT1
S8050
R2 100k
VD1 1N5819
VT2 WPM2015 3
R5
100k
2
VT2
M
AP
+1.8V
1
VD3
M1 3
VD4
VD3, VD4 ESD5451N
н)
Рис. 5.14. Схемы управления силовыми цепями (окончание):
м) логическим сигналом, формируемым от одной линии GPIO АР, одновременно включаются/выключаются два канала питания с разными напряжениями +3.3 и +5 В. Варианты:
VT3 = VT4 = NTA4151PT1G;
н) узел управления системой воздушного охлаждения АР. Главным элементом является трёхвыводной вентилятор M1. Напряжение +12 В на него подаётся, когда на выходе АР устанавливается ВЫСОКИЙ уровень и открываются транзисторы VT1, VT2. Вентилятор обдувает корпус
микросхемы АР, снижая температуру нагрева (её можно контролировать через встроенный в АР
термодатчик). Если на выходе АР будут сформированы импульсы ШИМ, то, регулируя их скважность, можно изменять напряжение, подаваемое на вентилятор, а значит, регулировать скорость
потока воздуха и степень охлаждения АР. Конденсатор С3 фильтрует импульсы ШИМ, поэтому
напряжение на нём будет с минимумом пульсаций.
Вентилятор M1 имеет три вывода, из них M1:2 и M1:3 силовые, а M1:1 информационный.
С последнего снимаются импульсы, пропорциональные частоте вращения лопастей вентилятора. Эти импульсы через диод VD1 периодически разряжают конденсатор C1. Чем быстрее крутится ротор вентилятора, тем ниже напряжение на конденсаторе C1. В канале АЦП это напряжение оцифровывается и измеряется. Далее в программе АР организуется следящая связь по трём
параметрам: температура корпуса, напряжение в канале АЦП и скважность импульсов ШИМ
190
Глава 5. Схемы узлов вывода
5.5. Прочие схемы узлов вывода
На Рис. 5.15, а…ж показаны схемы узлов вывода АР, которые можно отнести к
нестандартным и необычным по своему функциональному назначению. В эту же
категорию входят схемы узлов вывода, стандартные по классификации, но редкие
по применению именно в SBC.
+3.3V
+3.3...5V
+1.8V
DD1 SN74AUC1G74
DD1
2 1
Vout
4
R1 10k
3
R2
2.2k
AP
AP
5
2
8
D
TT VCC
6
7
S
R
1
3
CLK
Q
4
5
Q
GND
R1 33
"24 MHz"
DD1 SN74LVC1G07DBVR
R2 33
а)
+3.3V
б)
+3.3V
R1 33
VD1
1N5819
M
BL1 (IR) ZTNI56W
Rx 150
M1
(5V)
R2
49.9
AP
+5V
"12 MHz"
R2 1k
VT1
S8050
R3
47k
в)
R1
4.7k
VT1 2N7002BKW
г)
Рис. 5.15. Прочие схемы узлов вывода (начало):
а) на логическом повторителе DD1 собран преобразователь уровней 1.8/3.3 В (допускается также 1.8/5 В). Повторитель имеет выход с открытым стоком и работает при минимальном
напряжении питания +1.65 В. Резистор R1 повышает помехоустойчивость, поскольку не даёт
«висеть в воздухе» входу DD1:2 при начальном сбросе АР. Резистор R2 обеспечивает внешнюю
нагрузку для выхода с открытым стоком DD1 и формирование ВЫСОКИХ уровней +3.3…+5 В;
б) на выходе линии АР дублируется КМОП-сигнал тактовой частоты 24 МГц от внутреннего
задающего генератора. Триггер DD1 формирует на выходе сигнал меандра с частотой 12 МГц, т. е.
в два раза ниже, чем на входе. Резисторы R1, R2 антизвонные;
в) вентилятор M1 управляется импульсами переменной скважности от канала ШИМ АР.
Возможна программная подстройка скорости вращения ротора двигателя и, как следствие, выбор оптимальной скорости обдува или степени охлаждения;
г) подключение «передающего» ИК-диода BL1 к АР через буферный транзистор VT1. Параметры BL1: рабочее напряжение 1.2 В при токе 20 мА, длина волны 940 нм. Пунктиром показано
прямое подключение ИК-диода к порту АР через ограничительный резистор Rx, при этом элементы R1, R2, VT1 не нужны, но полярность выходного сигнала АР должна быть инверсной;
5.5. Прочие схемы узлов вывода
191
+5V
+3.3V
X1
AP
VT1
PBRN123YT
"R_LOAD"
C1
1.0
R1
100k
д)
DD1
TXS0104ERGYR
14
VCCB
AP
7; 15
13
GND
OE
B1
A1
B2
A2
B3
A3
B4
A4
12
In Out
VCCA
11
10
1
+1.8V
8
2
Vin / Vout
+3.3V
3
4
5
е)
R1
2.2k
DD1
NTS0104GU12
1
12
2
3
4
5
VCCA
VCCB
OE
GND
A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4
11
6
+3.3V
10
9
8
7
Vin / Vout
In Out
AP
+1.8V
ж)
Рис. 5.15. Прочие схемы узлов вывода (окончание):
д) к разъёму X1 подключается внешняя резистивная нагрузка R_LOAD. Ключ на транзисторе
VT1 согласует уровни 3.3/5 В. Конденсатор C1 снижает амплитуду импульсов ВЧ-заполнения
сигналов ШИМ с выхода АР. Изменяя скважность выходных импульсов, можно пропорционально изменять среднее напряжение в нагрузке;
е) DD1 — это двунаправленный преобразователь уровней 3.3/1.8 В, применяемый для буферизации ввода и вывода различных цифровых сигналов. Позволяет «высоковольтным» портам
АР (+3.3 В) управлять «низковольтной» периферией (+1.8 В);
ж) двунаправленный преобразователь уровней на микросхеме DD1, который позволяет «низковольтным» портам АР (+1.8 В) управлять «высоковольтной» периферией (+3.3 В). Варианты:
DD1 = NTS0102GT (два канала, корпус SOP-8)
192
Глава 5. Схемы узлов вывода
Список использованных источников и литературы к главе 5
5-1. Display interface types [Электронный ресурс] / «FastBitLab», 2022. — Режим доступа:
https://fastbitlab.com/display-interface-types/ (англ.). — 15.01.2022.
5-2. Распиновка разъемов GPIO, DSI, CSI, 3.5 аудио/видео, I2S, тестовых точек в RaspberryPi [Электронный ресурс] / «PcMiniPro», 2022. — Режим доступа: https://pcminipro.
ru/stati/raspinovka-razemov-gpio-dsi-csi-3-5-audio-video-i2s-testovyh-tochek-v-raspberrypi/. — 15.01.2022.
5-3. Интерфейс ЖК-дисплея — RGB, LVDS, MIPI (2) [Электронный ресурс] / Maxen
Electronics Limited, 2022. — Режим доступа: http://ru.tftlcddisplay.com/info/lcd-displayinterface-rgb-lvds-mipi-75404461.html. — 15.01.2022.
5-4. Типы мониторных разъёмов, встречающиеся на видеокартах ATI Radeon [Электронный ресурс] / Артём Хаймёнов, 2007. — Режим доступа: https://radeon.ru/faq/
pinouts-monitor/. — 15.01.2022.
5-5. Особенности интерфейса VGA (D-Sub) [Электронный ресурс] / «Макгруп», 2020. —
Режим доступа: https://mcgrp.ru/article/5808-osobennosti-interfeysa-vga-d-sub. —
15.01.2022.
5-6. Обзор лучшего Android TV box 2019 Ugoos AM6, который может всё [Электронный
ресурс] / «S3MKi», 2019. — Режим доступа: https://www.ixbt.com/live/tv/obzor-android-tv-box-ugoos-am6.html. — 15.01.2022.
5-7. Сопротивление небалансного линейного входа/выхода? [Электронный ресурс] /
«LINUX.ORG.RU», 2016. — Режим доступа: https://www.linux.org.ru/forum/science/
12762764. — 15.01.2022.
5-8. Orange_PI_PC2. Schematics [Электронный ресурс] / Xunlong Software, 2016. — Режим
доступа: https://orangepi.su/files/schematic/ORANGE_PI-PC2-V1_2_schematic.pdf
(англ.). — 15.01.2022.
Глава
6
СХЕМЫ ИНТЕРФЕЙСНЫХ узлов
В мире разнообразных интерфейсов…
мы зачастую теряем из вида главные принципы… –
простоту, чёткость и универсальность.
(Брайан Керниган)
6.1. Интерфейс RS-232
Порты «древнего» интерфейса RS-232 изредка, но всё же встречаются в SBC
(Рис. 6.1, а…д). На аппаратном уровне АР может формировать полный набор сигналов для COM-порта компьютера, хотя зачастую используется упрощённый вариант с сигналами приёма RXD и передачи TXD.
9
COM (RS 232)
1
6
4
2
8
7
3
5
+3.3V
C3
RI
C4
DCD
DSR
XT1
C5
XT2
DTR
CTS
RTS
C1
TXD
GND
2
6
15
R2 470
RXD
16
R3 470
VCC
V+
C1–
V–
C2+
GND
C2
14
T1o
7
T2o
13
R1i
8
R2i
C2
C1+
C1...C3 1000
1
3
4
C6
+3.3V
C7
5
11
T1i
10
T2i
12
R1o
9
AP
XP1 (DB 9F)
L17SM209SB64
X/Y
DD1 MAX3232ECAE+
R1 100
TXD
RXD
R2o
C4...C7 0.1
а)
Рис. 6.1. Схемы подключения драйверов RS-232 к АР (начало):
а) DD1 — четырёхканальный драйвер из популярной серии «3232», допускающий питание
как 5 В, так и 3.3 В. Схема подключения конденсаторов C4…C7 к драйверу стандартная. Следует
учесть, что по даташиту конденсатор C4 может подключаться как к общему проводу, так и к цепи
питания +3.3V. Какой из вариантов выбрать, решается при разводке печатной платы. Входы R1i,
T2i драйвера DD1 соединяются с общим проводом, чтобы снизить внешние наводки на два не
используемых в работе канала. Конденсаторы C1, C2 фильтруют ВЧ-помехи. Цепочка R1, C3 эффективна, если металлическая часть разъёма XP1 не соединяется напрямую с общим проводом
GND. Резисторы R2, R3 ограничивают токи при КЗ в проводах кабеля, а также при «горячей»
подстыковке разъёма при включённом питании. Форму входного TXD и выходного RXD сигналов можно посмотреть на контактных площадках XT1, XT2. Варианты: R1 = C3 = NC;
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
DD1 ADM3202ARUZ
16
1
VCC
2
6
C1
C2
15
RS 232
TXD
V+
C1–
V–
C2+
GND
14
T1o
7
T2o
13
R1i
8
RXD
R2i
GND
+3.3V
C1+
C2–
C3
3
4
C4
5
C1...C4
0.1
RXD1
S1
(DIP x 4)
RXD2
TXD2
8
7
6
5
1
2
3
4
11
10
T2i
12
R1o
9
T1i
TXD1
AP
+3.3V
X/Y
194
R2o
б)
C1
0.1
C4
0.1
C5
10.0
L1 10µH
A1
B0505S 1WR2
4
2
+VO
R3
10k
3
0V
L2 10µH
+5V
VIN
GND
C9
10.0
1
"+5V"
R4 1M
16
C2
2
6
C3
R1 470
TXD
RXD
VD2
R2 470
15
VCC
V+
V–
GND
14
T1o
7
T2o
13
R1i
8
R2i
C1+
1
3
C1–
4
C2+
C2–
5
11
10
T2i
12
R1o
9
T1i
R2o
C6
C8 1000 x 2kV
C7
+3.3V
DD2 ADUM1201
8
VDD2
7
VIA
6
VOB
5
GND2
1
2 RXD
VOA
3
VIB
4
VDD1
AP
VD1
"+5V"
X/Y
DD1 SP3232EEY L
TXD
GND1
C2, C3, C6, C7 0.1
VD1, VD2 SMBJ6.0CA
в)
Рис. 6.1. Схемы подключения драйверов RS-232 к АР (продолжение):
б) DD1 — это «трёхвольтовый» (по питанию и сигналам) драйвер интерфейса RS-232. Конденсатор C1 подключается к питанию +3.3 B, а не к общему проводу, что не принципиально (на
это есть указание в даташите [6-1]). Движковыми переключателями, входящими в сборку S1,
можно организовать приём/передачу сигналов через каналы UART1 (выводы RXD1, TXD1) или
UART2 (выводы RXD2, TXD2);
в) гальваническая развязка интерфейса RS-232 выполняется на микросхеме «цифрового»
изолятора DD2 с использованием трансформаторного DC/DC-преобразователя A1. Питание
микросхемы драйвера RS-232 DD1 и левой (по схеме) части изолятора DD2 производится от стабильного напряжения +5 В. Цепочка R4, C8 уменьшает помехи, возникающие из-за разных «земель» АР и драйвера RS-232. Варианты: R1 = R2 = 0, VD1 = VD2 = NC, R1 = R2 = 100;
6.1. Интерфейс RS-232
VCC
C1
2
6
XP1 BH 10
RX
NC
NC
CTS
NC
2
4
6
8
10
C2
XP1.2
"RS 232"
XP1.1
1
3
5
7
9
15
NC
V+
C1–
V–
C2+
GND
C2–
GND
RTS
NC
C3
3
4
R2i
+3.3V
C4
5
11
T1i
10
T2i
12
R1o
9
14
T1o
7
T2o
13
R1i
8
TX
C1+
AP
C1...C4 0.1
X/Y
DD1 ADM3232EARUZ
16
1
+3.3V
195
RXD
TXD
R2o
г)
C3
13
17
10
GND
COM (RS 232)
11
RXD
CTS
DSR
DCD
RI
TXD
RTS
DTR
C1
C4
9
4
27
23
18
2
3
1
28
24
VCC
C1+
C1, C4 100
C2, C3, C5, C6 0.1
12
14
C1–
15
C2+
V+
V–
GND
C2–
R1i
R2i
R3i
R4i
R5i
T1o
T2o
T3o
T4o
EN
R1o
R2o
R3o
R4o
R5o
T1i
T2i
T3i
T4i
SH
C5
+3.3V
C6
AP
C2
DD1
HIN213ECAZ
X/Y
+5V
16
8
5
26
22
19
7
6
20
21
25
RXD
CTS
DSR
TXD
RTS
DTR
DCD
RI
XT1
+5V
R1 10k
д)
Рис. 6.1. Схемы подключения драйверов RS-232 к АР (окончание):
г) особенность: к стандартным сигналам приёма RXD и передачи TXD добавляются сигналы
флагов подтверждения CTS, RTS. Для подключения внешнего устройства используется двухрядный разъём XP1 с шагом между контактами 2 мм. К нему можно подстыковать или стандартный
переходник AT/Everex, или кабель («вынос»), соединяющий разъём на материнской плате компьютера с разъёмом DB-9M COM-порта. Варианты: DD1 = ADM3202ARU = SP3232;
д) полный набор сигналов интерфейса RS-232 выводится на стандартный 9-штырьковый
разъём DB-9. Сигналы T4o, T4i драйвера DD1 не используются, поэтому вход DD1:21 соединяется с общим проводом. Если удалить джампер XT1, то микросхема DD1 отключается и перестаёт
передавать/принимать интерфейсные сигналы. Это может понадобиться, если линии портов АР
RXD, TXD, RTS одновременно используются для управления другими интерфейсами, в частности RS-422, RS-485. Варианты: DD1 = ADM3222ARWZ (четыре канала, питание 3.3 В)
196
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.2. Интерфейс RS-485
Интерфейс RS-485 в АР полезен при подключении к промышленным системам мониторинга, которые содержат удалённые датчики (Рис. 6.2, а, б).
L1 10µH
+5V
A1
B0505S 1WR2
4
2
VIN
C1
10.0
1
AP
0V
R4
3
DD1
ISO3082DW
1
3
4
5
6
2
7
8
R1
TXD
R2
C3
0.1
+VO
GND
+3.3V
RXD
C2
10.0
L2 10µH
VDD1
VDD2
"+5V"
16
R3
R7
1M
R6 120
RXD
RE
B
DE
A
TXD
GND1
GND1
GND1
"RS 485"
13
12
9
10
GND2
15
C4
1000
x 2kV
R5
"B"
"A"
R1...R5 10k
VD1, VD2
SMBJ6.0CA
VD1 VD2
GND2
"0V"
GND2
а)
R3 R4
R1, R2 10
R3, R4 10k
R5, R6 2.2k
XT1
+3.3V
"RS422"
R1
R5 R6
DD1
1
VCC
RO
2
B
RE
3
DE
A
4
8
7
6
5
DD2
1
VCC
RO
2
B
RE
3
DE
A
4
8
7
6
5
DI
R2
AP
RXD
RTS
TXD
"RS485"
XT2
DI
GND
GND
+3.3V
X1
"422RX–"
R7 2.2k
"422RX+"
R8 120
R9 120
"422TX–/485"
R10 2.2k
"422TX+/485"
DD1, DD2 ADM3485ARZ
б)
Рис. 6.2. Схемы подключения драйверов RS-485 к АР:
а) DD1 — это гальванически изолированный драйвер RS-485 с развязкой на кремниевых
барьерах. Для его нормальной работы требуется отдельный источник питания, собранный на
DC/DC-преобразователе A1 (5/5 В, ток нагрузки 20…200 мА, КПД 76%). Варианты: R1 = NC;
б) драйверы RS-485 DD1, DD2 используются для организации четырёхпроводного интерфейса RS-422 (джампер XT1 замкнут, XT2 разомкнут) или двухпроводного интерфейса RS-485
(джампер XT2 замкнут, XT1 разомкнут). Резисторы R8, R9 организуют нагрузку 120 Ом для оконечного узла, а резисторы R5…R7, R10 задают необходимое смещение уровней в линии связи
6.3. Интерфейс I2C
197
6.3. Интерфейс I2C
Интерфейс I2C (I2C, IIC, Inter Integrated Circuit) — это стандарт, который был
разработан более 40 лет назад фирмой Philips Semiconductors (ныне входит в состав NXP Semiconductors). Развитие стандарта I2C напрямую связано с микропроцессорами и МК, поскольку для передачи данных используется программный
протокол с применением логики конечных автоматов.
Схемотехника подключения узлов I2C к МК подробно рассматривалась в предыдущих книгах «Выпуск 1…4». Краткое резюме — интерфейс двухпроводной,
применяется на небольших расстояниях, содержит линии SCL (тактовый сигнал)
и SDA (информационный сигнал). Каждое I2C-устройство имеет свой уникальный
логический адрес. На шине обязательно должно быть одно ведущее (master) и до
127 ведомых (slave) устройств. Протокол связи должен точно соответствовать диаграммам из документации и быть синхронным во времени.
Скорость передачи данных зависит от частоты сигнала SCL: чем она выше, тем
скорость больше. Согласно стандарту [6-2] различают следующие режимы работы шины I2C в зависимости от её максимального быстродействия: Standard-mode
(100 кбит/с), Fast-mode (400 кбит/с), Fast-mode Plus (1 Мбит/с), High-speed mode
(3.4 Мбит/с), Ultra Fast-mode (5 Мбит/с). В МК начального уровня используются режимы Standard-mode и Fast-mode. Более высокие скорости обеспечивают
32-разрядные МК, а также АР.
Интерфейс I2C широко применяется в различных подсистемах АР, в частности
ввода/вывода сигналов, внешней памяти, питания. Более того, во многих случаях
он сам является составной частью других интерфейсов, обеспечивая программирование их режимов (принцип «вложенных матрёшек»).
Для нормальной работы шины I2C требуются нагрузочные «pull-up» резисторы
Rp, как показано на Рис. 6.3, а. На практике их сопротивления выбирают в пределах
единиц килоом, чтобы обеспечить ток КЗ на общий провод в диапазоне 0.5…2 мА.
Чем меньше сопротивление, тем выше допустимая скорость [6-3]. Ограничение:
эквивалентная ёмкость Cb на шине по каждому из двух сигналов (Рис. 6.3, б).
AP VCC
Rp
Rp
AP SCL
SCL
AP SDA
SDA
Cb
Cb
а)
б)
Рис. 6.3. Нагрузочные резисторы Rp и ёмкости на шине Cb: а) схема, б) график [6-2]
198
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
С течением времени аббревиатура «I2C» стала нарицательной, сейчас она относится ко всем последовательным интерфейсам, которые похожи на прародителя,
но по лицензионным соображеним отличаются от него в терминах и деталях.
На Рис. 6.4, а…д приведены схемы подключения узлов интерфейса I2C к АР.
+3.3V
R2
R1, R2
2k
R3 22
I2C
SDA
SCL
SDA
SCL
I2C
R1, R2
2.2k
R1
AP
+3.3V
R2
AP
R1
R4 22
б)
а)
+1.8V +3.3V
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R1, R2 1k
I2C(3) I2C(4)
I2C(1) I2C(2)
AP
R3, R4 4,7k
R5, R6 2k
R7, R8 10k
в)
"I2C SCL"
"I2C SDA"
R2
DD1 PCA9306
2
VREF1
VREF2
3
SCL1
SCL2
4
SDA1
SDA2
8
EN
GND
7
6
5
1
AP
R1
+3.3V
I2C
R3 R4 R5
R1, R2 4.7k
R3...R5 2.2k
+1.8V
г)
Рис. 6.4. Схемы подключения узлов интерфейса I2C к АР (начало):
а) классический вариант подключения линий связи к интерфейсу I2C. Внешней нагрузкой
служат резисторы R1, R2. Ток КЗ через них при замыкании на общий провод составляет 1.5 мА;
б) резисторы R3, R4 подавляют «звон» на фронтах импульсов SDA, SCL, возникающий при
большой протяжённости линии связи;
в) к одному АР могут подключаться несколько разных шин интерфейса I2C. В данном примере их четыре, причём уровни сигналов у них отличаются: слева 1.8 В, справа 3.3 В;
г) cопряжение разноуровневых сигналов интерфейса I2C 1.8/3.3 B через специализированный драйвер DD1, включённый по типовой схеме;
6.3. Интерфейс I2C
"I2C"
DD1 PCA9517DP
8
VCCA
VCCB
7
SCLA
SCLB
6
SDAA
SDAB
5
SCL
SDA
C1
0.1
EN
GND
R1, R2 10k
1
2
3
4
+3.3V
AP
XS1
R3 R4
I2C
R1 R2
199
R3, R4 1.5k
д)
Рис. 6.4. Схемы подключения узлов интерфейса I2C к АР (окончание):
д) DD1 — это буферный повторитель сигналов интерфейса I2C с возможностью сдвига уровней. Но в данной схеме сдвиг уровней не производится, поскольку на выводы DD1:1, DD1:8 подаётся одинаковое питание. Основное назначение буфера заключается в изоляции ёмкостей
внешней шины I2C на разъёме XS1 от ёмкостей узлов внутренней шины, контактирующей с АР
6.4. Интерфейс I2S
Последовательный интерфейс I2S (I2S, IIS, Integrated Inter-chip Sound) служит
для цифровой передачи звука между аудиоустройствами. Сигналы могут формироваться как микросхемой звукового процессора, так и контроллером внутри АР.
Интерфейс I2S характеризуется дуплексной или полудуплексной передачей
данных, поддерживает режимы «master» и «slave». Частота семплирования звука
составляет 8…192 кГц с разрешением 16; 24; 32 бита, стабильность тактирования
(фазовое дрожание, джиттер) не хуже 0.5%.
Стандарт I2S был введен в 1986 году фирмой Philips и последний раз пересматривался в 1996 году. С электрической точки зрения интерфейс I2S состоит как
минимум из трёх линий, по которым передаются КМОП-сигналы ВЫСОКОГО/
НИЗКОГО уровней [6-4]:
• тактовый сигнал битовой синхронизации SCK (CLK, BCK, BCLK);
• сигнал фреймовой синхронизации, который определяет передачу аудиосигналов левого и правого каналов WS (FSYNC, LRCK);
• сигнал аудиоданных, содержащий звуковую информацию, разделённую поканально во времени SD (DATA, DIN, DOUT, SDO, SDI).
К трём базовым обычно добавляется системный тактовый сигнал MCLK и
ещё некоторые фирменные сигналы, поскольку кроме стандартного интерфейса I2S фирмы Philips существуют протоколы: MSB-justified standard, LSB-justified
standard, PCM standard и др. Названия сигналов в них могут отличаться.
По организационной структуре интерфейс I2S похож на SPI, в связи с чем в АР
для работы могут использоваться те же самые программные регистры.
Унифицированных разъёмов в стандарте I2S не предусмотрено, поэтому сигналы, как правило, выводятся на гребёнку штырей, а также на внешние системные
или интерфейсные разъёмы (Рис. 6.4, а…д).
200
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
XP1
SDI
R1
DATA
LRCK
R2
LRCK
BCK
R3
BCK
MCLK
R4
MCLK
GND
R1...R4 75
"I2S"
1
2
3
4
5
I2S0_SDI
+3.3V
I2S0_MCLK
AP (RK3066A)
XT1
XT2
IIS LRCK
XT3
IIS BCLK
XT4
IIS MCLK
AP
I2S0_SDO0
"I2S"
IIS DI
IIS D2
IIS D3
GND
I2S0_SDO2
I2S0_SDO3
I2S1_SDI
I2S1_SCLK
I2S1_LRCK_RX
XT6
XT7
IIS D1
I2S0_SDO1
I2S1_LRCK_TX
XT5
IIS D0
I2S0_LRCK_TX
I2S0_LRCK_RX
а)
+3.3V
I2S0_SCLK
SYSTEM CONNECTOR
ES9023P
К портам АР
+3.3V
I2S1_MCLK
I2S1_SDO
XT8
XT9
в)
XT10
б)
I2S_DIN
R1 1 1
1
I2S_DOUT
R2 2 2
2
I2S_LRCLK
I2S_SCLK
MCLK
R3 3 3
R4 4 4
R5 5 5
R1...R5 10
3
4
5
GND
+3.3V
AP (A64)
S1.6...S1.10
TLV320AIC23B
S1.1...S1.5
SGTL5000
AP
+3.3V
+3V3
GPIOB5
BCLK
GPIOB4
SYNC
GPIOB6
DOUT
GPIOB7
DIN
GPIOB3
MCLK
XP1
1
2
3
4
5
6
7
"I2S"
г)
д)
Рис. 6.4. Схемы подключения узлов интерфейса I S:
2
а) подключение сигналов интерфейса I2S производится к аудиопроцессору ES9023P, который, в свою очередь, соединяется с АР отдельной шиной связи. Частота тактового сигнала MCLK
составляет 50 МГц и может подаваться не от аудиопроцессора, а от внешнего кварцевого генератора. Резисторы R1…R4 демпфируют «звон» на фронтах импульсов и ограничивают ток КЗ;
б) расширенный набор сигналов интерфейса I2S подаётся прямо с цифровых портов АР;
в) в одном АР может быть не один, а несколько независимых интерфейсов I2S. В рассматриваемой схеме их два — I2S0, I2S1;
г) движковыми переключателями S1.1…S1.10 сигналы интерфейса I2S коммутируются на два
аудиокодека, выполненных на микросхемах SGTL5000 и TLV320AIC23B. Замыкаться должны
или контакты S1.1…S1.5, или контакты S1.6…S1.10, но не одновременно;
д) на разъём XP1 выводятся не только сигналы интерфейса I2S, но и цепь питания +3.3 В
6.5. Интерфейсы PCIe, mini PCIe
201
6.5. Интерфейсы PCIe, mini PCIe
Интерфейс PCIe (PCI-E, PCI-e, PCI Express, Peripheral Component Interconnect
Express) часто называют «компьютерным» из-за его схожести по названию с интерфейсом PCI, применяемым в материнских платах ПК. Однако не следует путать последовательную шину PCIe [6-5] с параллельной шиной PCI.
Существуют два варианта интерфейса PCIe: «мини» (Рис. 6.5, а) и «стандарт»
(Рис. 6.5, б). Унификация сигналов у них отсутствует.
X1 (52 pin) mini PCIe
NC
GND
NC
NC
GND
NC
NC
GND
NC
NC
GND
GND
NC
NC
GND
GND
+3.3V
3V3
3V3
GND
PCM_CLK
PCM_DOUT
PCM_DIN
PCM_SYNC
2
4
6
8
10
12
14
16
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
3.3V_AUX
GND
+3.3V
NC
UIM_PWR
SIM CARD
NC
1
3
5
7
9
11
13
15
UIM_DATA
UIM_CLK
UIM_RES
NC
GND
R1
10k
DIS_N
RESET
NC
RESET#
NC
GND
NC
NC
C1
0.1
+3.3V
NC
GND
3G_USB_D–
D–
3G_USB_D+
D+
GND
LED_WAN
AP (RK3399)
NC
NC
NC
NC
GND
3V3
+3.3V
а)
Рис. 6.5. Схемы подключения устройств с интерфейсами PСIe, mini PCIe к АР (начало):
а) Х1 — это слот для подключения внешних устройств через «печатный» разъём с 52 ламелями контактов. Интерфейс mini PCIe рассчитан на работу с разнообразной периферией, включая
твёрдотельные диски, модемы, адаптеры Ethernet, SATA, CompactFlash, CAN, HDMI, VGA, видеокарты, ТВ-тюнеры и даже платы для макетного прототипирования [6-6]. В рассматриваемой
схеме интерфейс mini PCIe предназначен для подключения 3G-модема, поэтому используется
ограниченный набор сигналов: 3V3 — питание; GND — общий провод; сигналы UIM_xxx — подключение сим-карты 3G-модема; RESET# — начальный сброс от тактовой кнопки, 3G_USB_D–,
3G_USB_D+ — шина USB, через которую производится передача/приём данных; NC — свободные контакты; PCM_xxx, LED_WAN, DIS_N — не задействованы;
202
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
X1 (64 pin)
QSH 030 01 L D A
LVDS0_TX2_P
LVDS0_PWM
LVDS0_TX3_N
LVDS0_TX3_P
SD2_ACT
LVDS0_CLK_N
LVDS0_CLK_P
I2C3_SDA
I2C3_SCL
SD2_CMD
SD2_DATA1
SD2_DATA3
SD2_DATA5
SD2_DATA7
UART2_CTS
UART2_RTS
UART2_RXD
UART2_TXD
PCIE_WAKE
JTAG_nTRST
JTAG_TCK
JTAG_TDO
JTAG_TDI
JTAG_TMS
PCIE_TX_N
PCIE_TX_P
GND
SATA_TX_N
SATA_TX_P
GND
GND
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
LVDS0_TX0_N
LVDS0_TX0_P
LVDS0_CABC
+2.5V
LVDS0_TX1_N
LVDS0_TX1_P
I2C1_SDA
I2C1_SCL
AUD3_TXC
PCIE_RX_N
RX N
PCIE_RX_P
RX P
PCIE_WAKE
AUD3_TXD
+1.1V
WAKE
AUD3_CLK
AUD3_RXD
AP (i.MX6Q)
LVDS0_TX2_N
AUD3_TXFS
R1
49.9
SD2_DATA0
SD2_DATA2
SD2_DATA4
CLK1_N
C1
CLK P
TX P
CLK1_P
C2
CLK N
TX N
SD2_DATA6
SD2_WP
SD2_CLK
REF
SD2_CD
USB1_N
R2
49.9
USB1_P
R3
200
USB1_PWR_EN
CLK1_N
CLK1_P
+3V3
PCIE_RX_N
PCIE_RX_P
PCIE_TX_N
C3
PCIE_TX_P
C4
GND
SATA_RX_N
C1...C4
0.1
SATA_RX_P
GND
GND
б)
Рис. 6.5. Схемы подключения устройств с интерфейсами PСIe, mini PCIe к АР (окончание):
б) в полноформатном интерфейсе PCIe, по определению, используется больше сигналов,
чем в усечённом интерфейсе mini PCIe. Однако их нумерация и состав (в данной схеме) не соответствуют рекомендациям [6-7]. В двухрядном 64-контактном разъёме X1 (4x-Connector), судя
по названиям, присутствуют сигналы разных интерфейсов: LVDS, I2C, SATA, JTAG, USB, UART,
SDIO, аудио и, наконец, собственно PCIe. В последнем случае используется последовательная
связь через три дифференциальные пары проводников, имеющих волновое сопротивление 90 Ом
(входы RX-P, RX-N и выходы TX-P, TX-N) и 100 Ом (тактирование CLK-P, CLK-N). Допустимая
частота тактовых импульсов — 100…125 МГц. Вывод WAKE является выходом с открытым стоком, НИЗКИЙ уровень которого переподключает соединение с внешним устройством. Резистор R3 ограничивает ток выходных драйверов, находящихся внутри АР по линиям TX-P, TX-N
6.6. Интерфейс SATA
203
6.6. Интерфейс SATA
Через интерфейс SATA к АР обычно подключаются твёрдотельные и жёсткие
диски (по-старому, винчестеры), обладающие большим объёмом памяти. Высокую скорость связи и хорошую помехоустойчивость обеспечивают дифференциальные пары сигналов интерфейса SATA. Стыковка производится через два разъёма: один — информационный, другой — питающий (Рис. 6.6, а…г).
XS1 (SATA 7 pin)
GND1
C1
TX P
REF
TXP
C3
TX N
AP
TXN
GND2
C2
RX N
RXN
C4
RX P
RXP
GND3
C1...C4
0.01
VDD
+5V
GND
XS1 007 01 00407
1
2
3
4
5
"SATA DATA"
+1.1V
6
7
XP1
"SATA 5V"
+2.5V
R1
191
1
2
а)
"+5V"
+5V
AP
R3
10k
1
2
R1
10k
R2
100k
XP1
"SATA 5V"
VT2
TCS1305
C2
22.0
C1
0.1
VT1
2N3904
б)
Рис. 6.6. Схемы подключения устройств с интерфейсом SATA к АР (начало):
а) XS1 — информационный разъём интерфейса SATA. Противофазные сигналы TXP, TXN и
RXN, RXP являются дифференциальными с волновым сопротивлением 100 Ом, что надо учитывать при разводке печатной платы. Через разъём XS2 подаётся напряжение +5 В от внешнего
источника «сетевая вилка». Точный резистор R1 задаёт ток выходных драйверов АР по выводам
TX-P, TX-N. Варианты: вместо AP = JM20329 (специализированный контроллер SATA);
б) информационная часть аналогична Рис. 6.6, а, но питание на разъёме XP1 интерфейса
SATA можно программно включить/выключить, что полезно в целях экономии энергии. При
НИЗКОМ уровне на выходе АР транзисторы VT1, VT2 закрываются, питание на разъём XP1 не подаётся. При ВЫСОКОМ уровне — наоборот, транзисторы открываются, питание подаётся. Варианты: C1 = 22.0 = NC, C2 = 10.0, R2 = 4.99k = 47k, R3 = 47k = 100k, VT1 = MMBT3904 = BC846B,
VT2 = AO3401 = AO3423 = IRLML6402;
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
VT2 AO3401
"+5V"
AP
+5V
R2
47k
R1
10k
C1
4.7
R3
47k
C2
4.7
C3
10.0
XP1
"SATA 5V"
204
1
2
C4
0.1
VT1
MMBT3904
C1
22.0
C2
0.1
VT3
NDS9435A
"+12V"
R4
10k
2
R2 1k
C4
22.0
AP
VT1
2N3904
+5V
R1
10k
VT4
TCS1305
R3
4.7k
1
2
C6
0.1
"+5V"
R5
10k
C5
22.0
XP2
"SATA 12V"
XP1
1
XP3
1
2
"SATA 5V"
"12V IN"
в)
C7
0.1
VT2
2N3904
C3
0.1
г)
Рис. 6.6. Схемы подключения устройств с интерфейсом SATA к АР
(окончание):
в) аналогично Рис. 6.6, б, но с конденсатором C1, который обеспечивает плавное отпирание
транзистора VT2 и, как следствие, плавное нарастание выходного напряжения +5 В. Конденсатор C1 работает в паре с конденсатором C2, который, в свою очередь, замедляет отпирание
транзистора VT1. Следует учитывать, что удалять конденсатор C1 можно, а C2 — нельзя, иначе
через транзистор VT1 может пройти большой импульс тока, вызванный процессом зарядки конденсатора С1 при появлении ВЫСОКОГО уровня на выходе АР;
г) аналогично Рис. 6.6, б, но система питания содержит два канала: один — с напряжением
+5 В (XP3), другой — с напряжением +12 В (XP2). Увеличение количества разъёмов питания с
одного до двух расширяет сферу применения, поскольку теперь к АР можно подключать накопители на жёстких дисках разных типов, CD-ROM и твёрдотельные накопители. Ток нагрузки
по каждому из выходных разъёмов может составлять 2…3 А, что зависит от типа применяемых
мощных транзисторов VT3, VT4. Внешнее входное напряжение +12 В подаётся на разъём XP1,
который конструктивно должен отличаться от разъёмов XP2, XP3, чтобы пользователь не перепутал вход и выход питания
205
6.7. Интерфейс S/PDIF
6.7. Интерфейс S/PDIF
Последовательный «звуковой» интерфейс S/PDIF применяется в платах с АР
значительно чаще, чем в платах с МК. Высокая производительность АР позволяет
«на лету» упаковывать в цифровой поток звуковые данные с большим битрейтом.
Схемы подключения оптических и электрических версий интерфейса S/PDIF
приведены на Рис. 6.7, а…г.
2
C1
22
1
3
VCC
IN
GND
AP
R2
120
в)
XS1
"SPDIF"
AP
+3V
C1
0.047
3
1
VCC
IN
GND
б)
+3.3V
1/0
2
R1 33
а)
R1
200
B1 (opto)
KYT 1150A T
FB1
120R
1/0
S/PDIF Opto
R1
22
C2
0.1
1/0
B1
OC 0806
+5V
R1
330
R2
100
R3
33
2
1
3
C2 0.1
4
C1
33
5
VCC
IN
GND
S/PDIF Coaxial Opto
1/0
C1
4.7
+3.3V
B1 (opto)
DLT1160
AP
+5V
S/PDIF Opto
AP
+3.3V
г)
Рис. 6.7. Схемы передачи сигналов через интерфейс S/PDIF:
а) B1 — это передающий оптический модуль интерфейса S/PDIF. Его параметры: напряжение питания 5 В, ток потребления 5…10 мА, длина волны излучающего диода 650 нм, оптическая
мощность передачи –15 дБм, скорость трансляции данных до 16 Мбит/с. Варианты: R1 = 0 = 33,
C1 = NC;
б) аналогично Рис. 6.7, а, но с фильтрацией помех элементами FB1, C1, C2 и другим типом
оптомодуля В1, допускающим питание в более широком диапазоне напряжений 2.7…5.5 В. Его
параметры: скорость передачи данных до 16 Мбит/с на расстояние 0.2…20 м, длина волны излучающего диода 640…670 нм, ток потребления 5…10 мА. Варианты: B1 = DLT1160A-B, R1 = 22,
FB1 = 600R, C1 = NC;
в) электрический (не оптический) вывод сигналов S/PDIF. Напряжение от пика до пика на
коаксиальном разъёме XS1 — 1 В без нагрузки, 0.5 В под нагрузкой. Выходное сопротивление со
стороны передатчика составляет 75 Ом. Оно обеспечивается параллельным соединением резисторов R1, R2 по высокой частоте. Входное сопротивление со стороны приёмника на удалённом
конце также должно быть 75 Ом для установления в линии связи режима «бегущей волны»;
г) В1 — это совмещённый модуль, имеющий и оптическую, и электрическую части интерфейса S/PDIF с излучающим диодом (вверху) и коаксиальным разъёмом (внизу)
206
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.8. Интерфейс Ethernet
6.8.1. Общие схемы подключения
Название «Ethernet» (в переводе с англ. «эфирная сеть») отражает первоначальную суть идеи, сходную с радиовещанием, когда информация, передаваемая одним узлом, одновременно принимается всеми остальными узлами сети.
Технологии построения локальных вычислительных сетей Ethernet основываются на стандарте IEEE 802.3, начальная версия которого была представлена в
1980 году в виде протокола 10BASE-T (скорость передачи данных 10 Мбит/с).
С целью повышения скорости до 100 Мбит/с в мае 1995 года комитет IEEE
принял спецификацию Fast Ethernet и протокол 100BASE-T, совместимый с
10BASE-T. На следующем этапе в 1999 году был разработан гигабитный стандарт,
обеспечивающий переход на скорости 1 Гбит/с под названием Gigabit Ethernet
1000BASE-T. Далее, начиная с 2014 года, вышли в свет несколько ещё более скоростных протоколов со скоростями 2.5…100 Гбит/с.
В современных SBC используются кабельные интерфейсы Ethernet с протоколами 10/100BASE-T (реже) и 10/100/1000BASE (чаще). На Рис. 6.8, а, б приведены
их обобщённые структурные схемы.
AP с трансивером 10/100BASET
AP без трансивера
MAC
Контроллер
Ethernet
MII
Трансивер
Модуль трансформаторный
10/100BASET
PHY
Элементы защиты и развязки
Приёмник,
передатчик
Блок транс
форматоров
Разъём
8P8C
Светодиоды
а)
AP с трансивером 10/100/1000BASET
AP без трансивера
MAC
Контроллер
Ethernet
GMII
Трансивер
Модуль трансформаторный
10/100/1000BASET
PHY
Элементы защиты и развязки
Приёмник,
передатчик
Блок транс
форматоров
Разъём
8P8C
Светодиоды
б)
Рис. 6.8. Структурные схемы интерфейса Ethernet: а) 10/100BASE-T; б) 10/100/1000BASE-T
На схемах отдельными блоками выделены узлы канальных и физических уровней, соответственно, MAC и PHY. Последний размещается или в АР, или во внешнем трансивере. Также выделен блок сетевого разъёма 8P8C, обычно именуемый
RJ-45, для подключения к кабельной сети. В нём содержатся развязывающие
трансформаторы, элементы защиты от ESD и светодиоды (опционно).
6.8. Интерфейс Ethernet
207
Отличия между схемами обычного и гигабитного «эзернета» заключаются в
разной структуре сигналов интерфейсов MII (RMII) и GMII (RGMII), а также
в увеличенном вдвое количестве дифференциальных линий связи с трансформаторным модулем. Важно знать, что трансформаторные модули, рассчитанные на
протокол 10/100BASE-T, могут не подойти к устройствам с 10/100/1000BASE-T.
На Рис. 6.9, а…в показаны электрические схемы подключения АР или трансиверов Ethernet к локальной сети. Это общие схемы, поясняющие взаимосвязи
между ЭРИ, а деталировка технических решений по отдельным функциональным
элементам будет приведена дальше.
HL1 (green)
+3.3V
HL2 (yellow)
X1 (8P8C)
RD–
RD+
Трансивер Ethernet (LAN8720A)
К портам АР
R5
1
R6
11
12
8
1
2
A1 (Ethernet)
J3026G01DNLT
TD+
R1 R2 R3 R4
3
HL2
HL1
T1
X1
T3
5
T5
4
TD–
C1 15
R7 75
R9 75
R8 75
R10 75
T1...T5 (1 / 1)
C2 15
7
6
T4
T2
2
4
5
7
8
3
C3 1000
x 2kV
8
R1...R4 49.9
1
6
R5, R6 220
13; 14
10
а)
Рис. 6.9. Общие схемы подключения к сети Ethernet (начало):
а) сеть Ethernet поддерживает протокол 10/100BASE-T. Это понятно по двум (а не четырём)
парам сигналов передачи TD+, TD– и приёма RX+, RX–. Источником сигналов служит отдельная микросхема трансивера LAN8720A, которая подключается к портам АР по отдельной шине.
К разъёму X1 трансформаторного модуля А1 подключается UTP-кабель категории 5. Сам модуль
классифицируется как «пятисердечниковый» (5-core) по числу сердечников в катушках T1…T5.
Резисторы R1…R4 и конденсаторы С1, С2 согласующие, нагрузочные, антизвонные. Резисторы R5, R6 ограничивают токи через светодиоды HL1, HL2. Конденсатор С3 и резисторы R7…R10
организуют общую и дифференциальную нагрузки сигналов по схеме «Bob Smith» [6-8].
Импульсные трансформаторы Т1, Т4 обеспечивают гальваническую изоляцию. Трансформаторы T2, T3 — это синфазные дроссели, ослабляющие шумы в витой паре на приёме и передаче. К шумам относятся помехи, исходящие от цифровой части SBC и поступающие извне.
Автотрансформатор Т5 имеет высокое сопротивление дифференциальному сигналу в витой паре
и низкое сопротивление синфазным токам в нагрузке. Варианты: C1 = C2 = NC, R1…R4 = 51;
208
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
+3.3V
R2 510
X1 (8P8C)
R3 510
1
R1
10
14
Трансивер Ethernet (RTL8211E)
К портам АР
12
A1 (Ethernet)
HR911130C
C1
0.1
TD0+
13 11
HL2 (green)
HL1 (yellow)
2
3
TD1+
4
R4 75
T1...T8 (1 / 1)
X1
1
T5
T1
1
TD0–
8
2
R5 75
T2
3
T6
TD1–
7
TD2+
5
6
R6 75
T3
4
T7
TD2–
6
TD3+
8
5
R7 75
T4
T8
TD3–
9
10
7
8
C2 1000 x 2kV
б)
Рис. 6.9. Общие схемы подключения к сети Ethernet
(продолжение):
б) сеть Ethernet поддерживает гигабитный протокол 10/100/1000BASE-T. Характерной особенностью являются четыре (а не две) дифференциальные пары сигналов: TD0+, TD0–, TD1+,
TD1–, TD2+, TD2–, TD3+, TD3–. Жёсткого разделения на приёмные и передающие цепи здесь
нет, поскольку сигнальные тракты двунаправленные. Как следствие наблюдается полная симметрия четырёх каналов, включая трансформаторный блок.
Модуль А1 классифицируется как «восьмисердечниковый» (8-core) по числу ферритовых
сердечников в катушках T1…T8. Импульсные трансформаторы T1…T4 разделительные, изолирующие. Сдвоенные синфазные дроссели T5…T8 подавляют помехи. Резисторы R4…R7 выполняют функцию нагрузок. Цепочка R1, C1 уменьшает импульсные помехи в цепи питания +3.3 В,
возникающие при коммутации силовых транзисторов внутри трансивера Ethernet RTL8211E.
Конденсатор С2 должен быть рассчитан на напряжение не менее 1.5 кВ.
Резисторы R2, R3 ограничивают токи через светодиоды HL1, HL2. Функциональное назначение индикаторов: HL1 (жёлтый) — мигает, если идёт передача данных, HL2 (зелёный) — светится при установлении связи и гаснет при её обрыве;
6.8. Интерфейс Ethernet
C2, C3 1000
R2 750
+3.3V
209
X1 (8P8C)
C2
1
8
C3
R1
750
TD0+
1
13
14 11
A1 (Ethernet)
KRJ205GYZNL
T1
HL1 (yellow)
T5
К портам АР
Транссивер Ethernet (RTL8211D)
5
TD0–
2
TD1+
3
12
HL2 (green)
X1
1
R3 75
T9
2
T2
T6
3
R4 75
T10
TD1–
4
TD2+
7
6
T3
T7
4
R5 75
T11
TD2–
8
TD3+
9
5
T4
T8
6
TD3–
7
R6 75
T12
10
8
C1 1000 x 2kV
15, 16
в)
Рис. 6.9. Общие схемы подключения к сети Ethernet (окончание):
в) аналогично Рис. 6.9, б, но с трансформаторным модулем А1 на 12 сердечниках (12-core).
По сравнению с «восьмисердечниковыми» модулями (8-core) они дороже по цене, но лучше по
параметрам и менее критичны к топологии разводки печатной платы [6-9]. Это упрощает жизнь
разработчикам, поскольку позволяет обойтись без этапа макетирования. Применение таких модулей оправдано, если в SBC имеется «сильнотоковая» секция, создающая мощные помехи.
RTL8211D — это микросхема «гигабитного» трансивера Ethernet. Она рассчитана на передачу данных как на скорости 1000 Мбит/с, так и на более медленных скоростях 10 и 100 Мбит/с
в протоколе 10/100Base-T. Для соединения с локальной сетью через разъём X1 необходимо применять UTP-кабель категорий 5е и 6, хотя для 10/100Base-T достаточно кабеля категории 5.
Двунаправленные информационный сигналы TD0…TD3 сгруппированы по парам «+», «–».
Это дифференциальные сигналы, рассчитанные на одинаковый импеданс нагрузки.
Четырёхканальный трансформаторный модуль A1 имеет следующие параметры: полоса
1…100 МГц, прямые потери сигнала не более 1 дБ, затухание сигналов между каналами («просачивание») 30…40 дБ, коэффициент трансформации обмоток 1 : 1 с точностью ±3%
210
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.8.2. Трансформаторы Ethernet
Трансформаторные модули Ethernet классифицируются по количеству используемых ферритовых сердечников (cores). Однопортовые модули с 4; 5 и 6 сердечниками используются в сетях с протоколом 10/100BASE-T. Из них наиболее
распространёнными являются модули с четырьмя сердечниками, рассчитанные
на подключение двух витых сигнальных пар с поддержкой функции Auto MDI-X
[6-10]. Это означает, что интерфейс сам определяет, какие пары работают на приём, а какие на передачу при стыковке с обычными и кроссоверными кабелями.
Однопортовые модули Ethernet с 8 и 12 сердечниками рассчитаны на гигабитную скорость с четырьмя парами дифференциальных сигналов. Важно не путать
их с двухпортовыми модулями 10/100BASE-T, которые тоже имеют 8 сердечников.
Деталировка трансформаторных схем показана на Рис. 6.10, а…д.
+3.3V
TD0+
A1
DW1108C50112
1
A1
HR911130C
+3.3V
T1
9
TD0+
1
TD1+
3
TD1–
4
TD2+
7
TD2–
8
TD3+
9
T2
T3
T4
К портам АР
2
Трансивер Ethernet (RTL8211EVB)
Трансивер Ethernet
К портам АР
5
TD0–
T1
TD0–
8
TD1+
6
T2
C1...C4 1000
R1...R4 49.9
TD1–
5
TD2+
7
TD2–
4
TD3+
R1
R2
R3 R4 3
T3
T4
6
TD3–
10
2
TD3–
C1
C1 0.1
а)
C2
C3
C4
б)
Рис. 6.10. Схемы подключения трансформаторов Ethernet (начало):
а) средние точки трансформаторов Т1…Т4 соединяются не с цепью +3.3 В, а с общим проводом GND через конденсатор фильтра C1. Это означает, что внутри трансивера Ethernet размещаются мощные дифференциальные усилители с нагрузками, а не ключи с открытым стоком;
б) внешние нагрузочные резисторы R1…R4 подключаются к трансформаторам Т1…Т4 по
переменной частоте (постоянную составляющую не пропускают конденсаторы C1…C4);
6.8. Интерфейс Ethernet
R1 R2 R3 R4
Трансивер или AP
+3.3V
RD–
RD+
211
A1 (Ethernet)
HBJM1Z10NL
2
TD+
3
4
R1...R4
49.9
X1
(8P8C)
8
1
T3
1
TD–
1
T1
R5 75
R7 75
2
4
5
R6 75
R8 75
7
8
3
T2
T4
6
C1
1000 x 2kV
5
6
7
в)
+3.3V
1
T1
C1 3
2
TD–
7
C2 6
T2
Трансивер Ethernet (RTL8211E)
RD+
C1, C2
0.1
TD+
VD1 VD3
A1
LU1S041LF
К портам АР
RD–
Трансивер или AP
+3.3V
A1
HR911130A
TD1+
9
TD1–
8
RD1+
6
RD1–
5
8
VD2 VD4
г)
T1
T2
VD1...VD4
ESD9X5VU
д)
Рис. 6.10. Схемы подключения трансформаторов Ethernet
(продолжение):
в) типовая схема подключения трансформаторного модуля A1 с протоколом 10/100BASE-T
к АР. Резисторы R1…R8 — нагрузочные. Модуль A1 классифицируется как имеющий четыре
сердечника трансформаторов Т1…Т4. Привязка контактов A1:1…A1:7 к обмоткам конкретных
трансформаторов не унифицирована и зависит от типа модуля A1. Варианты: A1 = HR911105A;
г) аналогично Рис. 6.10, а, но для модуля A1 Ethernet 10/100 BASE-T и с подключением двух
отдельных конденсаторов С1, С2 к обмоткам трансформаторов Т1, Т2. Конденсаторы снижают
синфазные помехи. Варианты: трансивер Ethernet = RTD1073;
д) аналогично Рис. 6.10, а, но с защитой от ESD дискретными однонаправленными супрессорами VD1…VD4, имеющими низкую ёмкость 0.5 пФ;
212
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
A1
HY911130A
VD1
SP3050�04HTG
1
3
4
6
1
2
3
4
К портам АР
5
2
Трансивер Ethernet (KSZ9031R)
+3.3V
TD1+
1 1
2
TD1–
2 2
3
RD1+
3 3
4
RD1–
4 4
7
T1
T2
е)
Рис. 6.10. Схемы подключения трансформаторов Ethernet (окончание):
е) аналогично Рис. 6.10, д, но с одной общей сборкой супрессоров VD1 с ёмкостью 2 пФ на
каждый вывод. Варианты: VD1 = TPD4E05U06
6.8.3. Экранирование
Трансформаторные модули Ethernet имеют металлический корпус, который на
схемах обозначается Shield (экран). Для эффективного отвода энергии синфазных
помех экран должен соединяться на стороне оборудования с защитным заземлением, что актуально для индустриальных сетей Ethernet [6-11].
На стороне контроллера Ethernet или АР также должна обеспечиваться связь
металлического корпуса разъёма 8P8C с сигнальной «землёй» (Рис. 6.11, а, б).
A1 (Ethernet)
DW 1108C5011 2
R1
1M
C1
0.1
A1 (Ethernet)
HY911130A
C2
1000 x 2kV
FB1
220R
а)
10
C1
1000 x 2kV
б)
Рис. 6.11. Схемы экранирования модулей Ethernet:
а) особенность: для изолирующего конденсатора С2 не предусмотрено отдельного вывода в
модуле А1. Он соединяется непосредственно с металлическим корпусом разъёма. Цепочка R1, C1
служит для развязки сигнальной и защитной «земель» по ВЧ и НЧ;
б) развязка «земель» осуществляется по ВЧ ферритовым фильтром-бусинкой FB1. По НЧ и
на постоянном токе развязка отсутствует из-за практически нулевого сопротивления фильтра.
Варианты: FB1 = 0 (КЗ, применяется, если отсутствует опасность попадания на корпус разъёма
аварийного напряжения)
6.8. Интерфейс Ethernet
213
6.8.4. Светодиодная индикация Ethernet
Светодиоды в трансформаторном модуле Ethernet индицируют активность сетевого соединения. Наличие светодиодов в модуле опционно, их вообще может не
быть. Но обычно присутствуют два индикатора (Рис. 6.12, а…е).
Свечение и мигание индикаторов осуществляются программно от АР или
трансивера Ethernet. С портов подключения светодиодов при инициализации
также может считываться дополнительная информация, задаваемая резисторами.
+3.3V
In Out
In Out
Трансивер Ethernet (AR8033)
К портам АР
"LED 1000BASE T"
"LED 10/100BASE T"
21
R1 C1
10k 470
22 19
20
HL2.1
(green)
C3
470
C2
470
R2 10k
HL1
(yellow)
HL2.2
(orange)
A1 (Ethernet + USB x 2)
JFM38U1B 21C4 4F
а)
+3.3V
Трансивер (RTL8111GS)
К портам АР
1/0
DD1
2
4
"ACTIVE"
DD2
1/0
2
4
DD3
1
& 4
2
R1
220
DD1, DD2 SN74LVC1G14DCKR
DD3, DD4 SN74LVC1G08DCKR
DD4
R2
220
"10/100BASET"
2
& 4
1
A1 (Ethernet)
12
11
"1000BASET"
1
2
DD1:5...DD4:5
connected by +3.3V
DD1:3...DD4:3
connected by GND
HL1 (yellow)
HL2 (green)
б)
Рис. 6.12. Схемы подключения светодиодов Ethernet (начало):
а) светодиод HL1 непрерывно светится в процессе установления связи (линковки) и мигает
при транзакциях в сети. Светодиод HL2 светится зелёным или оранжевым цветом при обнаружении данных с протоколами, соответственно, 10/100BASE-T и 1000BASE-T. Резисторы, ограничивающие токи через светодиоды HL1…HL3, отсутствуют, что связано с низкой нагрузочной
способностью линий GPIO трансивера АР8033. В первый момент после подачи питания линии
GPIO становятся входами. Резисторы R1, R2 формируют на них НИЗКИЕ уровни. По ним программа определяет, что надо выставлять ВЫСОКИЕ уровни для включения светодиодов;
б) вариант подключения светодиодов через буферные логические элементы DD1…DD4.
НИЗКИМ уровнем сигнала ACTIVE запрещается индикация обоих светодиодов HL1, HL2;
214
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
RV1...RV4 AVRL101A1R1NTB
In Out
Трансивер или AP
+3.3V
R1
470
R2
10k
R3
470
1
2
R4
10k
14
13
A1
U
RV1
RV2
U
U
U
HL1 (yellow)
HL2 (green)
RV3
RV4
в)
+3.3V
+3.3V
C2
R4 510
R1
4.7k
C1, C2
1000
12
11
1
Трансивер или AP
Трансивер или АР
In Out
R2 4.7k
+2.5V
C1
R3 510
2
A1
HL1 (yellow)
VT1 SI2301BDS
R1
10k
R2
1k
12
11
A1
(Ethernet)
HL1 (yellow)
HL2 (green)
д)
г)
+3.3V
Трансивер (LAN8720A)
К портам АР
R1 100
R2 100
12
11 14
13
HL2.1
(green)
Рис. 6.12. Схемы
подключения светодиодов
Ethernet (окончание):
HL1 (yellow)
A1 (Ethernet )
HL2.2
(orange)
с)
в) варисторы RV1…RV4 защищают от «электростатики» выводы трансивера Ethernet или АР.
Резисторы R2, R4 формируют ВЫСОКИЕ уровни при инициализации линий GPIO на вход;
г) аналогично Рис. 6.12, а, но с подключением светодиода HL1 к цепи питания +3.3 В, а не к
общему проводу GND. Резисторы R3, R4 определяют яркость свечения индикаторов. Резисторы
R1, R2 информационные. Их можно использовать, например, для задания логического адреса
PHY в системе (экономия линий GPIO трансивера), при этом резистор R1 формирует младший,
а R2 — старший биты адреса. Конденсаторы C1, C2 снижают наводки и ВЧ-помехи;
д) транзистор VT1 согласует уровни 3.3/2.5 В, а также служит защитным барьером от проникновения помех и наводок в трансивер Ethernet или АР;
е) оранжевый излучатель двухцветного светодиода HL2 в работе не участвует, следовательно,
поддерживается только протокол 10/100BASE-T
6.9. Интерфейс JTAG
215
6.9. Интерфейс JTAG
Интерфейс JTAG стандарта IEEE 1149 применяется в SBC для отладки ПО, а
также для программирования АР и сопутствующих МК, ПЛИС. Интерфейс JTAG
не накладывает ограничений на реализацию физического стыка. Отсюда многочисленные разновидности фирменных разъёмов JTAG с разным количеством
контактов, с разным шагом выводов и составом сигналов [6-12].
В SBC чаще встречаются 10-, 14- и 20-контактные разъёмы стандартов ARM
JTAG (Cortex Debug), Altera ByteBlaster (USB Blaster), J-Link (Рис. 6.13, а…е).
R4...R7 10k
XP1 IDCN 14
VCC
1
3
5
7
9
11
13
MOD
TDO
AP (iMX6)
R1 1k
R2 22
TDI
TDI
TMS
TMS
TCK
TCK
TDO
R3 22
VCC
"JTAG"
+3.3V
2
4
6
8
10
12
14
а)
+1.8V
TCK
"JTAG/UART"
TRST
SRST
R1
100k
XP1.1
SRST
TMS
TMS
TDI
TDI
AP
GND
GND
NC
NC
TDO
TXD
RXD
TX
RX
+1.8V
VCC
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
XP1.2
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
DET
TDO
TRST
TCK
NC
NC
NC
NC
NC
NC
XP1 DF12B(3.0) 20DS 0.5V(86)
б)
Рис. 6.13. Схемы подключения разъёмов интерфейса JTAG к АР (начало):
а) минимально достаточный пример интерфейса JTAG с нестандартной раскладкой сигналов
разъёма XP1. Резисторы R4…R7 нагрузочные. Резисторы R2, R3 устраняют «звон» на фронтах импульсов. Резистор R1 формирует НИЗКИЙ уровень на входе MOD АР, что означает обычный (не
скрытый, заводской) режим работы интерфейса JTAG. Варианты: R2 = R3 = 0, R6 = R7 = NC;
б) на разъём XP1 выводятся сигналы двух интерфейсов: JTAG (SRST, TMS, TDI, TDO, TRST,
TCK) и UART (TXD, RXD). Сигнал DET используется, чтобы установить факт подключения кабеля к разъёму XP1, для чего в ответной розетке должны быть закорочены контакты 1 и 8;
216
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
R1...R6 10k R7 100
R8 10k
R1 R3 R5 R7 R8
TRSTn
TRSTn
TDI
TMS
TMS
SRST
TCK
RTCK
TDO
AP
TDI
TDO
SRn
SRn
DE
DACK
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
XP1
"JTAG (ARM)"
+3.3V
VCC
+3.3V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
TMS
J_TMS
GND
R1
10k
TCK
J_TCK
J_MOD
J_TDO
GND
TDO
MOD
TDI
J_TDI
NRST
J_RES
BRES
RES
REF
"JTAG"
XP1 IDCN 20
XP1.1
XP1.2
XP1 20021121 00010T4LF
(Amphenol)
AP (iMX6)
+1.8V
VD1
BAT60A
R2 R4 R6
г)
в)
GND
TDO
VCC
TMS
NC
NC
NC
TDI
GND
д)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
R1 R2
TDO
+5V
XP1 IDCN 14
XP1.1
TRST
TMS
TDI
TDI
TMS
VCC
TDO
TCK
TCK
TCK
EMU 0
R1, R2 10k
XT1
1
3
5
7
9
11
13
XP1.2
"JTAG"
TCK
+3.3V
AP (Texas Instr.)
XP1
"JTAG (ByteBlaster)"
2
4
6
8
10
12
14
R3
2k
EMU 1
XT2
е)
Рис. 6.13. Схемы подключения разъёмов интерфейса JTAG к АР (окончание):
в) расширенный набор сигналов JTAG с альтернативной раскладкой. Cигналы JTAG имеют
логические уровни 1.8 В. Чтобы внешний программатор (эмулятор) автоматически подстроился
под эти уровни, на контакт XP1:1 подаётся опорное напряжение 1.8 В REF;
г) на разъём XP1 выводится полный комплект сигналов стандарта ARM JTAG, его другое название Cortex Debug. НИЗКИМ уровнем на контакте XP1:10 осуществляется сброс АР;
д) аналогично Рис. 6.13, г, но с сигналами, соответствующими стандарту Altera ByteBlaster,
другое название USB Blaster;
е) на разъём XP1 выводятся сигналы, адаптированные к подключению внешнего эмулятора
фирмы Texas Instruments [6-13]. Тестирование выполняется по стандарту IEEE 1149.1. Уровни
логических сигналов на контактах EMU-0, EMU-1 (в данном случае это два ВЫСОКИХ уровня)
указывают эмулятору, какой режим при тестировании следует выбрать. Контактные площадки
XT1, XT2 могут, при необходимости, соединяться с общим проводом GND или с выводами АР
6.10. Интерфейс UART
217
6.10. Интерфейс UART
Интерфейс UART широко применяется в SBC, причём значительно чаще, чем
его расширенный вариант USART. Связано это с тем, что интерфейс UART используется для отладки ПО через разъём Debug или как удобный канал для транспортировки данных к более сложным интерфейсам, например USB, CAN, RS-485,
IrDA, Ethernet (Рис. 6.14, а…к).
R1 2k
AP
RXD
RXD
R2 470
U
RV1
R2 22
RXD
GND
GND
U
а)
RV2
б)
+3.3V
+3.3V
R2
10k
R1
10k
RXD
R1
10k
AP
TXD
TXD
RXD
DEBUG
TXD
DEBUG
TXD
RXD
AP
DEBUG
TXD
DEBUG
TXD
RXD
AP
TXD
R1 470
+3.3V
RV1, RV2
AVRL101A1R1NTB
+3.3V
TXD
VD1 1N5819
RXD
GND
GND
в)
г)
Рис. 6.14. Схемы приёма и передачи данных через интерфейс UART (начало):
а) простой вариант подключения канала UART к разъёму DEBUG для работы с внешним конвертором USB-UART, соединяемым кабелем с ПК. Резисторы R1, R2 могут иметь или низкие
сопротивления, являясь «антизвонными», или высокие сопротивления для ограничения токов
КЗ и защиты от всплесков напряжения. Чем выше сопротивление резисторов, тем меньше допустимая скорость передачи данных из-за влияния ёмкостей. Варианты: R1 = R2 = 0 = 33 = 1k;
б) особенность: разные сопротивления ограничительных резисторов R1, R2 и наличие защитных варисторов RV1, RV2. Варианты: RV1 = RV2 = ESD5451 (супрессоры);
в) резисторы R1, R2 ставятся по входным и выходным линиям АР, что не даёт им «висеть в
воздухе». В принципе, резистор R2 ставить не обязательно, хотя он может пригодиться при подключении преобразователя уровней или для защиты от помех в момент начального сброса АР;
г) аналогично Рис. 6.14, в, но с диодом Шоттки VD1, который защищает вход АР от напряжений выше, чем +3.3 В. При НИЗКОМ уровне сигнала TXD диод VD1 открывается, на нём падает
напряжение примерно 0.1…0.2 В, что эквивалентно НИЗКОМУ уровню на входе АР;
218
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
8
TXD
TXD
4
3
GND
2
R1
100k
RXD
4
е)
+3.3V
VT1
+3.3V
R2
10k
RXD
R1
10k
AP
VD1
TXD
TXD
VT2
RXD
TXD
RXD
VT1, VT2 BSS138
VD2
RXD
VT1 BSS138
DEBUG
DEBUG
TXD
5
3
GND
DD1 NLX2G16
R1 10k
GND
DD1
1
д)
TXD
6 RXD
7
AP
RXD
2
AP
6 RXD
DEBUG
DEBUG
5
1
AP
R1 10k
TXD
+3.3V
DD1 SN74LVC2G241
+3.3V
GND
VD1, VD2 PTVSLC3D5VB
з)
ж)
+3.3V
V D3 V D5
DEBUG
TXD
RXD
GND
R1
47k
R2
10k
RXD
R3
47k
AP
VD1
TXD
VD7
VT1
2SK3018
VD6
VD1, VD2 ESD5451N
VD3...VD7 1N4148
VD2
VD4
Рис. 6.14. Схемы
приёма и передачи данных
через интерфейс UART
(продолжение):
и)
д) буферные повторители, находящиеся в микросхеме DD1, защищают АР от всплесков напряжения амплитудой до 7 В. Резистор R1 устраняет шумы, которые могут появиться на «плавающем» входе DD1:1 при отключённом кабеле от разъёма DEBUG;
е) аналогично Рис. 6.14, д, но с другой буферной микросхемой DD1 и привязкой входа DD1:2
к общему проводу GND через резистор R1. Работа буферов разрешается по входам DD1:1, DD1:7;
ж) сигналы TXD, RXD используются для отладки ПО и программирования через конвертор
USB-UART. Транзисторы VT1, VT2 согласуют уровни и выполняют защитную функцию. Резистор R1 не даёт «висеть в воздухе» входу АР при отстыкованном кабеле от разъёма DEBUG. Резистор R2 закрывает транзистор VT2 при начальном сбросе. Супрессоры VD1, VD2 защищают от
статического электричества. Варианты: R2 = VD1 = VD2 = NC, VT1 = VT2 = BSN20 = 2N7002;
з) аналогично Рис. 6.14, ж, но с одним транзистором VT1;
и) аналогично Рис. 6.14, ж, но с дополнительной защитой от повышенного напряжения диодами VD3…VD7. Варианты: VT1 = WNM6001, VD1 = VD2 = NC;
6.10. Интерфейс UART
+1.8V
DD1
SN74LVC1T45
TXD
(3.3V)
4
2
VCCB
VCCA
B
A
GND
DIR
1
6
3
RXD
5
(1.8V)
AP
6
DD2
SN74LVC1T45
TXD
4
(1.8V)
2
VCCB
VCCA
B
A
GND
DIR
219
+3.3V
1
RXD
3
(3.3V)
5
к)
Рис. 6.14. Схемы приёма и передачи данных через интерфейс UART (окончание):
к) микросхемы DD1, DD2 обеспечивают сопряжение внешних сигналов UART, имеющих логические уровни 3.3 В, с сигналами АР, которые имеют логические уровни 1.8 В
6.11. Часы реального времени RTC
Служба часов реального времени RTC входит в состав каждого SBC. Имеется
в виду, что в современных мобильных ОС выключение питания не сказывается на
точности хода внутренних системных часов и календаря. К этому давно привыкли
пользователи смартфонов и планшетов, того же ждут от SBC с АР.
Канал RTC может быть встроенным в АР, а может находиться в PMIC или во
внешней «часовой» микросхеме, к которой подключается резервная батарея или
аккумулятор (Рис. 6.15, а…ж).
Какой из трёх перечисленных вариантов выбрать, зависит от назначения изделия. Если главным является ток потребления в спящем режиме, то для принятия решения можно ориентироваться на следующие усреднённые значения:
20…30 мкА для АР AM335X, 15…20 мкА для PMIC, 0.5 мкА для внешней микросхемы RTC [6-14].
C1 18
AP
RTC_INT
C2 12
32_OUT
IRQ
RTC_32k
"32 kHz"
ZQ1
32768 Hz XIN
+VRTC
C2 18
XOUT
AP
ZQ1
32768 Hz 32_IN
SDA
PMIC
C1 12
R1, R2 1.2k "+1.8V"
+VBAT
I2C
+VRTC
SCL
RTC_INT
RTC_32OUT
"32 kHz"
а)
б)
Рис. 6.15. Схемы включения цепей канала RTC (начало):
а) канал RTC находится внутри АР и тактируется кварцевым резонатором ZQ1. В систему поступают выходной КМОП-сигнал с частотой 32 768 Гц и сигнал прерывания по таймеру IRQ;
б) канал RTC находится в контроллере питания PMIC. В зависимости от его типа внутри
могут находиться как часы с календарём, так и простой таймер, выдающий тактовый сигнал
RTC_32OUT и сигнал прерывания RTC_INT. Общение с АР происходит через шину I2C;
220
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
+3.3V
ZQ1
32768 Hz
R1
DD1
PCF8523
1
OSCI
2
OSCO
3
VBAT
4
AP
8
7
INT1
6
SCL
5
VDD
VSS
I2C
G1
3V
R2
SDA
R1, R2 10k
в)
ZQ1
32768 Hz
R1 1.6k
DD1
PCF8523
X1
G1
3V
VSS
AP
8
7
INT1
6
SCL
5
+3.3V
R3
VDD
C1 4.7
I2C
1
OSCI
2
OSCO
3
VBAT
4
R2
SDA
R2, R3 4.7k
VD1 CMASH 4
г)
G1
3V
1
+3.3V
2
R3 2.2k
GND
AP
DD1 DS1337S+
1
8
X1
VCC
2
7
X2
INTB
3
6
INTA
SCL
4
5
3
R1 R2
I2C
ZQ1
32768 Hz
VD1
BAT54C
SDA
R1, R2 2.2k
д)
Рис. 6.15. Схемы включения цепей канала RTC (продолжение):
в) DD1 — это контроллер часов реального времени, тактируемый кварцевым резонатором
ZQ1 частотой 32 768 Гц. Установка режимов работы микросхемы DD1 производится через интерфейс I2C. Ход времени при отключении основного напряжения +3.3 В не прекращается, поскольку резервное питание обеспечивается малогабаритной батареей или аккумулятором G1;
г) аналогично Рис. 6.15, в, но с двумя отличиями. Во-первых, вводится диод VD1, который
защищает микросхему DD1 от аварии при неверной полярности батареи G1. Во-вторых, вводится накопительная цепочка R1, C1. Она нужна, чтобы при импульсных просадках напряжения в
цепи +3.3 В не происходило переключения на батарею G1. Решение о переходе принимает микросхема DD1, которая каждую 1 мс проверяет уровень напряжения на выводе DD1:8;
д) микросхема часов реального времени DD1 (по-другому, контроллер RTC) получает питание от системного источника +3.3 В через резистор R3 и правый по схеме диод сборки VD1. При
пропадании основного напряжения работа канала RTC не останавливается, поскольку автоматически подключается резервная батарея G1 через левый по схеме диод сборки VD1;
6.11. Часы реального времени RTC
R2 1k
VD1
VD2 BAT54C
1
G1
3V
+3.3V
2
C1 0.1
SCL
11
GND
SDA
AP
6
VDD
R3 R4
2
13
I2C
R1
10k
FOE
R3, R4
2.2k
3
DD1
RX 8025T
7
221
C2 10.0
VD1 NSR0320MW2T1G
е)
+5V
C1
12
DD1 HYM8563
8
1
VCC
OSC1
2
7
OSC2 COUT
3
6
INT
SCL
4
5
R1, R2 2.2k
R3 10k
VD1...VD3 1N4148
GND
SDA
VD3
+3.3V
AP
ZQ1
32768 Hz
VD2
VD1
R1 R2 R3
I2C
G1
3V
C2 1.0
"1...32768 Hz"
ж)
Рис. 6.15. Схемы включения цепей канала RTC (окончание):
е) DD1 — это гибридный модуль в корпусе микросхемы, состоящий из контроллера RTC и
внутреннего «часового» кварцевого резонатора частотой 32 768 Гц. Высокая стабильность генерации ±4 x 10-6 обеспечивается цифровой подстройкой частоты DTCXO (Digital Temperature
Compensated Crystal Oscillator) [6-15]. Связь с АР осуществляется через интерфейс I2C, который
поддерживает тактовую частоту до 400 кГц. Питание на микросхему поступает через сборку диодов VD2 из двух направлений: от аккумуляторной батареи G1 CR-2032 и от системного напряжения +3.3 В. Подзарядка аккумулятора производится небольшим током через цепочку VD1, R2;
ж) особенность: обычные (не Шоттки) диоды VD1…VD3, обеспечивающие питание контроллера RTC DD1 от трёх независимых источников. Основным является канал с напряжением
+5 В. При его пропадании напряжение VCC на микросхему DD1 поступает из канала +3.3 В. При
отсутствии сразу двух напряжений +5 В и +3.3 В питание обеспечивает батарея (аккумулятор)
G1 с напряжением 3 В. Точность хода часов реального времени можно подстроить в небольших
пределах, изменяя ёмкость конденсатора C1. На выходе COUT микросхемы DD1 формируются импульсы меандра с программно регулируемой частотой 1…32 768 Гц. Варианты: C2 = 0.1,
VD2 = NC, DD1 = TT8563
.
222
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.12. Интерфейс HDMI
6.12.1. Базовые сведения
Интерфейс HDMI предназначен для передачи цифровых сигналов мультимедиа высокого качества. На практике через интерфейс HDMI подключают бытовые телевизоры и мониторы со встроенными динамиками.
Команды подаются через шину управления I2C, поддерживается система защиты от копирования HDCP. Интерфейс HDMI служит прямой заменой известных аналоговых стандартов: VGA, YPbPr, SCART, RCA, S-Video.
Разъёмы HDMI: стандартный с 19 контактами, стандартный двойной с 29 контактами, miniHDMI с 19 контактами, microHDMI с 19 контактами [6-16]. Чаще
других встречаются первый и последний варианты (Рис. 6.16, а…в).
XS1 (Type D)
DATA1+
GND_D1
DATA1–
DATA0+
GND_D0
DATA0–
CLK+
GND_CLK
CLK–
CEC
NC
SCL
SDA
GND
+5V
HOT_PLUG
а)
NC
C1 8200 x 1kV
DATA2–
HPLG
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
DAT2+
GND_D2
DAT2
DAT1+
GND_D1
DAT1
DAT0+
GND_D0
HDMI
GND_D2
DAT0
CLK+
GND_CLK
CLK
CEC
GND
SCL
SDA
+5V
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
HDMI, microHDMI
microHDMI
XS1 (Type A)
DATA2+
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
2
4
6
8
10
12
14
16
18
в)
б)
Рис. 6.16. Раскладка сигналов интерфейса HDMI:
а) XS1 — унифицированный 19-контактный разъём Type A интерфейса HDMI. Дифференциальные информационные сигналы DATA0±…DATA2± для снижения помех перемежаются с «земляными» проводами GND_D0…GND_D2. То же самое относится к паре тактовых сигналов CLK±
и проводу GND_CLK. Остальные сигналы в качестве общего провода используют цепь GND;
б) аналогично Рис. 6.16, а, но для 19-контактного экранированного разъёма Type D интерфейса microHDMI. Порядок чередования сигналов другой по сравнению с HDMI. Высоковольтный развязывающий конденсатор С1 соединяется с металлическим экраном разъёма XS1;
в) конструктивно разъёмы интерфейсов HDMI и microHDMI похожи друг на друга, но последний меньше по размерам
6.12. Интерфейс HDMI
223
6.12.2. Типовые схемы включения
На Рис. 6.17, а…в показаны схемы подключения двухрядных 19-контактных
разъёмов интерфейса HDMI к АР. Для удобства сравнения на всех схемах используется одна и та же раскладка сигналов, что не принципиально.
VD2
+3.3V
1
2
TX1P 4
TX1N 5
10
9
7
6
TX2P
TX2N
VD2...VD4
RClamp0524P
XS1
D2P
3; 8
GND_D2
AP
D2N
D1P
VD3
GND_D1
5V
D1N
1
TX0N 2
TXCP 4
TXCN 5
10
9
7
6
TX0P
D0P
GND_D0
D0N
CLKP
GND_CLK
3; 8
VD1 1N4148
CLKN
CEC
NC
VD4
R1 27k
R2 2.2k
R3 2.2k
5V
CEC
CEC
SCL
SCL
SCL
HPD
SDA SDA
SDA
1
2
4
5
10
9
7
6
3; 8
GND
+5V_HDMI
HOT_DET
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
HDMI
5V
R4
47k
+5V
а)
Рис. 6.17. Схемы подключения разъёмов интерфейса HDMI к АР (начало):
а) все сигналы интерфейса HDMI подключаются к портам АР через условно изображённую шину. Используются три одинаковые сборки диодов ESD (супрессоров) VD2…VD4, которые специально разработаны для применения в трактах HDMI, USB 3.0, eSATA, Display Port.
Диоды сборок имеют низкую ёмкость 0.4 пФ, чтобы не искажалась форма импульсов. Импеданс нагрузки и волновое сопротивление проводников по каждой сигнальной линии должны
составлять 100 Ом. Резистор R1 ограничительный, диод VD1 защищает АР от подачи напряжения в цепи CEC выше +3.3 В. Резисторы R2, R3 служат «pull-up» нагрузками шины I2C. Резистор R4 формирует НИЗКИЙ уровень для входа АР при отстыкованном кабеле от разъёма
XS1 (проверка «горячего включения»). Варианты: R1 = 10k = NC, R2 = R3 = 2k, VD1 = NC,
VD2…VD4 = ESD5304D = SEDFN05V4 = AZ1045-04F = IP4283CZ10-TBA = TPD4E05U06;
224
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
C2 0.1
A1 CM2020 00TR
37
+3.3V
35
33
32
30
AP
TX2N
XS1
D2P
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
GND_D2
D2N
D1P
GND_D1
D1N
10
TX0N 12
TXCP 13
TXCN 15
11; 28
14; 25
29
27
26
24
TX0P
R1, R2
49.9k
D0P
GND_D0
D0N
CLKP
GND_CLK
CLKN
CEC
+3.3V
2
NC
SCL
R1
R2
SCL
HPD HPD
SDA
C1
0.1
SDA
23
22
20
21
16
17
19
18
3; 36
+5V
1
Current
Stabilizer 55 mA
38
GND
+5V_HDMI
HOT_DET
HDMI
4
6
TX1P 7
TX1N 9
8; 31
5; 34
TX2P
R3
15k
C3 0.1
R4 4.7k
R5 4.7k
б)
Рис. 6.17. Схемы подключения разъёмов интерфейса HDMI к АР
(продолжение):
б) А1 — это компактная сборка защитных диодов, специально разработанная для нового поколения устройств, поддерживающих интерфейс HDMI. В одном корпусе TSSOP-38 размещаются: 25 диодов, один супрессор, четыре преобразователя уровней 3/5 В на полевых транзисторах (цепи A1:16…A1:19), один ограничитель тока на 55 мА (Current Stabilizer), включённый в цепь
подачи напряжения +5 В.
Сигнал CEC в данной схеме не используется, поскольку контакт XS1:13 пустой. Для его защиты предусмотрены отдельные выводы сборки A1:16, A1:23. Резистор R2 защищает от наводок.
Сигнал на контакте XS1:14 является резервным в версиях интерфейсов HDMI-1.0…1.3c и информационным под названием Utility в версиях интерфейса HDMI-1.4 и старше. Он используется при совместной передаче данных через канал Ethernet и при организации обратного аудиоканала [6-17];
6.12. Интерфейс HDMI
24
VD1
C1...C8
0.1
+3.3V
DA1 TPD12S016PW
C5
TX2P
15
1
23
8
1
T1
XS1
4
1 1
GND_D2
C1
C6
TX2N
2
1
TX1P
C2
AP
TX1N
T2
3
4
2 2
3 3
D2N
D1P
GND_D1
C7
2
1
TX0P
T3
3
4
4 4
5 5
D1N
D0P
GND_D0
C3
C8
TX0N
D2P
2
1
TXCP
T4
3
4
6 6
7 7
3
8 8
D0N
CLKP
GND_CLK
C4
2
TXCN
R1
CLKN
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
HDMI
+1.8V
225
R8
R1...R8
619
VT1
2N7002K
Управление (+3.3V)
T1...T4 (90R)
ACM2012900
в)
Рис. 6.17. Схемы подключения разъёмов интерфейса HDMI к АР (окончание):
в) высокоскоростной интерфейс HDMI-1.4 с сертификацией FCC и CE. Транзистор VT1
подключает нагрузки R1…R8 (терминаторы). Защита от ESD производится супрессором VD1,
входящим в состав чипа-компаньона DA1, специально разработанного для интерфейса HDMI
6.12.3. Защита информационных цепей HDMI
+3.3V
TX2P
VD1...VD4 ESD9B5V 2
D2N
TX1P
VD1 VD2 VD3 VD4
D1P
GND_D1
AP
TX1N
D2P
GND_D2
TX2N
D1N
XS1
1
2
3
4
5
6
HDMI
На Рис. 6.18, а…г показаны схемы защиты цепей интерфейса HDMI от ESD.
Рис. 6.18.
Схемы защиты
информационных
цепей интерфейса
HDMI (начало):
а)
а) двунаправленные супрессоры VD1…VD4 имеют достаточно большую ёмкость 20 пФ, рабочее напряжение ±5 В, пиковый ток до 6.5 А. Варианты: VD1…VD4 = ESL100503 = AZ1045-04F
(сборка на четыре канала, ультранизкая ёмкость 0.3…0.8 пФ);
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
5V
+3.3V
1
TX2N 2
TX1P 4
TX1N 5
XS1
10
9
7
6
TX2P
D2P
GND_D2
D2N
D1P
AP
GND_D1
3; 8
D1N
D0P
VD1 ESD7004MUTAG
1
2
3
4
5
6
7
HDMI
226
б)
TX2P
10
1
D2P
TX2N
2
4
GND_D2
TX1P
9
7
TX1N
6
5
D1P
D2N
AP
GND_D1
D1N
3; 8
D0P
XS1
1
2
3
4
5
6
7
HDMI
+3.3V
A1 EMI4182
+3.3V
TX2P
1
FB1
4
D2P
GND_D2
TX2N
AP
2
3
D2N
VD1
VD2
1
XS1
1
2
3
HDMI
в)
1
VD1, VD2
TPD1E05U06
FB1 (100R)
DLW21SN900HQ2
2
2
г)
Рис. 6.18. Схемы защиты информационных цепей интерфейса HDMI (окончание):
б) четырёхканальная сборка VD1 содержит защитные диоды и однонаправленные супрессоры. Рабочее напряжение 5 В, ёмкость между каналами 0.3 пФ, ёмкость между выводами и общим
проводом 0.5 пФ. Сборку VD1 можно заменить четырьмя одиночными супрессорами или варисторами с учётом того, чтобы их ёмкость была минимальной, иначе снижается быстродействие.
Например, у варисторов V5.5MLA0603 ёмкость 470 пФ на частоте 1 МГц, что много для HDMI;
в) фильтрация синфазных помех в дифференциальных парах сигналов производится сдвоенными (двухобмоточными) дросселями, входящими в сборку A1 вместе с супрессорами;
г) особенность: дифференциальные сигналы TX2P, TX2N пропускаются через ВЧ-фильтр
синфазных помех на сдвоенном дросселе FB1. Аналогичные фильтры применяются и для других пар сигналов HDMI. Варианты: FB1 = WCM-2012HDMI-900T = MCZ1210DH900L2TA0G =
EXC28CH900U (два сдвоенных дросселя), VD1 + VD2 = TPD4E05U06 (сборка супрессоров)
6.12. Интерфейс HDMI
227
6.12.4. Цепь питания HDMI
+5V_HDMI
C1
0.1
U
+5V
VD1
1N5819
XS1:18
FU1 0.1A
RXEF010
+5V
XS1:18
На Рис. 6.19, а…ж показаны схемы цепей питания +5 В интерфейса HDMI с
защитой по току и напряжению. Нагрузка подключается к разъёму XS1.
+5V_HDMI
VD2
ESD9B5V 2
C1
0.1
RV1 AVRL101A1R1NTB
60R@3A
C1
10.0
+5V
FB1
C1
4.7
в)
+5V
DA1 AP2331SA 7
3
2 +5V_HDMI
IN OUT
GND
C1
0.1
FB1
220R@2.2A
д)
DA1 FPF2495UCX
A3 +5V_HDMI
VOUT
B3
VOUT
C1
FLAG
C1
ISET
4.7
A2
R1
GND
1.5k
B2
A1
VIN
B1
VIN
C3
ON
C2
C2
0.1
1
г)
DA1
TPD12S016PW
XS1:18
+5V
+5V_HDMI
+5V
11
C1
0.1
Current
Stabilizer
55 mA
VD1
(ESD)
13 +5V_HDMI
C2
4.7
XS1:18
+5V_HDMI
XS1:18
FB1
XS1:18
+5V
XS1:18
б)
а)
GND
е)
ж)
Рис. 6.19. Схемы цепей питания интерфейса HDMI:
а) самовосстанавливающийся предохранитель FU1 работает при токах до 100 мА и защищает
от КЗ в разъёме XS1 и между проводами в кабеле, который к нему подключается. Конденсатор С1
снижает ВЧ-помехи. Варистор RV1 защищает от ESD. Варианты: FU1 = 500 мА, C1 = RV1 = NC;
б) диод VD1 защищает от случайной подачи напряжения выше 5 В от внешнего источника
через разъём XS1. Варианты: VD1 = B5817WS = BAT54XV2T1G, C1 = VD2 = NC;
в) особенность: ферритовый фильтр FB1, снижающий ВЧ-помехи;
г) аналогично Рис. 6.19, в, но с противоположным расположением плеч фильтра FB1, C1;
д) DA1 — это ограничитель тока (Current-Limited Load Switch). Рабочий ток 0…0.2 А, ограничение 0.4 А, сопротивление 0.25 Ом между входом IN и выходом OUT. Варианты: DA1 =
AP2331W = RT9741CGV (ток ограничения 0.7 А, сопротивление 0.1 Ом, другая цоколёвка);
е) DA1 — это регулируемый ограничитель тока с защитой от всплесков напряжения и переполюсовки. Входное напряжение VIN +2.5…5.5 В, максимум +6 В. Порог срабатывания по току
0.7 А выставляется резистором R1. Полный диапазон регулирования от 0.1 до 1.5 А при сопротивлении резистора R1, соответственно, от 9.53 кОм до 680 Ом;
ж) внутри чипа-компаньона DA1 размещается (кроме всего прочего) узел ограничителя тока
55 мА, который защищает источник питания SBC от КЗ в разъёме XS1 и проводах кабеля
228
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.12.5. Удалённое управление по цепи CEC
На Рис. 6.20, а…к показаны схемы подключения цепи CEC, с помощью которой осуществляется удалённое управление функциями HDMI от ПДУ [6-18].
XS1:13
R1
27k
CEC
CEC
+3.3V
R1 22
VD1
BAT54C
C1
0.1
RV1
AVRL101A1R1NTB
+3.3V
в)
+5V
+3.3V
R2 22
R1
47k
CEC
VD2 1N5819
R1
27k
CEC
VD1 ESD5341N
VT1 BSN20
VD1 ESD9B5VL
ж)
е)
+5V
+3.3V
R2
27k
R1
27k
VT1 2SK3018
д)
г)
+3.3V
CEC
VT1 2N7002W
+3.3V
R1
2k
XS1:13
CEC
XS1:13
R1
27k
XS1:13
VD1
1N4148
XS1:13
CEC
б)
а)
XS1:13
R1
51k
U
XS1:13
XS1:13
+3.3V
R2
4.7k
CEC
VD1
RClamp0531T
VT1
AO7800
R3 22
C1
100
з)
Рис. 6.20. Цепь удалённого управления CEC интерфейса HDMI (начало):
а) прямое подключение цепи CEC к АР с RC-цепочкой. Варианты: R1 = 47k;
б) особенность: «антизвонный» резистор R1 и защитный варистор RV1;
в) сигнал СЕС в работе АР не используется, однако резистор R1 создаёт нагрузку «pull-up»
для внешнего устройства. Диод Шоттки VD1 закрывается при больших входных напряжениях на
контакте разъёма XS1:13, что защищает от попадания помех в цепь источника питания +3.3 В;
г) аналогично Рис. 6.20, в, но с обычным (не Шоттки) диодом VD1 и возможностью приёма и
передачи сигналов по линии CEC. Варианты: R2 = 0, VD1 = RB751V40 = BAT54C;
д) транзистор VT1 согласует уровни напряжения 5 В (от разъёма XS1) и 3.3 В (от АР);
е) аналогично Рис. 6.20, д, но с дополнительной защитой от ESD супрессором VD1 и разными напряжениями на затворе и истоке полевого транзистора VT1;
ж) аналогично Рис. 6.20, д, но с цепочкой R1, VD2, которая создаёт нагрузку в цепи CEC. Варианты: VT1 = WNM6001 = 2SK3018, VD1 = NC, VD2 = XBS104S14 = BAT54XV2T, R1 = R2 = 10k;
з) полная схема, которая содержит узел согласования уровней с «подтяжкой» к напряжению
+5 В (R1, R2, VT1), защиту от ESD (VD1), устранение «звона» на фронтах импульсов (C1, R3);
229
6.12. Интерфейс HDMI
DA1 TPD12S016PW
+3.3V
XS1:13
VT1
BSS138
+3.3V
R1
27k
XS1:13
CEC
CEC
R1
26k
7
VD1
(ESD)
1
VD1
RCLAMP0522P
к)
2
Рис. 6.20. Цепь удалённого управления CEC
интерфейса HDMI (окончание):
и)
и) особенность: защитный супрессор VD1 размещается после (а не до) транзистора VT1;
к) согласование уровней 3.3/5 В и защиту от ESD обеспечивает чип-компаньон DA1, специально разработанный для буферизации цепей интерфейса HDMI-1.4
6.12.6. «Горячее включение» HDMI
R2
100k
C1
1000
XS1:19
R1 10k
C1
1.0
HPD
R1
10k
в)
б)
а)
HPD
HPD
XS1:19
R1 47k
R1 1k
VD1
(3V)
г)
XS1:19
HPD
XS1:19
XS1:19
Правила безопасности, подтверждённые горьким опытом пользователей, настоятельно рекомендуют сначала подключать к разъёму кабель HDMI и только
затем подавать питание на SBC. Несмотря на то что в интерфейсе HDMI имеется
предупреждающий сигнал «горячего включения» HPD (Hot Plug Detection, HPLG,
Hot_Plug, Hot_Det), лучше в рулетку с судьбой не играть (Рис. 6.21, а…м).
R1 1k
HPD
C1
0.1
VD1
PTVSLC3D5VB
д)
Рис. 6.21. Сигнал «горячего включения» HPD интерфейса HDMI (начало):
а) делитель R1, R2 осуществляет преобразование уровня +5 В (сигнал от разъёма XS1) до напряжения, близкого к +3.3 В (вход АР). Варианты: R1/R2 = 20k/27k;
б) резистор R1 ограничивает входной ток при высоком напряжении на линии HPD;
в) сигнал HPD поступает не в АР, а в микросхему TPD12S016 (чип-компаньон HDMI);
г) стабилитрон VD1 снижает амплитуду сигнала HPD с 5 до 3 В. Варианты: VD1 = (3V3);
д) особенность: конденсатор фильтра C1 и супрессор VD1 установлены у разъёма XS1;
230
VD1
RClamp0531T
е)
XS1:19
10
R1
47k
HPD
C1
0.1
+5V
VD1 R1
(ESD) 10k
HPD
R1 1k
R2
30k
VD1
ESD5471X
R1 4.7k
R3
10k
R2 22
HPD
1
VD1
RCLAMP0522P
2
л)
VT1
S9014
к)
XS1:19
XS1:19
R1
47k
з)
и)
HPD
HPD
ж)
DA1 TPD12S016PW
HPD
VT1 2N3904
XS1:19
R1
10k
XS1:19
C1
0.1
+3.3V
+3.3V
R2 1k
HPD
XS1:19
XS1:19
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
5
R2
10k
VD1
RCLAMP0524P
R1
47k
3
м)
Рис. 6.21. Сигнал «горячего включения» HPD интерфейса HDMI (окончание):
е) аналогично Рис. 6.21, а, но с перестановкой последовательного резистора ближе к входу
АР. Теперь резистор R1 служит нагрузкой, а резистор R2 в паре с супрессором VD1 выполняет
функцию защиты от ESD. Варианты: VD1 = AVRL101A1R1NTB (варистор), R1 = 4.7k, C1 = NC;
ж) прямое подключение сигнала HPD к АР с подтягивающим резистором R1 и конденсатором фильтра C1. Рекомендуется при отсутствии опасных для АР факторов. Варианты: C1 = NC;
з) транзистор VT1 служит ограничителем напряжения. Он открывается при превышении в
цепи HPD напряжения +3.9 В (это сумма напряжения питания 3.3 В и напряжения 0.6 В на переходе «база–эмиттер» транзистора VT1);
и) DA1 — это буферный чип-компаньон (Companion Chip) для интерфейса HDMI-1.4. Защита от ESD в цепи HPD обеспечивается внутренним супрессором VD1. На приёмник входного
сигнала HPD поступает напряжение +5 В, поэтому преобразование уровней не требуется;
к) на транзисторе VT1 выполнен параллельный ограничитель напряжения с порогом срабатывания примерно +3 В, который определяется отношением резисторов R2, R3 и статическими
параметрами транзистора;
л) аналогично Рис. 6.21, а, но вместо конденсатора применяется супрессор VD1;
м) особенность: антизвонный резистор R2, который включается после супрессора VD1
6.12. Интерфейс HDMI
231
6.12.7. Шина I2C HDMI
На Рис. 6.22, а…з показаны схемы подключения сигналов SCL (тактовый), SDA
(информационный) шины I2C интерфейса HDMI.
+3.3V
R3
R4
VT2
R2
10k
SCL
R1
10k
+5V
VD1
VT1, VT2 BSN20
1N5819
R3, R4 1.8k
VT1
SCL
SDA
SDA
XS1
"HDMI"
15
16
а)
+3.3V
+5V
VT1.2
SCL
R1
3.6k
C1
100
VT1 AO7800
R2
3.6k
XS1
"HDMI"
R3 22
VT1.1
SCL
SDA
SDA
C2
100
RV1
U
15
16
R4 22
U
RV1, RV2
AVRL101A1R1NTB
RV2
б)
+3.3V
R3
VT1 AO7800
R4
VT1.2
SCL
R1 22
C1
100
SDA
R5
2k
R6
2k
VT1.1
+5V
R3, R4
4.7k
XS1
"HDMI"
SCL
R2 22
SDA
C2
100
VD1
15
16
VD2
VD1, VD2 RClamp0531T
в)
Рис. 6.22. Сигналы SCL, SDA шины I2C интерфейса HDMI (начало):
а) транзисторы VT1, VT2 осуществляют согласование логических уровней 3.3/5 В. Варианты:
R1 = R2 = 1.5k = 4.7k, R3 = R4 = 1.5k = 2.2k, VD1 = NC = BAT54XV2T1G, VT1 = VT2 = 2SK3018 =
WNM2021 = WNM6001 = 2N7002W = FDC6301N (сборка транзисторов);
б) аналогично Рис. 6.22, а, но с дополнительными цепями защиты от воздействия ESD (RV1,
RV2, R3, R4) и сглаживанием формы сигналов (C1, C2);
в) аналогично Рис. 6.22, б, но с другой конфигурацией элементов фильтрации и защиты. Варианты: VD1 = VD2 = TPD4E05U06 = AZ1045-04F (сборка супрессоров);
232
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
VD1
B5819W
R3 R4
R3, R4
1.8k
SCL
FB1
60R
+5V
C1
1.0
R1 22
SCL
SDA
SDA
R2 22
+5V_HDMI
R1
2.2k
XS1
"HDMI"
15
16
R2
2.2k
SCL
SDA
SDA
DA1
TPD12S016PW
XS1
"HDMI"
VD1
8
SCL
9
SDA
15
К портам АР
+5V
TDA19988BHN
+3.3V
R1
1.75k
15
XS1
16 "HDMI"
д)
г)
VD1, VD2
(ESD)
C1
10.0
SCL
19
+5V
+5V
R2
1.5k
R1
1.5k
XS1
"HDMI"
SCL
SCL
SDA
SDA
15
16
16
ж)
+5V
+3.3V
R2
1.75k
R1
4.7k
VD2
е)
R2
4.7k
XS1
"HDMI"
SCL
SCL
SDA
SDA
15
16
з)
Рис. 6.22. Сигналы SCL, SDA шины I2C интерфейса HDMI (окончание):
г) подтягивающие резисторы R3, R4 подключаются к внутреннему источнику питания +5 В
через диод VD1. Это же напряжение поступает на внешнее устройство, подключённое к разъёму
XS1. Низкоомные резисторы R1, R2 устраняют «звон» на фронтах импульсных сигналов;
д) особенность: фильтрация напряжения +5 В по ВЧ производится ферритовым фильтром
FB1, а по НЧ — керамическим конденсатором C1 большой ёмкости;
е) DA1 — это специализированный чип-компаньон HDMI, который по цепям SCL, SDA интерфейса I2C обеспечивает внутреннее согласование логических уровней, а также защиту от ESD
супрессорами VD1, VD2. Нагрузкой шины I2C являются «pull-up» резисторы R1, R2 сопротивлением 1.75 кОм;
ж) особенность: высокое напряжение +5 В на подтягивающих резисторах R1, R2 интерфейса I2C и более низкое напряжение +3.3 В для питания контроллера HDMI на микросхеме
TDA19988BHN;
з) подтягивающие резисторы R1, R2 подключаются к низкому напряжению +3.3 В, следовательно, такие же уровни напряжения должно поддерживать внешнее устройство. В другом случае надо проверить, чтобы линии SCL, SDA контроллера HDMI или АР были толерантными к
подаче повышенного напряжения +5 В. Варианты: R1 = R2 = 4.99k
6.13. Интерфейс SIM-card
233
6.13. Интерфейс SIM-карты
Слот «SIM Card» наделяет SBC не только функцией звонков по мобильной
связи (а-ля смартфон), но и позволяет автономно, без Wi-Fi, выходить в Интернет
по тарифу сотового оператора. Сами SIM-карты вставляются в механические держатели, контакты которых распаиваются на плату SBC (Рис. 6.23, а, б).
C1
CLK
VD2
CD
C4
33
C5
0.1
R1 22
C3
VD4
"SIM Card"
C2
R2 22
R3 22
VD3
A1
DATA
+1.8V
К портам АР
4
GND
5
VPP
6
I/O
7
1
VCC
2
RST
3
+3.3V
Module 4G (3G)
VD1...VD4 (TVS)
X1 SI27C 01200
In Out
C1...C3 33
VD1
CLK
RESET
а)
X1 CLE1006 2801F
"SIM Card"
1
C1
2
C2
3
5
6
C6
7
VPP
+3.3V
DATA
C7
C3
C2
C4
C8
4
8
C4
AP
C5
C3
C1
FB1
60R
In Out
+2.5V
CLK
RESET
VD1 RCLAMP0524P
1
2
4
5
10
9
7
6
C1...C4
33
Рис. 6.23. Схемы
подключения
держателей
SIM-карт к АР:
3; 8
б)
а) подключение SIM-карты к модулю 4G (3G) через держатель X1. Питание на SIM-карту подаётся от линии GPIO модуля A1 на контакт VCC, напряжение +1.8 В. Конденсаторы и резисторы устраняют «звон» на фронтах импульсов. Супрессоры VD1…VD4 защищают от ESD. Контакт
X1:7 свободный, но он замыкается с контактом X1:4 при установке SIM-карты в держатель X1;
б) подключение SIM-карты к АР с защитой от ESD сборкой VD1 по четырём линиям. Напряжение VPP подаётся только при перепрошивке карты. Механический контакт между X1:4, X1:8
замыкается при установке SIM-карты в держатель X1, но в данной схеме никак не используется
234
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.14. Последовательный интерфейс MIPI CSI
Через интерфейс CSI, разработанный альянсом MIPI [6-19], могут подключаться цифровые камеры различных моделей (Рис. 6.24, а…е). Название MIPI CSI
условное, относится оно ко всем актуальным версиям, включая CSI-2, CSI-3.
K=1...3
AP
XS1
Data0+
Data0–
Data0+
Data0–
DataK+
DataK–
DataK+
DataK–
CLK+
CLK–
CLK+
CLK–
SCL
SDA
I2C
SCL
SDA
CAMERA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16...30
GND
XS1
1 1734248 5
CAM DN0
+3.3V
CAM DP0
GND
CAM DN1
CAM DP1
GND
CAM CN
AP
XS1
CAM CP
GND
GPIO0
GPIO1
SCL
SDA
+3.3V
NC
+3.3V
б)
MIPI CSI
а)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
+3V3
+3V3
+3.3V
GND
+3.3V
R1 2k
SDA
SCL
R2 2k
GND
MOSI
MISO
CS
FB1
CLK
GND
GPIO1
AP
CAMERA
MIPI CSI
GPIO2
FB2
PWM1
GND
DN3
FB3
DP3
GND
DN2
FB4
DP2
GND
DN1
FB5
DP1
GND
DN0
FB6
DP0
GND
NCLK
FB7
FB1, FB2
22R
FB3...FB7
EXC24CE900U
90R
PCLK
GND
в)
Рис. 6.24. Схемы подключения цифровых камер с интерфейсом MIPI CSI к АР (начало):
а) на структурной схеме показаны информационные потоки данных DATAx, тактовые сигналы CLKx и интерфейс управления I2C. Источник сигнала обозначен как CAMERA, но реально
это могут быть фото- и видеокамеры, телевизионные комплексы, системы видеонаблюдения;
б) сигналы CAM-DP0, CAM-DP1, CAM-DN0, CAM-DN1 — дифференциальные информационные; CAM-CN, CAM-CP — дифференциальные тактовые; GPIO0, GPIO1 — линии цифровых
портов общего назначения от АР; SDA, SCL — интерфейс управления по шине I2C (нагрузочные
резисторы могут находиться как на плате SBC, так и снаружи в цифровой камере);
в) дифференциальные сигналы данных (DN3…DP0) и синхронизации (NCLK, PCLK) симметрируются фильтрами на сдвоенных чип-дросселях FB3…FB7 для снижения ВЧ-помех;
6.14. Последовательный интерфейс MIPI CSI
NC
+2V8
+1V2
+1V8
NC1
GND
+2V8
GND
SDA
SCL
RST
XS2
R1 10k
+2.8V(1)
+1.2V
+5V
+2.8V(2)
1
2
3
PWDN
GND
CLK0
4
GND
DN3
TXRX_DN3
DP3
TXRX_DP3
GND
DN2
TXRX_DN2
DP2
TXRX_DP2
GND
DN1
TXRX_DN1
DP1
TXRX_DP1
GND
CLKN
TXRX_CLKN
CLKP
TXRX_CLKP
GND
DN0
TXRX_DN0
DP0
TXRX_DP0
GND
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
NC
+2V8
+1V2
+1V8
NC1
GND
+2V8
GND
SDA
SCL
RST
PWDN
R2 10k
+2.8V(1)
+1.2V
+1.8V_MIPI
+5V
+1.8V
+2.8V(2)
1 1
2 2
3 3
R3 2k
R4 2k
R5 10k
PWDN
C1
0.1
GND
CLK0
4 4
GND
DN3
RX0_DN3
DP3
RX0_DP3
GND
DN2
RX0_DN2
DP2
RX0_DP2
C2 8pF
R6
22
CLK0
+1.8V
GND
DN1
RX0_DN1
DP1
RX0_DP1
GND
CLKN
RX0_CLKN
CLKP
RX0_CLKP
AP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
MIPI CSI RX
MIPI CSI RX/TX
XS1
235
GND
DN0
RX0_DN0
DP0
RX0_DP0
GND
XS1, XS2 FFCCON 30P 0D5
г)
Рис. 6.24. Схемы подключения цифровых камер с интерфейсом MIPI CSI к АР
(продолжение):
г) подключение двух цифровых видеокамер к АР. На каждый из разъёмов XS1, XS2 выводятся
по четыре потока данных интерфейса MIPI CSI. К разъёмам могут подключаться или две камеры с разрешающей способностью по 8 Мп, или одна камера на 13 Мп. На разъём XS1 выводятся
входные, на разъём XS2 — входные и выходные потоки, поскольку используется совмещённый
интерфейс MIPI CSI/DSI. Различие между разъёмами заключается в логических уровнях сигналов на контактах XS1:1 ВЫСОКИЙ и XS2:1 НИЗКИЙ. Анализируя эти сигналы, внешняя цифровая камера опознаёт разъём и переходит в требуемый режим работы.
Питание на разъёмы XS1, XS2 подаётся отдельно для цифровых и аналоговых узлов от четырёх источников с напряжениями 1.2; 1.8; 2.8; 5 В. Название цепей NC1 на контактах XS1:1, XS2:1
следует интерпретировать как Net Connect — сетевое соединение (не путать с широко распространённым сокращением NC — No Connect!);
236
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
CSI CLK0P
CSI CLK0M
GND
+3.3V
CSI DOP
CSI DOM
XS1
54548 2271
CSI D1P
CSI D1M
GND
CSI D2P
CSI D2M
GND
CSI D3P
CSI D3M
GND
DSI D1P
DSI D1M
GND
DSI D0P
DSI D0M
GND
DSI CLK0P
+3.3V
R2
4.7k
DSI CLK0M
GND
I2C2 SCL
I2C2 SDA
VDD 3V3
+3.3V
VDD 3V3
GPIO3 CLKO
R3
4.7k
R1 22
GPIO6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
GND
+3.3V
CAM DN0
CAM DP0
GND
CAM DN1
CAM DP1
GND
CAM CN
AP
GND
AP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
CAMERA
CAMERA
XS1 FP124 334M4
CAM CP
GND
NC
NC
GND
NC
NC
GND
GPIO0
GPIO1
GND
SCL
SDA
+3.3V
+3.3V
е)
GPIO8
VDD 5V
VDD 5V
+5V
д)
Рис. 6.24. Схемы подключения цифровых камер с интерфейсом MIPI CSI к АР
(окончание):
д) XS1 — это 33-контактный разъём под гибкий кабель для подключения видеокамеры. Сигналы с буквами «P» и «M» в конце названий являются дифференциальными, условно «положительными» и «отрицательными». Резистор R1 улучшает форму импульсных сигналов. Резисторы
R2, R3 служат нагрузкой шины управления I2C. Питание на цифровую камеру поступает двойное, от источников напряжения 3.3 и 5 В;
е) аналогично Рис. 6.24, б, но с другим типом разъёма XS1 и другой привязкой сигналов к его
контактам
237
6.15. Параллельный интерфейс для цифровых камер
6.15. Параллельный интерфейс для цифровых камер
На Рис. 6.25, а…е показаны схемы подключения цифровых камер к АР через
параллельный многопроводной интерфейс.
AP
Data0
Data1
Data2
Data3
Data4
Data5
Data6
Data7
Data0
Data1
Data2
Data3
Data4
Data5
Data6
Data7
CLK
VSYNC
HSYNC
RESET
DE
SCL
SDA
CLK
VSYNC
HSYNC
RST
DE
I2C
а)
SCL
SDA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
R5, R6 2.2k
R7, R8 100k
AF VCC
GND
CAM SDA
VCC CSI
CAM SCK
R1 22
+2.8V
1 1
R2 22
R5
2 2
3 3
CAM RESET#
R6
R7
CAM VSYNC
4 4
CAM STBY EN
R8
CSI HSYNC
VDD1V5 CSI
+1.5V
+2.8V
VCC CSI
C D7
R3 22
CSI MCLK
C D6
GND
AP
Parallel
CAMERA
CAMERA
XS1
C D5
R4 22
CSI PCLK
C D4
C D0
C D3
C D1
C D2
GND
FB1 60R@3A
AVDD POW
+2.8V
C1 4.7
б)
Рис. 6.25. Схемы подключения цифровых камер с параллельным интерфейсом к АР
(начало):
а) на структурной схеме показана информационная шина данных DATA0…7, тактовые, синхронизирующие и обслуживающие сигналы CLK, VSYNC, HSYNC, RST, DE и интерфейс управления I2C. По сравнению с последовательным интерфейсом MIPI CSI увеличено количество
соединительных линий и используются монополярные (не дифференциальные) сигналы, что
снижает помехоустойчивость. С другой стороны, для сигналов паралельного интерфейса не требуются слишком высокие тактовые и синхронизирующие частоты;
б) подключение цифровой видеокамеры к AP производится через 24-контактный ленточный
разъём XS1, предназначенный для гибкого шлейфа. Настройка режимов осуществляется командами по шине I2C (CAM_SDA, CAM_SCK). Назначение сигналов: RESET# — сброс с активным
НИЗКИМ уровнем; PCLK, MCLK — тактирование; HSYNC, VSYNC — синхронизация изображения по вертикали и горизонтали; C-D0…7 — информационные данные. Питание на контакте XS1:14 предназначено для аналоговых цепей камеры. Резисторы R1…R4 устраняют «звон» на
фронтах сигналов. Варианты: R1 = R2 = 0, R5 = R6 = 2k, XS1:1 соединяется с цепью +5 В;
238
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
XS1 FH12 30S 0.5SV (HIROSE)
AGND
SDA
EN PWR
SCL
+5V
CSI PWR EN
CAM SCK
RESET
CAM0 RESET#
VSYNC
CAM VSYNC
NC
CAM0 STBY EN
HSYNC
CSI HSYNC
EN0
CSI EN
EN1
AFCC EN
D9
C D7
MCLK
D8
CSI MCLK
C D6
DGND
D7
PCLK
D6
C D5
CSI PCLK
C D4
D2
C D0
D5
C D3
D3
C D1
D4
C D2
AF GND
VDD POW
+3.3V
CAM SDA
+5V
в)
R1 22
R2 22
R3 22
R4 22
R5 22
R6 22
R7 22
R8 22
R9 22
R10 22
+5V
+3V3
+3V3
GND
CAM SDA
+5V
+3.3V
+3.3V
R1
R20
R21
R22
CAM SCL
CAM RST
CAM PWD
GND
VSYNC
HSYNC
CAM DAT7
GND
OSC
GND
12 MHz
AP
AF VCC
AP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
CAMERA
CAMERA
XS1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
CAM DAT6
CAM DAT5
GND
CAM PCLK
GND
CAM DAT4
R1...R19
22
CAM DAT0
CAM DAT3
CAM DAT1
R20, R21
2.2k
CAM DAT2
CAM DAT8
R22 10k
CAM DAT9
CAM WEN
CAM FIELD
GND
R19
г)
Рис. 6.25. Схемы подключения цифровых камер с параллельным интерфейсом
(продолжение):
в) аналогично Рис. 6.25, б, но с большим количеством линий связи с АР и антизвонными
резисторами на шине данных (R1, R3, R4, R6…R10) и шине управления (R2, R5). Нагрузочные
резисторы по цепям SDA, SCL, RESET должны находиться в цифровой камере. Сигналы возле
контактов разъёма XS1 и на линиях связей отличаются по названиям. Возле разъёма они обозначаются согласно интерфейсу цифровой камеры, а надписи на линиях указываются согласно
электрической схеме для конкретного SBC. Следует учитывать, что введение дополнительных
цепей XS1:4, XS1:10, XS1:11 приводит к тому, что возможны нестыковки при подключении разных моделей камер, несмотря на одинаковое количество контактов в разъёме XS1. Варианты:
R2 = R5 = 33, R1 = R3 = R4 = R6…R10 = 0;
г) подключение камеры MY-CAM011B через 30-контактный разъём XS1. Допускается работа с потоками разрядностью 8 или 10 бит данных в протоколе BT.656 [6-20], соответственно, с
сигналами CAM-DATA0…7 или CAM-DATA0…9. Если используется восьмибитный режим, то за
три такта принимается полный кадр «цветности» длиной 24 бита. Тактовые импульсы с частотой
12 МГц поступают от отдельного кварцевого генератора. Варианты: R4 = 0, R15…R18 = NC;
6.15. Параллельный интерфейс для цифровых камер
C1
10.0
SDA
R1
C2 1.0
VD1
VDD1.8
SCL
VDD1.8*
Y7
+1.8V
CSI0 D7
PWDN
Y6
CSI0 D6
RES
Y5
CSI0 D5
VSYNC
CSI0 VSYNC
Y4
CSI0 D4
HSYNC
CSI0 HSYNC
Y3
CSI0 D3
MCLK
CSI0 MCLK
Y2
CSI0 D2
R2 22
GND
Y1
CSI0 D1
PCLK
CSI0 PCLK
Y0
CSI0 D0
GND
GND
VD1
BAT54XV2T1G
XS1 AXK824145WG
R3 22
R1 100k
R4, R5 2.2k
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
+3.3V
+3.3V
SCL
I2C SCL
SDA
I2C SDA
INTA
GPIO14
RESET
GPIO12
+3.3V
GND
XCLK
PWM1
GND
R3 22
AP
GND
VDD2.8
XS1
R4 R5
GND
AP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
R1 R2
2k 2k
+3V
CAMERA
CAMERA
XS1
C3
0.1
239
FIELD
VSYNC
C VSYNC
HSYNC
C HSYNC
GND
PCLK
C PCLK
GND
D7
C D7
D6
C D6
D5
C D5
D4
C D4
D3
C D3
D2
C D2
D1
C D1
D0
C D0
R4 22
R5 22
R6 22
GND
е)
д)
Рис. 6.25. Схемы подключения цифровых камер с параллельным интерфейсом
(окончание):
д) к разъёму XS1 подключается цифровая камера с разрешающей способностью 3 Mп. Восьмибитная шина данных с сигналами CSI0-D0…7 указывает на параллельный интерфейс, но названия сигналов начинаются с аббревиатуры CSI. Это не ошибка, поскольку встречаются камеры, поддерживающие одновременно как параллельный, так и последовательный MIPI CSI
интерфейсы. Из особенностей: цепочка начального сброса R1, C2, а также питание камеры от
двух источников с напряжениями +1.8 и +3.0 В. При этом на контакты XS1:3, XS1:5 подаётся напряжение примерно 2.8…2.85 В с учётом падения напряжения 0.15…0.2 В на диоде Шоттки VD1.
Для цепи VDD2.8 (судя по названию) это нормальное напряжение, а для цепи VDD1.8 (судя по
названию) — завышенное на 1 В. Данный нюанс надо принимать во внимание при подключении
к разъёму XS1 другой цифровой камеры, которая может выйти из строя при подаче повышенного
напряжения на контакт VDD1.8. Варианты: R2 = 0;
е) упрощённый вариант подключения цифровой камеры к АР. Расположение сигналов в
24-контактном разъёме XS1 отличается от встречавшихся ранее на Рис. 6.25, б, в, д. Это ещё раз
доказывает, что нельзя подключать к SBC первую попавшуюся камеру без детального изучения
её сигналов, даже если совпадает количество контактов в соединительном разъёме. Варианты:
R3 = NC, R4 = R5 = R6 = 0
240
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.16. Интерфейс USB 2.0
6.16.1. Общие сведения
USB — это универсальный последовательный интерфейс, который широко
применяется в компьютерной технике. С его помощью можно подключить АР
к компьютеру (ноутбуку, планшету) или подключить внешнее периферийное
устройство (клавиатуру, мышь, флешку, принтер, GSM-модем) к АР.
Базовые сведения по интерфейсу USB и варианты стыковки его с МК рассматривались ранее в «Выпуске-2».
В отношении АР. Надо учесть, что практически все АР имеют аппаратную реализацию одного или нескольких интерфейсов USB 2.0, USB 3.0 со стандартными
наборами сигналов. Проблема подключения интерфейса USB к обычным цифровым линиям GPIO, как это было в МК, для АР не имеет актуальности.
Официальная спецификация параметров USB 1.0 вышла в свет 15 января 1996 г.
Инициировали её создание фирмы: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC,
Nortel. Позже появились обновлённые версии стандарта, но основными для АР
являются USB 2.0 и USB 3.x. Начинать изучение предлагается от простого к сложному, а именно с интерфейса USB 2.0 (Рис. 6.26).
Рис. 6.26. Логотип USB 2.0
Названия сигналов в интерфейсе USB 2.0 унифицированные: Vbus — питание
+5 В, GND — общий провод, D– и D+ — дифференциальная пара информационных сигналов, ID — сигнал идентификации режима OTG.
В стандарте USB 2.0 регламентируются следующие физические скорости на
шине: 1.5 Мбит/с±1.5% (LS — Low Speed), 12 Мбит/с±0.25% (FS — Fast Speed),
480 Мбит/с±0.05% (HS — High Speed). Первые два режима LS и FS широко применяются в технике МК [6-21]. В технике АР первенство держат высокоскоростные режимы FS и HS из-за более высокой производительности процессора.
Интерфейс USB в общем случае подразумевает наличие одного ведущего (host,
хост) и одного ведомого (device, девайс) устройств. В режиме OTG ведущий и ведомый могут программно поменяться местами друг с другом.
Все дальнейшие схемы, относящиеся к каналу USB 2.0, для лучшего понимания будут разбиты на подгруппы по функциональным признакам:
• информационные сигналы D+ и D–;
• организация питания в цепи Vbus;
• ограничители тока в цепи Vbus;
• расширители портов (хабы);
• преобразователи интерфейсов.
241
6.16. Интерфейс USB 2.0
6.16.2. Cигналы D+, D–
На Рис. 6.27, а…е показаны схемы подключения дифференциальных сигналов
D+ и D–, через которые передаётся и принимается информация в тракте USB.
USB HS/FS
P1
Vbus
1
2
3
4
FS–
D–
HS–
D+
FS+
GND
HS+
R2 39
USB B
"
USB REF
R1 39
R3
10
1
3
4
R4
6.8k
1
3
4
"
1
5
D–
D+
2
4
D+
GND
USB B
6
+3.3V
FB1 ACM2012 900 2P
FB1
1 90R 4 D–
D–
"90 Ом"
D+
"90 Ом"
D+
2
GND
1
USB B
D–
б)
Vbus
2
+3.3V
Vbus
2
а)
XS1
"
XS1
C1
10
A1
LXES11DAA2 135
3
AP
"
XS1
AP (AT32AP7000)
"
+1.65...1.95V
AVDDUSB
2
"
3
Рис. 6.27. Подключение
сигналов D+, D– интерфейса
USB (начало):
3
VD1 ESD5V3U2U 03LRH
в)
а) AP (AT32AP7000 фирмы Atmel) поддерживает USB-режимы HS и FS. В последнем случае
сигналы поступают на выводы FS+, FS– через согласующие резисторы R1, R2. Внутри АР имеется ИОН, точность и стабильность работы которого определяют элементы R3, R4, C1. Низкоомный (R3) и высокоомный (R4) резисторы специально соединяются последовательно, чтобы
получился требуемый по даташиту номинал 6810 Ом. Точность резисторов R1…R4 не более ±1%.
Контакт питания Vbus разъёма XS1 в схеме не задействуется, но он соединяется с пустой площадкой P1. Если на ней присутствует напряжение +5 В, значит, кабель к компьютеру подстыкован;
б) внутри SMD-модуля A1 находятся элементы защиты и фильтрации — четыре супрессора,
выдерживающие ESD-импульсы ±15 кВ, и синфазный сдвоенный дроссель, имеющий импеданс
обмоток 60 Ом на частоте 100 МГц. Омическое сопротивление между выводами A1:1 и A1:5, A1:2
и А1:4 не более 3 Ом. Ёмкость супрессоров низкая 0.4 пФ, чтобы не снижалось быстродействие;
в) сдвоенный SMD-дроссель FB1 служит фильтром, который уменьшает синфазные помехи, не оказывая влияния на информационные сигналы D+, D–. Импеданс обмоток на частоте
100 МГц составляет 90 Ом, таким же волновым сопротивлением по стандарту USB должен обладать и соединительный тракт. Сборка несимметричных супрессоров VD1 защищает от ESD.
Варианты: FB1 = 120R = WCM-2012-900T = DLW21SN121HQ2, VD1 = ESD5302F = NC;
242
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
+5V
+3.3V
"
Vbus
D–
D+
D+
GND
XS1
USB A
1
2
3
4
A1
A2
A3
A4
AP
Vbus
D–
D–
D+
D+
GND
USB A
Vbus
D–
D–
D+
D+
GND
B1
B2
B3
B4
Vbus
VD2 VD4 VD6
VD1...VD6 ESL100503
D–
D+
D+
GND
VD3
VD5
VD1...VD5
ESL100503
FB1
60R@1.5A
г)
д)
"
"
XS1
USB Host
VD1 VD2 VD4
D–
USB A
C1, C2 22.0
C3, C4 0.1
+3.3V
C1 C2
220.0 0.1
USB A
USB(2)
XS2
USB (2)
VD1 VD3 VD5
C2 C4
"
USB(2)
"
FB1
AP
D–
"
USB(1)
C3
USB(2)
1
2
3
4
C1
USB(1)
XS1
USB (1)
+5V
"
USB(1)
"
1
2
3
4
5
VD1
TPD4S012
6
5V
Vbus
D–
1
D+
2
ID
3
5V
GND
Micro B
+5V
4
е)
Рис. 6.27. Подключение сигналов D+, D– интерфейса USB (окончание):
г) два канала USB выполнены симметрично, по одинаковым схемам. Два независимых канала в АР обеспечивают более высокое быстродействие по сравнению с одним каналом АР и
внешним двухместным хабом USB, где транзакции проводятся по очереди. Питание обоих каналов USB общее +5 В. Конденсаторы C1, C3 и C2, C4 устанавливаются вблизи от разъёмов XS1,
XS2. Защитные ESD-супрессоры VD1…VD6 ставятся на всех информационных и силовых цепях,
доступных для касания рукой человека. Варианты: VD1…VD6 = ULCE0505A015FR = ESD9B5V;
д) особенность: сдвоенный вертикальный разъём XS1, содержащий гнёзда для подключения
двух USB-устройств. Конденсаторы С1, С2 и супрессор VD1 общие для двух каналов USB(1),
USB(2), которые в АР работают независимо друг от друга;
е) защита информационных и силовых цепей в USB-разъёме XS1 осуществляется одной
сборкой диодов и супрессоров VD1. Сборка рассчитана на рабочее напряжение 5 В, допустимый
пиковый ток 3 А. Скорость в канале USB может составлять как 12 Мбит/с (FS), так и 480 Мбит/с
(HS) благодаря низкой ёмкости диодов 0.8 пФ
243
6.16. Интерфейс USB 2.0
6.16.3. Cигнал ID
АР может находиться в режиме USB-устройство или USB-хост. В данном случае под «устройством» понимается периферийной прибор, который может подключаться к компьютеру, под «хостом» — управляющий контроллер, к которому
могут подключаться различные внешние устройства.
Режим работы USB распознаётся в процессе инициализации АР по уровню
логического сигнала на входе ID. Если ВЫСОКИЙ уровень — то «устройство»,
если НИЗКИЙ уровень — то «хост». Соответственно, если контакт ID свободный,
то формируется ВЫСОКИЙ уровень от внутреннего «pull-up» резистора АР. Если
контакт ID в ответном разъёме USB-кабеля соединяется с GND, то формируется
НИЗКИЙ уровень на входе АР (Рис. 6.28, а…в).
Строго говоря, автоматически идентифицировать режим «устройство» или
«хост» при включении питания не обязательно, его можно установить программно через регистры АР, проигнорировав состояние сигнала ID.
+1.8V
Vbus
D–
D+
R1 22
ID
R2
1k
ID
GND
Micro B
U
RV1
1
2
3
4
5
+3.3V
Vbus
D–
D+
R1
10k
ID
R2 1k
ID
GND
VD1
ESL100503
Micro B
б)
а)
"
USB OTG
XS1
1
2
3
4
5
+3.3V
Vbus
D–
R1
10k
D+
ID
GND
ID
AP
"
"
XS1
AP
USB OTG
1
2
3
4
5
"
RV1 AVRL101A1R1NTB
USB OTG
"
XS1
AP
"
Рис. 6.28. Подключение сигнала ID
интерфейса USB:
VD1 1N5819
Micro�B
в)
а) особенность: низкое напряжение +1.8 В в цепи ID. Если контакт ID в разъёме XS1 свободный, то на входе АР формируется ВЫСОКИЙ уровень от «pull-up» резистора R2, учитывая высокое сопротивление ESD-варистора RV1. Если контакт ID (XS1:4) соединяется с общим проводом
GND (XS1:5), то формируется НИЗКИЙ уровень от делителя на резисторах R2, R1;
б) аналогично Рис. 6.27, а, но последовательный резистор R2 ставится после супрессора VD1.
Этот резистор имеет достаточно высокое сопротивление, чтобы защитить порт АР при всплесках
входного напряжения. Варианты: VD1 = ESD9B5V, R2 = 0, +3.3V = +1.8V;
в) чтобы на входе ID АР появился НИЗКИЙ уровень, контакт XS1:4 в вилке внешнего кабеля
должен соединяться с контактом XS1:5. Диод VD1 защищает порт АР при случайном закорачивании контактов XS1:4 и XS1:1, т. е. защищает от подачи повышенного напряжения +5 В
244
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.16.4. Питание внешних устройств через USB
Схемы питания МК от компьютера через интерфейс USB были рассмотрены в
«Выпусках 2…4». Эти же схемы «один к одному» подходят и для АР. Но в SBC отдельное внимание заслуживают «обратные» схемы, когда к разъёму USB подключаются устройства, сами получающие внешнее питание +5 В (Рис. 6.29, а…з).
XS1
1
2
3
4
FU1
0.1A
Vbus
"+5V"
FB1
@3A
XS1
+5V
1
2
3
4
D–
D+
FB2
@3A
GND
"
VD1
PGB0010603MR
"
VD1 PGB0010603MR
Vbus
D–
D+
1
2
3
4
"
FU1 0.5A
Vbus
D–
GND
"
"
"+5V"
FB1
XS1
+5V
1
2
3
4
C2
0.1
GND
"
"
FB1 MPZ2012S101A
FB1
Vbus
"+5V"
D–
C1
0.1
D+
GND
1
2
3
4
5
"
Vbus
+5V
C2
47.0
г)
FU1
"+5V"
D–
FB2 90R
FB1
90R
+5V
D+
ID
FB3 90R
GND
"
FU1 0.75A
"
в)
XS1
R1
100k
б)
C1
47.0
D+
C1
4.7
VD1
а)
XS1
+5V
"+5V"
VD1
SMBJ5.0CA
C1
470
C2
470
C3
22.0
C4
1000
д)
Рис. 6.29. Схемы внешнего питания через интерфейс USB (начало):
а) предохранитель FU1 самовосстанавливающийся. Ферритовые фильтры FB1, FB2 снижают
ВЧ-помехи при токах до 3 А. Супрессор VD1 ограничивает короткие всплески напряжения;
б) особенность: резистор R1, который способствует быстрому разряду конденсатора C1 при
отключении питания +5 В, и ВЧ-фильтр FB1, который подключается к экрану разъёма XS1;
в) аналогично Рис. 6.29, а, но с заменой супрессора керамическими конденсаторами C1, C2.
Варианты: FU1 = 0.75A, C1 = 22.0;
г) аналогично Рис. 6.29, в, но конденсаторы C1, C2 размещаются после (а не до) предохранителя FU1;
д) особенность: сложная система фильтрации помех по питанию. Металлический корпус
разъёма XS1 не имеет прямой связи с общим проводом GND, только через конденсаторы;
245
6.16. Интерфейс USB 2.0
XS1 "
1
2
3
4
"
D–
GND
"
Vbus
D–
D+
+5V(1)
C1
0.1
D+
XS2 "
1
2
3
4
"+5V"
Vbus
XS1 "
FB2
FB1...FB3 600R@2A
FB3
"+5V"
C2
0.1
D–
1
2
3
4
C4
22.0
GND
FB1
2
4
2
4
D+
GND
XS2 "
+5V(2)
+5V
"+5V"
Vbus
1
2
3
4
C3
22.0
"
C1, C2
0.1
"
C3...C6
10.0
"+5V"
Vbus
D–
VD1
ESD5451R
D+
GND
е)
ж)
XS1 "
1
2
3
4
"
R1 0
+5V(1)
D–
2
D+
2
GND
XS2 "
1
2
3
4
"+5V"
Vbus
C1
0.1
"
Vbus
"+5V"
C3, C4
22.0
R2 0
+5V(2)
D–
2
D+
2
GND
C2
0.1
C5, C6
22.0
з)
Рис. 6.29. Схемы внешнего питания через интерфейс USB (окончание):
е) особенность: экраны разъёмов XS1, XS2 соединяются с цепью GND через общий ВЧ-фильтр
FB1. Напряжение +5 В на два разъёма подаётся от двух отдельных источников;
ж) совместное питание двух USB-каналов от одного источника напряжения +5 В. Супрессор
VD1 и фильтрующие конденсаторы C1…C6 для двух каналов общие;
з) особенность: «нулевые» резисторы-перемычки R1, R2. Они служат предохранителями при
КЗ в разъёмах XS1, XS2 или соединительных кабелях. Вместо резисторов могут быть установлены
самовосстанавливающиеся предохранители или ограничители тока
6.16.5. Ограничители тока на транзисторах
Если от SBC через разъём интерфейса USB запитывается внешнее устройство,
например флешка, клавиатура, мышь, то нельзя исключать аварийную ситуацию,
когда происходит КЗ в устройстве или в проводах соединительного кабеля. Чтобы
обезопасить систему питания SBC, предусматривают ограничители тока. В простейшем случае их можно выполнить на транзисторах (Рис. 6.30, а…в).
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
"
"
XS1
USB Host
1
2
3
4
5
Vbus
VT1
AO3423
"+5V"
+5V
+3.3V
R1 100k
D–
D+
R2
1k
C1
0.1
ID
GND
MicroUSB B
VT2
MBT3904
VD1
ESL100503
AP
246
R3
10k
а)
"
USB Host
XS1
1
2
3
4
5
Vbus
FB1
120R
FU1
1A
"+5V"
2
ID
2
GND
+3.3V
R1
10k
D–
D+
+5V
C1, C2
100.0
AP
"
VT1 IRLML6401
VT2
2N7002
R2
4.7k
MicroUSB B
б)
C1
10.0
+5V
+3.3V
MicroUSB B
XS1
USB Host
VT2
AO3415A
"
1
2
3
4
5
Vbus
D–
D+
VD1
ESL100503
R1
1k
AP
"
VT1.1
ID
GND
XS1
U103B05GA1ZL2
R2
10k
VT1.2
R3
10k
VT1 BCM856BS
в)
Рис. 6.30. Схемы транзисторных ограничителей тока интерфейса USB:
а) транзисторы VT1, VT2 открываются ВЫСОКИМ уровнем с выхода АР, после чего напряжение +5 В поступает в цепь Vbus разъёма XS1. Ограничителем тока служит переход «исток–
сток» транзистора VT1. Перегрузка может возникнуть из-за КЗ в проводах USB-кабеля. Варианты: VT1 = IRLML6302 = IRLML6401, VT2 = BC817 = BSS138LT, R1 = 10k, R2 = 1.5k, R3 = NC;
б) аналогично Рис. 6.30, а, но на полевых транзисторах VT1, VT2 и с дополнительными элементами FB1, FU1. Большая ёмкость конденсаторов С1, С2 допускается, т. к. устройство является
источником (а не приёмником) напряжения +5 В;
в) трёхтранзисторная схема ограничивает выходной ток в цепи Vbus и защищает источник
питания +5 В от КЗ в разъёме XS1 или кабеле. Проверка наличия либо отсутствия напряжения
Vbus производится цифровым входом АР через резистор R1. Если вместо цифрового входа в АР
использовать канал АЦП, то можно точно измерить напряжение Vbus. Варианты: VD1 = NC
6.16. Интерфейс USB 2.0
247
6.16.6. Интегральные ограничители тока
На Рис. 6.31, а…з показаны схемы интегральных ограничителей тока в цепи
Vbus канала USB. Ток ограничения у них, как правило, легко регулируется.
XS1
1
2
3
4
Vbus
D–
C1
0.1
D+
GND
"
"
1
2
R2
10k
5
4
EN
3
VOUT
C4
10.0
C3
0.1
C2
470.0
USB A
+5V
DA1 SY6280AAC
FB1 60R@1.5A
"+5V"
VIN
ISET
C5
4.7
R1
6.2k
GND
VD1 ESL100503
R3 100k
а)
"
USB Host
XS1
1
2
3
4
5
"+5V"
Vbus
1
D–
D+
GND
MicroUSB B
VOUT
C1
22.0
ID
+5V
DA1
RT9715EGB
XS1 U103B05GA1ZL2
5
4
EN
3
VIN
FLAG
2
+3.3V
AP
"
GND
R1 100k
VD1 ESL100503
б)
DA1
RT9701GB
"
USB x 2
XS1
1
2
3
4
5
6
7
8
1Vbus
"+5V"
1
VOUT1
5
1D–
1D+
1GND
2Vbus
2D
2D+
2GND
2
2
2
2
VOUT2
VIN
EN
+5V
+3.3V
3
4
AP
"
2
R1
10k
GND
C1, C2 C3, C4
0.1
22.0
в)
Рис. 6.31. Схемы интегральных ограничителей тока интерфейса USB (начало):
а) микросхема DA1 ограничивает ток в цепи +5 В. Порог задаётся резистором R1 согласно
формуле Ix[мА] = 6800 / R1[кОм] = 6800 / 6.2 = 1100 мА. Работа микросхемы DA1 разрешается
ВЫСОКИМ уровнем на входе EN с задержкой во времени (конденсатор C5). Варианты: FB1 = 0,
VD1 = ULCE0505A015FR = NC, R1 = 3.92k = 6.8k = 13k, R3 = C1 = C2 = C5 = NC, C4 = 22.0;
б) DA1 — это фиксированный ограничитель тока 1.1 А в цепи Vbus интерфейса USB. Микросхема DA1 включается/выключается ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем с выхода АР. Варианты:
C1 = 100.0 = 220.0, DA1 = MT9700, R1 = 47k, VD1 = ESD9X12VD;
в) особенность: малогабаритный корпус SOT-23/5 микросхемы DA1 и запараллеливание её
выходов DA1:1, DA1:5. Ток ограничения фиксированный 1.5 А (разброс 1.1…2 А), ток КЗ 1 А;
248
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
VD1
Vbus
1
2
3
4
5
D–
R1
47k
D+
+5V
DA1 TCS9708
"+5V"
1
5
VOUT VIN
4
C1
C2
EN
4.7
0.1
3
R5 20k
R4
510k
NC
ID
+3.3V
AP
USB Host
XS1
(ADC)
GND
2
GND
R3 6.8k
MicroUSB B
VD1 ULCE0505A015FR
R2 100k
C3 0.1
г)
"
XS1
USB Host
1
2
3
4
DA1 TPD4S214YFFR
A1
A3
C1 4.7
Vbus
B3
"+5V"
D–
D2
D+
D3
GND
A2
C1
USB A
C3
C2
"D+" "D–"
VBUS
VIN
VBUS
VIN
D–
FLT
D+
EN
DET
ADJ
+5V
B1
B2
C1
R2
10k
D1
R1
47k
ID
GND
+3.3V
AP
"
R3
100k
д)
+5V R2 +3.3V
DA1
MP62551DGT
10k
C1
XS1
Vbus "+5V" 1.0 1
6
R3
10k
1
2
3
4
5
VOUT
D–
D+
ID
5
GND
4
VIN
FLAG
GND
ILIM
3
2
R1
12.4k
EN
MicroUSB B
R4
100k
PGANG
"
GL852G (USB Hub)
USB Host
"
VT1
2N7002W
Рис. 6.31. Схемы
интегральных
ограничителей тока
интерфейса USB
(продолжение):
е)
г) микросхема DA1 ограничивает ток на уровне 0.55 А в цепи Vbus и активируется ВЫСОКИМ уровнем с выхода АР. Резистор R3 в работе не участвует, поскольку вывод DA1:3 имеет
название NC (No Connect). Но он пригодится в случае замены микросхемы DA1 аналогичной, у
которой вывод DA1:3 служит для установки тока ограничения ISET. Сигнал о наличии напряжения Vbus снимается с резистивного делителя R1, R2. Если вход АР перестроить в режим АЦП, то
можно измерить точное напряжение Vbus. Варианты: VD1 = NC, R1/R2 = 10k/15k, C3 = 0.01;
д) особенность: внутри микросхемы DA1 имеется не только ограничитель тока Ix между цепями VIN, VBUS (формула Ix[A] = 55.358 / R1[кОм]), но и защитные супрессоры по цепям D+,
D–. Активация микросхемы DA1 производится сигналом ВЫСОКОГО уровня с выхода АР;
е) особенность: сигнал FLAG, который НИЗКИМ уровнем сообщает хабу GL852G о перегрузке по току или перегреве. Ограничение тока 1.5 А задаётся резистором R1. Сигнал активации
DA1:4 имеет ВЫСОКИЙ активный уровень, поэтому применяется инвертор на транзисторе VT1.
При начальном сбросе транзистор VT1 открывается сигналом PGANG от хаба на 50 мс;
6.16. Интерфейс USB 2.0
+5V
"
XS1
"+5V"
Vbus1
1
3
5
7
2
4
6
8
1D–
C1
22.0
1D+
C3
0.1
GND1
Vbus2
2D+
"+5V"
GND2
C2
22.0
USBx 2
C4
0.1
R1, R2
6.8k
R5
20k
ISET
2
2D–
+3.3V
DA1 TCS9708
5
1
VOUT VIN
4
EN
3
AP
"
249
GND
DA2 TCS9708 R1
1
5
VOUT VIN
4
EN
3
R3
510k
R6
20k
ISET
2
R2
R4
510k
+5V
R1 R2
GND
ж)
USB OTG
XS1
1
2
3
4
5
XS2
USB Host
DA1
MIC2026 1YM
"
1
2
3
4
5
Vbus
"+5V"
FB1
D+
8
5
D–
C1
VOUT A
VOUT B
C3
6
GND
"+5V"
ID
C2
GND
C4
ENA
ENB
FB2
D–
D+
FLGA
FLGB
ID
Vbus
VIN
7
+3.3V
AP
"
2
3
1
4
FB1, FB2
220R@2A
BKP2125HS221 T
C1, C2 22.0
C3, C4 0.1
R1, R2 10k
GND
з)
Рис. 6.31. Схемы интегральных ограничителей тока интерфейса USB
(окончание):
ж) XS1 — это двойной USB-разъём с нестандартной нумерацией выводов. Физически он содержит два отдельных четырёхвыводных разъёма стандарта USB-B в одном корпусе. Питание к
цепям Vbus1, Vbus2 подаётся раздельно через два ограничителя тока на микросхемах DA1, DA2
(корпус SOT-23/5). Пороги их срабатывания определяются резисторами R1, R2. Активируются
микросхемы DA1, DA2 от разных цифровых линий GPIO АР через резисторы R3…R6;
з) подача питания в цепи Vbus разъёмов XS1, XS2 производится через два отдельных транзисторных ключа, находящихся в микросхеме DA1. На информационных выводах DA1:2, DA1:3
появляются НИЗКИЕ уровни при превышении токов на выходе более 1 А. Резисторы R1, R2
служат нагрузками выходов с открытыми стоками FLGA, FLGB микросхемы DA1. Сигналами управления ENA, ENB, которые поступают с выходных линий GPIO АР, можно раздельно включать и выключать питание в цепях Vbus разъёмов XS1, XS2. Варианты: FB1 = FB2 = 0,
DA1 = AP2172MPG = TPS2560DRC (другая цоколёвка выводов)
250
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.16.7. Питание двунаправленного порта OTG
На Рис. 6.32, а…в показаны схемы подачи питания для двунаправленного порта OTG, когда АР может быть как «хостом», так и «устройством».
"
USB Host/OTG
XS1
VD2
VD1 ESD9B5V
VD3
"+5V"
Vbus
1
2
3
4
5
1
D–
VOUT
VD1
D+
C1
4.7
ID
R1
10k
GND
+5V
DA1
TCS9708
+3.3V
5
VIN
4
EN
3
AP
"
VD2, VD3
1N5819
NC
2
R2
47k
GND
MicroUSB B
а)
"
"
USB Host/OTG
XS1
1
2
3
4
5
Vbus
"+5V"
VD1
VOUT
D–
R1
10k
C1
47.0
D+
ID
+5V IN
DA1
TPS2041BDBV
1
5
+3.3V
+5V OUT
OC
4
2
GND
MicroAB
XT1
VD1 PMEG2005AED
"ID"
VIN
3
EN
GND
XS1 JYJUSB MK12F001G
(47590 0001)
б)
USB Host/OTG
XS1
1
2
3
4
5
Vbus
VD1 ESD5451R
"+5V"
D–
D+
ID
VT1 WPM3401
+5V OUT
VD2
C1
10.0
GND
+5V IN
C2
0.1
R1
10k
VD2
1N5819
MicroUSB B
в)
Рис. 6.32. Схемы питания в двунаправленном режиме OTG:
а) DA1 — это ограничитель тока с порогом 550 мА для прямого питания внешнего устройства,
подключаемого к разъёму XS1. Если питание подаётся в обратную сторону, то из цепи Vbus ток
через диоды Шоттки VD2, VD3 поступает в цепь +5V, но уже без ограничения тока;
б) в режиме «хост» контакты XS1:4 и XS1:5 закорочены, при этом активируется микросхема
DA1 по входу EN. Напряжение +5V-IN поступает на выход VOUT микросхемы DA1, затем через
диод VD1 в цепь Vbus. Ток ограничивается на уровне 0.7…1.1 А. Если контакты XS1:4 и XS1:5 не
закорочены, то микросхема DA1 блокируется и питание поступает из цепи Vbus в цепь +5V-OUT.
Джампером XT1 можно принудительно задать режим «хост». Варианты: DA1 = TPS2061DBVR;
в) на разъём XS1 в режиме «хост» напряжение +5V-IN подаётся через открытый диод VD2, а в
режиме «устройство» — обратно из цепи Vbus через открытый транзистор VT1 в цепь +5V-OUT
251
6.16. Интерфейс USB 2.0
6.16.8. Хабы USB
Если совсем по-простому, то USB-хаб призван увеличить количество доступных USB-портов. Причина банальная — нехватка каналов USB в конкретном АР.
Хабы бывают: пассивные, активные, беспроводные [6-22], а также внешние
и внутренние. В составе SBC обычно применяются внутренние пассивные хабы,
основой которых служат специализированные микросхемы, подключаемые к АР.
Количество портов в хабах кратно двум (Рис. 6.33, а…в).
Пассивный хаб имеет низкую токовую нагрузку. В SBC его можно превратить
в аналог активного хаба, если для питания цепи Vbus использовать отдельный и
достаточно мощный стабилизатор напряжения 5 В.
1
2
3
4
USB (2)
XS2
1
2
3
4
USB (3)
XS3
1
2
3
4
USB (4)
XS4
1
2
3
4
Vbus
D–
D+
GND
Vbus
D–
D+
GND
Vbus
D–
D+
GND
DD1 FE1.1s
C1 C2
C3 C5
10.0 0.1 13
20 10.0 1.0
VD33_O
VDD5
21
VD33
R1
19
R2
17
R3
2.7k
Vbus
D–
D+
GND
R1, R2 100k
14
10
11
8
9
6
7
4
5
1
BUSJ
XRSTJ
REXT
DM1
DP1
DM2
DP2
DM3
DP3
DM4
DP4
VSS
18
VBUSM
26
OVCJ
12
VD18_O
28
VD18
DPU
DMU
XOUT
FB1
60R@1.5A
R5
47k
+5V
R7
10k
C9
0.01
C4 C6
10.0 1.0
R6
100k +3.3V
D+
D–
16
15
R4 ZQ1 C7 12
2 1M 12 MHz
AP
USB (1)
XS1
C8 12
XIN
3
а)
Рис. 6.33. Схемы подключения USB-хабов к АР (начало):
а) DD1 — это микросхема USB-хаба на четыре направления (порта), широко применяемая в
компьютерных разветвителях. На вход поступают USB-сигналы D+, D– от АР. С выхода снимаются четыре пары информационных сигналов D+, D–, которые подаются на каждый из разъёмов
XS1…XS4. Если в АР установлена ОС, то для нормальной работы хаба требуется специальный
драйвер. Данные поступают на USB-разъёмы последовательно во времени, т. е. максимальная
скорость передачи информации в одном канале хаба теоретически будет ниже, чем при подключении без хаба. Микросхема DD1 тактируется от кварцевого резонатора ZQ1. Резисторноконденсаторные элементы обвязки включаются согласно рекомендациям даташита [6-23]. Варианты: ZQ1 = керамический резонатор 12 МГц, R4…R6 = C7 = C8 = NC, DD1:18 подключается к
цепи +3.3V через резистор 100k, DD1 = CY7C65632 (другие элементы обвязки) = GL852G (другие элементы обвязки) = µPD720114 (другие элементы обвязки, ZQ1 = 30 МГц);
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
R5, R8 10k
DD1 USB2512
28
R1 10k
22
R2 10k
24
R3 10k
25
R4 10k
14
+5V
USB (1)
XS1
1
2
3
4
USB (2)
XS2
1
2
3
4
Vbus
D–
D+
GND
C3 34
C1
REM0
VDD33
REM1
R5
SEL0
DET
SEL1
NRES
CRFILT
RBIAS
PLLFILT
C4
Vbus
D–
D+
GND
C1, C2 1.0
C3, C4 0.1
DM_UP
1
2
3
4
37
DN1
DP1
DN2
DM2
XOUT
+3.3V
6
R8
6
27
26
C6...C11
0.1
35
R6
12k
DP_UP
C2
5; 10; 15; 23; 29; 36
FB1
220R
C5
10.0
D+
D–
31
30
R7 ZQ1 C12 22
32 1M 24 MHz
AP
252
C13 22
XIN
VSS
33
б)
1
2
3
4
Vbus
GND
USB A
USB Device
XS2
1
2
3
4
5
VCC
D–
D+
Vbus "+5V"
7
6
1
2
D–
8
D+
4
ID
GND
+3.3V
DA1 TC7USB40MU
+5V
1D–
2D–
1D+
2D+
D–
D+
9
R1
200
5
3
D+
S1
OE
GND
SEL
S1
218 4LPST
D–
AP
USB Host
XS1
10
"HOST – DEVICE"
R3 2k
R2
27k
Micro B
в)
Рис. 6.33. Схемы подключения USB-хабов к АР (окончание):
б) аналогично Рис. 6.33, а, но с двухпортовым USB-хабом на микросхеме DD1 с другой конфигурацией и номиналами ЭРИ. Варианты: DD1 = GL850G (12 МГц, другая цоколёвка выводов,
используются два порта из четырёх возможных) = USB2422/MJ (другая цоколёвка выводов, резистор R4 отсутствует, цепь сброса NRES шунтируется конденсатором 0.1 мкФ);
в) пример аналогового «квазихаба» с поочерёдным (не одновременным) использованием
двух USB-разъёмов. Переключение информационных сигналов D+, D–, выходящих от АР, производится вручную движковым переключателем S1 или с выходной линии GPIO. Если контакты
переключателя S1 замкнуты, то можно работать с разъёмом XS1, при этом разъём XS2 неактивен.
Если контакты переключателя S1 разомкнуты, то активируется один из двух разъёмов XS1 или
XS2 в зависимости от логического уровня НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ на выходе GPIO АР
6.16. Интерфейс USB 2.0
253
6.16.9. Преобразователи интерфейса USB
Преобразователь интерфейса USB (он же конвертор, конвертер, адаптер, переходник) служит для организации порта USB через интерфейсные линии GPIO
МК или АР. Например, преобразователи USB-UART широко применяются в отладочных платах с МК, но гораздо реже в платах с АР (SBC). Причина в том, что
практически все АР имеют встроенные каналы USB, через которые осуществляется отладка и загрузка программ.
Если же свободных портов USB в конкретном АР не хватает, то применяются
микросхемы преобразователей USB-UART или USB-SPI, поддерживающие работу в режимах LS (1.5 Мбит/с) и FS (12 Мбит/с).
Если требуется более высокое быстродействие в режиме HS (480 Мбит/с), то
используются специализированные контроллеры USB (Рис. 6.34, а, б).
XS1
1
2
3
4
+3.3V
DD1 CP2102
"
7
8
5
4
9
3
Vbus
D–
D+
GND
USB B
C1
1.0
REGIN
VBUS
TXD
26
D–
D+
RXD
RST
GND
VDD
25
R2 22
TXD
RXD
AP
"
R3 22
6
C2
1.0
R1 10k
C3
0.1
а)
R1 10k
Vbus
D–
D+
GND
"
C1
100.0
R2 8.04k
C2
D1
E1
A1
B1
C3
VBUS
VBAT
C1
+4.2V
ULPI
D–
AP
HOST
"
1
2
3
4
+1.8V; +3.3V
DD1
USB3322
+5V
XS1
D+
RBIAS
ID
GND
VDD3.3
VDD1.8
D2
B3
+3.3V
+1.8V
б)
Рис. 6.34. Схемы подключения преобразователей USB к АР:
а) преобразователь USB-UART выполнен на микросхеме DD1 и поддерживает работу в режимах LS, FS. Сигналы RXD (RX, RxD), TXD (TX, TxD) относятся к интерфейсу UART АР. Питание
+5 В на преобразователь поступает из цепи Vbus. На выводе DD1:6 имеется напряжение +3.3 В
от внутреннего стабилизатора, которое можно использовать для своих целей, но с маломощной
нагрузкой. Варианты: R2 = R3 = 0;
б) DD1 — это высокоскоростной хост-контроллер интерфейса USB 2.0 спецификаций HS,
FS, LS. Напряжение питания на контроллер поступает из цепей +4.2 В (основное) и +1.8 В (для
интерфейса ULPI). На выводе DD1:D2 имеется напряжение +3.3 В от внутреннего стабилизатора. Резистор R1 формирует ВЫСОКИЙ уровень на входе DD1:С2 при наличии напряжения +5 В
в цепи Vbus. Резистором R2 устанавливается оптимальный режим работы микросхемы DD1
254
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.17. Интерфейс USB 3.x
Название «USB 3.x» относится к группе интерфейсов USB третьего поколения. Первая спецификация USB 3.0 была утверждена в 2008 году фирмами Intel,
Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors.
Спецификация USB 3.0 повышает физическую скорость в тракте до 5 Гбит/с,
что на порядок больше скорости, которую может обеспечить USB 2.0. Кроме того,
увеличивается допустимый ток нагрузки с 500 до 900 мА. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств или подключить одно
устройство, но с большим потреблением энергии.
Далее были выпущены спецификации USB 3.1 (июль 2013 года) и USB 3.2 (сентябрь 2017 года). Физические скорости в тракте возросли, соответственно, до 10 и
20 Гбит/с, а ток нагрузки до 1.5…5 А. Технология получила название SuperSpeed
(SuperSpeed+), при этом две её заглавные буквы вошли в изображение логотипов
(Рис. 6.35, а…в).
а)
в)
б)
Рис. 6.35. Логотипы USB 3.x:
а) USB 3.0 (SuperSpeed USB 5 Гбит/с);
б) USB 3.1 (SuperSpeed USB 10 Гбит/с);
в) USB 3.2 (SuperSpeed USB 20 Гбит/с)
Концепция перехода от USB 2.0 к USB 3.0 основана на принципе «усовершенствования» (upgrade). Это означает, что в разъёмы USB 3.0 добавляются дополнительные группы контактов: четыре линии связи (две витые пары), а также контакты внешнего питания DPWR и сигнальной земли GND_DRAIN. Итого, разъёмы
становятся 9-; 10- и 11-контактными, а кабель по габаритам — толще, чем обычный USB 2.0 [6-24]. К такому разъёму можно подключить устройство стандарта
USB 2.0, и оно будет успешно работать, но не наоборот.
Кроме того, в интерфейсах USB 3.x применяются универсальные 24-контактные разъёмы Type-C. Они позволяют присоединять кабель к разъёму любой стороной, что очень удобно на практике.
Существуют ещё оптоволоконные кабели USB 3.х, по которым сигнал может
передаваться на расстояние до 100 м против 3…5 м у стандартных «проводных» кабелей, но в SBC они пока не используются.
Чтобы визуально отличить разъёмы USB 3.х, они (или их части) изготавливают
из пластика синего (реже — красного) цвета, а также снабжают поясняющей маркировкой с двумя буквами «S», означающими SuperSpeed.
На Рис. 6.36, а…е показаны схемы подключения устройств USB 3.x напрямую
к АР или через промежуточные контроллеры USB-3.x, соединённые с АР.
6.17. Интерфейс USB 3.x
255
+5V
+3.3V
FB1
DD1
DM
D–
DP
D+
GNDA
SSRXM
SSRXM
SSRXP
SSRXP
GNDD
C2
SSTXM
SSTXM
C3
SSTXP
R2
1M
R1
1M
C1...C3 0.1
SSTXP
TUSB8040 (Controller USB 3.0)
C1
Vbus
1
2
3
4
5
6
7
8
9
USB 3.0
"
К портам АР
XS1 "SS
а)
microUSB 3.0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
+3.3V
Vbus
DM
1
D–
FB1
2
GNDA
SSRXM
R2
10k
4
DP
ID
DD1
C2
150.0
D+
3
ID
R1 1k
1
4
SSRXM
FB2
SSRXP
GNDD
2
3
SSTXM
1 FB3 4
SSTXP
SSRXP
C4 0.1
Controller USB 3.0
1
+5V
"
К портам АР
C1 10.0
XS1 "SS
SSTXM
SSTXP
2
3
C3 0.1
FB1...FB3 90R WCM 2012HS 900T
б)
Рис. 6.36. Схемы подключения цепей интерфейса USB 3.x (начало):
а) DD1 — это специализированный контроллер интерфейса USB 3.0. Обмен информацией
между контроллером и АР ведётся через отдельный канал связи. По сравнению с интерфейсом
USB 2.0 в девятиконтактном разъёме XS1 для интерфейса USB 3.0 предусмотрены дополнительные пары дифференциальных сигналов SSRXM, SSRXP (приём) и SSTXM, SSTXP (передача);
б) аналогично Рис. 6.36, а, но с 10-контактным разъёмом microUSB 3.0. Дополнительно вводится контакт ID (идентификация режима OTG). Резистор R1 защищает вход ID АР при случайном закорачивании контактов XS1:1, XS1:4 и формирует НИЗКИЙ уровень на нём в режиме
«хост» при замыкании контактов XS1:4, XS1:5. Фильтры FB1…FB3 симметрируют тракты приёма
и передачи. Сигналы на контактах XS1:2…4, XS1:6, XS1:7, XS1:9, XS1:10 защищаются двумя четырёхканальными сборками супрессоров PESDALC10N5VU (на схеме условно не показаны);
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
A8
B8
A1
A12
B1
B10
B11
A3
A2
A10
A11
B3
B2
B12
Vbus
+5V
+3.3V
Vbus
VBus
DD1
Vbus
CC1
CC1
CC2
CC2
+3V
+3.3V
"+5V"
R6
2k
R3
2k
SCL
SCL
SDA
SDA
INT
INT
R4 100k
DM1
DC1
R5 100k
DP1
DC2
DM2
D–
DP2
D+
C5
SBU1
SBU2
SBU1
SBU2
C6
GND
R1
2M
GND
GND
R2
2M
SSRXN1
SSRXM1
SSRXP1
SSRXP1
C1
SSTXN1
SSTXM1
SSTXP1
SSTXP1
SSRXN2
1
SSRXP2
SSTXN2
2
4
SSTXP2
5
C3
SSRXM2
SSRXP2
C2
SSTXM2
SSTXP2
C4
GND
VD1 ESD5304D
XS1
TYPEC 24M A1M1A5 07LH
C1...C6
0.1
I2C
A4
A9
B4
B9
A5
B5
A7
A6
B7
B6
"
AP (RK3399)
USB 3.1
XS1 "SS
FUSB302MPX
256
5V
1
2
4
5
10
9
7
6
3; 8
в)
Рис. 6.36. Схемы подключения цепей интерфейса USB 3.x (продолжение):
в) полнофункциональное подключение 24-контактного разъёма ХS1 интерфейса USB 3.1
(формфактор USB-C, Type-C). Контроллер USB выполнен на микросхеме DD1 FUSB302MPX.
Он обменивается данными с АР через интерфейс I2C (сигналы SCL, SDA). Контроллер обеспечивает шину USB напряжением 5 В. Кроме того, он обрабатывает управляющие сигналы CC1,
CC2. Остальные сигналы подключаются непосредственно к АР. Все информационные цепи разъёма XS1 защищаются супрессорами в сборках ESD5304D. На схеме для примера показана одна
сборка VD1, но аналогичные сборки защищают цепи DM1, DP1, DM2, DP2, SSRXN1, SSRXP1,
SSTXN1, SSTXP1. Варианты: VD1 = RClamp0524P (сборка супрессоров в корпусе SLP2510P8);
6.17. Интерфейс USB 3.x
A1
A12
B1
B12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
+5V
Vbus
Vbus
USB 3.0
A4
A9
B4
B9
A6
A7
B6
B7
A5
B5
Vbus
XS1 "SS
Vbus
DP1
D+
DN1
D–
DP2
DN2
CC1
ID
CC2
GND
GND
GND
GND
10
11
12
13
USB 2.0
USB (OTG, Type�C)
XS1
DX07S024JJ2 (24�pin, USB 3.1)
257
"
+5V(1)
VbusA
DA–
DA+
GNDA
SSRX–
SSRX+
GND_D
SSTX–
SSTX+
+5V(2)
VbusB
DB–
DB+
C1 1000
x 2kV
GNDB
FB1 @3A
R1
1M
г)
д)
USB 3.0
XS1 "SS
"
Vbus
1
2
3
4
5
6
7
8
9
DM
DP
GNDA
+5V
FB1
SSRXN
SSRXP
GNDD
SSTXN
SSTXP
е)
Рис. 6.36. Схемы подключения цепей интерфейса USB 3.x (окончание):
г) разъём XS1 имеет формфактор Type-C и по электрическим параметрам соответствует требованиям интерфейса USB 3.1 (10 Гбит/с). Но в данном случае через него передаются обычные
сигналы интерфейса USB 2.0. В разъёме XS1 из 24 задействуется только 14 контактов, остальные
свободные, причём в оригинале схемы они имеют названия сигналов интерфейса USB 3.x;
д) XS1 — это цельный блок, состоящий из двух разнородных USB-разъёмов, рассчитанных
на подключение устройств USB 2.0 и USB 3.0. Элементы R1, C1 служат для развязки приборной и сигнальной «земель», что устраняет сбои при начальном определении дескриптора USBустройства [6-25]. Варианты: C1 = 8200 x 1kV=4700 x250V, R1 = 100 = NC;
е) особенность: цепь аналоговой «земли» GNDA соединяется с общим проводом через ферритовую «бусинку» FB1, что снижает ВЧ-помехи. К разъёму XS1 могут подключаться устройства,
поддерживающие не только стандарт USB3.0, но и стандарт USB 2.0, при этом в кабеле используются цепи Vbus, DM, DP, GNDA
.
258
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.18. Совместная работа АР и МК
На Рис. 6.37, а…г показаны примеры совместной работы АР и МК. Такой симбиоз позволяет, с одной стороны, разгрузить АР для более важной и производительной работы, а с другой — эффективно использовать потенциал МК, поручив
ему выполнение узкоспециализированных задач.
+1.8V
P1
R1, R2 4.7k
"ADC"
+3.3V
t
AP
R1
R4
10k
RK1
10k
N
R6
27k
R2
SCL
R3
1.5k
R5
10k
R7
10k
MK
SCL
I2C SDA
XP1
"ISP"
P2
"SCL"
SDA
P3
"SDA"
а)
1
3
OUT
IR
"38 kHz"
B1
GND
FT 009
2
R2
10k
R3
4.7k
MK
VCC
+1.8V
RESET
AP
+5V
C2
0.1
RES
R1 100
C1 4.7
VD1 BAT54C
б)
Рис. 6.37. Схемы подключения дополнительных МК к АР (начало):
а) если АР не имеет свободного канала АЦП (или своего собственного), то он может переложить данную функцию на вспомогательный МК. Например, это может быть 8-разрядный AVRконтроллер, используемый исключительно как многоканальный АЦП. Связь МК с АР производится через интерфейс I2C (сигналы SCL, SDA), к которому могут подключаться внешние
устройства через контактные площадки P2, P3. Задача МК заключается в измерении температуры окружающей среды в месте, где установлен терморезистор RK1. Кроме того, МК измеряет
напряжение питания в цепях +1.8V (ядро АР, делитель R4, R5) и +3.3V (периферия, делитель R6,
R7). Дополнительно МК может контролировать внешнее аналоговое напряжение на контактной
площадке P1. Прошивка МК осуществляется внутрисхемно через ISP-разъём XP1. Раскладка его
сигналов и количество контактов N могут изменяться в зависимости от типа МК;
б) МК обеспечивает удалённый беспроводной сброс АР от ПДУ. Для этого МК принимает
от фотомодуля В1 по ИК-каналу специальную команду на сброс АР, согласно которой на выходе
GPIO МК формируется отрицательный импульс RESET. Диодная сборка VD1 позволяет распараллелить каналы и считывать ИК-сигналы как с помощью МК, так и с помощью АР. Кроме
того, МК может по командам от ПДУ выставлять управляющие сигналы на своих выходах для
включения различной периферии, например вентилятора, зуммера, светодиода и т. д.;
6.18. Совместная работа АР и МК
"+3.3V"
C1
0.1
MK (STM32F030)
SB1
"POWER"
A2 (DC/DC)
VT2 AO3415A
"+5V"
"+4.9V"
R3
100k
C4
22.0
C6
0.1
VT1 MMBT3904
R2 4.7k
"SWD"
X1
"5V"
1
"+1.0...+3.3V"
R1
10k
C2
C3
100.0 0.1
FU1 3A
259
A1 (DC/DC)
N
M
C5
1.0
AP
C7
0.1
2
VD1 SMAJ5.0A
в)
+3.3V
RES
SCL
SCL
SDA
SDA
I2C
AP
R2
4.7k
RES
I2C
MK
R1
4.7k
г)
Рис. 6.37. Схемы подключения дополнительных МК к АР (окончание):
в) МК выполняет функции управления, характерные для контроллера питания PMIC. Принцип работы. Блок питания «сетевая вилка» подключается к разъёму X1, после чего на выходе стабилизатора A1 появляется напряжение +3.3 В, которое включает МК семейства STM32F030. МК
в цикле опрашивает состояние кнопки SB1. При её нажатии выставляется ВЫСОКИЙ уровень
на выходе GPIO МК, открываются транзисторные ключи VT1, VT2, после чего питание поступает на блок стабилизаторов A2. В этом блоке формируются все требуемые напряжения для АР в
диапазоне 1.0…3.3 В. Аналогичным образом происходит выключение питания установкой НИЗКОГО уровня на выходе GPIO МК. Кроме того, МК через шину с N-проводами получает данные
от различных датчиков о температуре, освещённости, местоположении устройства и т. д. По результатам обработки данных принимается решение о включении или выключении питания АР;
г) МК выполняет одну узкоспециализированную задачу, например хранение многоразрядного секретного ключа или важных данных, идентификация конкретной платы SBC или режимов работы, шифрование информации, восстановление заводских настроек. Связь между МК и
АР осуществляется через шину I2C с нагрузочными резисторами R1, R2. Начальный сброс МК
производится по команде от АР сигналом RES. Дополнительно между МК и АР могут быть проложены ещё сигнальные цепи через линии GPIO для выполнения других задач. Сам МК может
быть любого типа, подходящий по параметрам, габаритам и стоимости. Если у него нет аппаратного интерфейса I2C, то связь легко организовать программно через цифровые линии GPIO
260
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
6.19. Переключатели интерфейсов
На Рис. 6.38, а…и показаны схемы переключения разных интерфейсов, выполненные на логических микросхемах средней степени интеграции. Для переключения чаще всего применяются мультиплексоры. Коммутация сигналов в них может
производиться как аналоговыми ключами, так и цифровыми элементами.
DD1
SN74CBTLV3257PWR
16
2
VCC
1B1
1
5
S
1B1 2B1
11
4
3B1
1A
7
14
2A
4B1
3
9
3A
1B2
6
12
4A
2B2
4B2
15
10
OE
3B2
13
8
1/0
1/0
1/0
1/0
AP
In Out
+3.3V
GND
UART RXD
UART TXD
UART CTS
UART RTS
SPI SCLK
SPI MISO
SPI MOSI
SPI CS
4B2
а)
+3.3V
R1 R2
AP
In Out
DD1
SN74CBTLV3257PWR
1/0
1/0
16
1
4
7
9
12
15
8
VCC
S
1B1
1B1
2B1
1A
3B1
2A
4B1
3A
1B2
4A
2B2
OE
GND
4B2
3B2
4B2
2
5
11
14
3
6
10
13
I2C SCL
I2C SDA
CAN TX
CAN RX
R1, R2
2.2k
б)
Рис. 6.38. Схемы переключения интерфейсов:
а) DD1 — это четырёхразрядный мультиплексор/демультиплексор цифровых и аналоговых
сигналов, через который осуществляется коммутация сигналов двух разных интерфейсов: UART
и SPI. Переходное сопротивление ключей на полевых транзисторах в направлениях A—B1 и
A—B2 составляет 5…10 Ом. Чтобы выбрать один из двух интерфейсов UART или SPI, необходимо, чтобы АР выставил НИЗКИЙ или ВЫСОКИЙ уровень на входе S микросхемы DD1. Отключение обоих интерфейсов от АР производится ВЫСОКИМ уровнем сигнала OE;
б) аналогично Рис. 6.38, а, но с другими типами коммутируемых интерфейсов I2C и CAN.
Под каждый из них отводятся не по четыре, а по две соединительные линии. На вывод S микросхемы DD1 подаётся ВЫСОКИЙ (НИЗКИЙ) уровень, переключающий интерфейсы. Вывод OE
напрямую соединяется с общим проводом, следовательно, полностью отключить сигналы интерфейсов от АР не получится. Разумеется, в каждый момент времени может функционировать
лишь один из двух интерфейсов — или I2C, или CAN
6.20. Прочие интерфейсы
261
6.20. Прочие интерфейсы
На Рис. 6.39, а…е показаны схемы подключения к АР устройств с прочими (необычными, оригинальными, малораспространёнными) интерфейсами.
R2 10k
R3 100k
XP1
+3.3V
R2 R3
"EXTENSION"
+5V
+3.3V
VDD5
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
VDD3.3
PE0
PE1
PE2
PE3
AP
PE4
PE5
PE6
PE7
PE8
PE9
PE10
PE11
PE12
PE13
HL1
(red)
PE14
PE15
LED
R1
1k
GND
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
GND
RES
BOOT
KEY
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PC4
PC7
PL7
PL8
PL9
PL10
PL11
PL12
VDD1.8
VDD2.8
VDD2.8A
+1.8V
+2.8V(1)
+2.8V(2)
а)
R1
10k
XT1
DATA
GND
AP
+3.3V
"ON/OFF"
In Out
1 Wire
VCC
Рис. 6.39. Схемы подключения
прочих интерфейсов к АР
(начало):
б)
а) подключение к АР разъёма внешних расширений XS1. Раскладка сигналов: PEx, PBx, PCx,
PLx — одноимённые линии портов GPIO АР, RES — сброс, BOOT — бутлоудер, KEY — внешняя кнопка, LED — светодиод HL1 (может управляться извне), GND — общий провод, VDD1.8,
VDD2.8, VDD3.3, VDD5 — питание цифровых цепей, VDD2.8A — питание аналоговых цепей;
б) однопроводной интерфейс 1-Wire c двунаправленной линией DATA служит в основном для
подключения внешних датчиков. В SBC используется редко. Резистор R1 является обязательной
нагрузкой. Джампером XT1 можно оперативно отключить шину 1-Wire от АР;
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
A1
B0505S 1WR2
2
4
L1 10µH
+5V
VIN
C1
10.0
1
AP
RXD
GND
0V
R4
10k
3
"+5V"
R2 60
1
8
VDD1 VDD2
2
7
RXD
CANH
3
6
TXD
CANL
4
5
TXD
C5
0.1
+VO
DD1
ISO1050DUBR
+3.3V
C4
10.0
L2 10µH
GND1
R3 60
"GND"
"CAN H"
"CAN L"
GND2
CAN_BUS
262
C3
0.047
C2
1000 x 2kV
VD1, VD2
SMBJ6.0CA
R1 1M
+3.3V +1.8V
+3.3V
C1 0.1
DD2
AP
TFP410 (DVI D)
R1, R2
4.7k
R2
I2C
6
VCCA
OE
5
A1
4
A2
VCCB
GND
D2N
TX1P
D1P
TX1N
D1N
TX0P
D0P
GND_D0
TX0N
D0N
TXCP
CLKP
GND_CLK
DD1 TXS0102
3
GND_D2
TX2N
GND_D1
+1.8V
R1
D2P
TX2P
7
2
CLKN
TXCN
CEC
C1
8
B1
1
NC
SCL
SDA
B2
FU1 0.1A
+5V
RXEF010
GND_CEC
+5V_HDMI
HPLG
XS1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
DVI D
в)
г)
Рис. 6.39. Схемы подключения прочих интерфейсов к АР (продолжение):
в) DD1 — это гальванически изолированный драйвер интерфейса CAN. Изоляция выполнена
на кремниевых барьерах, в отличие от источника питания A1 (DC/DC-преобразователь, 5V/5V,
ток нагрузки 20…200 мА, КПД 76%), где изолирующим элементом является трансформатор;
г) схема подключения видеоинтерфейса DVI-D во многом совпадает с HDMI, включая тип
разъёма XS1. В интерфейсе DVI-D используется технология TMDS. Цифровые видеоданные обрабатываются в контроллере DD2, а режимы работы программируются от АР через шину I2C.
Преобразователь уровней 1.8/5 В выполнен на микросхеме DD1. Отличием интерфейсов HDMI
и DVI-D является невозможность передачи цифрового звука у последнего;
6.20. Прочие интерфейсы
1
2
GPIO
3
SCL
4
SDA
5
TXD2
RTS2
VCC
GND
1/0
1/0
DD1 74VHC4053AFT
12
13
2
1
5
3
11
10
9
X0
X1
Y0
Y1
Z0
Z1
A
B
C
X
Y
Z
14
AD0/AO
15
AD1/A1
4
AD2/A2
16
VCC
6
EN
7
VEE
8
GND
+3V
GND
Аналоговый и цифровой
интерфейсы ("Arduino")
AP (i.MX 6SoloX)
1/0
R1, R2
4.7k
е)
д)
+3V
+3.3V
R1 R2
I2C
AP
RXD2
CTS2
+5V
X1
"ESLOV"
USART1.2
TXD1
RTS1
DTR1
USART2.2
USART2.1
USART1.1
RXD1
CTS1
DSR1
DCD1
RI1
AP
+3.3V
263
Рис. 6.39. Схемы
подключения прочих
интерфейсов к АР
(окончание):
ж)
д) если АР поддерживает не один, а два интерфейса USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter), то каждый из них может подключаться к отдельному разъёму через
свою микросхему-драйвер. В рассматриваемом случае интерфейс USART1 содержит полный набор сигналов RS-232 для девятиконтактного разъёма DB-9, а USART2 — усечённый;
е) интерфейс ESLOV был разработан в 2015 году для модулей платформы Arduino PRO как
разновидность интерфейса I2C (сигналы SCL, SDA) с дополнительной цепью питания VCC +5 В и
цифровой аварийной линией GPIO. Все датчики и исполнительные устройства в сети ESLOV собираются в цепочку по схеме «общая шина» через кабель от разъёма X1. Для интерфейса ESLOV
разработано 25 разновидностей плат, которые позволяют конструировать систему «умный дом»
по блочному принципу [6-26]. При желании разъём X1 можно использовать для подключения
узлов со стандартным интерфейсом I2C через контакты X1:3, X1:4, X1:5 с нагрузкой в виде резисторов R1, R2. Можно также организовать однопроводную связь 1-Wire через контакты X1:2, X1:5
при соответствующей программной поддержке;
ж) некоторые АР имеют столько много контактов на корпусе, что могут позволить себе роскошь отказаться от мультиплексирования функций выводов. Например, в АР i.MX 6SoloX все
каналы АЦП выводятся на отдельные контакты, что, по замыслу разработчиков, должно снизить помехи [6-27]. Однако это создаёт проблемы при организации интерфейсов, совместимых
с Arduino, где требуется программное мультиплексирование аналоговых и цифровых сигналов.
В этом случае переключение функций производится аппаратно через мультиплексор DD1. При
НИЗКИХ уровнях на его входах A, B, C наружу выводятся цифровые сигналы с трёх линий GPIO
АР. При ВЫСОКИХ уровнях, наоборот, в АР поступают извне аналоговые сигналы на три канала
АЦП. Комбинируя сигналы на входах A, B, C, можно отдельно управлять каждым каналом
264
Глава 6. Схемы интерфейсных узлов
Список использованных источников и литературы к главе 6
6-1.
6-2.
6-3.
6.4.
6-5.
6-6.
6-7.
6-8.
6-9.
6-10.
6-11.
6-12.
6-13.
6-14.
6-15.
6-16.
6-17.
ADM3202/ADM3222/ADM1385 (Rev. E). Datasheet [Электронный ресурс] / Analog Devices, 2011. — Режим доступа: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/
data-sheets/ADM3202_3222_1385.pdf (англ.). — 15.10.2020.
UM10204. I2C-bus specification and user manual [Электронный ресурс] / NXP Semiconductors, 2014. — Режим доступа: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10204.pdf
(англ.). — 15.10.2020.
Рюмик, С. Ответы на викторину «Микроконтроллеры и интерфейс I2C» / Сергей Рюмик. // Радио. — 2019. — № 2. — С. 63–64.
I2S bus specification [Электронный ресурс] / Philips Semiconductors, 1996. — Режим
доступа: https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/I2SBUS.pdf (англ.). —
15.10.2020.
What Is PCIe? A Basic Definition [Электронный ресурс] / Scharon Harding, 2019. — Режим доступа: https://www.tomshardware.com/reviews/pcie-definition,5754.html (англ.). —
15.10.2020.
На что способен формат Mini PCI-e [Электронный ресурс] / «@foone», 2019. — Режим
доступа: https://habr.com/ru/post/444370/. — 15.10.2020.
Распиновка PCI Express 1x, 4x, 8x, 16x bus [Электронный ресурс] / «pinouts.ru», 2019. —
Режим доступа: https://pinouts.ru/Slots/pci_express.shtml. — 15.10.2020.
Ethernet Protection Methodology [Электронный ресурс] / Bill Russell, 2020. — Режим
доступа: https://blog.semtech.com/ethernet-protection-methodology (англ.). — 15.01.2022.
ENT-AN0098. AppNote. Magnetics Guide [Электронный ресурс] / Microsemi (Microchip
Technology), 2018. — Режим доступа: https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/
VPPD-01740.pdf (англ.). — 15.01.2022.
How important is the number of cores in RJ45 jacks with magnetics [Электронный ресурс] / «Electrical Engineering», 2014. — Режим доступа: https://electronics.stackexchange.
com/questions/112910/how-important-is-the-number-of-cores-in-rj45-jacks-with-magnetics
(англ.). — 15.01.2022.
Термин: Развязка гальваническая Ethernet [Электронный ресурс] / «Л Кард», 2022. —
Режим доступа: https://www.lcard.ru/lexicon/ethernet_isolation. — 15.01.2022.
JTAG Connectors and Pinout [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2022. — Режим
доступа: https://software-dl.ti.com/ccs/esd/documents/xdsdebugprobes/emu_jtag_
connectors.html (англ.). — 15.01.2022.
JTAG/MPSD Emulation [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 1994. — Режим
доступа: https://www.ti.com/lit/ug/spdu079a/spdu079a.pdf (англ.). — 15.01.2022.
AM3352 and PMIC RTC [Электронный ресурс] / Stephen Thomas, 2014. — Режим доступа: https://e2e.ti.com/support/processors-group/processors/f/processors-forum/346512/
am3352-and-pmic-rtc (англ.). — 15.01.2022.
Basics and types of TCXO | ADTCXO, DTCXO, DCXO, MCXO difference [Электронный
ресурс] / RF Wireless World, 2012. — Режим доступа: https://www.rfwireless-world.com/Terminology/Basics-and-Types-of-TCXO.html (англ.). — 15.01.2022.
Распиновка HDMI кабеля и разъёма, схема распайки контактов [Электронный ресурс] /
«2 Схемы», 2018. — Режим доступа: https://2shemi.ru/raspinovka-hdmi-kabelya-i-razyomashema-raspajki-kontaktov/. — 15.01.2022.
HDMI [Электронный ресурс] / «ВикибриФ», 2021. — Режим доступа: https://ru.wikibrief.
org/wiki/HDMI. — 15.01.2022.
Список использованных источников и литературы к главе 6
265
6-18. Что такое HDMI CEC — как использовать, объяснение [Электронный ресурс] /
Александр Стахорский, 2022. — Режим доступа: https://ru.tab-tv.com/hdmi-cec-chto-etotakoe-obzor-i-opisanie/. — 15.01.2022.
6-19. Camera Serial Interface [Электронный ресурс] / Wikipedia, 2022. — Режим доступа: https://
en.wikipedia.org/wiki/Camera_Serial_Interface (англ.). — 15.01.2022.
6-20. BT.656 Video Interface for ICs [Электронный ресурс] / Intersil, 2002. — Режим доступа:
https://mcejp.github.io/images/cs4954/8625.itu656.pdf (англ.). — 15.01.2022.
6-21. Рюмик, С. Микроконтроллеры USB. Задача 1 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. —
2007. — № 2. — С. 36–41.
6-22. Что такое USB хаб? [Электронный ресурс] / «Baseus», 2022. — Режим доступа: https://
baseus-shop.by/blog/USB hub--chto-eto. — 15.01.2022.
6-23. FE1.1s. USB 2.0 High Speed 4-Port Hub Controller [Электронный ресурс] / Terminus,
2019. — Режим доступа: https://taoic.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/7545/product/johnma_1627012225000.pdf (англ.). — 15.01.2022.
6-24. USB [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.
org/wiki/USB. — 15.01.2022.
6-25. Долгушин, С. Аппаратные USB мосты FTDI / Сергей Долгушин. // Компоненты и
технологии. — 2010. — № 4. — С. 32–36.
6-26. Комплект изобретателя ESLOV более продвинутое решение, чем Troyka-модули от
Амперки? [Электронный ресурс] / «Alex», 2016. — Режим доступа: http://www.proghouse.
ru/news/95-eslov. — 15.01.2022.
6-27. i.MX 6SoloX Automotive and Infotainment Applications Processors [Электронный ресурс] /
Terminus, 2019. — Режим доступа: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/IMX6SXAEC.
pdf (англ.). — 15.01.2022.
Глава
7
Беспроводные ВЧ-ИНТЕРФЕЙСЫ
Скоро передавать беспроводные сообщения по всему миру
станет так просто, что любой человек сможет носить
и использовать своё собственное устройство связи
(Никола Тесла)
7.1. Общие замечания
В далёком 1909 году Никола Тесла, инженер и изобретатель, работавший в то
время с Томасом Эдисоном, предположил, что когда-нибудь люди будут ходить
с беспроводными телефонами в карманах. Его предвидение сбылось меньше,
чем через 100 лет. Современные устройства мобильной связи стали неотъемлемым атрибутом жизни человека. Смартфоны теперь относятся к личным вещам, подобно одежде, обуви, украшениям.
Радиоинтерфейс (англ. air interface) — это совокупность протоколов и
процедур, определяющих порядок установления соединений и организации
связи по радиоканалу между двумя и более станциями. К беспроводным ВЧинтерфейсам диапазона 1…10 ГГц обычно относят Wi-Fi, Bluetooth, GNSS,
GSM. В платах SBC чаще встречаются первые три из них, поскольку модем сотовой связи GSM проще добавить внешний, через разъём USB.
Wi-Fi (Wireless Fidelity, рус. «беспроводная верность» [7-1]) — интерфейс беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11.
Логотип Wi-Fi разработан международным сообществом Wi-Fi Alliance.
Для работы устройств Wi-Fi отводятся следующие диапазоны: 860/900 МГц,
2.4; 3.6; 4.9; 5.0; 5.9; 6.0; 45; 60 ГГц [7-2]. Из них чаще встречаются 2.4 и 5 ГГц.
Технология Bluetooth (рус. «синий зуб»), которую разработала в 1994 году
шведская фирма «Ericsson», первоначально предназначалась не для мобильных
устройств, а для городской монорельсовой дороги с вагончиками.
Устройствам Bluetooth отводится диапазон частот 2400…2483 МГц. Вся полоса разбивается на 79 узких канальных интервалов, при этом передатчик и
приёмник синхронно «перепрыгивают» с одной канальной частоты на другую
по псевдослучайному закону [7-3]. Дальность связи зависит от мощности передатчика и чувствительности приёмника. В зависимости от версии спецификации Bluetooth 2…5 устойчивое соединение наблюдается в пределах 10…100 м.
GNSS (Global Navigation Satellite System) или ГНСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) — это общее название национальных систем
навигационных спутников. Применительно к SBC актуальными являются системы: GPS (Global Positioning System), GLONASS (GLObal NAvigation Satellite
System), Galileo, BeiDou с частотами 1561…1615 МГц и 1176…1268 МГц [7-4].
7.2. Модули GNSS
267
7.2. Модули GNSS
Спутниковые системы определения местоположения объекта (географических координат и высоты) прочно вошли в наш быт. Они применяются в навигаторах, смартфонах, видеокамерах, и вообще, могут устанавливаться на всё,
что движется. Исторически первой полнофункциональной системой стала GPS
(США, 1978 год), позже на орбиту Земли были выведены спутники других систем — GLONASS (Россия), Galileo (Европа), BeiDou (Китай), DORIS (Франция). Кроме того, в разработке находятся индийская и японская системы.
Физически модули GNSS могут быть как автономными чипами, так и входить в состав АР или комплексных беспроводных процессоров (Рис. 7.1, а, б).
XW1 MM8030 2610B
FB1
2
1
L1
2.7nH
1
C1
3 1.2pF
4
GNSS_RF_M
2
GNSS_RF_P
"1565...1606 MHz"
2
FB1 SAFFB1G58FA0FT0R14
L2 10nH
L3 10nH
4
3; 4
A1 WGR7640
(GNSS)
К портам АР
WA1
FB1 SAFFB1G56AC0F0A
+3.3V
L1
22nH
C1
18
"1574...1605 MHz"
FB1
1
4
2; 3; 5
C2
18
1
L2
5.6nH
От АР
+2.8V
DA1
BGA725L6
5
6
GND VCC
AI
PON
AO
A1 MT6631E1
(WiFi, BT, GNSS, FM)
2
3
39
GPS_RFIN
50R
К портам АР
XW1 MM58292700RJ4
а)
б)
Рис. 7.1. Схемы подключения модулей GNSS к АР:
а) ВЧ-сигналы поступают в автономный чип GNSS А1 от внутренней «печатной» антенны
WA1 или от внешней антенны, подключаемой к коаксиальному разъёму XW1. При подстыковке
внешней антенны соединение между контактами XW1:1, XW1:2 механически разрывается. Полосовой фильтр FB1 выполнен по технологии поверхностно-акустических волн SAW и рассчитан
на частоту 1575.24 МГц для систем GPS (Navstar) и BeiDou (Compass). Для системы GLONASS
(рус. ГЛОНАСС) фильтр нужен другой. После фильтрации сигнал расщепляется на две части,
образуя дифференциальную пару GNSS_RF_M, GNSS_RF_P, меньше подверженную помехам;
б) А1 — это комплексный беспроводной процессор, в состав которого входит модуль GNSS,
поддерживающий системы GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou. Основной считается система GPS, под которую и выбран фильтр FB1. Чтобы повысить чувствительность, применяется
СВЧ-усилитель на микросхеме DA1, выполненный по совмещённой кремниево-германиевой
технологии Silicon Germanium technology. Коэффициент усиления 20 дБ, уровень шума 0.65 дБ.
Активация усилителя осуществляется от АР ВЫСОКИМ уровнем сигнала PON. К разъёму XW1
подключается внешняя GPS-антенна, например из серии AM [7-5]. Она может быть пассивной
или активной. В последнем случае питание на неё поступает от цепи +3.3 В через дроссель L1
268
Глава 7. Беспроводные ВЧ-интерфейсы
7.3. Модули Wi-Fi, Bluetooth
Интерфейсы Wi-Fi и Bluetooth применительно к модулям диапазона 2.4 ГГц
имеют практически одинаковые частоты, поэтому в США, во многих странах
Европы и в России им отводится единый диапазон ISM 2400…2483.5 МГц [7-6].
Как следствие разработчики стали объединять электронные блоки обоих интерфейсов в одном корпусе с применением гибридной технологии [7-7].
Каналы Wi-Fi и Bluetooth в совмещённых чипах выполняются в виде аппаратных модулей, работающих под управлением встроенных процессоров, подключённых к АЦП и ЦАП. Антенна, как правило, используется общая, при этом коммутация радиосигналов производится аналоговыми ключами (Рис. 7.2, а…д).
Версии чипов могут отличаться набором спецификаций Wi-Fi и Bluetooth,
например: Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n, IEEE 802.11a/b/g/n, IEEE 802.11ac/c/b/n/g,
Bluetooth Single/Dual Mode/EDR/BLE, BT-2.x…5.x.
Ещё большей степенью интеграции обладают комплексные беспроводные процессоры, поддерживающие интефрейсы Wi-Fi, Bluetooth, GNSS и даже FM. В последнем случае можно прослушивать УКВ-радиостанции на частотах 76…108 МГц.
Является ли это насущной потребностью — большой вопрос, ведь те же самые радиостанции, но в большем количестве бесплатно доступны в Интернете. Однако
через канал FM можно получить доступ к современным технологиям маршрутизации звука: RDS, I2S, eSCO, A2DP, — что оправдывает его применение в чипах.
DD1 (Wi Fi)
RTL8189FTV
+3.3V
AP
In Out
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7
R1...R7 47k
WA1
C1 10
19
VDIO
7
12
WA
VD33
5
25
VDSYN
RFGND
17
SD_D0
18
ZQ1 C2 22
SD_D1
13
2 26 MHz
SD_D2
XO
14
SD_D3
15
C3 22
SD_CMD
16
3
SD_SCL
XI
20
WAKE
23
10
GND
EN
а)
Рис. 7.2. Схемы подключения модулей Wi-Fi, Bluetooth к АР (начало):
а) автономный чип Wi-Fi DD1 работает на частотах 2.400…2.4835 ГГц, поддерживает стандарт
IEEE 802.11b/g/n, обеспечивает скорость до 150 Мбит/с. Связь АР с чипом DD1 производится
через интерфейс SDIO (1.1/ 2.0/ 3.0), который включает в себя четырёхразрядную шину данных SD_D0…3, тактовый сигнал SD_SCL и сигнал передачи команд SD_CMD. Дополнительно
используется сигнал выбора кристалла EN и сигнал ожидания сети WAKE. Нагрузочные «pull-up»
резисторы R1…R7 подключаются ко всем цепям, кроме SD_SCL. Тактирование узлов чипа DD1
осуществляется от кварцевого резонатора ZQ1 на частоте 26 МГц. Антенна WA1 может быть внутренней (проводники на печатной плате) или внешней с выходом на ВЧ-разъём;
7.3. Модули Wi-Fi, Bluetooth
+3.3V
AP
R1
100k
USB 2.0
VT1 WPM2341
D+
D–
269
A1 (Wi�Fi)
RL�UM12BS�8188EUS
C1
10.0
1
3.3V
3
2
"90 Оhm"
4
R2 10k
GND
XW1
6
ANT
D+
D–
5
RFGND
б)
"+3.3V@0.2A"
DA1
AP2121AK 3.3
1
3
R1
47k
IN
OUT
EN
BP
5
C1
10.0
4
GND
C2
0.1
AP
+5V
+3.3V
(AP)
D+
D–
"ON/OFF"
4
VCC
2
D+
3
D–
1
R2
10k
2
A1 (Wi Fi)
RL UM12BS 8188ETV
GND
WA
AGND
5
6
WA1
L1
1.5nH
C3
0.5pF
в)
A1 (Wi Fi)
FN 8112MET
FB1
220R
+3.3V
AP
D+
D–
1
C1
C2
VCC
3
D+
2
D–
C1 10.0
C2 0.1
4
WA1
GND
WA
AGND
6
L1
5
г)
Рис. 7.2. Схемы подключения модулей Wi-Fi, Bluetooth к АР (продолжение):
б) A1 — это высокоинтегрированный однокристальный модуль, обеспечивающий связь через интерфейс Wi-Fi на частоте 2.4 ГГц со скоростью до 150 Мбит/с. На его печатной плате размерами 13 x 12.2 мм находится чип Wi-Fi RTL8188ETV с кварцевым резонатором и элементами
обвязки. Нумерация контактов модуля A1 на разных схемах может отличаться, т. к. в даташите
[7-8] она приводится лишь в виде рисунка печатной платы с указанием названий сигналов.
Модуль А1 по физической сути является аналогом компьютерного «свистка» Wi-Fi, вставляемого в разъём USB ПК. Напряжение питания на модуль A1 подаётся через ключ на транзисторе
VT1, который включается и выключается с выхода АР. Отключение модуля полезно для экономии энергии и для уменьшения ВЧ-излучений;
в) аналогично Рис. 7.2, б, но с отключаемым стабилизатором напряжения DA1;
г) аналогично Рис. 7.2, б, но без транзисторного ключа по питанию, с антенным дросселем L1
и с другим типом однокристального модуля WI-Fi A1, в котором применяется чип RTL8188ETV.
По параметрам он аналогичен чипу RTL8188EUS, но имеет на одну доступную линию GPIO
меньше, что в данном случае не принципиально;
270
Глава 7. Беспроводные ВЧ-интерфейсы
+3.3V
R1...R3 10k
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8
WA1
DD1 AP6212
(Wi Fi, BT, FM)
R4...R8 51k
22
VCC WIFI IO
C1 10
WA
2
"50 Ohm"
AP
R9 22
18
19
14
15
16
17
12
25
26
27
28
44
43
42
41
34
24
6
WF_D0
XTOUT
WF_D1
WF_D2
WF_D3
XTIN
WF_CMD
WF_CLK
WF_REG_ON
GND
BT_D0UT
BT_CLK
LDO_OUT
BT_DIN
BT_SYNC
LDO
BT_CTS
BT_RX
BT_TX
WF_WAKE
BT_RTS
BT_RES_N BT_WAKE
AP CK32KO
AP_WAKE_BT
ZQ1 C2 22
26 MHz
11
10
R10
100
C3 22
1; 3; 20; 31; 33; 36
L1
4.7µH@0.8A C4 4.7
21
23
13
7
PMIC
(POWER)
д)
Рис. 7.2. Схемы подключения модулей Wi-Fi, Bluetooth к АР (окончание):
д) DD1 — это комплексный беспроводной процессор с совмещёнными интерфейсами Wi-Fi,
Bluetooth, FM. Сигналы, начинающиеся с букв «WF», относятся к каналу Wi-Fi, при этом для
связи с АР используется интерфейс SDIO (100…200 Мбит/с). Сигналы, начинающиеся с букв
«BT», относятся к каналу Bluetooth, при этом используется интерфейс UART/PCM. Антенна WA1
обслуживает оба ВЧ-тракта: и Wi-Fi, и Bluetooth. Это возможно, поскольку у них общий диапазон частот 2.4 ГГц с небольшой разницей в несущих: 2400…2483.5 МГц (Wi-Fi), 2402…2480 МГц
(Bluetooth). Волновое сопротивление подводящих проводников к антенне должно быть 50 Ом.
Работа всех узлов чипа DD1 синхронизируется кварцевым резонатором ZQ1 частотой 26 МГц. От
него путём умножения частоты формируются «дециметровые» ВЧ-сигналы диапазона 2.4 ГГц.
Для справки: автономные модули Bluetooth (без WI-Fi) часто применяются в шилдах и платах с МК, но в платах с АР (SBC) они отдельно от Wi-Fi практически не встречаются. Причина в
более позднем появлении SBC, когда технологические достижения позволили встраивать радиоканал Bluetooth в общий комплексный чип, учитывая одинаковый диапазон частот и схожий алгоритм формирования сигналов. Универсальный чип с набором интерфейсов Wi-Fi, Bluetooth,
FM, GNSS получается компактнее в габаритах и дешевле в изготовлении.
Варианты: выводы A1:25…A1:28 свободные (они не подключаются к АР), L1 = 3.3µH@0.7A,
WA1 — малогабаритная керамическая или штампованная металлическая (Metal Stamping) SMDантенна, запаиваемая на печатную плату SBC
7.4. Антенные системы
271
7.4. Антенные системы
Антенные системы беспроводных ВЧ-интерфейсов (Рис. 7.3, а…и) представляют интерес с точки зрения ремонтных операций. Действительно, сами модули
или чипы Wi-Fi, Bluetooth, GNSS восстановлению практически не подлежат, но
неполадки в их антенном тракте достаточно легко выявить и устранить.
DD1 AP6335
(Wi Fi, BT, FM)
WA
WA1 AN6520
C1 10
DD1 AP6212
(Wi Fi, BT, FM)
XW1
2
WA
50R
C2 10
C1 10
50R
б)
а)
DD1 WCN3620
(Wi Fi, BT, FM)
RFIO
XW1
2
XW1
MM8030 2610B
"2400...2500 MHz"
FB1
C1 18
2
4
5
50R
WA1
2
1
1; 3
L1
2.7nH
3; 4
FB1 BF1411 L2R4NCAB/LF
в)
DD1 WM BN BM 04
(Wi Fi, BT)
RFIO
”2400...2500 MHz”
FB1
4
5
L1
3.8nH
C1
10
WA1
1
2; 3; 5
L2
3.8nH
FB1 SAFEA2G45MA0F0A
г)
Рис. 7.3. Антенные системы беспроводных ВЧ-интерфейсов (начало):
а) на антенный разъём XW1 выводятся радиосигналы интерфейсов Wi-Fi, Bluetooth в диапазоне 2.4 ГГц от чипа DD1. Волновое сопротивление тракта и печатных проводников 50 Ом.
УКВ-антенна для интерфейса FM подключается отдельно, через другие выводы чипа DD1;
б) чип-антенна WA1 подключается параллельно разъёму для внешней антенны XW1. Размеры антенны WA1 6.5 x2.2 x 1.0 мм, диапазон 2.4 ГГц, рабочая полоса 200 МГц, почти круговая
диаграмма направленности, волновое сопротивление 50 Ом, пиковая мощность не более 3 Вт.
Варианты: C1 закорочен (антенна WA1 подключается напрямую к DD1:2), XW1 = NC;
в) полосовой керамический фильтр FB1 рассчитан на диапазон 2.4 ГГц Wi-Fi и Bluetooth. Потери в полосе пропускания 1.8 дБ, потери за полосой более 10 дБ, волновое сопротивление входного и выходного трактов 50 Ом. Разъём XW1 имеет встроенный переключатель, который в нижнем положении подключает внешнюю, а в верхнем — внутреннюю «печатную» антенну WA1;
г) FB1 — это полосовой фильтр диапазона ISM2.4G, выполненный по технологии SAW (русская аббревиатура ПАВ — поверхностные акустические волны);
272
Глава 7. Беспроводные ВЧ-интерфейсы
WA1
ANT016008LCD2442MA1
DD1 WL1831MOD
(Wi Fi, BT)
2G4_ANT1
C1 10
C3 36
A
32
2.4G
L1
1.2nH
C2
10
L1 744784012A
B1
5G
B2
C4
2pF
C5
0.3pF
XW1
U.FL R SMT(01)
д)
DD1 WL1837MOD
(Wi Fi, BT)
WiFi_RF
WA1 (Wi Fi)
C1 2.4pF
1
18
50R
L1
2.2nH
L2
1.8nH
WA2 (Bluetooth)
C2 1pF
Bluetooth_RF
2
1
32
50R
WA1, WA2 W3006 (PulseLarsen)
2
L3
1.5nH
е)
DD1 AP6356S
(Wi Fi x 2, BT)
WiFi 5GHz
C1 10
2
"WF 5 GHz"
50R
WiFi 2.4GHz
C2 10
9
XW2
"WF 2.4 GHz"
50R
BT 2.4GHz
XW1
C3 10
48
50R
XW3
"BT 2.4 GHz"
XW1... XW3 ECT818000071
ж)
Рис. 7.3. Антенные системы беспроводных ВЧ-интерфейсов (продолжение):
д) к ВЧ-выходу 2G4_ANT1 чипа DD1 подключается супермалогабаритная внутренняя керамическая антенна WA1 или внешняя антенна через разъём XW1. Антенна WA1 двухдиапазонная с
рабочими частотами 2400…2484 МГц и 5150…5850 МГц. Её размеры 1.6 x 0.8 мм (тип 0603);
е) беспроводной чип DD1 имеет отдельные выходы на антенну Wi-Fi и на антенну Bluetooth.
Элементы C1, C2, L1…L3 служат ФВЧ. Керамические чип-антенны WA1, WA2 применяются одинаковые, поскольку частотный диапазон 2400…2500 МГц охватывает оба ВЧ-интерфейса;
ж) к чипу Wi-Fi DD1 могут подлючаться сразу три антенны — две антенны XW1, XW2 для интерфейсов Wi-Fi 2.4 ГГц, Wi-Fi 5 ГГц и одна антенна для интерфейса Bluetooth 2.4 ГГц. Разъёмы
XW1…XW3 для унификации выбраны одинаковые, т. к. граничная частота у них 6 ГГц;
7.4. Антенные системы
"2400...2500 MHz"
DD1 MT6631 E1
(Wi Fi, BT, GPS, FM)
WB_RF_2G
FB1
21
1
50R
3
2; 4
C1 20
WB_RF_5G
A1
DPX165950DT 8048A1
3
LOW
2; 4; 6
1
34
COM
WA1 (TDK)
ANT016008LCD2442MA1
C2 12
2; 4
5
L1
1.2nH C3
2.7pF
HIGH
273
50R
2.4G
5.5G
1
3
C4
1.5pF
XW1
MM5829 2700RJ4
FB1 DEA162450BT 1288B2
з)
A1
SARAR410
(4G LTE, EGPRS)
ANT
ANT_DET
GND
L1 39nH
WA1
C1 15
C2
33
R1 10k
L1
68nH
XW1
56
62
L2
68nH
C3
27
60
VD1 PESD0402140
C4
22
R2
15k
Плата антенны
и)
Рис. 7.3. Антенные системы беспроводных ВЧ-интерфейсов (окончание):
з) комплексный беспроводной процессор DD1 имеет отдельные выходы для сигналов в двух
каналах: 2.4 ГГц (2G) и 5.5 ГГц (5G). Канал 2G предназначен для интерфейсов Wi-Fi и Bluetooth в
диапазоне 2.4 ГГц. Канал 5G — только для Wi-Fi в диапазоне 5 ГГц. Полосовой фильтр FB1 имеет потери в полосе прозрачности 1 дБ. Диплексер A1 (Multilayer Diplexer) является пассивным
элементом, который мультиплексирует и демультиплексирует сигналы разных частот, после чего
выдаёт их на внутреннюю двухчастотную антенну WA1 и параллельно на ВЧ-разъём XW1. Диплексер работает в оба направления: разделяя сигналы на приёме и объединяя их на передаче;
и) разъём XW1 рассчитан на подключение внешней антенны к модулю A1 SARA-R410M-02B,
который поддерживает сотовую связь 4G LTE/EGPRS. Особенность: наличие входа ANT_DET
узла обнаружителя выносной антенны. Чтобы обнаружитель работал, на плате внешней антенны
должны быть установлены дополнительные элементы L2, R2 [7-9]. Обнаружение факта подключения антенны к разъёму XW1 основано на измерении суммарного сопротивления резисторов
R1, R2. Принцип работы. Внутри модуля A1 к выводу ANT_DET подключаются вход канала АЦП
и выход генератора стабильного тока 35 мкА. Этот ток, протекая через элементы R1, L1, XW1, L2,
R2 и цепь GND, создаёт напряжение, которое оцифровывается в АЦП и математически преобразуется в сопротивление 1…53 кОм [7-10]. При подключённой антенне WA1 должно получаться сопротивление Rx[кОм] = R1[кОм] + R2[кОм] = 10 + 15 = 25 кОм (сопротивления дросселей
L1, L2 и кабельного тракта считаются нулевыми). При КЗ в антенном кабеле сопротивление
будет получаться Rx = R1 = 10 кОм, а при обрыве в кабеле или отсутствии антенной платы —
Rx = 53 кОм (это программное ограничение во внутреннем регистре модуля A1)
274
Глава 7. Беспроводные ВЧ-интерфейсы
Список использованных источников и литературы к главе 7
7-1. Six Wi-Fi Interoperability Certifications Awarded By The Wireless Ethernet Compatibility
Alliance (WECA) [Электронный ресурс] / Wi-Fi Alliance, 2000. — Режим доступа:
https://www.wi-fi.org/news-events/newsroom/six-wi-fi-interoperability-certificationsawarded-by-the-wireless-ethernet (англ.). — 15.01.2022.
7-2. List of WLAN channels [Электронный ресурс] / Wikipedia, 2022. — Режим доступа:
https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_WLAN_channels (англ.). — 15.01.2022.
7-3. Рюмик, С. Планшет, Android и МК. Ракурс 7 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. —
2014. — № 11-12. — С. 38–42.
7-4. Спутниковая система навигации [Электронный ресурс] / Википедия, 2021. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковая_система_навигации/. —
15.01.2022.
7-5. Internal Antenna Modules [Электронный ресурс] / Unictron, 2022. — Режим доступа:
https://www.unictron.com/wireless-communications/product-category/internal-antennamodules/1 (англ.). — 15.01.2022.
7-6. Особенности применения радиоканальных устройств малого радиуса действия в диапазоне частот 2400…2483.5 МГц [Электронный ресурс] / В. Григорьев,
И. Хворов, 2019. — Режим доступа: http://secuteck.ru/articles2/firesec/osobennostiprimeneniya-radiokanalnyh-ustroystv-malogo-radiusa-deystviya-v-diapazone-chastot. —
15.01.2022.
7-7. Рюмик, С. Микроконтроллеры Wi-Fi. Сеанс 2 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. —
2016. — № 7-8 (268). — С. 44–45.
7-8. RL-UM12BS V1.0. Product Specifications [Электронный ресурс] / HK Nater Tech,
2014. — Режим доступа: https://datasheetspdf.com/pdf-file/846845/NATER/RLUM12BS-8188EUS/1 (англ., кит.). — 15.01.2022.
7-9. SARA-R4 series. System manual [Электронный ресурс] / u-blox, 2022. — Режим доступа: https://content.u-blox.com/sites/default/files/SARA-R4_SysIntegrManual_
UBX-16029218.pdf (англ.). — 15.01.2022.
7-10. SARA-R4 series. AT commands manual [Электронный ресурс] / u-blox, 2022. — Режим доступа: https://content.u-blox.com/sites/default/files/SARA-R4_ATCommands_
UBX-17003787.pdf (англ.). — 15.01.2022.
Глава
8
Хранение информации
Прошлое, хранящееся в памяти,
есть часть настоящего.
(Тадеуш Котарбиньский)
8.1. Микросхемы памяти EEPROM
На Рис. 8.1, а, б показаны схемы подключения микросхем EEPROM к АР. Эти
микросхемы имеют малый объём памяти и небольшие габариты корпуса. Они
предназначены для хранения информации, которая не исчезает при выключении
питания, например констант, коэффициентов, маркеров режима работы и т. д.
A1
A2
GND
8
7
WP
6
SCL
5
FB1
+3.3V
120R
C1
0.1
VCC
AP
A0
R1 R2
2k 2k
I2C
1
2
3
4
EEPROM (16K)
DS1
AT24C16B
SDA
а)
A1
A2
GND
8
7
WP
6
SCL
5
AP
A0
VCC
I2C
1
2
3
4
EEPROM (256K)
DS1
CAT24C256W
R1 R2 R3 +3.3V
4.7k 2.2k 2.2k
SDA
б)
Рис. 8.1. Схемы подключения микросхем EEPROM к АР:
а) микросхема памяти DS1 имеет объём 16 кбит и структуру 2К x 8. Соединяется с АР через интерфейс I2C. Резисторы R1, R2. служат стандартной нагрузкой шины. Фильтр на элементах FB1,
C1 снижает ВЧ-помехи в цепи питания. Варианты: FB1 = 0, DS1 = AT24C08BN, R1 = R2 = 1k;
б) аналогично Рис. 8.1, а, но с более ёмкой микросхемой памяти DS1 (объём 128 кбит, структура 16К x 8) и с использованием сигнала запрета записи WP, чтобы случайно не стереть важную
информацию. Варианты: DS1 = 24LC256
276
Глава 8. Хранение информации
8.2. Микросхемы памяти SPI-NOR Flash
Микросхемы Flash-ПЗУ отличаются от микросхем EEPROM тем, что запись и
стирание информации производятся не для каждой ячейки отдельно, а для большого блока ячеек, сконфигурированных в сектора и страницы. Микросхемы ПЗУ
NOR-Flash c последовательным интерфейсом SPI [8-1] характеризуются малым
количеством выводов, но достаточно большим объёмом памяти (Рис. 8.2, а…г).
R1 R2 R3
+3.3V
1
CS
2
DO
3
WP
4
SPI MISO
SPI CS
GND
DIO
SPI CS
R3
в)
VSS
R4
R5
R6
1
CSn
2
DQ1
3
DQ2
4
8
7
DQ3
6
SCK
5
VCC
DQ0
R3...R6
22
AP
1/0
VDD
SI
+3.3V
DS1
S25FL128SAGNFI001
QSPI 2
QSPI 3
QSPI 1
In Out
DATA
R2
10k
R1 100k
SPI NOR (128M)
8
7
HLD
6
SCK
5
+3.3V
AP
SPI NOR (16M)
SPI MOSI
б)
DS1
VSS
SPI CLK
8
VCC
7
HLD
6
CLK
5
AP
AP
SPI CLK
DS1
SST25VF016B 50 4C S2AF
1
CE
2
SO
3
WP
4
+3.3V
DS1
GD25Q128CS
а)
R1
10k
R4 R5 R6
SPI MISO
DQ0
8
7
6
5
SPI MOSI
VSS
SPI NOR (32M)
DS1 M25P32
1
S
VCC
2
DQ1
HLD
3
W
C
4
R1...R6 10k
SPI NOR (128M)
R1 10k
QSPI 0
R2 22
г)
Рис. 8.2. Схемы подключения микросхем памяти SPI-NOR Flash к АР:
а) DS1 — микросхема последовательной памяти SPI-NOR Flash из популярной серии «25»,
изготавливаемой разными фирмами под разными названиями. Имеет объём 32 Мбита и стандартный четырёхпроводной SPI-интерфейс. Быстродействие зависит от тактовой частоты сигнала SPI-CLK (до 50 МГц). Варианты: R = 200k между DS1:3 и DS1:8, R = 10k между DS1:7 и DS1:8;
б) особенность: нагрузочные резисторы R1…R6 устанавливаются абсолютно по всем информационным выводам микросхемы DS1 (серия «25», объём 128 Мбит, структура 16M x 8);
в) особенность: «антизвонные» резисторы R3…R6, применение которых актуально при большой тактовой частоте SCK. Варианты: R4 = R5 = R6 = 0, DS1 = SST25VF016B-75-4I-QAF;
г) микросхема памяти DS1 на программно-аппаратном уровне поддерживает следующие режимы чтения данных: Normal, Fast, Dual, Quad, Fast DDR, Dual DDR, Quad DDR. Используются
двунаправленные линии ввода/вывода DQ0…3. Резистор R1 запрещает работу микросхемы DS1
при сбросе АР. Резистор R2 устраняет «звон» на фронтах тактовых импульсов, частота которых
может достигать 50…104 МГц в зависимости от режима чтения данных
8.3. Микросхемы памяти NAND Flash
277
8.3. Микросхемы памяти NAND Flash
На Рис. 8.3, а, б показаны схемы подключения микросхем памяти NAND Flash
к АР. Они имеют сверхбольшой объём памяти — вплоть до 256 Гбит, что больше,
чем у NOR Flash. Такие микросхемы благодаря интеллектуальной системе команд
управления являются основой для построения твёрдотельных SSD-накопителей.
+3.3V
DS1 H27UCG8T2BTRBC
R1 10k
R2 10k
19
IO0
IO1
IO2
IO3
IO4
IO5
IO6
IO7
NAND Flash (64G)
AP
7
R/B
8
RE
9
CE
16
CLE
17
ALE
18
WE
29
30
31
32
41
42
43
44
12; 37
VCC
1; 24
NC
2; 23; 25; 48
NC
13; 36
VSS
WP
C1
0.1
+3.3V
а)
AP
R4...R10
22
R1...R3
47k
7
8
9
16
17
18
19
R/B
RE
CE
CLE
ALE
WE
WP
NAND Flash (2G)
DS1
MT29F2G08ABAEAWP:E
+3.3V
IO0
IO1
IO2
IO3
IO4
IO5
IO6
IO7
29
30
31
32
41
42
43
44
R11...R18
22
12; 37
VCC
34; 39
VCC
13; 36
VSS
25; 48
VSS
Рис. 8.3. Схемы
подключения микросхем
NAND Flash к АР:
+3.3V
б)
а) DS1 — это микросхема NAND Flash с объёмом памяти 64 Гбита и организацией 8 192M x8.
Резистор R1 и цепочка R2, C1 запрещают запись данных при начальном включении питания.
Линии адреса мультиплексированы с линиями шины данных IO0…7, что уменьшает число выводов и делает возможным переход к микросхемам большей ёмкости без замены печатной платы.
Варианты: DS1 = H27UBG8T2BTR (объём 32 Гбита), R = 10k между DS1:9 и DS1:12;
б) особенность: «антизвонные» резисторы R4…R18. Нумерация контактов, названия сигналов и тип корпуса TSOP-48 у микросхемы DS1 являются унифицированными для NAND Flash.
Но в таком же корпусе бывают и микросхемы NOR Flash, которые не годятся на замену [8-2]
278
Глава 8. Хранение информации
8.4. Микросхемы памяти SDRAM
8.4.1. Общие схемы подключения
Микросхемы SDRAM (Sinchronous Dynamic Random Acces Memory) составляют основу ОЗУ современных процессорных систем. По отношению к АР они являются внешними. Под интерфейс SDRAM обычно отводится специальный блок
выводов АР с легко узнаваемыми названиями. Динамическая регенерация данных
производится автоматически в самих микросхемах SDRAM, т. к. они относятся к
синхронным динамическим ОЗУ, для нормальной работы которых требуется периодически (т. е. динамически) подзаряжать внутренние ёмкости ячеек памяти.
Достоинство микросхем SDRAM заключается в большом объёме памяти, высоком быстродействии, компактном корпусе и низкой стоимости.
На Рис. 8.4, а…в приведены общие схемы включения, деталировка — далее.
A0
AP
A15
R1 10k
R2 10k
+VREF
+1.35V
"+0.675V"
DS1
MT41K256M16HA 125:E
N3
E3
DQ0
A0
M7
DQ15
A15
M2
BA0
N8
BA1
M3
BA2
L3
WE
J3
RAS
K3
CAS
L2
CS
K9
CKE
K1
ODT
T2
RESET
M8
VREFCA
H1
VREFDQ
18
VDD
21
GND
DDR3L SDRAM (4G)
+1.35V
CK
CK
ODT1
CS1
CKE1
DQSL
DQSL
DQSU
DQSU
DML
DMU
ZQ1
ZQ
A3
J7
K7
J1
L1
J9
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L9
L8
D0
D15
R3 470
R6 10k
C1
C2
C1, C2
22
R4 240.0
R5 240.0
а)
Рис. 8.4. Схемы подключения микросхем SDRAM к АР (начало):
а) DS1 — это низковольтная версия ОЗУ SDRAM, на что указывает буква «L» в конце названия DDR3L и пониженное напряжение питания 1.35 В вместо 1.5 В. Объём памяти 4 Гбита,
разрядность шины данных 16 бит (DQ0…15), имеется восемь банков памяти (32M x16 x8). Скорость на шине не более 1600 Мбит/с. Корпус FBGA-96. Варианты: C1 = C2 = R1 = R2 = R8 = NC,
R3 = 100, R4 = 100 = 330, R5 = 100 = NC, DS1 = K4B4G1646Q-HYK0 = K4B2G1646B-HCH9 =
MEM4G08D3EABG-125 = MEM4G16D3EABG-125;
8.4. Микросхемы памяти SDRAM
279
DS1
K4E8E304EE EGCE
A0
R2
A9
C2
+1.8V
L8
G8
P8
D8
P10
P11
D10
D11
AP
+0.6V
+1.2V
+1.8V
H4; J11
42
10
56
CA0
DQ0
CA9
DQ31
DM0
DM1
DM2
DM3
QS2_T
QS2_C
QS3_T
QS3_C
VREF
VDDQ
VDD
GND
LPDDR3 SDRAM (8G)
+1.2V
CK_T
CK_C
CKE0
CKE1
CS0_N
CS1_N
QS0_T
QS0_C
QS1_T
QS1_C
ODT
ZQ0
ZQ1
P9
D0
B8
D31
J3
J2
K3
K4
L3
L4
L10
L11
G10
G11
J8
B3
B4
R1 100
R2 240.0
R3 240.0
б)
Рис. 8.4. Схемы подключения микросхем SDRAM к АР
(продолжение):
б) DS1 — это микросхема памяти LPDDR3 объёмом 8 Гбит (256M x32), которая применяется в
мобильных устройствах и имеет 32-разрядную шину данных D0…31 с пропускной способностью
1600 Мбит/с. Корпус FBGA-178. Применяется двойное питание: +1.8 В (для периферийных
буферов) и +1.2 В (для ячеек памяти). Назначение выводов микросхемы: CA0…9 — шина адреса;
DQ0…31 — шина данных; DM0…3 — маска записи входных данных; CS0_N, CS1_N — сигналы
выбора кристалла двух банков памяти; ODT (On-Die Termination) — сигнал включения и отключения нагрузки на шине данных; CK_T, CK_C — дифференциальные противофазные тактовые
сигналы; CKE0, CKE1 — входы активации внутренних тактовых сигналов, буферов и драйверов;
QS2_T, QS2_C, QS3_T, QS3_C — стробирование данных; ZQ0, ZQ1 — выводы для подключения
однопроцентных калибровочных резисторов двух банков памяти; VREF — эталонное напряжение +0.6 В, равное половине напряжения питания +1.2 В, используемое в работе входных и
выходных буферов шин адреса и данных. Особенность: большое количество запараллеленных
выводов силовой части;
Глава 8. Хранение информации
+1.35V
DS1
N3
A15
M7
AP
A0
A0
DQL0
A15
DQL15
M2
BA0
N8
BA1
M3
BA2
L3
VREF
WE
J3
RAS
K3
CAS
L2
CS
K9
CKE
K1
ODT
T2
RESET
M8
VREFCA
"+0.675V"
H1
+VREF
VREFDQ
18
+1.35V
VDD
21
GND
DDR3 SDRAM (4G)
280
CK
CK
ODT1
CS1
CKE1
DQSL
DQSL
DQSU
DQSU
DML
DMU
ZQ1
ZQ
E3
D0
A3
D15
J7
K7
J1
L1
J9
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L9
L8
DQL0
DDR3 SDRAM (4G)
DS2
DS1, DS2
K4B4G1646Q HYK0
(Samsung, FBGA 96)
R1 100
R2...R5 240.0
DQL15
DQSL
DQSL
DQSU
DQSU
DML
DMU
ZQ1
ZQ
R1
SDQS0P
SDQS0N
SDQS1P
SDQS1N
SDQM0
SDQM1
R2
R3
E3
D16
A3
D31
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L9
L8
SDQS2P
SDQS2N
SDQS3P
SDQS3N
SDQM2
SDQM3
R4
R5
в)
Рис. 8.4. Схемы подключения микросхем SDRAM к АР (продолжение):
в) DS1, DS2 — это микросхемы ОЗУ DDR3 SDRAM с организацией 256M x 16 и суммарным
объёмом памяти 8 Гбит (1 ГБ). Шина адреса А0…15 общая, а шины данных DQL0…15 раздельные, поэтому АР может оперировать с 32-разрядной информацией D0…31. Сигналы управления, тактирования и питания у обеих микросхем запараллелены. Исключение составляют шесть
сигналов SDQSx, SDQMx. Буквы «P» и «N» в их названиях означают дифференциальные пары
сигналов (повышение помехоустойчивости). Основная тактовая частота подаётся на выводы CK
и CK микросхем DS1, DS2. Остальные сигналы привязываются к их переднему и заднему фронтам. Резистор R1 является согласующим, что важно при работе на максимальной скорости шины
1333 Мбит/с. На входы VREFCA, VREFDQ обеих микросхем, а также на вход VREF АР поступает
напряжение, равное половине питания 1.35 В. Однопроцентные резисторы R2…R5 участвуют в
процессе автокалибровки микросхем DS1, DS2;
8.4. Микросхемы памяти SDRAM
+1.35V
281
DS1
J7
VREF
+0.675V
+1.35V
DQ0
A15
DQ7
J2
BA0
K8
BA1
J3
BA2
H3
WE
F3
RAS
G3
CAS
H2
CS
G9
CKE
G1
ODT
N2
RESET
M8
VREFCA
E1
VREFDQ
13
VDD
17
GND
DDR3 SDRAM (4G)
A15
A0
CK
CK
ODT1
CS1
CKE1
DQS
DQS
DM
ZQ1
ZQ
B3
D0
E7
D7
DS2
DS1...DS4
K4B4G0846Q HYK0
(Samsung, FBGA 78)
DQ7
DQS
DQS
DM
DDR3 SDRAM (4G)
R1 100
R2, R3 240.0
DS2:H8, DS2:H9,
DS3:H8, DS3:H9,
DS4:H8, DS4:H9
connected by GND
accross 240 Ohm
SDQS0
SDQS0B
SDQM0
R2
R3
B3
D8
E7
D15
F3
G3
B7
SDQS1
SDQS1B
SDQM1
DQ0
DS3
R1
F7
G7
F1
H1
F9
F3
G3
B7
H9
H8
DQ0
DDR3 SDRAM (4G)
K3
AP
A0
DQ7
DQS
DQS
DM
B3
D16
E7
D24
F3
G3
B7
SDQS2
SDQS2B
SDQM2
DQ0
DDR3 SDRAM (4G)
DS4
DQ7
DQS
DQS
DM
B3
D25
E7
D31
F3
G3
B7
SDQS3
SDQS3B
SDQM3
Рис. 8.4. Схемы
подключения
микросхем SDRAM
к АР (продолжение):
г)
г) аналогично Рис. 8.4, в, но c четырьмя микросхемами ОЗУ DDR3. Организация памяти
512M x 8, общий объём 16 Гбит (2 ГБ). Число сигналов на шине данных уменьшено в два раза.
Варианты: DS1…DS4 = K4B1G0846E (другая цоколёвка выводов), R4 = R6 = R8 = R10 = NC;
1
Глава 8. Хранение информации
+1.5V
DS1
A15
M7
A0
DQ0
A15
DQ15
M2
BA0
N8
BA1
M3
BA2
L3
WE
J3
RAS
K3
CAS
R1 10k
L2
CS
K9
CKE
K1
ODT
T2
RESET
M8
VREFCA
"+0.75V"
H1
+VREF
VREFDQ
18
+1.5V
VDD
21
GND
DS2
DS1...DS4
H5TQ2G63DFR H9C
(Hynix, FBGA 96)
D0
E3
A3
D15
DQ0
DQ15
CK
CK
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
R3
D16
A3
D31
J7
K7
F3
G3
C7
B7
E7
D3
CLK1
CLK1B
SDQS3
SDQS3B
SDQS2
SDQS2B
DQM3
DQM2
DQ15
CK
CK
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
DDR3 SDRAM (2G)
D32
E3
A3
D47
J7
K7
F3
G3
C7
B7
E7
D3
DQ0
DS4
CLK1
CLK1B
SDQS0
SDQS0B
SDQS1
SDQS1B
DQM0
DQM1
E3
DQ0
DS3
DS2:L8, DS3:L8,
DS4:L9 connected
by GND accross
240 Ohm
R2
J7
K7
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L8
CK
CK
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
ZQ
DDR3 SDRAM (2G)
R2, R4 200
R3 240.0
DDR3 SDRAM (2G)
N3
DDR3 SDRAM (2G)
A0
AP
282
DQ15
CK
CK
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
R4
CLK0
CLK0B
SDQS4
SDQS4B
SDQS5
SDQS5B
DQM4
DQM5
E3
D48
A3
D63
J7
K7
F3
G3
C7
B7
E7
D3
CLK0
CLK0B
SDQS7
SDQS7B
SDQS6
SDQS6B
DQM7
DQM6
д)
д) особенность: суммарная 64-разрядная шина данных D0…63;
Рис. 8.4. Схемы
подключения
микросхем SDRAM к
АР (продолжение):
8.4. Микросхемы памяти SDRAM
+1.5V
DS1
N3
"A0...A15"
DQ0
E3
S0DQ0
"D0...D15"
M7
A15
M2
BA0
N8
BA1
M3
BA2
L3
WE
J3
RAS
K3
CAS
L2
CS
K9
CKE
K1
ODT
T2
RESET
M8
VREFCA
"+0.75V"
H1
VREFDQ
18
VDD
21
GND
S0BA0
S0BA1
S0BA2
S0WE
S0RAS
S0CAS
S0CS0
S0CKE0
S0ODT0
S0RST
DS2
R1 100
R2, R3 240.0
DS1...DS4
H5TQ4G63AFR PBC
(Hynix, FBGA 96)
DDR3 SDRAM (4G)
AP
S0A15
A0
DQ15
CK
CK
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
ZQ
A3
S0DQ15
SOCK
SOCKB
S0DQS3
S0DQSB3
S0DQSB1
S0DQSB1
S0DQM3
S0DQM1
R2
B3
S0DQ16
"D16...D31"
DQ15
LDQS
LDQS
UDQS
UDQS
LDM
UDM
ZQ
A3
S0DQ31
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L8
S0DQS2
S0DQSB2
S0DQSB0
S0DQSB0
S0DQM2
S0DQM0
R3
S1A0
R4 100
R5, R6 240.0
R1
J7
K7
F3
G3
C7
B7
E7
D3
L8
DQ0
DDR3 SDRAM (4G)
S0A0
+VREF
+1.5V
283
S1DQ0
DS3, DS4, R4...R6
S1A15
S1BA0
S1RST
S1DQ31
S1CK
S1DQM0
е)
Рис. 8.4. Схемы подключения микросхем SDRAM к АР (окончание):
е) микросхемы памяти DDR3 SDRAM разделяются на два одинаковых и полностью независимых блока: DS1, DS2 и DS3, DS4. В каждом блоке имеются свои запараллеленные шины адреса
S0A0…15 и S1A0…15, а также объединённые 32-разрядные шины данных S0DQ0…15 и S1DQ0…15.
Это позволяет подключать к двум блокам памяти разные ядра АР или оперировать с одной суммарной 64-разрядной шиной данных
284
Глава 8. Хранение информации
8.4.2. Тактовые сигналы CK
От частоты тактовых сигналов CK (ClocK) зависит скорость передачи данных в
микросхемах SDRAM (Рис. 8.5, а, б). Типовые тактовые частоты для микросхем со
структурами DDR…DDR4 составляют 100…1600 МГц [8-3].
DS1 GT8UB256M8BN
C1 10
R1 22
J7
K7
CK
CK
DS1 MT41K256M16HA 125:E
CK
CK
J7
K7
R2 22
б)
а)
Рис. 8.5. Схемы подключения сигналов CK в микросхемах SDRAM:
а) вместо одного параллельного резистора между цепями CK и CK ставятся два последовательных резистора R1, R2, которые выполняют функцию улучшения формы импульсов;
б) особенность: конденсатор C1, устраняющий выбросы на фронтах импульсов. Варианты: вместо конденсатора устанавливается резистор R = 100 = 200; DS1 = H5TQ2G63DFR-H9C
(128M x16) = MT41K128M16JT-125:K = H5TQ2G63DFR-H9C (128M x16)
8.4.3. Цепь автокалибровки ZQ
Микросхемы SDRAM ввиду высоких тактовых частот нуждаются в периодической калибровке выходных уровней драйверов шины данных [8-4]. Для этих целей нужны высокоточные резисторы, подключаемые к цепям ZQ (Рис. 8.6, а…в).
DS1 MT41K256M16HA 125:E
L9
NC_L9
L8
ZQ
DS1 H5TQ4G63AFR PBC
R1
240.0
NC
ZQ
L9
L8
R1 240.0
R2 240.0
б)
а)
DS1 K4B4G1646B HCK0
ZQ
L8
R2
R1
100.0 100.0
R3
40.2
Рис. 8.6. Схемы подключения цепей
автокалибровки ZQ микросхем
SDRAM:
в)
а) в цепи автокалибровки ZQ ставится один, а не два резистора, что зависит от микросхемы;
б) резистор R1 подключается к выводу NC, который не используется в микросхеме DS1. Крамолы в этом нет. Резистор R1 пригодится в случае замены микросхемы DS1 её аналогом, в котором для нормальной работы требуется не один, а два калибровочных резистора;
в) для калибровки требуется резистор с типовым сопротивлением 240 Ом в цепи ZQ. Он разбит на три части, чтобы получить эквивалентное сопротивление Rэ = R1 + R2 + R3 = 240.2 Ом
8.4. Микросхемы памяти SDRAM
285
8.4.4. Опорное напряжение VREF
Внешнее опорное напряжение VREF позволяет стабилизировать параметры
микросхем SDRAM при изменении температуры и питания (Рис. 8.7, а…г).
DS1 (DDR3 SDRAM)
C1, C2 0.1
M8
VREFCA
H1
VREFDQ
n
VDD
m
GND
+1.2...+1.5V
C1
R1
2k
DS1
(DDR3 SDRAM)
DA1
MC32PF3000A3EP
VREFDDR
25
"+0.75V"
+1.5V
M8
VREFCA
H1
VREFDQ
n
m
C2
R2
2k
5
C3
47.0
5
6
C1...C6
0.1
C4...C8
0.1
6
б)
а)
DS1 (DDR3 SDRAM)
DA1 MP20075
5
+3.3V
Terminating
resistors
R1
100k
+0.75V@3A
C1
22.0
VDD
GND
VDRV
VTTREF
7
VTTEN
2
VTT
4
VTTSEN
3
DDQ
REF
GND
8
C2
10.0
C4
0.22
n
1
6
M8
VREFCA
H1
VREFDQ
m
R2
22
C3
0.1
VDD
GND
+1.5V
в)
Рис. 8.7. Схемы подачи опорного напряжения VREF на микросхемы SDRAM (начало):
а) опорное напряжение VREF формируется при помощи делителя напряжения на резисторах R1, R2, сопротивления которых должны быть одинаковыми с точностью ±1%. При любом
напряжении питания микросхемы DS1 в пределах +1.2…1.5 В опорное напряжение VREF будет
составлять ровно его половину. Блокировочные конденсаторы C1…C3 обязательные. Ёмкости
остальных параллельных конденсаторов C4…C8 и их количество могут варьироваться в зависимости от опыта разработчика. Чаще всего встречаются номиналы: 0.1; 0.22; 1.0; 10.0 мкФ. Варианты: R1 = R2 = 240 = 1.5k = 10k;
б) опорное напряжение VREF для микросхемы DS1 формируется контроллером питания DA1.
Напряжение VREF в идеале должно равняться половине напряжения VDD, т. е. +0.75 В. Однако
оно может в DA1 подстраиваться программно в пределах +0.5…0.9 В. Ток нагрузки до 10 мА;
в) микросхема памяти DS1 питается от источника +1.5 В. Опорное напряжение VREF для
неё формирует стабилизатор DA1 — это специальный регулятор питания (Memory Termination
Regulator) для микросхем памяти DDR2…4. Напряжение VTTREF поддерживается на уровне
+0.75 В с точностью 18 мВ, ток нагрузки до 10 мА. На выходе VTT формируется напряжение для
терминальных резисторов на шине данных микросхемы DS1. Варианты: R2 = 20, C3 = NC;
286
Глава 8. Хранение информации
DS1
(DDR3 SDRAM)
DA1
TPS51200
+3.3V
10
7
VIN
REFOUT
C2
0.1
C4
0.1
EN
VLDOIN
8
C1
0.1
6
GND
REFIN
2
R1
10k
1
M8
VREFCA
H1
VREFDQ
n
VDD
m
GND
+1.5V
R2
10k
C3 1000
г)
Рис. 8.7. Схемы подачи опорного напряжения VREF на микросхемы SDRAM
(окончание):
г) аналогично Рис. 8.7, б, но с другим контроллером питания DA1. Микросхема памяти DS1
запитывается от источника с напряжением +1.5 В. Делитель напряжения на резисторах R1, R2
формирует опорный уровень +0.75 В на входе REFIN микросхемы DA1. На выходе REFOUT это
напряжение повторяется, но с «умощнением» по току нагрузки. Напряжение +3.3 В на входе
VIN измеряется через внутренний канал АЦП контроллера питания DA1. Когда оно становится
ниже +2.3 В, то цепь REFOUT отключается и работа микросхемы SDRAM DS1 блокируется
8.4.5. Сигнал сброса
Сигнал начального сброса RES можно найти в любой микросхеме SDRAM,
хотя и под другим названием. Ему придаётся важное значение с учётом риска потери информации при просадках питающего напряжения. Чтобы это предотвратить, цепь сброса в SDRAM подключается к отдельному супервизору питания.
На Рис. 8.8 показан вариант одновременного сброса четырёх микросхем
SDRAM DS1…DS4. Питание на супервизор DA1 подаётся от цепи 3.3 В, при этом
на входе SEN контролируется напряжение питания 1.25 В, поступающее в микросхемы памяти SDRAM. При просадке этого напряжения ниже 0.9 В супервизор
вырабатывает сигнал НИЗКОГО уровня на выходе RES в течение 1.75 мс. Длительность импульса сброса зависит от ёмкости конденсатора С1.
C1
220
DA1
TPS3808G09DBVR
6
4
2
VDD
SEN
CT
RES
GND
0.9V
+3.3V
MR
5
+1.25V
R1
10k
1
3
DS1
(DDR3L SDRAM)
T2
RES
n
m
RESET
VDD
GND
К цепям сброса
DS2...DS4
Рис. 8.8. Схема подачи сигнала сброса RESET на микросхемы SDRAM
8.5. Микросхемы памяти eMMC
287
8.5. Микросхемы памяти eMMC
eMMC — это микросхема ПЗУ, где интерфейсный контроллер, согласно структурной схеме [8-5], совмещается с Flash-памятью технологии NAND. Помимо
интерфейсных функций, контроллер самостоятельно осуществляет исправление
ошибок и блокировку «плохих» блоков и ячеек. Память eMMC ввиду низкой стоимости широко применяется в смартфонах, планшетах, цифровых камерах, телевизорах, MP3- и MP4-плеерах, игровых приставках, SBC (Рис. 8.9, а…е).
Актуальные версии по состоянию на 2022 год:
• eMMC-4.5 — пропускная способность до 200 МБ/с, запись до 60 МБ/с;
• eMMC-5.0 — пропускная способность до 400 МБ/с, запись до 90 МБ/с;
• eMMC-5.1 — пропускная способность до 600 МБ/с, запись до 125 МБ/с.
Главным конкурентом eMMC выступает технология UFS фирмы Samsung.
В отличие от технологии eMMC, которая основана на схемотехнике карт памяти
SD/MMC, стандарт UFS изначально разрабатывался «с нуля» именно для создания быстрой памяти. В результате UFS обладает не только большей пропускной
способностью, но и имеет значительно меньшее энергопотребление [8-6].
R6...R13
10k
+1.8V
DS1
R4
10k KLMAG2GEND B031
W5
H3
DAT0
CMD
H4
W6
CALIO
DAT1
CLK
H5
R2 22
DAT2
U5
J2
DAT3
RSTN
J3
R5
DAT4
RCLK
J4
DAT5
R1 10k
R5
J5
47k
DAT6
J6
DAT7
5
K2
+2.85V
VDD
VDDI
4
+1.8V
VDDF
11
GND
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
eMMC (16GB)
AP
R3
10k
C1
1.0
а)
Рис. 8.9. Схемы подключения микросхем памяти eMMC к АР (начало):
а) DS1 — это микросхема памяти eMMC-4.41 объёмом 16 ГБ, из них 15 634 268 160 байт доступны пользователю. Относится к классу High-Performance eMMC-Pro [8-7]. Корпус микросхемы унифицированный BGA-169. В нём много свободных, не задействованных в работе выводов,
отмеченных буквами NC (на схеме они не показаны). Напряжение +2.85 В предназначено для
питания матрицы памяти NAND Flash, напряжение +1.8 В — для контроллера ввода/вывода.
Назначение элементов: R1 — калибровка внутреннего контроллера eMMC, размещённого в
AP; R2 — «антизвонный»; R3, R4, R6…R12 — нагрузка «pull-up»; R5 — привязка к общему проводу, чтобы исключить помехи при начальном сбросе; C1 — фильтр внутреннего стабилизатора напряжения eMMC. Варианты: DA1 = KLMAG4FE3B-A001, R2 = 33, R4 = 10k, +2.85V = +3.3V;
288
Глава 8. Хранение информации
+3.3V
5
+3.3V
4
9
VCCQ
eMMC (4GB)
M5
CMD
M6
CLK
K5
RST
K2
CREG
C1 2.2
AP
DS1
EMMC04G S100 A08
R2
R1
VDDF
VSS
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
DAT4
DAT5
DAT6
DAT7
R1...R10
10k
A3
A4
A5
B2
B3
B4
B5
B6
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
б)
R1, R2
47k
R3...R10
47k
+3.3V
AP
C1
1.0
C2
0.1
+3.3V
M5
CMD
M6
CLK
K5
RST
C2
VDDI
5
4
9
R3
DS1
MTFC4GACAAAM 4M
VCCQ
VCC
VSS
eMMC (4GB)
R2
R1
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
DAT4
DAT5
DAT6
DAT7
R10
A3
A4
A5
B2
B3
B4
B5
B6
R11
R12
R13
R14
R15
R16
R17
R18
R11...R18 22
в)
Рис. 8.9. Схемы подключения микросхем памяти eMMC к АР
(продолжение):
б) DS1 — это микросхема памяти eMMC объёмом 4 ГБ, выполненная по технологическим
нормам 15 нм. Поддерживает стандарты eMMC-5.0/5.1. Внутри находятся ячейки памяти NAND
Flash и MMC-контроллер, который распределяет потоки данных, подсчитывает контрольную
сумму, выравнивает скорости записи/чтения, оптимизирует все процессы во времени. Наличие
встроенного контроллера разгружает процессорное ядро АР от выполнения рутинных задач.
Сигнал аппаратного сброса RST в микросхеме DS1 не используется. Вместо него, при необходимости, подаётся команда программной установки внутренних регистров в начальное состояние.
Выводы цепей питания VCCQ, VDDF и общего провода VSS микросхемы DS1 запараллелены по
девяти линиям;
в) аналогично Рис. 8.9, б, но с «антизвонными» резисторами R11…R18, с другой микросхемой памяти DS1, а также с подключением вывода сброса RST к линии GPIO АР. Максимальная тактовая частота на входе CLK 52 МГц. Вывод VDDI нагружается на два керамических конденсатора C1, C2. Они нужны для фильтрации напряжения внутреннего стабилизатора LDO
микросхемы DS1 (узел Internal Voltage Node). Варианты: R1 = 100k, R11…R18 = 0, C2 = NC,
DS1 = KLM4G1YEMD-B031 = KE4CN2H5A-A58 = MTFC4GLDEA-0M;
8.5. Микросхемы памяти eMMC
+1.8V
DS1
H26M41204HPR
+1.8V
A11
C1
0.1
VCCI
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
DAT4
DAT5
DAT6
DAT7
A9
B10
C6
B5
C9
A10
A5
B4
U5
RSTN
R5
RCLK
5
+3.3V
+1.8V
4
VDDI
K2
C1 1.0
д)
FB1 120R
FB1 BLM15PD121SN1
R1 22
R2 22
C7
1.0
2
4
2
4
C1, C2
1.0
C3...C6
0.1
M5
CMD
M6
CLK
K5
RSTN
C2
VDDI
5
4
11
VDD
VDDF
VSS
eMMC (16GB)
R4
DS1
KLMAG2WEMB B031
R3
10k
AP
VDD
H3
H4
H5
J2
J3
J4
J5
J6
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
DAT4
DAT5
DAT6
DAT7
VDDQ
GND
11
г)
+3.3V
eMMC (4GB)
AP
A6
CMD
B8
CLKM
C2
RSTN
A7
DS
W5
CMD
W6
CLK
AP (MT6797)
DS1 (Toshiba)
TYD0FH221643RA
eMMC / LPDDR3
R1
10k
289
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
DAT4
DAT5
DAT6
DAT7
A3
A4
A5
B2
B3
B4
B5
B6
R7
R4...R7
51k
е)
Рис. 8.9. Схемы подключения микросхем памяти eMMC к АР (окончание):
г) DS1 — это многофункциональная микросхема ПЗУ/ОЗУ в корпусе BGA-162, одна часть
сигналов которой относится к ячейкам памяти eMMC (объём 4 ГБ, разрядность шины данных
8 бит), другая — к ОЗУ LPDDR3 (объём 8 Гбит, разрядность шины данных 32 бита). На схеме показана только часть, относящаяся к eMMC;
д) применяются два питающих напряжения: +1.8 В (контроллер eMMC-5.1) и +3.3 В (ячейки памяти NAND Flash). Все нагрузочные резисторы находятся внутри микросхемы DS1. Конденсатор С1 фильтрует напряжение стабилизатора LDO микросхемы DS1. Между цепями VDD
и GND, VDDQ и GND дополнительно должны подключаться керамические чип-конденсаторы
ёмкостью 0.1; 2.2; 4.7 мкФ в количестве 5…8 штук (на схеме не показаны);
е) DS1 — это микросхема памяти, поддерживающая протокол eMMC-5.0. Содержит матрицу
ячеек NAND Flash, которая организована в два банка по 64 Гбита каждый. Особенность: используются четыре (а не восемь) разрядов шины данных DAT0…3 в четырёхбитном режиме
290
Глава 8. Хранение информации
8.6. Карты памяти microSD
8.6.1. Разновидности держателей карт памяти
Карты памяти в SBC могут использоваться для загрузки ОС или служить дополнительной областью хранения информации. Наибольшее распространение
получили карты формата microSD. Причина их популярности кроется в низкой
стоимости, доступности, малогабаритности и большом объёме памяти, исчисляемом десятками и даже сотнями гигабайт. Устанавливают карты памяти microSD в
специальные держатели, по-другому, слоты.
Типовые параметры SMD-слота WR-CRD Micro SD Card Connector [8-8]: сопротивление контактов 0.1 Ом, допустимый ток через один контакт не более 0.5 А,
количество циклов установки и изъятия не менее 10 000.
Классификация слотов по принципу действия:
• Push-Pull — «толкатели» с пружиной (нажать и отжать);
• Push-Push — ручная установка и изъятие;
• Hinged — на шарнирах, с верхней прижимной крышкой.
Классификация слотов по электрической схеме (Рис. 8.10, а…в):
• без проверки присутствия карты памяти в слоте;
• с одним выводом проверки, замыкающимся на корпус;
• с двумя выводами проверки, замыкающимися между собой.
G1
G2
G3
G4
а)
X1
Card Connector
microSD
Card Connector
microSD
X1
1
D2
2
D3
3
CMD
4
VDD
5
CLK
6
VSS
7
D0
8
D1
A CD
G1
G2
G3
G4
S1
1
D2
2
D3
3
CMD
4
VDD
5
CLK
6
VSS
7
D0
8
D1
A CD
Card Connector
microSD
X1
1
D2
2
D3
3
CMD
4
VDD
5
CLK
6
VSS
7
D0
8
D1
S1
B COM
б)
G1
G2
G3
G4
в)
Рис. 8.10. Разновидности слотов карт памяти microSD:
а) X1 — слот без проверки присутствия карты памяти. Информационные выводы нумеруются цифрами «1»…«8». «Земляные» контакты G1…G4 (названия могут быть другими) обеспечивают крепление металлического корпуса держателя пайкой к ламелям печатной платы;
б) X1 — слот с выводом A, механически замыкающимся с «земляными» контактами G1…G4.
Внутренний переключатель S1 срабатывает при установке карты памяти microSD в слот X1;
в) X1 — слот с двумя замыкающимися выводами А и В при установке карты памяти microSD
8.6. Карты памяти microSD
291
8.6.2. Подключение карт памяти к АР
Карты памяти пайке не подвергаются. Они вставляются в держатели (слоты),
которые затем электрически соединяются с выводами АР (Рис. 8.11, а…г).
X1 microsd 9p a
R2 R3 R4 R5 R6
4
VDD
6
AP
R1
47k
R7
1/0
1/0
1/0
1/0
7
8
1
2
3
5
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
R12
C1
0.01
R2...R6
47k
VSS
Card Connector
microSD
+3.3V
S1
R7...R12
33
10...13
а)
X1 microsd 9p a
+3.3V
R3
10k
1/0
1/0
1/0
1/0
6
VDD
VSS
7
8
1
2
3
5
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
R2 33
C1
15
Card Connector
microSD
AP
R1
10k
4
Рис. 8.11. Схемы
подключения
держателей карт
памяти к АР
(начало):
S1
10...13
б)
а) X1 — это слот карты памяти microSD. Сигналы с карты памяти поступают в АР на аппаратный модуль интерфейса SDIO. Назначение сигналов: D0…3 — шина данных, CLK — тактирование, CMD — управление. Все сигналы (кроме CLK) подтягиваются к питанию 3.3 В резисторами
R2…R6 для устранения «висящих в воздухе» входов АР. Наличие карты памяти в слоте определяется по НИЗКОМУ уровню сигнала CD при замыкании контактов переключателя S1. Резисторы
R7…R12 улучшают форму импульсов. Конденсатор C1 снижает наводки и ВЧ-помехи, а также
частично купирует «дребезг» контактов переключателя S1. Варианты: C1 = 0.22 = NC;
б) аналогично Рис. 8.11, а, но более просто. Оставлены самые необходимые подтягивающие
и согласующие резисторы. «Дребезг» контактов переключателя S1 устраняется программно. Цепочка R2, C1 улучшает форму импульсов CLK. Варианты: R1 = 47k = 100k = 470k, C1 = NC;
Глава 8. Хранение информации
+3.3V(SD)
+3.3V
AP
R1
47k
1/0
1/0
1/0
1/0
X1 microsd 9p a
4
6
R4
47k
VDD
VSS
7
8
1
2
3
5
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
R2
R3
R2, R3
22
Card Connector
microSD
292
S1
10...13
в)
X1 SCDA1A0900
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7
4
AP
3; 6; 14
VDD
VSS
7
D0
8
D1
9
D2
1
D3
2
CMD
5
CLK
1/0
1/0
1/0
1/0
10 DETECT
12 WP
S1
R1...R7
47k
S2
Card Connector miniSD
(adapter "miniSD microSD")
+3.3V
11 COM
г)
Рис. 8.11. Схемы подключения держателей карт памяти к АР (окончание):
в) аналогично Рис. 8.11, б, но с другим составом подтягивающих (R1, R4) и согласующих
(R2, R3) резисторов. Последние устраняют «звон» на фронтах импульсов. Питание карты памяти
производится от отдельного источника +3.3V(SD), который может отключаться программно от
микросхемы PMIC или АР. Это позволяет осуществить полноценную «парковку» карты памяти
перед её извлечением из держателя X1. Варианты: R1 = R4 = 10k, R2 = 0, R3 = 33;
г) X1 — это слот карты памяти формфактора miniSD. По конструкции он отличается от слотов карт памяти microSD, но по составу сигналы совпадают, кроме DETECT и WP. Установка
карты памяти в слот приводит к автоматическому замыканию контактов переключателя S2, при
этом устанавливается НИЗКИЙ уровень сигнала DETECT. Сигнал защиты записи WP зависит от
положения переключателя S1, который доступен пользователю в торце корпуса.
Важный момент. К слоту X1 можно подключить карту памяти microSD, но только через адаптер «miniSD—microSD». Получается вложенная конструкция «слот—адаптер—карта памяти»
8.6. Карты памяти microSD
293
8.6.3. Защитные цепи для карт памяти
Ограничители бросков напряжения TVS (Transient Voltage Suppressor) предназначены для снижения опасного напряжения на входах аппаратуры при переходных процессах, возникающих от воздействия статического электричества ESD,
мощных импульсных помех (например, от сварочного аппарата) или наведенного
напряжения от близких ударов молнии [8-9].
Часто подобные устройства называют супрессорами, что и отражено в аббревиатуре TVS. Супрессор — это общее понятие, охватывающее не только ограничители напряжения на лавинном пробое полупроводникового перехода, но и »поглотители энергии«, например многослойные варисторы.
В платах SBC защитные TVS-элементы устанавливаются практически по всем
наружным разъёмам, кнопкам, а также слотам карт памяти (Рис. 8.12, а…г).
X1 microsd 9p a
+3.3V
R4 R5 R6 R7 R8 R9
4
6
R1 R2
AP
1/0
1/0
1/0
1/0
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
VD1
"WP"
VSS
7
8
1
2
3
5
R3 33
XT1
VDD
Card Connector
microSD
+1.8V
S1
10
9
7
6
1
2
4
5
3
R1, R2, R4...R9 10k
10...13
VD2
10
9
7
6
VD1, VD2
RClamp0524P
1
2
4
5
3
а)
Рис. 8.12. Защитные цепи карт памяти microSD (начало):
а) VD1, VD2 — это сборки диодов со встроенными супрессорами. Они защищают все информационные линии карты памяти microSD, которая вставляется в слот X1. Подтягивающие
резисторы R4…R9 соединяются со всеми информационными контактами слота и даже с цепью
CLK. Особенность: вывод CD подключается к низковольтному источнику напряжения +1.8 В,
при этом НИЗКИЙ уровень на входе АР формируется при замыкании контактов переключателя S1. Джампер XT1 имитирует переключатель защиты от записи WP по аналогии со схемой на
Рис. 8.11, г, поскольку физически такого переключателя в слоте X1 нет;
Глава 8. Хранение информации
+3.3V
AP
R1
47k
1/0
1/0
1/0
1/0
X1 microsd 9p a
4
VDD
6
VSS
R13
R9
R2
7
8
1
2
3
5
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
Card Connector
microSD
294
R8
S1
VD7
VD1
R2...R8 22
R9...R13 47k
10...13
VD1...VD7
ESD5451
б)
X1 SCHA4B0415
+3.3V
10
1/0
1/0
1/0
1/0
6
R2
10k
VDD
VSS
7
8
1
2
3
5
DAT0
DAT1
DAT2
DAT3
CMD
CLK
9 CD
VD1 TPD6E001RSER
Card Connector
microSD
AP
R1
1M
4
S1
1
2
3
6
7
8
5
10...13
VD2
ESD7C5.0DT5G
1
2
3
в)
Рис. 8.12. Защитные цепи карт памяти microSD (окончание):
б) аналогично Рис. 8.12, а, но с последовательными резисторами R2…R8 и одиночными супрессорами VD1…VD7. Варианты: R2…R8 = 33, R9…R13 = 100k, VD1…VD7 = TPD6E001;
в) аналогично Рис. 8.12, а, но с другими супрессорами VD1, VD2, а также с минимально достаточным числом нагрузочных резисторов R1, R2. Варианты: VD1 = TPD2E001DRL-Q1 ( x 3)
8.6. Карты памяти microSD
295
8.6.4. Подача питания на карты памяти
Важным фактором при работе карт памяти является правильная последовательность подачи и снятия напряжения питания. В идеальном случае установку и
извлечение карты памяти надо проводить при полностью обесточенном SBC, при
этом напряжение питания на слот может подаваться постоянно (Рис. 8.13, а, б).
Но существует другой способ. Перед извлечением карты памяти из слота надо
программно снять питание не со всего SBC, а только с карты памяти, воспользовавшись опцией «Безопасное извлечение». На аппаратном уровне для этого потребуется электронный ключ, управляемый от АР (Рис. 8.13, в…ж).
X1
(microSD)
R1 2.2
4
C1
10.0
6
+3.3V
FB1
300R@1A
X1 (microSD)
4
VDD
C1
10.0
AP
AP
+3.3V
VSS
6
VDD
VSS
FB1 LCB1005K 301T10
б)
а)
VT1 WPM2026
AP
+3.3V
C2
10.0
R2
100k
X1 (microSD)
4
6
VDD
VSS
C1 0.1
R1 10k
в)
X1 (microSD)
VT1 TSM2323
4
6
AP
+3.3V
R1
2.2k
C1
10.0
R2
2.2k
VDD
VSS
Рис. 8.13. Схемы
подачи питания
на карты памяти
(начало):
г)
а) стабильное питание карты памяти в слоте X1 обеспечивает накопительная цепочка R1, C1.
Благодаря большой ёмкости конденсатора C1 напряжение VDD поддерживается на уровне около
+3.3 В при любых «скачках» тока, который потребляется картой памяти;
б) особенность: фильтрация помех ферритовым фильтром FB1;
в) подача и снятие питания на карту памяти microSD осуществляются ключом на транзисторе VT1, который открывается НИЗКИМ уровнем на линии GPIO АР. При начальном сбросе
линия GPIO «висит в воздухе», но ключ при этом будет закрыт из-за наличия резистора R2;
г) аналогично Рис. 8.13, в, но при начальном сбросе АР ключ на транзисторе VT1 будет открыт, поскольку резистор R1 подключается к общему проводу. Резистор R2 обеспечивает быстрый разряд конденсатора C1 при снятии напряжения VDD в цепи питания карты памяти;
296
Глава 8. Хранение информации
VT2
SI2333CDS
+5V
AP
R1
10k
X1
(microSD)
4
6
R2
10k
+3.3V
VSS
C1
4.7
R1
10k
VT1 2N7002
C2
10.0
R2
100k
AP
VDD
VSS
C3
0.1
е)
DA1
BD71847A (PMIC)
+3.3V
R2 33k
4
6
д)
R1 33k
X1
(microSD)
VT1
C1
0.1 WPM2015
VDD
AP
+3.3V
NVCC_SD2
45
C1
55 0.22
SD2_VSEL
C2
10.0
X1
(microSD)
4
6
VDD
VSS
VDD = +3.3V при SD2_VSEL=0
VDD = +1.8V при SD2_VSEL=1
ж)
Рис. 8.13. Схемы подачи питания на карты памяти (окончание):
д) подача питания на карту памяти производится через двухтранзисторный ключ, при этом
напряжение на затворе транзистора VT2 (+5 В) выше, чем на его истоке (+3.3 В). Это снижает
ток утечки транзистора VT2 в закрытом состоянии. При начальном сбросе АР транзистор VT2
закрывается, на карту памяти питание не подаётся. Варианты: VT1 = DMN63D8LDW-7;
е) особенность: конденсатор C1, демпфирующий процесс открывания транзистора VT1 при
начальной подаче питания на карту памяти. Резистор R1 снижает ток заряда конденсатора С1
через линию GPIO порта АР, когда она переходит с ВЫСОКОГО в НИЗКИЙ уровень. Разряжается конденсатор С1 через резистор R1 при выставлении на линии GPIO ВЫСОКОГО уровня и
отключении транзистора VT1;
ж) в зависимости от логического уровня на выходе GPIO АР напряжение питания VDD, подаваемое на карту памяти через слот X1, будет +3.3 или +1.8 В. Для справки: традиционно карты
памяти microSD работают при напряжении 3.3 В. Но в 2017 году появился стандарт LVS, разрешающий применение низковольтных карт с напряжением 1.8 В [8-10]. Такие карты потребляют
меньше энергии и предназначены для использования в экономичных устройствах. Помечаются
LVS-карты (Low Voltage Signaling) специальным логотипом (Рис. 8.14)
Рис. 8.14. Логотип
низковольтных карт
памяти
Список использованных источников и литературы к главе 8
297
Список использованных источников и литературы к главе 8
8-1. SPI-NOR Flash на примере MX25R6435F [Электронный ресурс] / «aabzel», 2022. —
Режим доступа: https://habr.com/ru/articles/731604/. — 15.01.2022.
8-2. Parallel Flash Adapters (NOR and NAND devices) [Электронный ресурс] / Embedded
Computers, 2022. — Режим доступа: https://www.embeddedcomputers.net/products/
ParallelAdapters/ (англ.). — 15.01.2022.
8-3. Анатомия RAM [Электронный ресурс] / «PatientZero», 2020. — Режим доступа:
https://habr.com/ru/articles/506470/. — 15.01.2022.
8-4. TN-41-02: Technical Note. DDR3 ZQ Calibration [Электронный ресурс] / Micron
Technology, 2008. — Режим доступа: https://www.micron.com/-/media/client/global/
Documents/Products/Technical%20Note/DRAM/TN4102.pdf (англ.). — 15.01.2022.
8-5. eMMC [Электронный ресурс] / «monitor.net», 2022. — Режим доступа: https://monitor.
net.ru/forum/tags/emmc/. — 15.01.2022.
8-6. Встроенная память в смартфоне: eMMC, NVMe и UFS, особенности, различия [Электронный ресурс] / Сергей Семёнов, 2022. — Режим доступа: https://mob-mobile.ru/
statya/13824-vstroennaya-pamyat-v-smartfone-emmc-nvme-i-ufs-osobennosti-razlichiya.
html. — 15.01.2022.
8-7. Samsung eMMC [Электронный ресурс] / Samsung Electronics, 2013. — Режим доступа:
https://www.samsung.com/semiconductor/global.semi/file/resource/2017/11/Samsung_
eMMC_2013-0.pdf (англ.). — 15.01.2022.
8-8. WR-CRD Micro SD Card Connector [Электронный ресурс] / Wurth Elektronik,
2019. — Режим доступа: https://www.we-online.com/components/products/datasheet/
693071010811.pdf (англ.). — 15.01.2022.
8-9. Рентюк, В. Преимущества, особенности применения и проблема выбора кремниевых защитных элементов для высокоскоростных интерфейсов / Владимир Рентюк. // Компоненты и технологии. — 2017. — № 10 (195). — С. 25–31.
8-10. 17 мгновений microSD: сводное тестирование карт памяти объёмом 64 Гбайт
[Электронный ресурс] / Илья Гавриченков, 2018. — Режим доступа: https://3dnews.
ru/974443/svodnoe-testirovanie-kart-pamyati-microsd-obyomom-64-gbayt. — 15.01.2022.
Глава
9
СХЕМЫ С нюансами
Рисование помогает нам замедлиться
и разглядеть все нюансы, мир внутри миров.
(Дэнни Грегори)
Процесс рисования электрической схемы сродни колдовству художника. На
листе бумаги или на экране компьютера постепенно возникает картина, которая для непосвящённого кажется графической абстракцией в стиле художниковавангардистов. Линии электрических связей соединяются между собой узором,
обозначения радиоэлементов образуют замысловатые пиктограммы. Скрепляют
художественную композицию жирные точки паяных соединений.
Строго параллельные и строго перпендикулярные линии на схеме придают
картине геометрическую завершённость. Многовыводные микросхемы напоминают многоруких роботов. И даже текстовые пояснения на полях схемы можно
рассматривать как дополнительный мазок, своеобразную авторскую подпись.
Электронщики, в отличие от лириков, более прагматичны. Они видят в электрической схеме всего лишь набор резисторов, конденсаторов, микросхем, разъёмов и прочих деталей, соединённых между собой по правилам, которые оговариваются в ГОСТах [9-1].
Общие рекомендации и требования к выполнению схем:
• схемы выполняются без соблюдения масштаба и без учёта реального расположения ЭРИ в пространстве или на печатной плате;
• число изломов линий связи на схеме должно быть минимальным;
• графика элементов определяется удобством чтения схемы;
• однотипные элементы желательно группировать в блоки.
Схема может выглядеть эстетично и даже красиво, а может вызывать непреодолимое желание перерисовать её по-новому. Сколько авторов (читай, художников), столько и мнений, шаблонов, правил. Иногда по стилю рисования можно
определить характер автора, его предпочтения, возраст, образование. Конечно,
всё это больше касается любительских конструкций, ведь на схемы промышленных устройств накладывают суровый отпечаток фирменные стандарты, которые
хочешь не хочешь, но надо выполнять…
Разработчики — народ творческий, поэтому не всегда обращают внимание на
правила. Главное, с их точки зрения, чтобы прибор работал, а с бумажным оформлением документации можно и повременить. Как результат на схемах появляются
условности и нюансы, которые понимают только их авторы. «Разбор полётов» будет проведён на реальных примерах, которые встречаются в схемах, так или иначе
связанных с питанием SBC (Рис. 9.1, а…д).
Глава 9. Схемы с нюансами
+5V
+V(5V)
FB1
+3.3V
FB1
+5V
299
+V
C1
10.0
FB1 31/3A L3
+3.3V
FB2
+V(3.3V)
+5V
C1
10.0
FB1 31/3A L3
FB2 31/3A L3 X
FB2
+3.3V
C1
10.0
FB2 31/3A L3
а)
DA1 AME8850AEEVADJZ
+5V
1
3
OUT
IN
EN
ADJ
4
DA1 AME8850AEEVADJZ
+5V 1
5
+1.2V
5
R1
330
3
C2
100
+1.25V
OUT
IN
EN
ADJ
GND
GND
2
2
4
R1
330
C2
100
R2*
10k
б)
+5V
DA1 PST73133BETV
+3.3V@0.3A
1
5
OUT
IN
3
C1
10.0
+5V
EN
NC
GND
2
4
R1
NC
DA1 RT9179GB
5
1
IN
3
C2
10.0
C1
10.0
R2
NC
OUT
EN
ADJ
GND
2
4
+3.3V@0.3A
R1
C2
360k 10.0
R2
200k
в)
Рис. 9.1. Схемы с нюансами в подсистеме питания (начало):
а) ферритовые фильтры FB1, FB2 имеют почти нулевые сопротивления по постоянному току,
поэтому кажется, что источники напряжения +5 В и +3.3 В закорачиваются между собой, что
недопустимо. Разгадка кроется в названии фильтра FB2, где последняя буква «Х» не входит в
фирменное обозначение. Разработчик нарисовал два фильтра сразу, предположив, что пользователь сам догадается мысленно убрать фильтр FB2 и оставить фильтр FB1, которым задаётся
напряжение +5 В. Но на печатной плате оставлено место под фильтр FB2. Следовательно, переставив фильтр FB1 на посадочное место FB2, можно получить выходное напряжение +3.3 В;
б) зачем нужен резистор R1, когда его можно заменить перемычкой? Действительно, выходное напряжение стабилизатора DA1 составляет +1.2 В при сопротивлении резистора R1 как 0,
так и 330 Ом [9-2]. Но наличие резистора (а не перемычки) позволяет подстроить напряжение на
выходе OUT введением дополнительно резистора R2, как показано на схеме справа;
в) DA1 — это нерегулируемый стабилизатор напряжения +3.3 В [9-3], поэтому разводка печатной платы для двух отсутствующих резисторов R1, R2 (NC) вызывает вопросы. Эти резисторы
могут понадобиться, если при ремонте вместо нерегулируемого будет поставлен регулируемый
стабилизатор напряжения, например RT9179GB, как показано на схеме справа;
300
Глава 9. Схемы с нюансами
+3.3V
HL1
+5V
DD1
IS31FL3194
I2C
AP
A2
A1
SDA
B1
SCL
C1
VCC
OUT3
SDB
OUT2
SDA
OUT1
SCL
GND
2
D2
B2
1
+5V
"G"
HL1
+5V
AP
"B"
HL1 SMLP34RGB2W3
DD1
IS31FL3194
A2
I2C
4
D1
R1 R2 R3
3k 3k 100k
+3.3V
3
C2
"R"
A1
SDA
B1
SCL
C1
VCC
OUT3
SDB
OUT2
SDA
OUT1
SCL
GND
R1 R2 R3
3k 3k 100k
R4 200
D2
C2
B2
D1
R5 200
R6 200
2
3
4
"R"
"B"
1
+5V
"G"
HL1 SMLP34RGB2W3
г)
Рис. 9.1. Схемы с нюансами в подсистеме питания (продолжение):
г) HL1 — это трёхцветный светодиод с максимальным током через каждый из излучателей
R, G, B не более 10 мА в непрерывном режиме [9-4]. Драйвер светодиодов DD1 управляется командами через интерфейс I2C от АР по линиям SDA, SCL. Он может быть запрограммирован на
свечение или мигание трёх светодиодов по гибко настраиваемым шаблонам [9-5]. Яркость регулируется при помощи трёхканального ЦАП, который находится внутри микросхемы DD1.
По командам от АР в режиме шаблона можно настроить: время нарастания, время удержания, время спада и время выключения каждого излучателя. Будучи единожды выставленным,
шаблон периодически повторяется во времени без каких-либо дополнительных команд со стороны АР. Это позволяет экономить вычислительные ресурсы процессорного ядра.
Цветовые оттенки регулируются изменением силы тока на 256 градаций по каждому из трёх
каналов. Программно можно задать одну из двух характеристик гамма-коррекции, а также четыре диапазона изменения выходного тока по линиям OUT1…3 — 0…10; 0…20; 0…30; 0…40 мА.
Нюанс в том, что светодиод HL1 на верхней схеме подключается к драйверу DD1 напрямую,
без ограничительных резисторов. Расчёт на то, что в программе АР будет выбран диапазон выходных токов драйвера 0…10 мА, при котором все излучатели светодиода HL1 работают без превышения режима.
Если в программе АР случайно (или преднамеренно) задать через регистры драйвера DD1
диапазон выходных токов 0…40 мА, то излучатели светодиода при длительном нахождении в
светящемся положении с прямым током 40 мА выйдут из строя, учитывая их максимально допустимый ток 10 мА. Бывалый специалист сразу вспомнит про закон Мерфи: «Если что-нибудь
может пойти не так, оно пойдёт не так».
Чтобы у программистов не возникало желания создавать вирусные программы для АР, которые приводят к неработоспособности светодиода HL1, достаточно поставить токоограничивающие резисторы R4…R6, как показано на схеме внизу;
301
Глава 9. Схемы с нюансами
+5V
R1
10k
DA1 (PMIC)
BQ25120AYFPR
IN
VBAT
TS
GND
A2
B1; B2
C3
A1; D5
+5V
R1
10k
NTC
R2
10k
NTC
X1
1
+V
2
NTC
3
GND
X1
G1
10k
+
Li ion
3.7V
1
2
+5V
3
R1
10k
NTC
R2
10k
X1
1
+V
2
3
G1
+
GND
д)
Рис. 9.1. Схемы с нюансами в подсистеме питания (окончание):
д) на электрической схеме SBC (рисунок слева) разработчик перечеркнул резистор R2. Какой смысл? Дополнительная информация: сам резистор R2 в изделии отсутствует, но для него
оставлено место на печатной плате и выполнена разводка проводников.
Поскольку текстовых пояснений о назначении резистора R2 на схеме нет, то надо обратиться к даташиту на контроллер питания PMIC DA1 [9-6]. Контроллер формирует напряжения для
силовой части АР, при этом он может работать не только от сетевого блока питания, но и от
литиевого аккумулятора 3.7 В. Кроме того, контроллер через внутренний АЦП может измерять
напряжение аккумулятора и температуру внутри его корпуса. Последнее как раз и относится к
цепи, в которой изображён отсутствующий резистор R2.
К разъёму X1 можно подключить как трёхвыводной литиевый аккумулятор (рисунок справа
вверху), так и двухвыводной аккумулятор или батарею (рисунок справа внизу).
В первом случае терморезистор аккумулятора подключается к резистору R1 в качестве
нижнего плеча делителя. Контроллер питания DA1 измеряет напряжение в цепи NTC (Negative
Temperature Coefficient) и вычисляет температуру аккумулятора G1, которая будет обратно пропорциональна сопротивлению терморезистора.
Во втором случае вместо терморезистора к делителю напряжения подключается имитационный резистор R2 сопротивлением 10 кОм. Его сопротивление от температуры не зависит, следовательно, контроллер питания DA1 будет «думать», что аккумулятор всегда имеет нормальную
температуру +25°C. Такой приём может пригодиться, если используется стороннее ПО и нет
возможности удалить из программы проверку температурного режима для двухвыводного аккумулятора или батареи
302
Глава 9. Схемы с нюансами
Список использованных источников и литературы к главе 9
9-1. Зорин, А. Условные графические изображения на электрических схемах / А. Ю.Зорин,
под ред. А. И. Питолина. — М.: Издательский дом МЭИ, 2007. — 74 с.
9-2. AME8850 [Электронный ресурс] / AME, 2008. — Режим доступа: http://www.ame.
com.tw/datasheet/AME8850.pdf (англ.). — 15.01.2022.
9-3. PST731xxB. 300mA Ultra Low LDR LDO [Электронный ресурс] / PowerSilicon
Technology, 2018. — Режим доступа: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1259291/
PowerSilicon/PST73133B/1 (англ.). — 15.01.2022.
9-4. SMLP34RGB Series [Электронный ресурс] / ROHM, 2021. — Режим доступа: https://
fscdn.rohm.com/en/products/databook/datasheet/opto/led/chip_multi/smlp34rgb-e.pdf
(англ.). — 15.01.2022.
9-5. SIS31FL3194 [Электронный ресурс] / Lumissil Microsystems, 2017. — Режим доступа: https://www.lumissil.com/assets/pdf/core/IS31FL3194_DS.pdf (англ.). — 15.01.2022.
9-6. BQ25120, BQ25121 [Электронный ресурс] / Texas Instruments, 2016. — Режим доступа: https://www.ti.com/lit/ds/slusbz9c/slusbz9c.pdf (англ.). — 15.01.2022.
Глава
10
ПрограммНАЯ ЧАСТЬ SBC
Если вы дадите человеку программу,
то займёте его на один день.
Если вы научите человека программировать,
то займёте его на всю жизнь.
(Waseem Latif)
Существуют две тактики взаимодействия человека с компьютером. Первый
вариант: добиваться того, чтобы вычислительное устройство удовлетворяло любые желания, требования и привычки хозяина. Второй вариант: самому приспособиться к техническим возможностям компьютера и не требовать от него большего, чем он способен выполнить.
В первом случае человек постоянно должен держать себя в эмоциональном тонусе, чтобы следить за новинками и раз за разом дооснащать аппаратную часть
компьютера. Запросы растут быстрее, чем появляется реклама, и всегда хочется
«всего и по максимуму».
Во втором случае руководствуются принципами «минимальной достаточности
и оптимальной функциональности», при которых сохраняются нервные клетки
головного мозга и внутренний душевный покой. Обновление ОС и покупка нового «железа» — только по мере необходимости.
Сказанное о компьютерах применимо и к SBC. Изначально следует настроиться на то, что современные SBC могут хорошо выполнять лишь узкий класс задач.
Принцип универсальности здесь пока ещё не работает. Покупка новых моделей
проблему не устраняет. Но можно пойти от обратного и сделать SBC универсальным, имея на руках достаточное количество карт памяти microSD. В каждую из
них записывается ОС и приложение, которое хорошо выполняет выбранную задачу. Следовательно, один и тот же SBC «лёгким движением руки» превращается в
эмулятор игровой приставки, ТВ-бокс, домашний компьютер, медиаплеер.
10.1. Какие ОС используются в SBC?
Как известно, SBC работают под управлением мобильных ОС. Наиболее популярные из них: iOS, Windows Mobile, Android, Linux.
В 2010 году фирма Apple первой вышла на рынок сенсорных планшетов со своим знаменитым iPad, основанном на iOS. Пользователи быстро сообразили, что
хорошая аппаратная начинка сама по себе ничего не стоит, а закрытость исходных
кодов приводит к тому, что многие интересные прикладные программы и игры
надо было покупать в интернет-магазинах Apple по весьма приличному ценнику.
304
Глава 10. Программная часть SBC
Второй крупный игрок, фирма Microsoft, выпустила мобильную версию ОС
Windows. Правда, для нормальной работы с ней требуется специфическое «железо» с высокими техническими характеристиками. На «абы какой» процессор такую ОС не поставишь, соответственно, и желающих внедрять её в повседневную
практику оказалось не так много.
Фирма Google пошла совсем другим путём. Исходные коды её ОС Android изначально были сделаны открытыми (в отличие от iOS) и без предъявления строгих
ограничений к аппаратной начинке (в отличие от Windows). Следовательно, ни
программисты, ни электронщики дискомфорта в работе с Android не ощущают.
В итоге эта ОС начала успешно внедряться не только в аппаратуру мобильной
связи, но и во многие бытовые приборы: телевизоры, наручные часы, смартбуки,
кофеварки, пылесосы и т. д.
Сообщество свободных программистов тоже внесло свой вклад в становление
мобильных ОС. Речь идёт о многочисленных релизах ОС Linux, ориентированных
на АР. В частности, первые сборки дистрибутивов Linux для SBC анонсированы в
2012 году. С тех пор регулярно происходит обновление версий Linux для наиболее
популярных семейств АР.
Если рассматривать сектор любительских разработок на основе АР и SBC, то
предпочтение следует отдать ОС Android и Linux. Их подробное изучение — это
отдельная и очень обширная область знаний. В настоящей книге будут проанализированы лишь базовые понятия и расставлены вехи, чтобы читателю легче было
ориентироваться в море информации.
10.2. Android — базовые сведения
10.2.1. Версии ОС Android
В 2005 году стартап с названием «Android», созданный группой программистов
под руководством Энди Рубина, был выкуплен фирмой Google за 50 млн долларов. Интересный факт, что за две недели до этой сделки разработчики Android обращались с тем же предложением к фирме Samsung, но корейцев подвело чутьё, и
они отказались от сотрудничества.
В 2008 году появилась первая рабочая версия ОС Android под «вкусным» названием «Яблочный пирог». Практика наделения новых версий нарицательными
именами, начинающимися с порядковых букв латинского алфавита, сохранилась
и в последующем (Табл. 10.1) [10-1].
Версии Android-1.0…4.3 — устаревшие, Android-4.4…9.0 — устаревшие, но всё
ещё поддерживаемые сервисами Google Play, Android-10.0…12.1 — актуальные,
Android-13.x — текущие, Android-14.x — будущие.
ОС Android (рус. Андроид) основана на протоколе Linux, но имеет собственную реализацию ядра Java от Google. Для координации работ был создан альянс
OHA (Open Handset Alliance), состоящий из 84 фирм под руководством фирмы
Google, который в настоящее время профессионально занимается поддержкой и
развитием платформы Android.
10.2. Android — базовые сведения
305
Таблица 10.1. Версии ОС Android
Версия ОС
Android 1.0
Android 1.1
Название
Apple Pie
Banana Bread
Android 1.5
Android 1.6
Android 2.0
Android 2.1
Android 2.2
Android 2.3
Gingerbread
Android 3.0
Android 3.1
Android 3.2
Android 4.0
Honeycomb
Android 4.1
Android 4.2
Android 4.3
Android 4.4
Android 5.0
Android 5.1
Android 6.0
Android 7.0
Android 7.1
Android 8.0
Android 8.1
Android 9.0
Android 10.0
Android 11.0
Android 12.0
Android 12.1
Android 13.0
Android 14.0
Перевод
Яблочный пирог
Банановый хлеб
Первый релиз
23.09.2008
09.02.2009
Cupcake
Кекс
30.04.2009
Donut
Eclair
Пончик
Эклер
Поддержка сети CDMA
Поддержка HTML5,
«живые обои»
Froyo
Замороженный
йогурт
Имбирный
пряник
Медовые соты
15.09.2009
05.01.2010
12.01.2010
20.05.2010
06.12.2010
Обновления и улучшения
22.02.2011
10.05.2011
15.09.2011
19.10.2011
Учет особенностей
интернет-планшетов
Ice Cream
Sandwich
Jelly Bean
Вафельное
мороженое
Желейная
конфета
KitKat
Lollipop
Батончик
Леденец
27.06.2012
13.11.2012
24.07.2013
31.10.2013
03.11.2014
Marshmallow
Nougat
Зефир
Нуга
20.07.2015
06.03.2016
Oreo
Печенье
02.04.2017
Примечание
Первая стабильная версия
Исправление мелких
ошибок
Новые возможности
Версия для смартфонов
Универсальная платформа
для интернет-планшетов
и смартфонов
Pie
Пирог
07.03.2018
ОЗУ не менее 512 МБ
Новый дизайн,
виртуальная машина ART
Среда Android Studio
Новый многозадачный
интерфейс
Bluetooth 5.0, видео
«картинка в картинке»
Неоднозначные отзывы
Q (Quince Tart)
R (Red Velvet
Cake)
S (Snow Cone)
Айвовый десерт
Торт «Красный
бархат»
Снежный конус
13.03.2019
19.02.2020
Новые функции
Поддержка 5G
18.02.2021
Tiramisu
Upside Down
Cake
Лакомство
Перевёрнутый
торт
10.02.2022
2023
Новый стиль виджетов,
поддержка 3D-звука
Улучшение анимации
В разработке
В ОС Android используются унифицированные библиотеки функций. Это позволяет программным инструментам (бесплатным!) портировать в Android компоненты из других библиотек, которые написаны на разных языках, например C.
Основные причины популярности платформы Android: большое количество
бесплатного софта, открытая архитектура и относительная простота создания
приложений. В них практически все параметры можно подстроить под свои нужды, имеется огромное количество примеров, литературы, подсказок в Интернете.
Для SBC создаются различные форки ОС Android. Например, для Orange Pi
разработана Orange Pi OS (Droid), базирующаяся на андроидном ядре. В ней имеется встроенный рабочий стол по аналогии с ОС Windows и MacOS, поддерживается многооконный режим, панель задач, имеется возможность запуска приложений Android из оригинального экранного меню.
306
Глава 10. Программная часть SBC
10.2.2. Методика разработки приложений
Андроидные приложения для SBC создаются на компьютере (Рис. 10.1).
Ошибка
Листинг
Компилятор
Файл
.apk
Эмулятор
SBC
Ошибка
Рис. 10.1. Этапы создания андроидного приложения
Cначала на компьютере составляется листинг программы, затем производится компиляция кода, после чего получается исполняемый файл с расширением
*.apk. Далее этот файл помещается в специальную компьютерную программу
(софтовый эмулятор), и если найдены ошибки, цикл повторяется с самого начала.
И так много раз. Когда наконец-таки логика работы эмулируемого приложения
устраивает разработчика, то файл переносится в SBC на тестирование.
Тестирование нужно проводить обязательно, поскольку эмулятор может пропускать некоторые практические нюансы, которые в реальном аппарате «видятся
воочию и нажимаются воручию». Устранить выявленные проблемы помогает коррекция листинга и повторное прохождение полного цикла по всем этапам.
Преимущества софтовых эмуляторов:
• оперативное тестирование приложений, когда SBC нет под рукой или он
имеется, но нет возможности подключения монитора либо дисплея;
• проверка внештатных или физически опасных сценариев, которые трудно
сымитировать на реальных SBC.
Недостатки софтовых эмуляторов:
• то, что приложение «виртуально» функционирует, ещё не означает, что оно
будет нормально запускаться на конкретном SBC с конкретной ОС;
• необходимость очень высокой производительности компьютера, которая в
идеале должна быть на порядок или два выше, чем быстродействие эмулируемого SBC.
После создания приложения, при желании, его можно разместить в Интернете. Главным «домом» для всех андроидных приложений (утилит, игр, электронных
книг) является интернет-портал «Google Play Store». Его по-другому называют
Play Store, Play Market, Google Play, Android Market или просто «Маркет». Это онлайновый магазин фирмы Google, в котором собрана коллекция из нескольких
миллионов (!) приложений. Общее число скачиваний оценивается многими десятками миллиардов.
Автором в «Маркете» может стать любой желающий, страна проживания особого значения не имеет, особенно если задействовать технологию VPN. Разработать и разместить своё приложение в Интернете сейчас может даже школьник,
используя бесплатную среду программирования AppInventor, где приложения для
Android конструируются методом «перетаскивания кубиков» [10-2].
10.2. Android — базовые сведения
307
10.2.3. Каталоги, папки, файлы
ОС Android построена на базе ядра Linux и виртуальной машины Java Dalvik.
Формально она относится к семейству Unix, где для структурированного размещения данных вводятся понятия «file» и «directory». Первый термин не вызывает
вопросов, это обычный файл. Второй термин (место, где хранятся файлы) на русский язык переводится как «директория» или «каталог». Как именно правильно
говорить — профессионалы до сих пор спорят, но пусть будет «каталог».
Слово «папка» (англ. folder) впервые появилось в графических интерфейсах
MacOS и Windows-95. Применительно к ОС Android оно обозначает не физическое, а виртуальное хранилище, наподобие «Мои документы» в компьютере. Следовательно, любой каталог является папкой, но не любая папка является физическим каталогом.
Файловую систему ОС Android можно образно представить в виде дерева, которое имеет ствол с корнем (корневой каталог), от которого отходят ветки (каталоги), на которых в свою очередь растут листья (файлы).
На Рис. 10.2, Рис. 10.3 показаны структурные схемы файловых систем компьютера с ОС Windows и SBC с ОС Android. Первая из них имеет логические диски
C:\, D:\, E:\, в каждом из которых содержится свой корневой каталог. Андроидный
корневой каталог общий и обозначается знаком «/» без впереди стоящих букв.
C:\W indows\
E :\Old\
C:\Downloads\
C:\
D:\
E:\
Логические диски ОС Windows
Рис. 10.2. Структура файловой системы ОС Windows
/dev/com/
/dev/
/dev/temp/
/storage/sdcard0/
/system/
/storage/
/
Корневой каталог системы ОС Android
Рис. 10.3. Структура файловой системы ОС Android
Интересный момент: в ОС Android, как и в интернет-адресах, для разделения
каталогов служит символ «/» (дробь, прямой слеш), а в DOS и Windows исторически используется символ «\» (обратный слеш).
308
Глава 10. Программная часть SBC
10.2.4. Раскладка памяти
Память в ОС Android разбита на несколько разделов (англ. partitions): служебный, системный, прикладной и внешний. На Рис. 1.9 условно показано их наглядное размещение в фигурке зелёного робота-талисмана Энди, который служит
логотипом ОС Android [10-3]. Примечательно, что карта памяти ассоциируется с
рукой, ведь SBC без внешней памяти — как без рук.
Wi�Fi,
Bluetooth
Антенна
Служебный
раздел
Голова
Карта памяти
microSD
Рука
Системный
раздел
Прикладной
раздел
Туловище
Нога
Рис. 10.4. Андроидный робот Энди (талисман) с расшифровкой разделов
Служебный раздел оперирует понятиями: «bootloader» (микропрограмма загрузчика), «recovery» (инженерное меню восстановления настроек), «boot» (драйверы
ядра ОС), «debug» (отладчик), «root» (область суперпользователя).
Системный раздел в основном сосредоточен в каталоге «system» — это аналог
папки C:\Windows\ в компьютере, где находятся системные файлы, драйверы,
шрифты, утилиты.
Прикладной раздел содержит пользовательские программы во внутренней памяти. Размещается он в каталоге «sdcard» или «sdcard0». Но как сказал Козьма
Прутков «Не верь глазам своим!» Название «sdcard» относится не к внешней карте
памяти microSD, а к микросхеме внутренней Flash-памяти SBC.
Кроме того, в прикладном разделе размещаются два важных каталога: «data»
(аналог папки C:\Program Files\) и «user» (аналог виртуальной папки «Мои документы» в компьютере).
Внешний раздел представляет собой область карты памяти microSD, вставляемой в слот на плате SBC. Каталог называется «sdcard2», «extSD» или «extSdCard»,
в разных версиях ОС по-разному.
Взаимодействие между разделами в Android происходит следующим образом.
После нажатия на плате SBC кнопки питания запускается в работу бутлоудер
(bootloader), который осуществляет загрузку в ОЗУ ядра ОС (boot). Оно, в свою
очередь, инициализирует и активизирует систему (system), которая подгружает
найденные в каталогах пользовательские приложения (data, user) и предоставляет
доступ ресурсов к внешней памяти (extSdCard). Если при запуске ОС обнаруживаются ошибки, то активируются средства «ремонта» (recovery, root, debug).
10.2. Android — базовые сведения
309
10.2.5. Файлы в ОС Android
Расширения «истинно» андроидных файлов имеют непривычные названия, в
частности *.rs, *.vcf, *.prop. У системных файлов ОС Android расширение может
вообще отсутствовать, хотя встречаются и абсолютно знакомые форматы: *.jpg,
*.txt, *.xml. Широко используемые в компьютерах файлы *.docx, *.pdf, *.chm отторжения в ОС Android не вызывают, но они читаются и редактируются при помощи дополнительно установленных приложений.
Названия исполняемых файлов в ОС Android заканчиваются расширением
*.apk (Android Package File). Строго говоря, это инсталляционные файлы, т. е. исполняемые файлы со встроенным инсталлятором, наподобие самораспаковывающихся архивов ОС Windows с расширением *.exe.
Внутри любого apk-файла, как в архиве, находится ещё несколько каталогов и
вспомогательных файлов. Детальную информацию об их составе можно посмотреть, используя универсальный распаковщик, например «7-Zip» [10-4].
Где в системе искать apk-файлы? К сожалению, единого стандарта в ОС Android
нет, исполняемые файлы разбросаны по всему пространству памяти. Более того,
от версии к версии изменяются названия каталогов, вводится их дублирование с
разными именами. В результате нельзя указать точный путь хранения пользовательских apk-файлов, который годится на все случаи жизни.
Разобраться в ситуации помогает двухпанельный файловый менеджер «Total
Commander», который имеет и андроидную версию. В его головном меню надо
выбрать значок «Поиск файлов», после чего искать файлы по шаблону «*apk».
Через некоторое время на экран будет выведен список всех обнаруженных apkфайлов во всех каталогах.
Особый интерес представляет область хранения исполняемых файлов в карте памяти. Они обычно находятся в каталоге /storage/extSdCard/APK.DIR/. Если
перенести из компьютера сюда какой-либо apk-файл (собственный или чужой) и
запустить его на выполнение, то произойдет успешная инсталляция приложения
во внутреннюю память SBC.
10.2.6. Способы пересылки файлов
Чтобы перенести файл с любым расширением из компьютера в SBC, используются следующие способы [10-5]:
• через облачные сервисы в Интернете: Dropbox, GoogleDrive, OneDrive, Яндекс.Диск, Облако@mail.ru и др. Разумеется, для этого в компьютере и SBC
необходимо установить одинаковые клиентские программы, которые позволяют пересылать и принимать файлы через облачное пространство;
• через электронную почту E-mail. Для этого в ПК открывается свой почтовый ящик и посылается письмо с вложенным файлом самому себе. Далее,
в почту надо зайти с SBC, открыть письмо и сохранить вложение в памяти
ОС Android. Для удобства можно в настройках почтового ящика поставить
«галочку» разрешения одновременного доступа к почте с двух и более мест;
• через Bluetooth с использованием ноутбука (можно и через ПК с вставленным USB-модемом «синего зуба»). Для передачи файла нажимают на
310
Глава 10. Программная часть SBC
главном экране правую кнопку мыши на значке требуемого файла и выбирают контекстное меню: «Отправить—Bluetooth». Файл сохраняется во
внутренней памяти SBC в каталоге /sdcard/Bluetooth/ или /storage/sdcard0/
Bluetooth/;
• через USB-кабель, которым физически соединяют компьютер и SBC. Для обмена данными используется компьютерная программа «MyPhone Explorer»,
при этом на стороне SBC должно быть установлено комплементарное клиентское приложение «MyPhoneExplorer Client» из Google Play;
• через карту памяти microSD. Это вариант «на скорую руку», когда нужный файл сначала записывается в компьютере на карту памяти через USBкартридер, а затем карта памяти физически устанавливается в слот на плате
SBC и уже с неё копируется файл или запускается приложение;
• через USB-флешку. Сначала надо записать требуемый файл в компьютере
на флешку. Затем переставить флешку в свободный USB-разъём SBC. Выбрать в главном меню экрана иконку «FileManager» или «SD Card», найти
требуемый файл в разделе, обозначенном условным шифром карты памяти, например E082-16AD. Если это исполняемый apk-файл, то надо дважды
кликнуть по нему мышью, согласиться с копирайтом и условиями распространения. После этого приложение зарегистрируется в ОС Android, а на
главном экране появится новая иконка.
10.2.7. Способы установки приложений
Базовый набор встроенных приложений автоматически загружается в SBC
вместе с ОС Android. Но если хочется расширить список приложений, то надо
научиться самостоятельно скачивать в Интернете сторонние apk-файлы.
Самый простой способ — через магазин приложений Google Play Market. Для
этого на главном экранном меню SBC выбрать иконку «Play Market», в строке поиска прописать название требуемого приложения (игры, фильма, книги, журнала), выбрать иконку из появившегося списка и нажать на панель «Установить».
Дальше всё происходит автоматически, надо лишь в конце кликнуть по панели
«Открыть».
К сожалению, не для всех SBC, не для всех географических регионов и не для
всех версий ОС Android доступен официальный магазин приложений. Больше
того, формальный доступ к нему может быть и открыт, но с усечёнными функциями, в частности с невозможностью загрузки самых популярных приложений.
В этом случае можно воспользоваться обходной методикой. Во-первых, воспользоваться услугами загрузчиков apk-файлов «Evozi», «Apk-dl» в Интернете.
Во-вторых, установить в компьютере расширение «APK Downloader» для браузера Google Chrome или «APKCombo» для браузера Firefox [10-6]. С их помощью
можно скачивать не только последние версии приложений, но и их предыдущие
релизы, которые подчас функционируют более стабильно с конкретными SBC.
В магазине Google Play подобной «фишки» нет.
Кроме того, дубликаты apk-файлов хранятся на сторонних сайтах-коллекторах,
например [10-7], или на авторских сайтах, которые дают доступ к скачиванию
приложений, по разным причинам не размещённым в Google Play [10-8].
10.2. Android — базовые сведения
311
10.2.8. Получение root-прав
Процесс получения root-прав суперпользователя (по-другому, рут-прав) носит название рутинга, или рутирования. Его основными целями являются: снятие
штатных ограничений производителя, доступ к системным настройкам, свободное удаление файлов в системной части ОС Android, возможность запуска приложений, требующих прав администратора. Устройство, прошедшее процесс рутинга, называется рутованным, или рутированным.
Рут-права защищают пользователя от… самого себя, чтобы по неопытности не
вывести систему из строя или не открыть шлюзы для вирусов. Больше того, на
бытовом уровне самостоятельный обход защиты в лицензируемом устройстве с
получением рут-прав может лишить новый смартфон или планшет фирменной
гарантии.
Применительно к SBC ситуация не столь однозначная. Гарантийные обязательства устанавливаются только на «железо», за программную начинку пользователь отвечает сам. ОС Android записывается на внешнюю карту памяти или во
внутреннюю микросхему eMMC. Версию ОС легко сменить физически, просто
заменив карту памяти. Следовательно, получение рут-прав для SBC можно считать вполне легальной процедурой, если, конечно, используется свободное ПО.
Рутовать или не рутовать — каждый решает сам, чтобы потом не задавать вопросы «Почему не работает?», «Откуда вирусы?» и «Куда подевались файлы?».
10.3. Linux — базовые сведения
10.3.1. История и философия
История Linux начинается в 1991 году, когда финский программист шведского
происхождения Линус Торвальдс (Linus Benedict Torvalds) стал разрабатывать ядро
ОС по образцу Unix для компьютеров IBM PC/AT-386. Проект изначально был
свободным для распространения, поэтому к нему через некоторое время подключились разработчики из многих стран мира.
Название системы Linux — это гибрид, состоящий из первых четырёх букв
имени её разработчика LINUs и последней буквы названия ОС UniX.
С формальной точки зрения, ОС Linux создавалась хакерами. Здесь под «хакерами» понимаются страстно увлечённые своим делом программисты, которые
испытывают радость от работы с ПК и с их помощью делают интересные для общества вещи. Это первоначальное определение слова «хакер». Оно в корне отличается от того смысла, который в него вкладывают в последнее время — нарушитель
компьютерного законодательства или программист, не признающий законов.
Любой пользователь с достаточными умениями может поучаствовать в развитии
и исправлении ошибок ядра системы Linux. Если правки нового кода не противоречат общему дизайну ОС и не нарушают работу других её частей, то после тестирования они включаются в ядро. Также можно оказывать помощь в написании
документации, переводе на языки, портировании ПО на другие платформы.
312
Глава 10. Программная часть SBC
Эмблемой Linux является пингвин Tux, нарисованный в 1996 году программистом и дизайнером Ларри Юингом (Рис. 10.5).
Рис. 10.5. Линуксный пингвин Tux (талисман)
Виртуальный линуксный пингвин отличается от своих натуральных собратьев
неестественно жёлтым цветом клюва и лап — в природе такое не встречается.
Первый официальный релиз ОС Linux-1.0 вышел в 1994 году, через год был
зарегистрирован её товарный знак. Сейчас системы на базе ядра Linux являются лидерами на рынках микро- и суперкомпьютеров, серверов, промышленных
контроллеров. Linux постепенно внедряется в делопроизводство разных фирм и
госструктур в качестве импортозамещения.
Все версии Linux (рус. Линукс) распространяются свободно под лицензией
GPL. Любой человек может анализировать, дорабатывать и компилировать исходный код системы с указанием авторов предыдущих изменений. Единственное
требование: этот код также должен быть доступен всем желающим для изменения
на тех же условиях. Так решается проблема защиты авторских прав.
Философия свободного ПО постулируется следующим образом: программисты друг от друга не должны скрывать секреты. Труд программистов должны
оплачивать те, кто не умеет программировать (не хочет, не силён, не заинтересован, не желает тратить лишнее время). Кроме того, свободное ПО, по задумке
«аксакалов», должно предоставляться не просто бесплатно, а с моральным удовлетворением от сделанного подарка.
10.3.2. Термины и определения в Linux
Любая ОС состоит из двух частей: ядро и окружение. Ядро — это системные
вызовы, работа с аппаратными интерфейсами, распределение памяти и процессорного времени. Окружение содержит компоненты, с которыми взаимодействует пользователь, в частности система начального запуска, утилиты, пакеты, библиотеки функций. На разные ядра можно устанавливать разное окружение.
Дистрибутив ОС — это набор, состоящий из конкретного ядра и конкретного окружения. Версии линуксных систем (их более 600) отличаются между собой
именно этими наборами. Дистрибутивы ОС можно устанавливать на оконечное
пользовательское оборудование, к которому относится и SBC.
10.3. Linux — базовые сведения
313
Дистрибутивы группируются в семейства, которые имеют различные функциональные возможности и архитектуру построения. Некоторые семейства отличаются лишь пакетным менеджером, через который происходит установка и развёртывание программ. Внутри одного семейства фундаментальные различия, как
правило, минимальные, многое зависит от типа применяемого процессора, а также набора дополнительных пакетов и утилит. Названия дистрибутивов в каждом
семействе стараются делать однокоренными, например Ubuntu, Kubuntu, Lubuntu,
Gobuntu, хотя единого стандарта здесь нет.
Кодовое имя — это собственное название (англ. сodename), которое присваивается дистрибутиву для лучшего запоминания. Кодовое имя не должно повторяться, иначе теряется смысл в его уникальности. Существуют также цифровые эквиваленты кодовых имён, например имя Debian Stretch эквивалентно Debian-9.
Для каждой версии дистрибутива назначается набор именных репозиториев,
по-другому, мест хранения ПО. Каждый репозиторий «заточен» под конкретную
архитектуру процессора. Поддерживаемых архитектур может быть несколько десятков, столько же будет и опциональных пакетов одного и того же дистрибутива.
Хранятся они, как правило, в Интернете на сайте соообщества Гитхаб [10-9].
Дополнительная информация:
• Debian, Ubuntu, Knoppix, CentOS, Fedora, Gentoo и др. представляют собой
семейства дистрибутивов с ядром Linux. От каждого семейства отходят свои
ответвления, которые имеют в разработке по нескольку модификаций дистрибутивов [10-10];
• ОС Android содержит видоизменённое ядро Linux, но называть Android полноценным дистрибутивом Linux нельзя, чему приводятся аргументированные доказательства [10-11];
• amd64, arm64, armel, armhf, i386, mips, ppc64el, s390x — это варианты репозиториев дистрибутивов применительно к разным процессорным архитектурам. В каждом репозитории находится свой уникальный установочный
образ системы. По названиям нетрудно догадаться, что «arm64» относится
к AP архитектуры ARM с разрядностью 64 бита, «i386» — к 32-разрядным
процессорам IBM-совместимых ПК и т. д.;
• общее название «Linux» относится к программному ядру, на базе которого
функционирует несколько линеек ОС. Современными считаются старшие
версии ядер, начиная с Linux-4.х (Табл. 10.2).
Таблица 10.2. Версии ядра ОС Linux
Версия ядра ОС Linux
Linux-0.01…0.99
Годы выпуска
1991…1993
Количество строк программного кода [млн]
0.01 (Linux-0.01)
Linux-1.0…1.3
Linux-2.0…2.6
1994…1996
1996…2016
0.17…0.31 (Linux-1.0…1.2)
0.77…11.0 (Linux-2.0…2.6)
Linux-3.0…3.19
2011…2015
14.6…15.0 (Linux-3.0…3.3)
Linux-4.0…4.20
Linux-5.0…5.19
Linux-6.0
2015…2019
2019…2022
2022
19.0 (Linux-4.0)
26.0…28.8 (Linux-5.0…5.12)
> 30.0
314
Глава 10. Программная часть SBC
Количество строк программного кода в Табл. 10.2 приводится лишь для того,
чтобы показать динамику роста сложности от версии к версии, ибо как заметил
Билл Гейтс: «Измерять продуктивность программиста подсчётом строк кода — это
так же, как оценивать постройку самолёта по его весу».
10.3.3. Разновидности дистрибутивов
Версии дистрибутивов в течение жизненного цикла проходят путь от нестабильных и тестируемых до стабильных и неподдерживаемых (архивных).
В каждый момент времени в окружении выбранного линуксного дистрибутива есть один текущий стабильный и один или несколько предыдущих стабильных релизов, которые сопровождаются их разработчиками и командой безопасности. Возле них на шкале времени размещаются прошлые и будущие выпуски
(Рис. 10.6). Приведенная классификация условная, но она в том или ином виде,
полностью или частично присутствует во всех линуксных ОС.
Unstable
Unstable
Testing
Testing
Unstable
Testing
Stable
Testing
Stable
Oldstable
Stable
Релиз 3
Oldstable Релиз 2
Archive
Релиз 1
Рис. 10.6. Разновидности дистрибутивов Linux на шкале времени
Нестабильные (unstable) выпуски, судя по названию, являются предварительными прототипами новых ОС, в которых заложены фундаментальные возможности, но в которых ещё не выявлены ошибки разработчиков. Пакеты экспериментальных нестабильных релизов по мере отладки перемещаются в тестируемые
репозитории. Нестабильные выпуски загружать в память AP не рекомендуется,
это область профессиональных программистов, а не любителей.
Тестируемые (testing) выпуски содержат более свежее ПО (по сравнению со
стабильными релизами), и они «ломаются» значительно реже, чем нестабильные
релизы. Тестируемые выпуски, если они доступны для скачивания, рекомендуются продвинутым пользователям, которые хотят заранее опробовать новые функции ОС и готовы выслать свои отчёты и замечания напрямую разработчикам.
Текущие стабильные (stable) выпуски пользуются популярностью у новичков.
Такие релизы содержат устаревшие по времени пакеты программ и могут не поддерживать новое периферийное оборудование. Зато они хорошо протестированы
и готовы функционировать в режиме 24/7, что важно для серверов и рабочих станций. Как следствие именно стабильные релизы рекомендуются не только начинающим пользователям, но и для применения в промышленных SBC.
Предыдущие стабильные (oldstable) выпуски имеют хождение в одно и то же
время с более свежими текущими стабильными (stable) релизами. Тонкость в том,
что поддержка дистрибутивов Linux заявляется разработчиками на определённое
10.3. Linux — базовые сведения
315
время, например на следующие 3…5 лет, а до этого срока в текущую стабильную
может превратиться и более новая версия, прибывшая «из будущего».
Архивные или неподдерживаемые (archive, unsupported) выпуски являются финишной чертой существования релиза ОС. Сопровождение ПО прекращается,
дистрибутив архивируется и уходит в историю, уступая место новым продуктам.
Считается, что освоение версий ОС лучше начинать с текущих стабильных релизов. Это самый быстрый вариант с минимумом ошибок и огорчений.
10.3.4. Linux и АР
Предшественниками AP являются МК. Как следствие поддержка МК в Linux
появилась раньше, чем АР. В 2003 году в версии ядра Linux-2.6 было создано первое микроконтроллерное ответвление μClinux. Первая сборка линуксной версии
дистрибутива Raspbian для плат Raspberry Pi с АР анонсирована в 2012 году. Разработки продолжались и дальше, например в 2016 году в версию ядра Linux-4.8 был
включён пакет для AP BCM2837, на котором работает модель Raspberry Pi 3.
Поддержка плат семейства Orange Pi впервые появилась в составе ядра
Linux-4.12 в 2017 году, а ещё через год в ядро Linux-4.17 был добавлен код для АР
Allwinner H6, на котором собрана модель Orange Pi Lite2 [10-12].
Исторически сложилось так, что для каждой модели SBC параллельно разрабатываются несколько дистрибутивов ОС с ядром Linux. В их числе Debian [10-13],
Ubuntu [10-14], Armbian [10-15], OpenWrt [10-16]. Теоретически в список можно
добавить ещё и DietPi, Windows-10 ARM/IoT, но это экзотика, работающая или
медленно, или не совсем стабильно, или только на мощных SBC.
Дистрибутив Debian (рус. Дебиан) был впервые представлен Яном Мердоком
16 августа 1993 г. Это один из старейших выпусков, базирующийся на ранних ядрах
Linux-0.x. Сейчас в семейство Debian входит более 100 локальных дистрибутивов.
Сильные стороны Debian: его некоммерческий характер, большое комьюнити,
множество репозиториев на Гитхабе, наличие «Кодекса поведения» и «Общественного договора с пользователями». Техническую сторону Debian отличает высокая
надёжность стабильных версий. Дистрибутивы Debian обновляются примерно раз
в два-три года, различаются они цифрами порядковых номеров. Кодовые имена
соответствуют персонажам мультфильма «История игрушек» (Табл. 10.3).
Таблица 10.3. Версии дистрибутивов Debian
Версия дистрибутива Кодовое имя Ядро Linux Годы активности
Статус дистрибутива
Debian-0.93…4.0
—
—
1995…2010
Архивный, не поддерживается
Debian-5
Lenny
2.6.26
2009…2012
Архивный, не поддерживается
Debian-6
Squeeze
2.6.32
2011…2016
Архивный, не поддерживается
Debian-7
Wheezy
3.2.41
2013…2018
Архивный, не поддерживается
Debian-8
Jessie
3.16.0
2015…2020
Архивный, не поддерживается
Debian-9
Stretch
4.9.0
2017…2022
Предыдущий стабильный релиз
Debian-10
Buster
4.19.0
2019…2024
Текущий стабильный релиз
Debian-11
Bullseye
5.10
2021…2026
Текущая тестовая версия
Debian-12
Bookworm
—
—
Будущая тестовая версия
Debian-13
Trixie
—
—
Будущая тестовая версия
316
Глава 10. Программная часть SBC
Дистрибутив Ubuntu (рус. Убунту) появился 20 октября 2004 г. в качестве обычного ответвления от Debian. Со временем он превратился в самостоятельную единицу. Это свободная ОС для рабочих станций, ПК, нетбуков и серверов. Считается одним из самых популярных и легко устанавливаемых дистрибутивов Linux.
Спонсируется фирмой Canonical Ltd и имеет активную поддержку со стороны
свободного сообщества.
Новые версии Ubuntu выходят часто, один раз в полгода, обычно в апреле и
октябре. Различают серверные (server) и настольные (desktop) инсталляторы. Кодовые имена Ubuntu состоят из двух слов, начинающихся с одной и той же буквы
латинского алфавита в порядке их возрастания A…Z. Нумерация версий до точки
соответствует году выпуска, а после точки — номеру месяца. Например, версия
Ubuntu-18.10 означает, что она вышла в октябре 2018 года.
В конце названия версии может быть добавлена аббревиатура LTS (Long Term
Support). Это указывает на версию ОС с длительной поддержкой во времени, для
которой официальные обновления будут выходить в течение нескольких лет.
В Табл. 10.4 приведены наиболее актуальные версии Ubuntu. Остальные релизы относятся к архивным, закрытым или устаревшим. К слову сказать, многие
из устаревших версий отданы на модификацию сторонним разработчикам и ещё
длительное время будут поддерживаться [10-17].
Таблица 10.4. Версии актуальных дистрибутивов Ubuntu
Версия
Кодовое имя
Ubuntu-14.04 LTS
Ubuntu-16.04 LTS
Trusty Tahr
Xenial Xerus
4.4
4.4
2014…2019
2016…2021
Окончание приватной
поддержки
2024 (апрель)
2026 (апрель)
Ubuntu-18.04 LTS
Ubuntu-20.04 LTS
Ubuntu-22.04 LTS
Ubuntu-23x
Bionic Beaver
Focal Fossa
Jammy Jellyfish
Lunar Lobster
4.15
5.4
5.19
6.x
2018…2023
2020…2025
2022…2027
2023
2028 (апрель)
2030 (апрель)
2032 (апрель)
Будущая версия
Ядро Linux Годы активности
Дистрибутив Armbian специально «заточен» под отладочные платы с МК, а
также под SBC, содержащие AP архитектуры ARM. Однако своей собственной
уникальной идеологии дистрибутив Armbian не имеет, поскольку в нём используются исходные коды как от Debian, так и от Ubuntu. Родственная связь с «прародителями» не скрывается, поэтому в репозиториях имеются отдельно релизы
под Armbian-Debian и отдельно под Armbian-Ubuntu. Различают их по кодовым
именам. В частности, версия Armbian Buster является клоном Debian-10, а версия
Armbian Bionic — клоном Ubuntu-18.04.
Дистрибутив OpenWrt (Open Wireless RouTer) — это встроенная ОС для сетевых роутеров, модемов и маршрутизаторов, основанная на ядре Linux. Размер всех
входящих в дистрибутив пакетов минимизирован по длине и оптимизирован по
функциям, исходя из ограниченного объёма памяти устройств.
ОС OpenWrt идеально подходит для SBC с интерфейсом Wi-Fi на борту. Однако
OpenWrt является «осью» для узкоспециализированного применения и для профессионалов, глубоко разбирающихся в теме сетевых протоколов. Начинающим,
как предмет изучения, эту ОС логично оставить на будущее.
10.4. Сравнение разных ОС для SBC
317
10.4. Сравнение разных ОС для SBC
Комьюнити пользователей SBC является одним из самых активных в области
создания и коррекции прикладного и системного ПО. Любительские сборки разных версий ОС для SBC по своим возможностям не только не уступают фирменным, но иногда их даже в чём-то превосходят. Подход владельцев ПО к этой теме
прагматичный: мы даём релиз с открытыми исходными кодами, а желающие сами
его «допилят» под свои потребности.
Для рядового пользователя это означает свободу выбора, которая заключается
в возможности экспериментов с разными версиями ОС, благо, это делается простой заменой карты памяти microSD, на которую как раз помещается дистрибутив
одной ОС, будь то Android или Linux.
Если сравнивать сложность начальной инсталляции, то предпочтение следует
отдать ОС Android. Оболочка и пользовательский интерфейс здесь более дружелюбные для неискушённого человека. Получить результат и осуществить быстрый
запуск с «андроидом» гораздо проще, чем с «линуксом». Тем более что владельцы
современных планшетов и смартфонов уже имеют опыт общения с ОС Android и
по аналогии без труда осуществят тонкую настройку параметров микрокомпьютерной системы.
По части Linux для любого SBC самой желанной ОС считается та версия Armbian, которая совпадает с применяемым ядром АР. Единственное, что не все семейства АР пока поддерживаются. Для тех счастливчиков, которым повезло, остаётся лишь выбрать доступный вариант — Armbian-Debian или Armbian-Ubuntu.
Здесь дело опыта, вкуса и предпочтений. На крайний случай для SBC подойдут и
«чистые» релизы Debian и Ubuntu, различия заметят лишь специалисты.
«Холиварная» дискуссия на тему, что лучше — Debian или Ubuntu, однозначного ответа не имеет. Debian пользуется репутацией стабильной ОС, но с относительно старыми программными пакетами. Ubuntu считается более лояльной к
пользователю, чаще обновляется, но имеет коммерческую составляющую и «дружит» с проприетарными программами, что для истинного почитателя свободного
ПО не совсем приемлемо. Есть и другие, но менее критичные отличия.
Перед началом работы надо определиться с разновидностью инсталлятора
Linux и выбрать серверный или настольный вариант. В «сервере» используется
минималистичный дизайн экрана, приветствуется быстрота действий, а не картинка. Настольный «десктоп», наоборот, реализует экранное мультимедиа, подобно окнам Windows, но он менее быстрый и занимает больше места в памяти.
С другой стороны, каждый из инсталляторов можно дополнить недостающими
функциями. Например, в серверный вариант установить графические программные пакеты, оживляющие картинку, а настольный вариант использовать для задач
со статичным изображением, чтобы не тормозить вычисления.
Разобраться во всех нюансах можно с помощью критерия, который сформулировал А.В. Суворов: «Теория без практики мертва, практика без теории слепа».
Применительно к теме программирования SBC имеет смысл по очереди инсталлировать разные типы ОС (Android, Armbian, Debian, Ubuntu), поработать с ними,
выяснить достоинства и недостатки, а затем сделать для себя соответствующие
практические выводы.
318
Глава 10. Программная часть SBC
Список использованных источников и литературы к главе 10
10-1. Android [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа: https://ru.
wikipedia.org/wiki/Android. — 15.01.2022.
10-4. Рюмик, С. Эксперименты с Android. Приложение 1 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. — 2015. — № 1. — С. 40–43.
10-3. Android — история логотипа [Электронный ресурс] / «1001fact.ru», 2022. — Режим
доступа: https://1001fact.ru/android-istoriya-logotipa/. — 15.01.2022.
10-4. 7-Zip [Электронный ресурс] / Игорь Павлов, 2022. — Режим доступа: https://7-zip.
org/. — 15.01.2022.
10-5. Рюмик, С. Планшет, Android и МК. Ракурс 3 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. —
2014. — № 6. — С. 31–34.
10-6. Как скачать APK с Google Play [Электронный ресурс] / «101android.ru», 2019. —
Режим доступа: https://101android.ru/kak-skachat-apk-s-google-play/. — 15.01.2022.
10-7. Free and safe Android APK downloads [Электронный ресурс] / «APKmirror», 2022. —
Режим доступа: https://www.apkmirror.com/ (англ.). — 15.01.2022.
10-8. 10 полезных программ для Android, которые вы не найдёте в Google Play [Электронный ресурс] / Дмитрий Горчаков, 2016. — Режим доступа: https://lifehacker.ru/androidapps-not-available-on-google-play/. — 15.01.2022.
10-9. GitHub [Электронный ресурс] / «GitHub, Inc», 2022. — Режим доступа: https://github.
com/ (англ.). — 15.01.2022.
10-10. Список дистрибутивов Linux [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим
доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_дистрибутивов_Linux. — 15.01.2022.
10-11. Android – это Linux. Или нет? [Электронный ресурс] / Константин Иванов, 2022. —
Режим доступа: http://android.mobile-review.com/articles/50342/. — 15.01.2022.
10-12. Рюмик, С. Микрокомпьютеры Orange Pi. Взгляд 2 / Сергей Рюмик. // Радиоаматор. — 2019. — № 9. — С. 50–52.
10-13. Debian [Электронный ресурс] / Software in the Public Interest, Inc., 2022. — Режим
доступа: http://www.debian.org/ (англ.). — 15.01.2022.
10-14. Ubuntu [Электронный ресурс] / Canonical Ltd, 2022. — Режим доступа: https://ubuntu.
com/ (англ.). — 15.01.2022.
10-15. Armbian [Электронный ресурс] / Armbian, 2022. — Режим доступа: https://armbian.
com/ (англ.). — 15.01.2022.
10-16. OpenWrt [Электронный ресурс] / «OpenWrt.org», 2022. — Режим доступа: https://
openwrt.org (англ.). — 15.01.2022.
10-17. Список версий Ubuntu [Электронный ресурс] / Википедия, 2022. — Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_версий_Ubuntu. — 15.01.2022.
Послесловие
Все цветы завтрашнего дня являются
семенами сегодня.
(Китайская пословица)
Есть разные трактовки слова «профессионал». Например, профессионал –
это человек, который добился определённых успехов в своём деле, чётко понимает пределы возможностей и не пытается брать на себя больше, чем способен
сделать. В работе профессионал не суетится, не совершает лишних движений,
отклоняет ложные версии. Но от этого темп работы не замедляется, а ускоряется, поскольку опытный специалист, как в шахматах, заранее предвидит конечный результат на несколько ходов вперёд.
У профессионала вырабатывается правильное отношение к поражениям и
победам. Нет смысла корить себя за неудачи по причинам, от тебя не зависящим. Нет смысла радоваться достижениям, к которым ты напрямую не прикладывал усилий. Нет смысла требовать от судьбы невозможного любой ценой.
С другой стороны, надо чётко знать свои потенциальные возможности. Как
говорится: «Деревья не растут до небес, а птицы не могут упасть ниже уровня
земли». Иными словами, не нужно излишне обольщаться и не стоит сильно
паниковать. Профессионал, в философском смысле слова, — это позитивно
настроенный пессимист, знающий дело и любящий профессию.
В электронике, как и в любой другой области знаний, надо стремиться стать
профессионалом. Как правило, получается это сделать лишь в узком коридоре
возможностей.
К примеру, опытный ремонтник радиоаппаратуры обычно слаб в теоретических расчётах и программировании. Профессиональный программист зачастую
пасует перед анализом простых электронных схем. Талантливый схемотехник
может грамотно смоделировать сигналы на компьютере, но в разводке печатной платы нередко допускает элементарные ошибки. Специалист по автоматизированной трассировке плат «провалит» задание без указаний схемотехника,
если последний не опишет требования к толщине и зазорам проводников, их
высокочастотным свойствам, экранированию элементов, тепловым режимам
и нагрузкам.
Круг замкнулся. В фирмах, специализирующихся на разработке электроники, лучших результатов добиваются компактные группы профессиональных
инженеров с грамотным дирижированием сверху. В таком коллективе обязательно должен быть человек, чётко понимающий техническое задание на системном уровне. Остальные специалисты могут быть узкопрофильными. При
этом допускается их удалённая работа на аутосорсинге, чтобы не срывать сроков выполнения задач.
Альтернативная концепция заключается в привлечении к работе одногоединственного универсального исполнителя, на которого делается основная
320
Послесловие
ставка. Действительно, такой «человек-оркестр» может совершить чудо и разработать оригинальный проект от начала до конца с минимальной внешней
помощью. Однако времени на это уйдёт неизмеримо больше, чем у слаженного
коллектива узких специалистов, да и качество проекта может оказаться под вопросом.
Стать настоящим специалистом помогают учёба и самообразование. Проблема заключается в том, что человек не всегда критично осознаёт, какая информация ему пригодится в будущем, что надо учить, а без чего можно и обойтись.
Порой он теряется, какую выбрать специализацию, какие «прокачать» навыки,
компетенции, чтобы быть востребованным в обществе не на месяцы, а на годы
вперёд.
Дабы избежать ошибок, нужен «проводник», он же «ментор», «гуру», «мастер», «учитель», который подскажет начинающему очень важную вещь — перспективу и генеральное направление движения. «Гуру» способен объективно
проанализировать способности ученика и ответить на вопрос, в какую сторону
следует развиваться дальше и как использовать своё время с максимальной эффективностью.
Говорят, что человеку в жизни должно повезти три раза: с родителями, со
второй половинкой при создании семьи, а также с учителями. В последнем случае подразумеваются не только школьные педагоги, но и люди, которые учат
ремеслу и являются авторитетными наставниками — в армии, в вузе, на работе
и, наконец, в повседневной жизни.
Если с реальным учителем в области электроники не сложилось, то на помощь придут книги, журнальные статьи, публикации в Интернете. Многие
учатся профессиональным тонкостям на форумах, вебинарах, в группах по интересам, на курсах дистанционного образования.
Разумеется, теорию надо постоянно подкреплять практикой, иначе дело не
сдвинется с места дальше умных разговоров за чашкой кофе о том, что могло
бы произойти, но так и не сложилось. Как говорили древние: «Usus magister est
optimus» (лат. «Практика — лучший учитель»).
Считается, что в идеале повседневная «зарплатная» работа человека должна
совпадать с его хобби, тогда и отдача от специалиста будет максимальной.
В профессии электронщика это заметно сразу. Если увлекался человек радиолюбительством с юных лет, если конструировал электронные самоделки и
получал от этого удовольствие, то высшее техническое образование ему пойдёт
впрок. И инженерное дело он будет осваивать быстрее, и схемотехнику легче свяжет с программированием, и скорее научится системному пониманию
поставленной задачи. Если таких навыков и практики нет — человек быстро
разочаруется в профессии и сменит, скорее всего, род деятельности на более
приемлемый.
Разработчик электронной аппаратуры должен обладать рядом стандартных
навыков. Один из них — умение макетировать узлы создаваемого устройства.
Для этих целей в программируемых изделиях с МК и АР всё чаще используют
отладочные платы начального уровня, подобные Arduino.
Считается, что платформа Arduino рассчитана на начинающих любителей,
школьников и студентов. Это действительно так. Но с появлением новых раз-
Послесловие
321
новидностей модулей Arduino, выполненных на мощных современных МК и
АР, а также интеллектуальных датчиках и интерфейсных СБИС, число скептиков поубавилось.
Взять, к примеру, семейство Arduino Nano, в котором на плате размерами
18 x 45 мм помещаются (кроме основного МК): чип Wi-Fi/Bluetooth, акселерометр, магнитометр, компас, барометр, термометр, гигрометр, цифровой микрофон, детекторы цвета, освещённости, приближения и даже сенсор удалённого
распознавания жестов!
Профессионалы оттачивают на ардуиноподобных устройствах алгоритмы
управляющих программ. Например, выбирают оптимальные способы обработки информации, имитируют работу отдельных узлов, создают генераторы специальных функций, моделируют аварийные и редко повторяющиеся ситуации.
Последнее обстоятельство весьма важно для повышения надёжности аппаратуры и обеспечения живучести устройства при работе в течение многих лет в
режиме «24 часа в сутки, 7 дней в неделю».
Если вычислительных возможностей Arduino недостаточно, то переходят
на быстродействующие SBC, которые игрушкой уже ни один сноб не назовёт.
Это более высокая ступень технического, технологического и программного
развития. В платы SBC «заливаются» форки компьютерных ОС, которые обслуживают в режиме реального времени сложные аппаратные интерфейсы.
Информация в красочном виде выводится на монитор, предоставляя пользователю оптимальные возможности для решения большинства стандартных и
нестандартных задач.
В итоге современный электронщик должен достаточно хорошо разбираться в программировании и схемотехнике как обычных МК, включая модули
Arduino, так и высокопроизводительных AP в платах SBC.
Во всех перечисленных случаях, думается, будет полезной информация,
входящая в четырёхтомное издание «1000 и одна микроконтроллерная схема»,
дополненная сведениями из пятой (настоящей) книги. Если такой «пятитомник» станет руководством к действию для специалистов, стремящихся стать
профессионалами, то свою задачу автор может считать выполненной.
Приложение
1
ССЫЛКИ И АДРЕСА В ИНТЕРНЕТЕ
Интернет — это такое прекрасное место, где есть абсолютно всё,
кроме того, что тебе в данный момент крайне необходимо.
(Макс Фрай)
В Табл. П1.1 приведены списки фирм, их реквизиты и производимые изделия. Суффиксом «-x» в конце названия обозначаются переменные данные для
нескольких однотипных моделей, имеющих схожую схемотехнику.
Таблица П1.1. Фирмы-изготовители SBC
Actions
Semiconductor
Arduino
Arrow Development
Tools
Cubietech Limited
Китай
SBC и отладочные комплексы,
которые рассматривались при
составлении электрических схем
http://www.actions-semi.com/ Bubblegum96
Италия
США
https://www.arduino.cc/
https://www.arrow.com/
Arduino Portenta X8
DragonBoard 410c
Китай
http://www.cubietech.com/
CubieBoard-x, CubieTruck
Embest Technology
FEDEVEL Academy
Firefly team
FriendlyElec
HAOYU Electronics
Китай
США
Китай
Китай
Китай
http://www.embest-tech.com/
https://www.imx6rex.com/
http://en.t-firefly.com/
https://www.friendlyarm.com/
http://www.marsboard.com/
Hardkernel
HiSilicon
Technologies
LeMaker
Корея
Китай
https://www.hardkernel.com/
http://www.hisilicon.com/
RIoTboard
iMX6 Rex Module
FireFly-x, FirePrime
NanoPi-x, NanoPC-x
MarsBoard, CM/SIM-A10/A20,
CM/SOM-RK3066
Odroid-x
HiKey970
Китай
http://www.lemaker.org/
LinkSprite
Technologies
США
http://www.linksprite.com
MediaTek Inc.
Китай
https://www.mediatek.com/
MediaTek-X20
Microchip Technology
MYIR Tech Limited
США
Китай
https://www.microchip.com/
http://www.myirtech.com/
Atmel SAMA5D4 Xplained Ultra
Rico Board, MYB-x, MYD-x,
MYS-x
i.MX53 Quick Start Board
Фирма
NXP Semiconductors
Страна
Интернет-адрес на
15.01.2022 г.
Нидерланды https://www.nxp.com/
LeMaker Guitar, LeMaker HiKey,
LeMaker Banana Pro/Pi
Arches-A80, pcDuino Nano,
pcDuino8
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете
323
Окончание табл. П1.1
Болгария
https://www.olimex.com/
SBC и отладочные комплексы,
которые рассматривались при
составлении электрических схем
A10…A64-OLinuXino
США
https://www.pine64.org/
PINE A64-x, ROCK64-x
http://www.poslab.com.tw/
SavageBoard
https://www.raspberrypi.org/
Raspberry Pi-x
Фирма
Страна
Olimex
Pine Microsystems
Poslab
Тайвань
Raspberry Pi
Foundation
Silicom
Великобритания
SinoVoip Co.
Китай
Израиль, США
SolidRun
Израиль
Интернет-адрес на
15.01.2022 г.
https://www.silicom-usa.com MinnowBoard Turbot
http://www.sinovoip.com.cn/ Banana Pi-x
https://www.solid-run.com/
Starterkit
Россия
http://www.starterkit.ru/
TechNexion
Тайвань
CuBox-i-Lower/Upper,
HumingBoard
Sunshine-A20
Texas Instruments
США
https://www.technexion.
com/
http://www.ti.com/
UDOO
США
https://www.udoo.org/
BeagleBone-x, DRA72x EVM,
BeagleBoard
UDOO NEO/X86
https://www.wandboard.org/
WB-EDM-iMX6, Hobbitboard
http://www.xunlong.tv/
Orange Pi-x
Wandboard
Тайвань
Xunlong Software
Китай
Blizzard, EDM1-FAIRY
В Табл. П1.2 приведены ссылочные данные на базовые интерфейсы, протоколы, спецификации, технологии, встречающиеся в АР и SBC.
Таблица П1.2. Перечень интерфейсов, протоколов, спецификаций, технологий
Название
ACPI
Функция
Описание
Управление ACPI Specification (англ.)
Интернет-адрес на 15.01.2022 г.
https://uefi.org/specifications
AVB
Сеть, аудио,
видео
Сеть
Камера,
видео
Дисплей с
GRAM
Монитор,
видео
Монитор,
видео
Дисплей,
видео
Параллельный порт
Дисплей,
видео
Память
https://www.osp.ru/
lan/2014/01/13039323
http://esd.cs.ucr.edu/webres/can20.pdf
https://www.mipi.org/currentspecifications
https://fastbitlab.com/display-interfacetypes/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Display_
Data_Channel, http://www.vesa.org
https://club.dns-shop.ru/blog/,
http://www.vesa.org
https://ru.wikipedia.org/wiki/Display_
Serial_Interface
https://russianblogs.com/
article/4302795956/
https://novoselovvlad.ru/2018/10/10/
CAN
CSI
DBI
DDC
DP
DSI
DVP
eDP
eMMC
Как работает AVB
CAN Specificationюб v2.0 (англ.)
MIPI CSI, MIPI CSI-2,
MIPI CSI-3 (англ.)
Display interface types (англ.)
Display Data Channel
Что такое интерфейс DisplayPort
и зачем он нужен?
Display Serial Interface
DVP, LVDS и MIPI
eDP интерфейс в ноутбуке. Что
это?
eMMC или SSD — в чём разница https://remontka.pro/emmc-vs-ssd/,
и что лучше?
https://www.jedec.org/committees/jc-64
324
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете
Продолжение табл. П1.2
Название
eSAI
Функция
Аудио
Ethernet
HDMI
I2C
Сеть
Видео,
аудио
USB,
связь
Сеть
I2S
Аудио
M.2
microSD
Модуль
Карта
памяти
Видео
Видео
USB
Карта
памяти
Память
HSIC
MIPI CSI
MIPI DSI
MIPI HSIC
MMC
NAND
Flash
NOR
Flash
Память
ONFI
OpenGL
OpenVG
Память
Видео
Видео
PCI Express
Шина
Raw NAND Память
SCCB
Камера,
видео
SD Card
SDIO
SLIMbus
Smart Card
ISO-7816
S/PDIF
Память
Память,
карта
Шина
Смарткарта
Аудио
SPI
Шина
SWD
Отладка
TrustZone
Защита
Описание
Enhanced Serial Audio Interface
(англ.)
Ethernet
HDMI 1.4b Specification,
HDMI 2.1a Specification (англ.)
Шина HSIC (High-Speed InterChip, InterChip USB, IC-USB)
I2C-bus specification and user
manual (англ.)
Philips Semiconductors. I2S bus
specification (англ.)
M.2
Что такое MicroSD, MicroSDHC
и MicroSDXC карты
См. CSI
См. DSI
См. HSIC
MultiMedia Card
Технология флеш-памяти
NAND и твердотельные
накопители (SSD)
Что такое флеш-память NOR —
определение, характеристики,
типы и многое другое
Specifications (англ.)
OpenGL Headline News (англ.)
The Standard for Vector Graphics
Acceleration (англ.)
Specifications (англ.)
Интернет-адрес на 15.01.2022 г.
https://www.nxp.com/docs/en/applicationnote/AN1848.pdf
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ethernet
https://www.hdmi.org/home/
https://www.pc4xp.ru/gds/ports/detail.
php?ID=11233
http://www.cs.columbia.edu/~cs4823/
handouts/UM10204.pdf
https://www.sparkfun.com/datasheets/
BreakoutBoards/I2SBUS.pdf
https://ru.wikipedia.org/wiki/M.2
https://comp-security.net/что-такоеmicrosd-sd-карты
См. CSI
См. DSI
См. HSIC
https://ru.wikipedia.org/wiki/
MultiMedia_Card
https://www.kingston.com/ru/blog/pcperformance/nand-flash-technology-andssd
https://recoverit.wondershare.com.ru/
flashdrive-recovery/what-is-nor-flashmemory.html
https://www.onfi.org/specifications
http://www.opengl.org
http://www.khronos.org/openvg
http://www.pcisig.com/specifications/
pciexpress
NAND Flash Memory Types
https://www.micron.com/products/nand(англ.)
flash/choosing-the-right-nand
OmniVision Serial Camera
https://www.waveshare.com/w/upload/1/
Control Bus (SCCB) Functional
14/OmniVision_Technologies_Seril_
Specification (англ.)
Camera_Control_Bus%28SCCB%29_
Specification.pdf
SD Association (англ.)
https://www.sdcard.org
Введение в интерфейс SDIO
https://russianblogs.com/
article/9356229979/
SLIMbus (англ.)
https://en.wikipedia.org/wiki/SLIMbus
ISO/IEC 7816s
https://ru.wikipedia.org/wiki/ISO/
IEC_7816
Загадочный S/P-DIF, интерфейс http://upweek.ru/wp-content/2013/
и протокол
upgrade_630.pdf
Serial Peripheral Interface
https://ru.wikipedia.org/wiki/Serial_
Peripheral_Interface
Адаптеры JTAG с поддержкой
http://microsin.net/programming/arm/
SWD
swd-jtag-adapters.html
TrustZone: аппаратная
https://habr.com/ru/company/aladdinrd/
реализация в ARMv7A
blog/340912/
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете
325
Окончание табл. П1.2
Название
UART
ULPI
SMBus
TDMS
USB 2.0
(OTG)
USB 3.x
Функция
Связь
Описание
Интерфейс передачи данных —
UART
IP-связь, Tips for creating a FPGA ULPI
USB
USB interface (англ.)
Сеть
SMBus Specifications (англ.)
Шина
Technical data management system
(англ.)
Шина
Universal Serial Bus
Specification Revision 2.0 (англ.)
Шина
Universal Serial Bus 3.2
Specification (англ.)
Интернет-адрес на 15.01.2022 г.
https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/
interfeys-peredachi-dannykh-uart/
http://cross-hair.co.uk/tech-articles/
ULPI%20interface.html
http://www.smbus.org/specs
https://en.wikipedia.org/wiki/Technical_
data_management_system
https://www.usb.org/sites/default/files/
usb_20_20190524.zip
https://www.usb.org/sites/default/files/
usb_32_202206_0.zip
В Табл. П1.3 приведены реквизиты сообществ, групп поддержки, форумов,
комьюнити, на площадках которых обсуждаются наиболее популярные семейства SBC. В список вошли информационно насыщенные ресурсы.
Таблица П1.3. Перечень сообществ пользователей популярных SBC
Семейство SBC
96Boards
Интернет-адрес на 15.01.2022 г.
https://www.96boards.org/
Arduino Pro
CubieBoard
https://forum.arduino.cc/c/hardware/12 Форум «ардуинщиков», обсуждающих в
том числе SBC моделей Arduino MKR,
Arduino Portenta, Arduino Nicla
http://www.banana-pi.org/
Комьюнити любителей SBC Banana Pi,
документация
https://beagleboard.org/
Сайт создан при поддержке фирмы
Texas Instruments
http://cubieboard.org/
Мультиязычные форумы
FireFly
http://bbs.t-firefly.com/
Проекты устройств, решение вопросов
OLinuXino
https://www.olimex.com/forum/
Форумы на сайте разработчика
Orange Pi
http://www.orangepi.org/,
http://orangepi.su/
pcDuino
http://forum.linksprite.com/forum/13linksprite-pcduino/
http://wiki.pine64.org/
Англоязычное и русскоязычное
сообщества программистов и
эмбеддеров
Форумы по каждой из разновидностей
плат
Сведения по 64-разрядным SBC в стиле
Википедии
Для начинающих, и не только
Banana Pi
Beagle
PINE64, ROCK64
Raspberry Pi
http://raspberrypi.ru/, http://edurobots.
ru/raspberry-pi-dlya-nachinayushhix/
Sunshine-A20
https://habr.com/ru/post/388273/
Примечание
Cпецификация параметров плат «96»,
информационная поддержка
Тема на «Хабре» с комментариями
В Табл. П1.4 приведены реквизиты интернет-порталов, на которых можно
ознакомиться с новинками в области SBC, сравнить их между собой, оценить
финансовые затраты при покупке. Этими же сервисами удобно пользоваться при
анализе возможностей SBC, поскольку в них даются ссылки на даташиты и другую справочную литературу.
326
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете
Таблица П1.4. Информационные интернет-площадки с тематикой SBC
Интернет-адрес на 15.01.2022 г.
https://www.arrow.com/en/categories/kits-and-tools/
https://www.digikey.com/products/en/developmentboards-kits-programmers/evaluation-anddemonstration-boards-and-kits/787
https://www.electronicspecifier.com/around-theindustry/the-top-ten-development-boards-of-2018
https://www.element14.com/
http://www.forlinx.net/
http://linuxgizmos.com/catalog-of-116-open-spechacker-boards/
http://www.mouser.ru/
https://www.seeedstudio.com/
https://www.tme.eu/ru/katalog/komplektypuskovye_100636/
https://www.shunlongwei.com/ru/top-10development-boards-for-iot/
https://habr.com/ru/companies/selectel/
articles/562056/
Примечание
Магазин продажи отладочных плат для МК и
АР
Более 11 тысяч разновидностей стартовых,
отладочных и обучающих комплектов, плат,
модулей
Топ-10 отладочных комплексов и SBC по
состоянию на 2018 год
Подборка отладочных комплексов и SBC с
фотографиями внешнего вида
Каталог SBC, отладочных комплексов и
компьютерных модулей, базирующихся на
ARM-процессорах
Перечень 116 SBC с открытой архитектурой
Большой каталог SBC в разделе «Отладочные
платы»
Подбор по параметрам, настройка, продажа
отладочных плат и SBC производства
различных фирм
Оценочные (пусковые) комплекты и
отладочные платы на сайте одного из
крупнейших в мире дистрибьюторов ЭРИ
10 лучших плат для разработки IoT
Лучшие SBC на базе чипа RP2040 по
состоянию на 2021 год
Приложение
2
Перечень ЭРИ
К совершенству ведет порядок.
(Иоганн Вольфганг фон Гёте)
В Табл. П2.1 приведен отсортированный в алфавитном порядке перечень ЭРИ
зарубежного производства, которые встречаются в настоящей книге на рисунках
электрических схем и в текстовых пояснениях к ним.
В графе «Наименование ЭРИ» приводятся полные названия радиоэлементов
согласно их обозначениям в даташитах. Наименования некоторых элементов
указаны в сокращённой форме, с отсутствием последней буквы «суффикса» в
конце названия. Это позволяет сократить место в таблице и распространить информацию одной строки на несколько однотипных радиоэлементов.
Пример: транзисторы семейства BC846 встречаются с буквами «A», «B», «C»,
которые определяют границы разброса коэффициента усиления. Однако даташит у них одинаковый, следовательно, информация о транзисторах BC846A,
BC846B, BC846C размещается в одной строке с названием BC846.
Исключение — когда последние буквы «суффикса» несут важную смысловую
нагрузку. Пример: сборка диодов Шоттки BAT54С имеет трёхвыводной корпус и
содержит два связанных между собой диода. Диоды Шоттки BAT54X имеют двухвыводной корпус и содержат один диод. Даташиты и изготовители у них разные,
поэтому в таблице предусмотрены две отдельные строки.
Графа «Назначение, функция» указывает на классификационную и функциональную принадлежность ЭРИ. Фразы пояснений в этой графе краткие, с
минимально достаточной технической информацией. Знаком «x» обозначается
количество каналов. Пример: надпись «Сборка 4 x (TVS)» относится к четырёхканальному набору защитных супрессоров TVS (Transient Voltage Suppressor), собранных в одном корпусе, причём это могут быть четыре отдельных супрессора
или один супрессор с четырьмя диодными смесителями.
В графе «Фирма-изготовитель» указываются названия фирм и корпораций, которые производят ЭРИ. Индексы «Ltd», «GmbH», «Corp.», «Co.» в конце названий для экономии места пропускаются. Это вспомогательная бизнесинформация, которую для «технарей» приводить не обязательно.
В графе «Интернет-адрес на 15.01.2022 г.» содержатся ссылки на головные сайты фирм-изготовителей по состоянию на 15 января 2022 г. Адреса сайтов обычно
«говорящие», т е. они вмещают в себя часть названия фирмы. Например, легко
понять, что сайт https://www.nexperia.com/ относится к фирме Nexperia.
Даташиты на ЭРИ ищутся в строке поиска фирменного сайта или на агрегаторах, подобных Alldatasheet, Datasheetcatalog, Datasheetarchive, DatasheetsPDF.
328
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Если фирма входит в состав более крупной корпорации, но имеет свой прежний, хорошо узнаваемый бренд, то в графе «Фирма-изготовитель» указывается
прежнее название, а ссылка даётся на новый сайт. К примеру, изготовитель популярных МК семейства «ATmega» фирма Atmel в 2017 году вошла в состав фирмы
Microchip Technology. Бренд остался прежним, но сайт в таблице указан уже от
нового владельца.
Обращение к адресам сайтов может осуществляться как по префиксу «https»,
так и по префиксу «http». В тех случаях, когда фирму-изготовитель однозначно
определить не удаётся, интернет-адрес не указывается.
Таблица П2.1. Реквизиты ЭРИ, которые упоминаются в книге
Наименование
Назначение, функция
ЭРИ
007-01-00407
Разъём 7-pin SATA
Almita
1-1734248-5
1N4007
Разъём FPC, SMT
Диод силовой
TE Connectivity
ON Semiconductor
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.almita-connectors.
com/
https://www.te.com/
https://www.onsemi.com/
1N4148
1N5819
1PS79SB30
20021121-00010
Диод импульсный
Диод Шоттки
Диод Шоттки
Разъём Minitek127
Nexperia
Vishay Semiconductors
Nexperia
Amphenol
https://www.nexperia.com/
http://www.vishay.com/
https://www.nexperia.com/
https://www.amphenol.com/
218-4LPST
24AA025E48
24LC256
24LC32A
2N3904
2N7002
Переключатель DIP
Память EEPROM
Память EEPROM
Память EEPROM
Транзистор n–p–n
Транзистор MOSFET-N
CTS Corporation
Microchip Technology
Microchip Technology
Microchip Technology
ON Semiconductor
Nexperia
https://www.ctscorp.com/
https://www.microchip.com/
https://www.microchip.com/
https://www.microchip.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.nexperia.com/
2N7002DW
2N7002W
2SK3018
31/3A-L3
47590-0001
54548-2271
744784012A
74AHC1G32
74LVC1T45
74V1G125
74VHC4053
ACM2012
ADG794
ADM3202
ADM3222
ADM3232
ADM3485
ADUM1201
ADV7125
Сборка 2 x (MOSFET-N)
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-N
Фильтр ферритовый 0603
Разъём microUSB
Разъём FFC-FPC
Дроссель SMD
Элемент 2-ИЛИ
Преобразователь уровней
Буфер КМОП
Мультиплексор КМОП
Трансформатор-фильтр
Мультиплексор
Драйвер RS-232
Драйвер RS-232
Драйвер RS-232
Драйвер RS-485
Цифровой изолятор
ВидеоЦАП x 3
ON Semiconductor
ON Semiconductor
ROHM
–
Molex
Molex
Wurth Elektronik
Nexperia
Diodes Incorporated
STMicroelectronics
Fairchild Semiconductor
TDK
Analog Devices
Analog Devices
Analog Devices
Analog Devices
Analog Devices
Analog Devices
Analog Devices
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.rohm.com/
–
https://www.molex.com/
https://www.molex.com/
https://www.we-online.com/
https://www.nexperia.com/
https://www.diodes.com/
https://www.st.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.global.tdk.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
https://www.analog.com/
Фирма-изготовитель
Приложение 2. Перечень ЭРИ
329
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
ADV7180
ALC5631Q
ALC5640
Allwinner-A10
Allwinner-A20
AM335x
AME8801
AME8850
AMS1117
AN6520
Видеодекодер
Аудиокодек + УНЧ x 2
Аудиокодек + УНЧ x 2
АР
АР
АР
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Чип-антенна ВЧ
Analog Devices
Realtek Semiconductor
Realtek Semiconductor
Allwinner Technology
Allwinner Technology
Texas Instruments
AME
AME
AME
Edcon-Components
ANT016008
AO3401
AO3407
AO3415A
AO3423
AO4421
AO7407
AO7800
AOZ1021
AP1509
AP2121
Чип-антенна ВЧ
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Сборка 2 x (MOSFET-N)
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Стабилизатор LDO
TDK
AOS
AOS
AOS
AOS
AOS
AOS
AOS
AOS
Diodes Incorporated
BCD Semiconductor
AP2172
AP2331
AP3031
AP3032
AP6212
AP6335
AP6356
APL5933
APT1608
APX803
APX809
AT24C08
AT24C16
ATC2609
ATSHA204A
ATtiny13
AVRL101A1R
AXK824145W
Ключ силовой
Ключ силовой
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Модуль Wi-Fi/BT/FM
Модуль Wi-Fi/BT/FM
Модуль Wi-Fi/BT
Стабилизатор LDO
Светодиод SMD
Супервизор
Супервизор
Память EEPROM
Память EEPROM
Контроллер питания
Крипточип
МК
Варистор ESD
Разъём FPC-24
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
BCD Semiconductor
BCD Semiconductor
AMPAK Technology
AMPAK Technology
AMPAK Technology
Anpec Electronics
Kingbright Electronic
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
Atmel
Atmel
Actions Semiconductor
Microchip Technology
Atmel
TDK
Panasonic
AXP209
AZ1045-04F
Контроллер питания
Сборка 4 x (TVS)
X-Powers
Amazing
Microelectronic
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.analog.com/
https://www.realtek.com/
https://www.realtek.com/
https://www.allwinnertech.com/
https://www.allwinnertech.com/
https://www.ti.com/
https://www.ame.com.tw/
https://www.ame.com.tw/
https://www.ame.com.tw/
https://www.edcon-components.
com/
https://www.global.tdk.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.aosmd.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.ampak.com.tw/
https://www.ampak.com.tw/
https://www.ampak.com.tw/
https://www.anpec.com.tw/
https://www.kingbright.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.microchip.com/
https://www.microchip.com/
https://www.actions-semi.com/
https://www.microchip.com/
https://www.microchip.com/
https://www.global.tdk.com/
https://industrial.panasonic.
com/
https://www.x-powers.com/
https://www.amazingic.com/
330
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
B0505S-1WR2
B5817WS
B5819WS
BAT54C
BAT54X
BAT60A
BAV99
BC817
BC846
BC847
BCM2837
BCM856BS
BCM857BS
BF1411-L2R4
BGA725L6
BKP2125
Модуль питания DC
Диод Шоттки
Диод Шоттки
Два диода Шоттки
Диод Шоттки
Диод Шоттки
Два диода Шоттки
Транзистор n–p–n
Транзистор n–p–n
Транзистор n–p–n
АР
Сборка 2 x (VT, p–n–p)
Сборка 2 x (VT, p–n–p)
Фильтр полосовой ВЧ
Усилитель ВЧ
Фильтр ферритовый
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
MORNSUN Guangzhou https://www.mornsun-power.com/
Lite-On Semiconductor https://www.liteon-semi.com/
Lite-On Semiconductor https://www.liteon-semi.com/
Vishay Semiconductors
https://www.vishay.com/
Lite-On Semiconductor https://www.liteon-semi.com/
Infineon Technologies
https://www.infineon.com/
Diodes Incorporated
https://www.diodes.com/
Diodes Incorporated
https://www.diodes.com/
Nexperia
https://www.nexperia.com/
Nexperia
https://www.nexperia.com/
Broadcom
https://www.broadcom.com/
Nexperia
https://www.nexperia.com/
Diodes Incorporated
https://www.diodes.com/
Advanced Ceramic X
https://www.acxc.com.tw/
Infineon Technologies
https://www.infineon.com/
Taiyo Yuden
https://www.ty-top.com/
BLM15
BLM18
BSN20
BSS138
BSS138DW
BSS138L
BSS138W
CAT24C256
CAT823
CB2012T
CLE1006-2801
CM2020-00TR
CMASH-4
CP2102
CS4352
CSD18501Q5A
CY7C65632
D5V0L1B2LP
DEA162450BT
DF12B(3.0)-20
DFE252010P
DL4733A
DLT1160
DLW21SN
DMG1012T
DMG2305U
DMMT5401
Фильтр ферритовый
Фильтр ферритовый
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-N
Сборка 2 x (MOSFET-N)
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-N
Память EEPROM
Супервизор
Дроссель силовой SMD
Держатель SIM-карты
Драйвер защиты HDMI
Диод Шоттки
Мост USB—UART
СтереоЦАП
Транзистор MOSFET-N
Хаб-контроллер USB
Супрессор TVS
ВЧ-фильтр 2.4GHz
Разъём
Дроссель силовой SMD
Стабилитрон
Передатчик оптический
Трансформатор-фильтр
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-P
Сборка 2 x (VT, p–n–p)
Murata Manufacturing
Murata Manufacturing
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
ON Semiconductor
Infineon Technologies
ON Semiconductor
ON Semiconductor
Taiyo Yuden
SMK Electronics
ON Semiconductor
Central Semiconductor
Silicon Labs
Cirrus Logic
Texas Instruments
Cypress Semiconductor
Diodes Incorporated
TDK
Hirose Electric
Murata Manufacturing
Recton Semiconductor
Huai Yang
Murata Manufacturing
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
https://www.murata.com/
https://www.murata.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.infineon.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.ty-top.com/
https://www.smk-ke.net/
https://www.onsemi.com/
https://www.centralsemi.com/
https://www.silabs.com/
https://www.cirrus.com/
https://www.ti.com/
https://www.cypress.com/
https://www.diodes.com/
https://www.global.tdk.com/
https://www.hirose.com/
https://www.murata.com/
https://www.rectron.com/
https://www.hy1688.com/
https://www.murata.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
Приложение 2. Перечень ЭРИ
331
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
DMN63D8LD
DMP2160U
DPX165950DT
DS1337
Сборка 2 x (MOSFET-N)
Транзистор MOSFET-P
Диплексер ВЧ
RTC-контроллер
Diodes Incorporated
Diodes Incorporated
TDK
Maxim Integrated
DSC6111
DSC6151
DT6104
DW-1108C5011
МЭМС-генератор
МЭМС-генератор
DC/DC-преобразователь
Разъём Ethernet
Microchip Technology
Microchip Technology
Dorsent Technologies
Duwon Cometch
DX07S024JJ2
Разъём USB Type-C
Japan Aviation
Electronics Industry
Electric Connector
Technology
ON Semiconductor
Назначение, функция
ECT818000071 Разъём ВЧ
Фирма-изготовитель
EMD2053
EMMC04G
ES0402V014
ES8316
ES8388
ESD5302
ESD5304
ESD5341
ESD5451
ESD5471
ESD5V3U2U
ESD7004MU
ESD7С
ESD9B5
ESD9L5
ESD9N12BA
ESD9X
ESL100503
ETA3409
ETA3451
EXC24CE
Сборка 4 x (TVS) +
2 x (ВЧ-дроссель)
DC/DC-преобразователь
Память eMMC
Супрессор ESD
Аудиокодек
Аудиокодек
Сборка 2 x (TVS)
Сборка 4 x (TVS)
Супрессор TVS
Супрессор TVS
Супрессор TVS
Сборка 2 x (TVS)
Сборка 4 x (ESD)
Сборка 2 x (ESD)
Супрессор TVS
Супрессор TVS/ESD
Супрессор TVS
Супрессор TVS
Супрессор ESD/TVS
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Трансформатор-фильтр
Elite Semiconductor
Kingston Technology
AEM Components
Everest Semiconductor
Everest Semiconductor
Shanghai WillSemi
Shanghai WillSemi
Shanghai WillSemi
Shanghai WillSemi
Shanghai WillSemi
Infineon Technologies
ON Semiconductor
ON Semiconductor
Shanghai WillSemi
ON Semiconductor
Shanghai WillSemi
Shanghai WillSemi
Semiteh Electronics
ETA Solutions
ETA Solutions
Panasonic
EXC28CH
Трансформатор-фильтр
Panasonic
FAN53555
FCO-336
FDC6301
FDC6331
FH12-30S-05
DC/DC-преобразователь
Генератор кварцевый
Сборка 2 x (MOSFET-N)
Хаб-контроллер USB
Разъём FPC-30
Fairchild Semiconductor
FujiCom
Fairchild Semiconductor
Qixin Electronics
Hirose Electric
EMI4182
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.diodes.com/
https://www.diodes.com/
https://www.global.tdk.com/
https://www.maximintegrated.
com/
https://www.microchip.com/
https://www.microchip.com/
https://www.dorsent.com/
https://kr1047833504.
fm.alibaba.com/
https://www.jae.com/
https://www.ectsz.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.esmt.com.tw/
https://www.kingston.com/
https://aemchina.com/
https://www.everest-semi.com/
https://www.everest-semi.com/
https://www.sh-willsemi.com/
https://www.willsemi.com/
https://www.sh-willsemi.com/
https://www.sh-willsemi.com/
https://www.sh-willsemi.com/
https://www.infineon.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.willsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.sh-willsemi.com/
https://www.willsemi.com/
https://www.semiteh.com/
https://www.etasolution.com/
https://www.etasolution.com/
https://industrial.panasonic.
com/
https://industrial.panasonic.
com/
https://www.onsemi.com/
https://fujicom.jp/
https://www.onsemi.com/
https://www.jfd-ic.com/
https://www.hirose.com/
332
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
FH12-50S-05
FN-8112MET
FP124-334M4
Разъём FPC-50
Модуль Wi-Fi
Разъём FPC
Hirose Electric
Fn-link Technology
Almita
FP6745S9G
DC/DC-преобразователь
FPF2495
FPV-WZA21
FSX-3M
FT-009
FT5206GE1
Контроллер защиты
цепей питания
Разъём для плоского
шлейфа
Разъём ZIF SMT
Резонатор кварцевый
ИК-фотомодуль
Контроллер тачскрина
Fitipower Integrated
Technology
Fairchild Semiconductor https://www.onsemi.com/
FT5306DE4
Контроллер тачскрина
FocalTech Systems
G5642
GD25Q128
GL850G
GL852G
GS5571
DC/DC-преобразователь
Память Flash
Хаб-контроллер USB
Хаб-контроллер USB
DC/DC-преобразователь
GSM9105
Транзистор MOSFET-P
GT8UB256M
Память SDRAM DDR3
H26M41204
H27UBG8T2B
H27UCG8T2B
H5TQ2G63D
HBJ-M1Z10NL
HIN213
HR911105A
HR911130C
HS0038B
HY070CTP
HY911130A
HYM8563
IHLP2020BZ
ILHB1206
IM69D130
i.MX 6
i.MX 8
INA226
INMP441
Память eMMC
Память NAND Flash
Память NAND Flash
Память SDRAM DDR3
Разъём Ethernet
Драйвер RS-232
Разъём Ethernet
Разъём Ethernet
ИК-фотомодуль
Дисплей TFT-7”
Разъём Ethernet
Контроллер RTC
Дроссель силовой SMD
Фильтр ферритовый
Микрофон цифровой
AP
AP
Измеритель тока
Микрофон цифровой
GMT
ELM Technology
Genesys Logic
Genesys Logic
Globaltech
Semiconductor
Globaltech
Semiconductor
Genius Semiconductor
Technology
SK Hynix
SK Hynix
SK Hynix
SK Hynix
HuiLy Electronics
Intersil
HanRun Electronics
HanRun Electronics
Vishay Telefunken
HAOYU Electronics
HanRun Electronics
HaoYu Microelectronic
Vishay Dale
Vishay Intertechnology
Infineon Technologies
NXP Semiconductors
NXP Semiconductors
Texas Instruments
InvenSense (TDK Co.)
FPU-WZA21
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
AUK Connector
Morethanall
FujiCom
Finetech Opto Develop
FocalTech Systems
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.hirose.com/
https://www.fn-link.com/
https://www.almita-connectors.
com
https://www.fitipower.com/
https://www.aukconnector.
com/
https://www.morethanall.com/
https://fujicom.jp/
https://www.finetech1860.com/
https://www.focaltech-systems.
com/
https://www.focaltech-systems.
com/
https://www.gmt.com.tw/
https://www.elm-tech.com/
https://www.genesyslogic.com/
https://www.genesyslogic.com/
https://www.gs-power.com/
https://www.gs-power.com/
https://www.gtmemory.com/
https://www.skhynix.com/
https://www.skhynix.com/
https://www.skhynix.com/
https://www.skhynix.com/
https://www.huilyn.com/
https://www.renesas.com/
https://www.hanrun.com/
https://www.hanrun.com/
https://www.vishay.com/
https://www.hotmcu.com/
https://www.hanrun.com/
https://www.haoyu-ic.com/
https://www.vishay.com/
https://www.vishay.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.ti.com/
https://invensense.tdk.com/
Приложение 2. Перечень ЭРИ
333
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
IP4283CZ10
IRF9321
IRLML2060
IRLML6302
IRLML6401
IRLML6402
IRM-2638
IRM-3638
IRM-V538
IS31FL3194
ISL29023
ISO1050
ISO3082
J3026G01DNLT
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
Сборка 4 x (TVS)
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
ИК-фотомодуль
ИК-фотомодуль
ИК-фотомодуль
Драйвер светодиодов
Фотодатчик цифровой
Трансивер CAN
Драйвер RS-485
Разъём Ethernet
NXP Semiconductors
International Rectifier
International Rectifier
International Rectifier
International Rectifier
International Rectifier
Everlight Electronics
Everlight Electronics
Everlight Electronics
Lumissil Microsystems
Renesas Electronics
Texas Instruments
Texas Instruments
Pulse Electronics
JFM38U1B-21C
Разъём Ethernet
Hon Hai Precision
Industry
JMicron Technology
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Samsung Electronics
https://www.jmicron.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
Kingston Technology
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Samsung Electronics
Kingbright
DGKYD
Kyoyaku Enterprises
Amphenol
Leshan Radio Comp.
Leshan Radio Comp.
Microchip Technology
Vishay Semiconductors
Sporton International
Ligitek Electronics
STMicroelectronics
Texas Instruments
LowPower Semi
LowPower Semi
Texas Instruments
https://www.kingston.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.samsung.com/
https://www.kingbright.com/
https://www.dgkyd.com/
https://www.kyoyaku.com.tw/
https://www.amphenol.com/
https://www.lrcls.com/
https://www.lrcls.com/
https://www.microchip.com/
https://www.vishay.com/
https://www.sporton.com.tw/
https://www.ligitek.com/
https://www.st.com/
https://www.ti.com/
http://www.lowpowersemi.com/
http://www.lowpowersemi.com/
https://www.ti.com/
JM20329
K4B1G0846E
K4B2G1646B
K4B4G0846Q
K4B4G1646Q
K4E8E304EE
Мост USB—SATA
Память SDRAM DDR3
Память SDRAM DDR3
Память SDRAM DDR3
Память SDRAM DDR3
Память SDRAM
LPDDR3
KE4CN2H5A
Память eMMC
KLM4G1YE
Память eMMC
KLMAG2GEND Память eMMC
KLMAG2WEMB Память eMMC
KLMAG4FE3B Память eMMC
KP-2012
Светодиод SMD
KRJ-205GYZNL Разъём Ethernet
KYT-1150A
Передатчик оптический
L17SM209SB64 Разъём DB-9, SMT
L2N7002WT1G Транзистор MOSFET-N
L9013QLT1G
Транзистор n–p–n
LAN8720A
Трансивер Ethernet
LBST0038
ИК-фотомодуль
LCB1005K
Фильтр ферритовый
LG-192G
Светодиод SMD
LIS331DLH
Акселерометр цифровой
LM74610
«Идеальный диод»
LP3301
DC/DC-преобразователь
LP3992
Стабилизатор LDO
LP3992
Стабилизатор LDO 1.5V
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.nxp.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.infineon.com/
https://www.everlight.com/
https://www.everlight.com/
https://www.everlight.com/
https://www.lumissil.com
https://www.renesas.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.pulseelectronics.
com/
https://www.foxconn.com/
334
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
LTST-C191
LU1S041LF
LVF252A12
LXES11DAA2
M25P32
MAG3110
MAX3232
MC32PF3000A
MCICX6Y2DV
MCZ1210DH
MEM4G08D3
MEM4G16D3
MF-MSMF200
MIC2026
MIC33050
MIC-4020
MIC5319
MM5829-2700
MM8030-2610
MMA8450Q
MMBT2907
MMBT3904
MMBT3906
MMSZ5231
MP1584
MP20075
Назначение, функция
Светодиод SMD
Разъём Ethernet
Дроссель силовой SMD
Сборка 2 x (ESD)
Память Flash
Магнитометр цифровой
Драйвер RS-232
Контроллер питания
АР
Трансформатор-фильтр
Память SDRAM DDR3
Память SDRAM DDR3
Предохранитель PTC
Два ключа силовых
DC/DC-преобразователь
Микрофон аналоговый
Стабилизатор LDO
Разъём ВЧ
Разъём ВЧ
Акселерометр цифровой
Транзистор p–n–p
Транзистор n–p–n
Транзистор p–n–p
Стабилитрон SMD
DC/DC-преобразователь
MP2143
Контроллер питания
памяти DDR
DC/DC-преобразователь
MP2161
DC/DC-преобразователь
MP34DT06
MP6027
MP62551
Микрофон цифровой
Микрофон электретный
Ключ силовой
MPZ1608
MPZ2012
MS22
MS621FE
mSMD300
MT29F2G08A
MT3608
MT41K128M
Фильтр ферритовый
Фильтр ферритовый
Диод Шоттки
Батарея литиевая
Предохранитель PTC
Память NAND Flash
DC/DC-преобразователь
Память SDRAM DDR3L
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
Lite-On Semiconductor https://www.liteon-semi.com/
Bothhand USA
https://www.bothhandusa.com/
Chilisin Electronics
https://www.chilisin.com/
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
Micron Technology
https://www.micron.com/
Freescale Semiconductor https://www.nxp.com/
Texas Instruments
https://www.ti.com/
NXP Semiconductors
https://www.nxp.com/
NXP Semiconductors
https://www.nxp.com/
TDK
https://www.global.tdk.com/
Memphis
https://www.memphis.ag/
Memphis
https://www.memphis.ag/
Bourns
https://www.bourns.com/
Micrel Semiconductor
https://www.microchip.com/
Micrel Semiconductor
https://www.microchip.com/
Boyin Electronics
https://boyindz.cn.china.cn/
Micrel
https://www.microchip.com/
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
Freescale Semiconductor https://www.nxp.com/
ON Semiconductor
https://www.onsemi.com/
Nexperia
https://www.nexperia.com/
Nexperia
https://www.nexperia.com/
ON Semiconductor
https://www.onsemi.com/
Monolithic Power
https://www.monolithicpower.
Systems
com/
Monolithic Power
https://www.monolithicpower.
Systems
com/
Monolithic Power
https://www.monolithicpower.
Systems
com/
Monolithic Power
https://www.monolithicpower.
Systems
com/
STMicroelectronics
https://www.st.com
Boleyn Electronics
https://www.bolin.com.hk/
Monolithic Power
https://www.monolithicpower.
Systems
com/
TDK
https://www.global.tdk.com/
TDK
https://www.global.tdk.com/
Mospec Semiconductor
https://www.mospec.com.tw/
Seiko Instruments
https://www.sii.co.jp/
Conquer Electronics
https://www.conquer.com.tw/
Micron Technology
https://www.micron.com/
Aerosemi Technology
https://www.aerosemi.com/
Micron Technology
https://www.micron.com/
Фирма-изготовитель
Приложение 2. Перечень ЭРИ
335
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
MT41K256M
MT6631-E1
MT9700
MTFC4GACAA
MTFC4GLDEA
MWSA0518
NB670
Память SDRAM DDR3L
Модуль Wi-Fi/BT/GPS/FM
Ключ силовой
Память eMMC
Память eMMC
Дроссель силовой SMD
DC/DC-преобразователь
NC7WZ16
Два буфера КМОП
NCP1117
NCP1529
NCP1595
NCP372
Стабилизатор LDO
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Контроллер защиты цепей
питания
Стабилизатор LDO
DC/DC-преобразователь
Транзистор MOSFET-P
NCP606
NCP6343
NDS9435A
NLX2G16
NRS6045T
NSR0320MW2T
NTA4151
NTS0102
NTS0104
NX2520SG
OC-0806
OSD335x
P5103EMG
PAM2306
PBRN123Y
PCA9306
PCF8523
PD431
PESD0402
PESDALC10N5
PGB0010603M
PJ-200A
PJ-313B
PJ-353
PJ-3533
Назначение, функция
Два буфера КМОП
Дроссель силовой SMD
Диод Шоттки
Транзистор MOSFET-P
Преобразователь уровней
КМОП
Преобразователь уровней
КМОП
Резонатор кварцевый
Передатчик оптический
Модуль процессорный
Транзистор MOSFET-P
DC/DC-преобразователь
Транзистор цифровой
n–p–n
Преобразователь уровней
I2C, SMBus
Контроллер RTC
Стабилитрон трёхвыводной
ESD-протектор
Сборка 4 x (TVS)
Супрессор ESD
Разъём питания
Разъём для наушников
Разъём питания
Разъём для наушников
Фирма-изготовитель
Micron Technology
MediaTek
Aerosemi Technology
Micron Technology
Micron Technology
Sunlord Electronics
Monolithic Power
Systems
Fairchild
Semiconductor
ON Semiconductor
ON Semiconductor
ON Semiconductor
ON Semiconductor
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.micron.com/
https://www.mediatek.com/
https://www.aerosemi.com/
https://www.micron.com/
https://www.micron.com/
https://www.sunlordinc.com/
https://www.monolithicpower.
com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
ON Semiconductor
ON Semiconductor
Fairchild
Semiconductor
ON Semiconductor
Taiyo-Yuden
ON Semiconductor
ON Semiconductor
NXP Semiconductors
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.yuden.co.jp/
https://www.onsemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.nxp.com/
NXP Semiconductors
https://www.nxp.com/
Nihon Dempa Kogyo
Dalvey Products Supply
Texas Instruments
U-NIKCSemiconductor
Diodes Incorporated
Nexperia
https://www.ndk.com/
https://dalveyproducts.com/
https://www.ti.com/
https://www.unikc.com.cn/
https://www.diodes.com/
https://www.nexperia.com/
Texas Instruments
https://www.ti.com/
NXP Semiconductors
Prisemi Electronics
Littelfuse
Prisemi Electronics
Littelfuse
Acer
HAOYU Electronics
Shno Electronics
Bossun Electronics
https://www.nxp.com/
https://www.prisemi.com/
https://www.littelfuse.com/
https://www.prisemi.com/
https://www.littelfuse.com/
https://www.acer.com/
https://www.hotmcu.com/
https://ebdshno20000.71.net/
https://www.aaaswitch.cn/
336
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
PJ-3540
PMEG2005A
PPMT20V4E
PST73133
PTVSLC3D5VB
RB521S30
RB751
RClamp0522P
RClamp0524P
RClamp0531T
RK1000
RK3328
RK3399
RL-UM12BS
RN1907
ROM-WT138L
RT8010
RT8059
RT8070
RT8088
RT8096
RT8288
RT9018
RT9035
RT9073
RT9179
RT9183
RT9193
RT9701
RT9715
RT9741
RTD1073
RTL8188
RTL8189
RTL8211E
RUM002N05
RX-8025T
RXEF010
S2520A
S25FL128S
S805
Назначение, функция
Разъём питания
Диод Шоттки
Транзистор MOSFET-P
Стабилизатор LDO
Супрессор TVS
Диод Шоттки
Диод Шоттки
Сборка 2 x (TVS)
Сборка 4 x (TVS)
Супрессор TVS
ВидеоЦАП
АР
АР
Модуль Wi-Fi
Транзистор цифровой
n–p–n
ИК-фотомодуль
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Ключ силовой
Ключ силовой
Ключ силовой
АР
Чип Wi-Fi
Чип Wi-Fi
Трансивер Ethernet
Транзистор MOSFET-N
Контроллер RTC
Предохранитель PTC
Резонатор кварцевый
Память Flash
АР
Фирма-изготовитель
GengRul Electronics
Nexperia
Prisemi Electronics
Powersilicon
Technology
Prisemi Electronics
ON Semiconductor
Nexperia
Semtech
Semtech
Semtech
Rockchip Electronics
Rockchip Electronics
Rockchip Electronics
Hk Nater Tech Limited
Toshiba
Semiconductors
Won Semiconductor
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Richtek Technology
Realtek Semiconductor
Realtek Semiconductor
Realtek Semiconductor
Realtek Semiconductor
ROHM
Epson
Littelfuse
Yoketan Corporation
Cypress Semiconductor
Amlogic
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.con123.com/
https://www.nexperia.com/
https://www.prisemi.com/
https://www.powersilicontech.
com/
https://www.prisemi.com/
https://www.onsemi.com/
https://www.nexperia.com/
https://www.semtech.com/
https://www.semtech.com/
https://www.semtech.com/
https://www.rock-chips.com/
https://www.rock-chips.com/
https://www.rock-chips.com/
https://www.natertech.com/
https://toshiba.semicon-storage.
com/
https://www.wonsemi.co.kr/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.richtek.com/
https://www.realtek.com/
https://www.realtek.com/
https://www.realtek.com/
https://www.realtek.com/
https://www.rohm.com/
https://www.epsontoyocom.co.jp/
https://www.littelfuse.com/
https://www.yoketant.com.tw/
https://www.cypress.com/
https://www.amlogic.com/
Приложение 2. Перечень ЭРИ
337
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
S8050
S8550
S9014
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
Транзистор n–p–n
Unisonic Technologies
https://www.unisonic.com.tw/
Транзистор p–n–p
Unisonic Technologies
https://www.unisonic.com.tw/
Транзистор n–p–n
Micro Electronics
https://www.microelectr.com.
hk/
SAFEA2G45
Фильтр ПАВ
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
SAFFB1G56
Фильтр ПАВ
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
SAFFB1G58
Фильтр ПАВ
Murata Manufacturing
https://www.murata.com/
SARA-R410M
Модуль GSM (LTE)
u-blox
https://www.u-blox.com/
SCDA1A0900
Разъём карты SD
Alps Electric
https://www.alps.com/
SCHA4B0415
Разъём карты microSD
Alps Electric
https://www.alps.com/
SDR5832
Дроссель силовой SMD Sporton International
https://www.sporton.com.tw/
Sino-IC Microelectronics https://www.sino-ic.net/
SEDFN05V4
Сборка 4 x (TVS)
SEF005
Супервизор
SG Micro
https://www.sg-micro.com/
SGM89000
СтереоУНЧ
SG Micro
https://www.sg-micro.com/
SGRH6D28
Дроссель силовой SMD Sunlei Technology
https://www.sunlei.com.tw/
SGTL5000
Аудиокодек
Freescale Semiconductor https://www.nxp.com/
Si2301
Транзистор MOSFET-P Vishay Siliconix
https://www.vishay.com/
Si2307
Транзистор MOSFET-P Vishay Siliconix
https://www.vishay.com/
Si2333
Транзистор MOSFET-P Vishay Siliconix
https://www.vishay.com/
SI27C-01200
Держатель SIM-карты
Atom Technology
https://www.atomtech.in/
SiT1532
МЭМС-генератор
SiTime
https://www.sitime.com/
SK-12F14
Переключатель
ShenZhen XieJia
https://www.xiejia.net/
ползунковый
Electronics
SK8603190L
Транзистор MOSFET-N Panasonic
https://industrial.panasonic.
com/
SM6T6V8A
Супрессор ESD
STMicroelectronics
https://www.st.com/
SMAJ
Супрессор TVS
Unisonic Technologies
https://www.unisonic.com.tw/
SMBJ
Супрессор TVS
Unisonic Technologies
https://www.unisonic.com.tw/
SMCJ
Супрессор TVS
Fairchild Semiconductor https://www.onsemi.com/
SMD1210P200
Предохранитель PTC
Polytronics Technology
https://www.pttc.com.tw/
SML1210
Предохранитель PTC
JPET Electronics
https://www.jpet.cn/
SMLP34RGB
Светодиод трёхцветный ROHM
https://www.rohm.com/
SMR150
Резонатор кварцевый
Yoketan
https://www.yoketant.com.tw/
SN74AUC1G74 Триггер КМОП
Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74CBTLV3257 Мультиплексор КМОП Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G04
Инвертор КМОП
Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G06
Инвертор КМОП
Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G07
Повторитель КМОП
Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G08
Элемент логический 2И Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G14
Триггер Шмитта КМОП Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1G125 Повторитель КМОП
Texas Instruments
https://www.ti.com/
SN74LVC1T45
Преобразователь
Texas Instruments
https://www.ti.com/
уровней КМОП
SN74LVC2G241 Два повторителя КМОП Texas Instruments
https://www.ti.com/
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
338
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
SP3050
SP3232
SR34
SRN4018
SRV05-4
SS14
SS24
SS34
SS6635
Сборка 4 x (TVS)
Драйвер RS-232
Диод Шоттки
Дроссель силовой SMD
Сборка 4 x (TVS)
Диод Шоттки
Диод Шоттки
Диод Шоттки
DC/DC-преобразователь
SSM3K35MFV
Транзистор MOSFET-N
Littelfuse
Sipex
Won-Top Electronics
Bourns
Semtech
Vishay Semiconductors
Vishay Semiconductors
Vishay Semiconductors
Senior Semiconductor
Manufacturing
Toshiba Semiconductors
SST25VF016B
STM32F030
SWPA252012S
SWPA3015S
SWPA4030S
SWPA5020S
SY6280
SY7201
SY7203
SY8008
SY8009
SY8089
SY8113
SYR827
SYR828
SYR837
SYR838
TC7USB40MU
Память Flash
МК
Дроссель силовой SMD
Дроссель силовой SMD
Дроссель силовой SMD
Дроссель силовой SMD
Ключ силовой
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Мультиплексор USB
Microchip Technology
STMicroelectronics
Sunlord Electronics
Sunlord Electronics
Sunlord Electronics
Sunlord Electronics
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Silergy
Toshiba Semiconductors
TCS1305
TCS2108
TCS3358
TCS4199
TCS9708
TDA19988
TL5209
TLV320AIC23B
TLV320AIC3106
TLV62130
TLVH431
Транзистор MOSFET-P
Стабилизатор LDO
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Ключ силовой
Драйвер HDMI
Стабилизатор LDO
Аудиокодек
Аудиокодек
DC/DC-преобразователь
Стабилитрон
трёхвыводной
Термодатчик цифровой
Torch-Chip Semiconductor
Torch-Chip Semiconductor
Torch-Chip Semiconductor
Torch-Chip Semiconductor
Torch-Chip Semiconductor
NXP Semiconductors
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
https://toshiba.semiconstorage.com/
https://www.microchip.com/
https://www.st.com/
https://www.sunlordinc.com/
https://www.sunlordinc.com/
https://www.sunlordinc.com/
https://www.sunlordinc.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://www.silergy.com/
https://toshiba.semiconstorage.com/
https://en.whxy.com/news
https://en.whxy.com/news
https://en.whxy.com/news
https://en.whxy.com/news
https://en.whxy.com/news
https://www.nxp.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
Burr-Brown
https://www.ti.com/
TMP102
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.littelfuse.com/
https://www.exar.com/
https://www.wontop.com/
https://www.bourns.com/
https://www.semtech.com/
https://www.vishay.com/
https://www.vishay.com/
https://www.vishay.com/
https://www.ssemihk.com/
Приложение 2. Перечень ЭРИ
339
Продолжение табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
TPA2012D2
TPD12S016
TPD1E05U
TPD2E001
TPD4E05U
TPD4S012
TPD4S214
TPD6E001
TPS2041
TPS2061
TPS2141
СтереоУНЧ
Защита HDMI
Супрессор TVS
Сборка 2 x (TVS)
Сборка 4 x (TVS)
Сборка 4 x (TVS)
Защита USB
Сборка 6 x (TVS)
Ключ силовой
Ключ силовой
Стабилизатор LDO и ключ
силовой
Сдвоенный ключ силовой
Предохранитель
электронный
Супервизор
Супервизор
Контроллер питания
микросхем памяти DDR
DC/DC-преобразователь
DC/DC-преобразователь
Контроллер питания
Контроллер питания
Аудиокодек
Стабилизатор LDO
Стабилизатор LDO
Контроллер тачскрина
Транзистор MOSFET-P
Резонатор кварцевый
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
Texas Instruments
Texas Instruments
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Taiwan Semiconductor
Burr-Brown
Taiwan Semiconductor
Epson Toyocom
ROHM
ROHM
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
Texas Instruments
https://www.ti.com/
TYD0FH221643
Стабилизатор LDO
Контроллер RTC
Хаб-контроллер USB
Видеодекодер
Аудиокодек
Преобразователь уровней
КМОП
Преобразователь уровней
КМОП
Память MMC + LPDDR3
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.taiwansemi.com/
https://www.ti.com/
https://www.taiwansemi.com/
https://www.epsontoyocom.
co.jp/
https://www.rohm.com/
https://www.rohm.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
https://www.ti.com/
U.FL-R-SMT(01)
U103B05GA1ZL2
ULCE0505A
UM803
Разъём ВЧ
Разъём microUSB
Варистор ESD
Супервизор
Toshiba
Semiconductors
Hirose Electric
Xinnantian Technology
Moda-InnoChips
Union Semiconductor
https://toshiba.semiconstorage.com/
https://www.hirose.com/
https://www.sznantian.com/
https://www.innochips.co.kr/
https://www.union-ic.com/
TPS2560
TPS259251
TPS3106
TPS3808
TPS51200
TPS563200
TPS56628
TPS65217
TPS659102
TPS65950
TPS79633
TS9011
TSC2046IPWR
TSM2323
TSX-3225
TT2102
TT8563
TUSB8040
TVP5146
TWL6040
TXS0102
TXS0104
Назначение, функция
Фирма-изготовитель
340
Приложение 2. Перечень ЭРИ
Окончание табл. П2.1
Наименование
ЭРИ
USB2422
USB2512
USB3322
μPD720114
V5.5MLA0603
VS1838B
VSOP58438
W3006
Хаб-контроллер USB
Контроллер USB x 2
HOST-контроллер USB
Хаб-контроллер USB
Варистор ESD
ИК-фотомодуль
Усилитель ИК-датчика
Чип-антенна ВЧ
WCM-2012
WCN3620
WGR7640
WL1831MOD
WL1837MOD
WM8326
WM8903
WM8904
WM-BN-BM-04
WNM2016
WNM2021
WNM6001
WPM2015
WPM2026
WPM2341
WPM3401
WQPCRH1004R
WSRPG0603
XBS104S14R
Трансформатор-фильтр
Модуль Wi-Fi/BT/FM
Приёмник GPS
Модуль Wi-Fi/BT
Модуль Wi-Fi/BT
Контроллер питания
Аудиокодек
Аудиокодек
Модуль Wi-Fi/BT
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-N
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Транзистор MOSFET-P
Дроссель силовой SMD
Дроссель силовой SMD
Диод Шоттки
Назначение, функция
XC61FN2212MR Супервизор
XC6209
Стабилизатор LDO
XC6215
Стабилизатор LDO
XCL206B183
ZEN056V
ZTNI56W
Интернет-адрес
на 15.01.2022 г.
Microchip Technology
https://www.microchip.com/
SMSC
https://www.microchip.com/
Microchip Technology
https://www.microchip.com/
NEC
https://www.renesas.com/
Littelfuse
https://www.littelfuse.com/
Lanfeng Technology
https://www.lfn.cc/
Vishay Semiconductors
https://www.vishay.com/
PulseLarsen Electronics https://www.
pulselarsenantennas.com/
King Core Electronics
https://www.kingcore.com.tw/
Qualcomm Technologies https://www.qualcomm.com/
Qualcomm Technologies https://www.qualcomm.com/
Texas Instruments
https://www.ti.com/
Texas Instruments
https://www.ti.com/
Wolfson Microelectronics https://www.cirrus.com/
Wolfson Microelectronics https://www.cirrus.com/
Cirrus Logic
https://www.cirrus.com/
USI
https://www.usi.com.tw/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.sh-willsemi.com/
Shanghai WillSemi
https://www.willsemi.com/
Magic Technology
https://www.magictec.com.tw/
Magic Technology
https://www.magictec.com.tw/
Torex Semiconductor
https://www.torexsemi.com/
Фирма-изготовитель
Torex Semiconductor
Torex Semiconductor
Torex Semiconductor
https://www.torexsemi.com/
https://www.torexsemi.com/
https://www.torexsemi.com/
DC/DC-преобразователь Torex Semiconductor
со встроенным дросселем
Стабилитрон +
Littelfuse
предохранитель PTC
ИК-светодиод
SunLED
https://www.torexsemi.com/
https://www.littelfuse.com/
https://www.sunled.com/
Приложение
3
СПИСОК АББРЕВИАТУР
Будьте кратки.
(Пьер Буаст)
АЛУ — арифметико-логическое устройство
АРУ — автоматическая регулировка усиления
АЦП — аналого-цифровый преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БИС — большая интегральная схема
БПЛА — беспилотный летательный аппарат
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВЧ — высокочастотный
ГОСТ — государственный стандарт
ДУ — дистанционное управление
ЕСКД — Единая система конструкторской документации
ЖКИ — жидкокристаллический индикатор
ИК — инфракрасный
ИКМ — импульсно-кодовая модуляция
ИИ — искусственный интеллект
ИОН — источник опорного напряжения
КЗ — короткое замыкание
КМОП — комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник»
КПД — коэффициент полезного действия
МК — микроконтроллер
НЧ — низкочастотный
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
ОК — открытый коллектор
ОС — операционная система
ОУ — операционный усилитель
ПАВ — поверхностная акустическая волна
ПДП — прямой доступ к памяти
ПДУ — пульт дистанционного управления
ПЗC — прибор с зарядовой связью
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПК — персональный компьютер
ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема
ПЛК — программируемый логический контроллер
ПО — программное обеспечение
342
Приложение 3. Список аббревиатур
ПЦТС — полный цветовой телевизионный сигнал
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
СВЧ — сверхвысокие частоты
СНГ — Содружество Независимых Государств
ТВ — телевизионный
ТКЧ — температурный коэффициент частоты
ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика
УГО — условное графическое обозначение
УКВ — ультракороткие волны
УМЗЧ — усилитель мощности звуковой частоты
УНЧ — усилитель низкой частоты
УПДП — усовершенствованный прямой доступ к памяти
ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты
ФНЧ — фильтр низких частот
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦП — центральный процессор
ЧПУ — числовое программное управление
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ЭРИ — электрорадиоизделие
Книги издательства «ДМК Пресс« можно заказать в торгово-издательском холдинге «Планета Альянс« наложенным платежом, выслав открытку или письмо по почтовому
адресу: 115487, г. Москва, 2-й Нагатинский пр-д, д. 6А.
При оформлении заказа следует указать адрес (полностью), по которому должны быть
высланы книги; фамилию, имя и отчество получателя. Желательно также указать свой телефон и электронный адрес.
Эти книги вы можете заказать и в интернет-магазине: https://www.alians-Kniga.ru.
Электронный адрес: books@alians-Kniga.ru.
Оптовые закупки: тел. +7(499) 782-38-89.
Рюмик Сергей Максимович
Прикладные процессоры: введение в схемотехнику
Главный редактор Мовчан Д. А.
dmkpress@gmail.com
Корректор Синяева Г. И.
Вёрстка Рюмик С. М.
Дизайн обложки Мовчан А. Г.
Тираж — 100 экз. Усл. печ. л. 32,81
Веб-сайт издательства: https://www.дмк.рф