На моей визитке работает Linux

Перевод статьи из блога инженера Джорджа Хиллиарда


Кликабельно

Я инженер встроенных систем. В свободное время я часто ищу то, что можно будет использовать в проектировании будущих систем, или что-то из разряда моих интересов.

Одна из таких областей – дешёвые компьютеры, способные поддерживать Linux, и чем дешевле, тем лучше. Поэтому я зарылся в глубокую кроличью нору малоизвестных процессоров.

Я подумал: «Эти процессоры настолько дешёвые, что их практически можно раздавать даром». И через некоторое время ко мне пришла идея сделать голую карточку для Linux в форм-факторе визитной карточки.

Как только я подумал об этом, я решил, что это было бы очень круто сделать. Я уже видел электронные визитки до этого, и у них были различные интересные возможности, типа эмулирования флэш-карт, мигания лампочек или даже беспроводной передачи данных. Однако визитки с поддержкой Linux я не встречал.

Так что я сделал себе такую.

Это законченная версия продукта. Полноценный минимальный компьютер на ARM, на котором работает моя особая версия Linux, созданная при помощи Buildroot.



В углу у неё есть USB-порт. Если подключить её к компьютеру, она грузится примерно за 6 секунд и её видно, как флэш-карту и виртуальный последовательный порт, по которому можно войти в оболочку карты. На флэшке лежит файл README, копия моего резюме и несколько моих фотографий. В оболочке есть несколько игр, классика из Unix типа fortune и rogue, небольшая версия игры 2048 и интерпретатор MicroPython.

Всё это сделано при помощи очень маленького флэш-чипа на 8 Мб. Загрузчик умещается в 256 Кб, ядро занимает 1,6 Мб, а вся файловая система root – 2,4 Мб. Поэтому для виртуальной флэшки остаётся много места. Там также есть домашняя директория, доступная на запись – если кто-то сделает что-то, что захочет сохранить. Это всё тоже сохраняется на флэш-чип.

Всё устройство стоит менее $3. Оно достаточно дешёвое, чтобы его можно было раздавать. Если вы получили от меня такое устройство, это означает, что скорее всего я пытаюсь произвести на вас впечатление.

Проектирование и сборка

Спроектировал и собрал я всё сам. Это моя работа, и она мне нравится, и большая часть трудностей заключалась в поиске достаточно дешёвых запчастей для такого хобби.

Выбор процессора был самым важным решением, влиявшим на стоимость и реализуемость проекта. После активных исследований я выбрал F1C100s, относительно малоизвестный процессор производства Allwinner, оптимизированный по стоимости (т.е. чертовски дешёвый). В одном корпусе находятся и RAM, и CPU. Купил я процессоры на Taobao. Все остальные комплектующие приобретены на LCSC.

Платы я заказал у JLC. За $8 мне сделали 10 копий. Качество их впечатляет, особенно за такую цену; не такие аккуратные, как у OSHPark, но всё равно выглядят хорошо.

Первую партию я сделал матово-чёрными. Смотрелись они красиво, но были очень маркими.



С первой партией была парочка проблем. Во-первых, коннектор USB был недостаточно длинным, чтобы надёжно вставать в любые USB-порты. Во-вторых, дорожки для флэш были сделаны неправильно, но я обошёл это, загнув контакты.



Проверив всё в работе, я заказал новую партию плат; фото одной из них вы можете видеть в начале статьи.

Из-за небольшого размера всех этих маленьких комплектующих я решил прибегнуть к пайке оплавлением припоя [reflow solder] с использованием дешёвой печки. У меня есть доступ к лазерному резаку, поэтому я вырезал на нём трафарет для пайки из плёнки для ламинатора. Получился трафарет достаточно неплохо. Отверстия для контактов процессора диаметром 0,2 мм требовали особой тщательности для качественного изготовления – критически важно было правильно сфокусировать лазер и подобрать его мощность.


Для удержания платы при нанесении пасты хорошо подходят другие платы

Я нанёс паяльную пасту и расположил компоненты вручную. Я озаботился, чтобы нигде в процессе не использовался свинец – все платы, комплектующие и паста соответствуют стандарту RoHS – чтобы меня не мучила совесть, когда я буду раздавать их людям.


С этой партией я немного промахнулся, однако паяльная паста прощает ошибки, и всё собралось нормально

На расположение каждого компонента уходило примерно по 10 секунд, поэтому я попытался сделать их количество минимальным. Больше подробностей о проектировании карты можно почитать в другой моей подробной статье.

Список материалов и стоимость

Я придерживался строгого бюджета. И визитка получилась такой, как задумано – мне не жалко её отдавать! Конечно, всем и каждому я её раздавать не буду, поскольку на изготовление каждого экземпляра тратится время, а моё время в стоимости визитки не учитывается (оно как бы бесплатное).



Естественно, есть ещё расходы, которые сложно рассчитать, типа доставки (поскольку она распределилась между компонентами, предназначенными для нескольких проектов). Однако для платы с поддержкой Linux это определённо весьма дёшево. Также эта разбивка даёт неплохое представление о том, почём обходится компаниям изготовление устройств самого нижнего ценового сегмента: можете быть уверены в том, что компаниям это обходится ещё дешевле, чем мне!

Возможности

Что сказать? Карта загружает очень сильно обрезанный Linux за 6 секунд. Из-за форм-фактора и стоимости у карты нет I/O, сетевой поддержки, какого-то серьёзного объёма хранилища для запуска тяжёлых программ. Тем не менее, я сумел впихнуть в образ прошивки кучу всего интересного.

USB

С USB можно было придумать много чего интересного, но я выбрал самый простой вариант, чтобы у людей с большой вероятностью всё заработало, если они решат попробовать мою визитку. Linux позволяет карте вести себя как «устройство» с поддержкой Gadget Framework. Некоторые драйвера я брал из предыдущих проектов, включавших в себя этот процессор, поэтому у меня есть доступ ко всей функциональности платформы USB gadget framework. Я решил эмулировать заранее сгенерированный флэш-диск и дать доступ к оболочке по виртуальному последовательному порту.

Оболочка

После логина под пользователем root на последовательную консоль можно запускать следующие программы:

• rogue: классическая для Unix приключенческая игра про подземелья;
• 2048: простая игра в 2048 в консольном режиме;
• fortune: вывод различных пафосных изречений. Я решил не включать сюда всю базу цитат, чтобы осталось место для других функций;
• micropython: очень маленький интерпретатор Python.

Эмуляция Flash Drive

Во время компиляции инструменты сборки генерируют небольшой образ FAT32 и добавляют его в качестве одного из разделов UBI. Подсистема гаджетов Linux представляет его ПК как устройство-накопитель.

Если вам интересно посмотреть, что появляется на флэшке, то проще всего это сделать, ознакомившись с исходниками. Там лежит также несколько фотографий и моё резюме.

Ресурсы

Исходники

Моё дерево Buildroot выложено на GitHub — thirtythreeforty/businesscard-linux. Там есть код генерации флэш-образа NOR, который устанавливается при помощи режима скачивания по USB у процессора. Там также есть все определения пакета для игр и других программ, которые я запихнул в Buildroot после того, как всё заработало. Если вы хотите использовать F1C100s в своём проекте, это станет отличной отправной точкой (не стесняйтесь задавать мне вопросы).
Я использовал прекрасно исполненный проект Linux v4.9 для F1C100s за авторством Icenowy, немного его переделав. На моей карточке работает почти стандартная v5.2. Она лежит на GitHub — thirtythreeforty/linux.
Думаю, у меня на сегодня самый лучший порт U-Boot для F1C100s в мире, и он частично также основан на работе Icenowy (неожиданно, заставить U-Boot работать как надо оказалось весьма неприятной задачей). Также можно взять на GitHub — thirtythreeforty/u-boot.

Документация на F1C100s

Нашёл довольно скудную документацию F1C100s, и выкладываю её здесь:

• Allwinner F1C100s Datasheet – общая информация и распиновка.
• Allwinner F1C600 Reference Manual – определения регистров для F1C600, который на самом деле является тем же F1C100s, но переименованным с заявленной поддержкой Linux (ха!).
• Я активно заимствовал информацию из схемы от Sipeed's Lichee Nano – платы разработки, которую я использовал для настройки софта.

Для любопытных загружаю схему моего проекта.

Заключение

Я много чему научился в процессе разработки этого проекта – это мой первый проект, где я использовал печь для пайки оплавлением припоя. Также я научился находить ресурсы для компонентов с плохой документацией.

Я пользовался имевшимся у меня опытом работы со встроенным Linux и опытом разработки плат. Проект не без изъянов, однако неплохо показывает все мои умения.

Интересующимся подробностями работы со встроенным Linux предлагаю прочесть мою серию статей об этом: Mastering Embedded Linux. Там я подробно рассказываю о том, как создавать ПО и железо с нуля для крохотных и дешёвых Linux-систем, похожих на эту мою визитную карточку.