新树莓PI计算模块4的Hackaday指南

全新的树莓圆周率计算模块4(CM4)刚刚发布！惊讶吗？不，我们也不是--树莓派基金会曾暗示它将在很长一段时间内发布4系列的计算模块。

外形进行了彻底检查，但这只小动物的变化比乍一看看得出来的要大，我们将带你了解其中的大部分内容。最重要的好处是可以轻松实现PCIe和NVMe，从而能够以惊人的速度将数据传入和传出SSD。结合可选的WiFi/蓝牙和易于设计的千兆位以太网，CM4是一个连接怪兽。

超高速家用NAS是经典的想要用PI建造的项目之一。CM4最终使这成为可能。

如果您不了解计算模块，那么它们是您可能认为的Raspberry PI的简化版本，它的官方名称是“Model B”外形。针对商业应用，计算模块缺乏其更大的兄弟姐妹的许多物质舒适，但它们在设计上以灵活性为代价，并允许一些额外的功能。

计算模块并不完全适合初学者，但Raspberry团队能够让中间黑客访问该模块的程度给我们留下了积极的印象。这在很大程度上要归功于IO突破板的开放式设计，它也于今天发布。使用完全开放的KiCAD设计文件，如果您可以编辑和订购PCB，然后回流焊邮件中收到的内容，您就可以为CM4进行设计。好处是更轻、更便宜、更可定制的平台，将Raspberry Pi 4的强大功能打包到一个40 mm x 55 mm的超薄封装中。

那么，让我们来看看有什么新功能，然后稍微了解一下将计算模块整合到您自己的设计中需要做些什么。

CM4最令人震惊的是新的连接器。自从第一个Raspberry Pi获得计算模块以来，他们就已经配备了200针的SO-DIMM接口，就像笔记本电脑的DDR2内存板一样。CM4改变了这一点，选择了两个高速、高密度的100针夹层连接器。打破传统是痛苦的，我们知道你们中的一些人会留下一个装满了SO-DIMM插座的壁橱，但他们这样做是有很好的理由的。

PI 4系列使用的片上系统(SOC)Broadcom BCM2711为聚会带来了更多的外围功能(PDF)。因此，PI 4Model B采用了第二个HDMI接口、USB 3.0和千兆以太网。但它能做的更多！例如，没过多久，有进取心的黑客就意识到USB3.0位于PCIe总线上，并将USB3.0换成了PCIe。这是可行的，但很困难，需要在船上进行一些错综复杂的返工。

计算模块的存在是为了让设计者轻松使用SOC的所有功能。将PCIe与双HDMI和其他高速外围设备一起封装到旧的SO-DIMM接口中是不可能的，这一点在今年夏天被树莓的工程师们暗示过。因此有了新的连接器：Hirose DF40C-100DS-0.4V，如果你已经感到手指板设计的手指发痒的话。

CM4设计用两个夹层连接器代替单个SO-DIMM，实现了低速和高速外设的良好分离。一侧有传统的Raspberry Pi GPIO、电源、SD卡接口和以太网。另一端负责PCIe、USB、HDMI以及MIPI CSI摄像机和DSI显示线路，每条线路各有两条。一方面，这意味着您有更多的高速IO可用，另一方面，如果您不需要任何高速设备，您可以使用简单的单连接器设计。

新的连接器还允许模块占用更小的空间，并在将其安装到您的设备中时降低电路板高度和重量。它们实现了高速和低速区域的更好分离，因此它们将更容易布局。见鬼，它们甚至比老式的So-DIMM插座更便宜。考虑到这是PCIe的权衡，我们丝毫不会对这种变化感到遗憾。

CM3比CM2有更多的订购选项，PI 4Model B比PI 3Model B有更多的内存配置选项，但是CM4占了上风。有32个不同的品种，价格也相应不同。为什么？有四层RAM、四层板载eMMC存储和可选的无线模块。(4 x 4 x 2=32。)。让我们从基本型号开始：不带无线、1 GB RAM和不带eMMC的CM4。那要花你25美元。

对于其余的选择，它就像披萨配料一样。额外的5美元可以让你无线上网。每层5美元，您可以添加8 GB、16 GB或32 GB的eMMC。2 GB内存的电路板价格为5美元，4 GB的价格为20美元，8 GB的价格为45美元。

快速测试：带WiFi和4 GB内存的CM4 Lite(不带eMMC)多少钱？我们得到50美元。带无线功能的CM4、结实的32 GB eMMC和2 GB RAM？也是50美元。什么都有的PI(无线/32 GB eMMC/8 GB RAM)？90美元。

有些可能的配置在数据手册中被列为“批量”，而另一些则被列为“1+/批量”，因此可能对较小的用户来说，它们并不都是同样容易获得的。例如，如果您想要数量为1的无线，您可能会被限制为2 GB或4 GB RAM配置。但是，eMMC的所有层都是同等可用的。由于从长远来看，这一切都会随着客户需求的变化而改变，你可能想要查看树莓PI网站的最新信息。

与PI 4的B型相比，CM4的灵活性要大得多。主要区别在于CM4不再将PCIe总线专用于USB 3.0。这一选择对于面向消费者的董事会来说是有意义的，但CM4是为设计师设计的。可以非常简单地将PCIe添加到CM4设计中：您只需要正确的插座和3.3V和12V电源线。这一点甚至已经在较新的NVMe固态硬盘上进行了测试。树莓工程师Dominic Plunkett告诉我们，他们在实验室中获得了390兆字节/秒的写入速度，这相当接近理论上的最高速度。您可以用它来换取Model B的USB3.0端口，但如果您追求的是更快的固态硬盘I/O，那么采用NVMe的PCIe是最先进的。对于一台单板计算机来说还不错！

B型只有一个双通道MIPI CSI摄像头接头和一个双通道MIPI DSI显示器接头断线。例如，CM4各允许两个，从而实现立体3D成像。(你也可以用CM3+来做这件事，但那是旧的，到目前为止已经坏了。)。此外，型号B只展示了CSI和DSI的双通道版本，而CM4还为您提供了更高带宽的四通道变种。使用这些功能，您可以在不借助外部硬件的情况下获得更高的相机性能。想要在DSI屏幕上显示超高帧率或分辨率的视频吗？CM4.。

甚至可选的WiFi/蓝牙模块也更加灵活。除了板载PCB天线，他们还增加了外部天线的UFL连接器，内部和外部天线都可以根据需要从软件中启用或禁用。这使得CM4成为要求苛刻的WiFi应用的正确选择，或者仅仅是用于在金属盒内建造。树莓派基金会将出售一种通过FCC认证的天线，可以与CM4一起使用，或者你也可以自己带，但这是你的责任。

最后，以太网芯片进行了很小的升级，升级到CM4上的BCM54210PE。它仍然是一个千兆以太网PHY芯片，但这个芯片也支持IEEE 1588精确时间协议。如果您需要比NTP更好的时间同步，您知道这一切意味着什么。

我们在仔细梳理CM4数据表时注意到两件让我们感到好奇的事情。

首先，它说CM4比B型更有效率，所以它使用的电力更少。但因为它在较小的电路板上，它不像Model B那样被动散热，而且可能仍然更容易降低CPU速度以防止过热。目前还没有可用的数字，但我们很快就会拿到一款B型车，并将这两款车进行压力测试比较。敬请关注。

其次，关于MXL7704电源管理IC上遗留的两个模拟输入，有一句很诱人的话，您可以参考数据手册(PDF)进行进一步研究。它们似乎是在官方IO板上标有AIN0和AIN1的针脚上拆分出来的。在我们看来，挑战已经被抛出了。

最后，有时灵活性与易用性会发生冲突。Model B共有四个USB端口：两个USB 3.0端口和两个USB 2.0端口。USB 3.0被砍掉了，CM4只有一个USB 2.0端口的连接，因为这是Broadcom SOC本机支持的。如果你想要更多的USB端口，你必须建造你自己的集线器。这就是他们在B型上做的，也是他们在CM4 IO演示板上做的。说到IO板…。

我们有一块IO板和我们的CM4样本一起送来。有了可靠的文档和可用的KiCAD设计文件，它基本上是一个用于制作您自己的基于CM4的设计的模板。看一看!

让我们印象深刻的是，将CM4的所有功能带到现实世界中所需的工作量是如此之少。HDMI端口只需直接从连接器连接到连接器，MIPI相机和显示线也是如此。以太网实现了以太网供电保护，但如果您不需要，您可以直接从CM4连接到磁铁。(或者连接到光收发器？)。PCIe也同样简单：在3.3V和12V电源线之外，所有东西都直接从CM4插入插座。

事实上，IO板上唯一看起来像是做了任何设计工作的部分(无意冒犯，RPI工程师们！)。包括USB 2.0集线器和电源，USB 2.0集线器最多允许四个连接，如果您想要测试设计，您可以直接复制该集线器；电源可以从12 V桶形插孔向下转换为CM4的5 V和PCIe连接器的3.3 V。SD卡，以适应无eMMC“Lite”版本的CM4，有一个高端开关，以便在不使用时可以由CM4关闭以节省电力。其他的一切都是简单的电线。

但它们不一定是简单的电线，这是没有设计过高速电路板的人的必经之路。基本上有两类轨迹需要注意：90Ω差分对和100Ω差分对。第一组包括PCIe和USB，在配对中需要匹配到0.15 mm，建议PCIe使用0.1 mm。为以太网、HDMI以及MIPI CSI和DSI连接指定了100MIPI对Ω。

根据数据手册，跨对长度明显不那么重要，但在差分对中的两条线之间，匹配长度是值得的。KiCAD自从CERN在2015年加入以来就做差分对了，强烈推荐土星PCB工具包来计算阻抗控制的迹线宽度，但它只适用于Windows。(您也许可以仅从IO板设计中抄袭轨迹宽度和分隔，而忽略整个问题。)。

当然，除非你需要，否则你不需要所有这些高速外设。假设您首先有办法将软件放到eMMC中，您可以使用5V和GND引脚运行带有eMMC和无线的CM4服务器。对于经典的无头PI体验，您也可以连接GPIO和SD卡线路，而无需担心阻抗。(请注意，您可以仅使用低速夹层连接器完成此操作。不错。)。

但这不是你来这里的原因。您希望将IO板参考设计转变为高速自定义PCIe NAS，还记得吗？你走吧！只要记住要设计大量的状态LED即可。

总而言之，CM4与Raspberry Pi 4Model B的一切都是一样的，只是包装更加灵活，对消费者不太友好。它有32个不同的品种，并暴露了一些严重的高端外围设备，这对于低价标签来说更是令人印象深刻。入学的真正成本是设计你自己的董事会来配合它，但即使是这样，在一些帮助下看起来也不是太糟糕。我们期待着看看你们会怎么处理它。