DIY個(gè)人的Linux開(kāi)發(fā)板教程

項(xiàng)目作者：FanHuaCloud

作者簡(jiǎn)介：大佬已在硬創(chuàng)社開(kāi)源了近50款開(kāi)發(fā)板，動(dòng)手能力極強(qiáng)，于去年年底開(kāi)始接觸學(xué)習(xí)Linux，并由全志V3s、F1C200S等芯片開(kāi)始上手DIY個(gè)人的Linux開(kāi)發(fā)板。

本項(xiàng)目是基于全志F1C200S設(shè)計(jì)的開(kāi)源屏幕開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提供一個(gè)低成本、超迷你且適合Linux開(kāi)發(fā)的平臺(tái)，特別是針對(duì)屏幕接口的支持。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

開(kāi)發(fā)板板載16M nor flash，主控芯片采用F1C200S，內(nèi)置64M DRAM。同時(shí)附帶USB Host接口以及USB type-c口，以及CH340串口轉(zhuǎn)USB芯片，用于開(kāi)發(fā)調(diào)試使用。

開(kāi)發(fā)板2D預(yù)覽圖

由于芯片功能繁多，開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜，為了教會(huì)大家自己DIY開(kāi)發(fā)板，作者將開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)的硬件部分按功能拆分為了10個(gè)不同的知識(shí)點(diǎn)，來(lái)對(duì)開(kāi)發(fā)板整體設(shè)計(jì)進(jìn)行全面介紹和詳細(xì)講解電路原理。

全志F1C200S主控

全志F1C200s是一款高度集成、低功耗的移動(dòng)應(yīng)用處理器，支持高清視頻解碼，包括H.264、H.263、MPEG 1/2/4等格式，同時(shí)還具備音頻編解碼器和I2S/PCM接口，適用于多媒體音視頻設(shè)備。

芯片基于ARM 9架構(gòu)，并SiP了DDR，這樣的配置使其外圍電路在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)非常簡(jiǎn)單，非常適合作為入門(mén)級(jí)的Linux開(kāi)發(fā)板。該部分原理圖如下圖所示：

F1C200S主控原理圖

1SVREF用于給DRAM提供參考電壓，該部分所需電壓為VCC_DRAM/2

22VCC_DRAM為DRAM供電，電壓為2.5V

3VCC_IO為GPIO供電，電壓為3.3V

4VCC_CORE為核心供電，電壓為1.2V

5AVCC為模擬供電，該部分非常重要，不接會(huì)導(dǎo)致USB Host無(wú)法枚舉設(shè)備，同時(shí)需要注意該引腳供電范圍為2.5V-3.1V，不可以使用3.3V供電，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電路損壞。

6X1為24M晶振，為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，采用22pF負(fù)載電容。

SDMMC接口

SDMMC接口用于接入Micro SD卡，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可以從SD卡中加載U-Boot，內(nèi)核，RootFS，實(shí)現(xiàn)Linux啟動(dòng)。

SDMMC接口原理圖

如上圖所示，相關(guān)線路說(shuō)明如下所示：

1CLK: SDMMC時(shí)鐘，每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數(shù)據(jù)位。頻率可在0至25MHz之間變化。SD卡總線管理器可以自由產(chǎn)生0至25MHz的頻率，沒(méi)有任何限制

2CMD: 命令傳輸線，命令通過(guò)該CMD線串行傳輸

3D0～D3:數(shù)據(jù)通過(guò)這些數(shù)據(jù)線傳輸

4按照SDMMC規(guī)范，SDMMC線路還需要增加10K上拉電阻，如果沒(méi)有可以會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，本原理圖中R7-R11即上拉電阻。同時(shí)，為了保證電源質(zhì)量，增加了C22濾波電容

5SHELL引腳為SDMMC連接器固定引腳，此處接地處理，CD引腳用于探測(cè)SD卡是否插入，這一塊懸空未使用

CH340串口轉(zhuǎn)USB

此電路用于用戶連接系統(tǒng)調(diào)試中斷使用，其功能為將TTL串口轉(zhuǎn)換為USB接口，使得用戶可以在電腦中連接該串口進(jìn)行調(diào)試。

需要注意的是，由于F1C200S的UART0接口(PE0/PE1引腳)被觸摸的I2C接口占用，所以本開(kāi)發(fā)板將CH340的串口連接到了F1C200S的UART1(PA2/PA3引腳)上，后續(xù)編譯U-Boot和內(nèi)核時(shí)我們需要相應(yīng)的修改代碼。

CH340串口轉(zhuǎn)USB原理圖

如上圖所示，該部分除了串口轉(zhuǎn)USB外，還兼顧了系統(tǒng)的供電。

1用戶通過(guò)Type-C線纜連接該調(diào)試口后，將同時(shí)為開(kāi)發(fā)板供電

2板上的5.1K電阻用于雙頭Type-C線纜識(shí)別從機(jī)，為其供電

3如果R12,R13不焊接會(huì)導(dǎo)致使用雙頭Type-C線時(shí)板子沒(méi)有供電

4D2為TVS瞬態(tài)抑制二極管用于保護(hù)PCB板上元件，防止靜電擊穿原件

三路DC-DC接口

該部分主要為主控芯片提供供電，采用SY8089A1AAC，單路最大輸出電流2A。

三路DC-DC接口原理圖

1SVREF用于給DRAM提供參考電壓，該部分所需電壓為VCC_DRAM/2

22VCC_DRAM為DRAM供電，電壓為2.5V

3VCC_IO為GPIO供電，電壓為3.3V

4VCC_CORE為核心供電，電壓為1.2V

5AVCC為模擬供電，該部分非常重要，不接會(huì)導(dǎo)致USB Host無(wú)法枚舉設(shè)備，同時(shí)需要注意該引腳供電范圍為2.5V-3.1V，不可以使用3.3V供電，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電路損壞。

6X1為24M晶振，為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，采用22pF負(fù)載電容。

在該模塊中，我們使用了2520電感，與普通的電感相比，體積更小，但是2520電感在DCR（即直流電阻）參數(shù)上，會(huì)比普通的電感大一點(diǎn)，電感值的計(jì)算公式可以參考下方：

DCDC電流電感值計(jì)算公式

1L為計(jì)算出的電感容量

2Vout為降壓芯片輸出電壓

3L為計(jì)算出的電感容量

4Vin為降壓芯片輸入電壓

5Fsw為芯片開(kāi)關(guān)頻率，SY8089取1.5Mhz，也就是1500000Hz

6Iout,max為最大輸出電流

如下圖所示，本開(kāi)發(fā)板電感值直接參考SY8089數(shù)據(jù)手冊(cè)文檔，折中后取1.5Uh：

電源模塊在電路中的接線

SY8089典型應(yīng)用以及電容電感選型表

芯片的反饋電阻控制著芯片的輸出電壓，可以參考下方公式計(jì)算：

SY8089芯片反饋電阻計(jì)算公式

1Rh為上端分壓電阻阻值

2Rl為下端分壓電阻阻值

30.6V指的是芯片的Vfb，也就是反饋電阻

4Vout即最終的電壓輸出值

5在這里，我們需要確定Rl和Vout，然后將其代入公式，計(jì)算出Rh

6為了最大限度地減少輕負(fù)載下的功耗，最好為 RH 和 RL 選擇較大的電阻值。強(qiáng)烈建議 RL 使用 10k 到 200k 之間的值

AVCC 3V LDO

該部分用于AVCC 3V供電，使用XC6206 3V LDO，位號(hào)為U10，由于較為簡(jiǎn)單，此處不在詳細(xì)說(shuō)明。

SPI Nor Flash

Nor Flash為F1C200S芯片提供了第二種啟動(dòng)方式。

1上電后，F(xiàn)1C200S首先從內(nèi)部BROM(芯片內(nèi)置，無(wú)法擦除)啟動(dòng)

2首先檢查 SD0 有沒(méi)有插卡, 如果有插卡就讀卡 8k偏移數(shù)據(jù)，是否是合法的啟動(dòng)數(shù)據(jù), 如果是BROM 引導(dǎo)結(jié)束, 否則進(jìn)入下一步

3第二步：檢測(cè)SPI0 NOR FLASH是否存在, 是否有合法的啟動(dòng)數(shù)據(jù), 如果是BROM 引導(dǎo)結(jié)束, 否則進(jìn)入下一步

4第三步：檢測(cè)SPI0 NAND FLASH 是否存在, 是否有合法的啟動(dòng)數(shù)據(jù), 如果是BROM 引導(dǎo)結(jié)束, 否則進(jìn)入下一步

5最后，因?yàn)檎也坏饺魏慰梢砸龑?dǎo)的介質(zhì)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入usb fel模式，此時(shí)可以使用USB燒錄

此處SPI Nor Flash可以同時(shí)兼容Nand Flash，不過(guò)目前裸機(jī)資料基本上都是以SPI Nor Flash為基礎(chǔ)，所以此處焊接了W25Q128JVEIQ 128Mbit(16Mbyte)SPI Nor Flash。

W25Q128JVEIQ原理圖

1R4為上拉電阻(F1C200S內(nèi)部也存在上拉電阻，可以不焊)，防止未供電時(shí)芯片錯(cuò)誤寫(xiě)入數(shù)據(jù)

2C16為濾波電容

3SW2為FEL模式開(kāi)關(guān)，將SPI_MISO短路到地后，F(xiàn)1C200S將無(wú)法檢測(cè)到SPI Nor Flash，從而進(jìn)入U(xiǎn)SB Fel模式，此時(shí)可以松開(kāi)按鍵，燒錄內(nèi)容至SPI Nor Flash

4/WP為SPI Nor Flash保護(hù)引腳，低電平有效，有效時(shí)無(wú)法寫(xiě)入數(shù)據(jù)

5/HOLDor/RESET為SPI Nor Flash保持或者復(fù)位輸入引腳。

6最后，因?yàn)檎也坏饺魏慰梢砸龑?dǎo)的介質(zhì)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入usb fel模式，此時(shí)可以使用USB燒錄

外部IO接口

此處引出了未使用的IO，用戶可連接其他設(shè)備，C35為濾波電容，用于保證電源質(zhì)量，該部分引腳功能可以參考下圖（來(lái)源：芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)14/15頁(yè)）：

外部IO接口引腳功能

USB OTG/USB TYPE-C

該部分連接到了芯片的DP/DM引腳，為芯片的USB接口。

USB Type-C用于USB Fel模式燒錄系統(tǒng)，無(wú)供電輸入/輸出能力。

USB OTG處可用于連接其他USB設(shè)備，帶5V輸出，當(dāng)然也可以接雙頭USB Type-A線纜用于USB Fel模式。

USB OTG/USB Type-C原理圖

需要注意的是，開(kāi)發(fā)板中沒(méi)有連接ID線（ID線用于識(shí)別USB模式），所以在編寫(xiě)設(shè)備樹(shù)時(shí)，我們需要強(qiáng)制指定USB模式為主機(jī)或從機(jī)。

背光驅(qū)動(dòng)

該部分用于驅(qū)動(dòng)RGB屏幕背光，標(biāo)準(zhǔn)40Pin RGB屏幕基本采用串聯(lián)背光，由于本身開(kāi)發(fā)板供電只有5V，所以我們需要使用背光驅(qū)動(dòng)芯片升壓到合適的電壓，來(lái)驅(qū)動(dòng)屏幕背光。

同時(shí)，背光驅(qū)動(dòng)芯片采用恒流控制，可以避免電流過(guò)大導(dǎo)致背光LED燒毀，該部分原理圖如下所示：

背光驅(qū)動(dòng)原理圖

1C19 C20為濾波電容，C19電容的耐壓需要特別考慮，一般的RGB屏背光電壓基本在18V以上(白光LED壓降3V*6串)，過(guò)低的電容耐壓會(huì)導(dǎo)致電容損壞

2BL_CTR為芯片背光控制引腳，此處直接接入了上拉，再開(kāi)發(fā)時(shí)可以將BL_CTR引腳接入F1C200S的PWM引腳上，這樣可以靈活控制屏幕亮度，同時(shí)，有恒流驅(qū)動(dòng)的存在，控制亮度時(shí)，背光也不存在明顯的頻閃

3L1 為升壓電路的電感，按照要求一般取10uh或22uh即可，不需要使用公式詳細(xì)計(jì)算，但是需要注意電流不能超過(guò)電感額定電流

R5為芯片的反饋電阻，用于調(diào)節(jié)輸出的電流，計(jì)算公式可參考下方：

反饋電阻計(jì)算公式

此處我們選擇20ma，所以R1=0.25/0.020（Ω） = 12.5Ω，就近取12Ω。

屏幕數(shù)據(jù)手冊(cè)線路原理圖

如上圖，下方說(shuō)明了LED為2并5串，額定電流為40ma，我們?yōu)榱吮ｋU(xiǎn)，選擇了20ma，亮度會(huì)有所損失。

40Pin RGB/觸摸接口

此處參考屏幕數(shù)據(jù)手冊(cè)即可，由于F1C200S只支持RGB565,RGB666，此處使用RGB666，屏蔽了RGB三色的低2位，這樣最終色彩影響比較小，同時(shí)，F(xiàn)1C200S內(nèi)置色彩抖動(dòng)，可以更加接近RGB888效果。

其中需要注意的是，CTP_SDA/CTP_SCL最好加上拉電阻，此處選用了內(nèi)部上拉，所以并沒(méi)有加電阻，該部分原理圖如下所示：

RGB/觸摸接口原理圖

開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

使用VSCode的DeviceTree插件，我們可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備樹(shù)文件的代碼高亮，編輯c語(yǔ)言代碼。

安裝VSCode后，我們開(kāi)始安裝設(shè)備樹(shù)插件，再商店中搜索DeviceTree插件，點(diǎn)擊安裝安裝即可：

同理，推薦讀者同時(shí)安裝中文漢化，搜索CN，參考下圖安裝即可，安裝后按照要求重啟VSCode即可使用。

打開(kāi)安裝好的Ubuntu 18.04虛擬機(jī)，將需要分區(qū)的SD卡插入電腦USB口，并右鍵點(diǎn)擊VMware右下角的USB存儲(chǔ)器圖標(biāo)，點(diǎn)擊連接，將SD卡連入虛擬機(jī)。具體操作過(guò)程如下圖所示：

點(diǎn)擊桌面左下角圖標(biāo)，進(jìn)入所有應(yīng)用，然后搜索GPartd，可參考下圖：

此時(shí)需要輸入密碼，輸入用戶密碼，提權(quán)到root用戶，如下圖所示：

接著在右上角選擇我們需要格式化的SD卡，默認(rèn)為/dev/sda，這個(gè)是我們虛擬機(jī)的系統(tǒng)盤(pán)，我們需要切換到SD卡，此處一定要小心，sdb不一定是我們的sd卡。

完成切換后，右鍵點(diǎn)擊如圖所示位置，點(diǎn)擊“卸載”，接著點(diǎn)擊“刪除”按鈕刪除SD卡中原有分區(qū)，最后點(diǎn)擊確定，確認(rèn)刪除，具體過(guò)程可以參考下圖。

接著開(kāi)始創(chuàng)建分區(qū)，首先創(chuàng)建boot分區(qū)，用于u-boot讀取設(shè)備樹(shù)、內(nèi)核等文件，我們需要在分區(qū)前方空出一定的空間，用于u-boot以及SPL程序存放，如下圖所示，首先點(diǎn)擊左上角按鈕，創(chuàng)建新分區(qū)，然后按照下圖創(chuàng)建boot分區(qū)。

此處為U-Boot以及SPL預(yù)留了1Mib的空間，完全足夠存放這些程序。

接著創(chuàng)建rootfs分區(qū)，我們將剩下的空間全部作為rootfs，文件系統(tǒng)選擇ext4，如下圖所示：

最后點(diǎn)擊保存，確認(rèn)后生效，拔出SD卡備用，操作可參考下圖：

開(kāi)源資料獲取

作者適配的U-Boot目前使用了master分支的U-Boot并給出了移植指南。由于后續(xù)master分支代碼可能會(huì)存在更新，所以移植指南使用了最近的一個(gè)U-Boot版本來(lái)指導(dǎo)復(fù)刻打開(kāi)發(fā)者進(jìn)行修改和配置，編譯出自己的U-Boot。

本項(xiàng)目所有資料均已開(kāi)源，軟硬件都開(kāi)源了，其中軟件開(kāi)源了：UBoot、Kernel、Buildroot:測(cè)試鏡像下載地址等……。

審核編輯：湯梓紅