玩转树莓派

树莓派硬件分析

众里寻他千百度，青天白夜荡谷歌，纵观整个网络，没有找到一篇详细介绍树莓派硬件设计的文章，不免唏嘘。树莓派作为一款开源卡片式电脑，基于Broadcom商业策略的考虑，硬件没有完全开源，可以理解，但是对于硬件已经开源的部分，很少人来分析、研究和扩展，我理解树莓派的生态在硬件层面上是有一定残缺的。
Anyway,树莓派作为一款“开源硬件”，其价值并不在于硬件的扩展性，而在于软件设计，Geek们利用树莓派开放的GPIO的硬件能力，构建起了庞大的软件生态，可以说，树莓派其实是一个基于硬件的软件开源平台。
下面，我简单分析下树莓派的硬件设计。

原理图及datasheet下载

树莓派的第一手资料，当然要去github raspberry官方镜像获取

• 树莓派2B+原理图下载
  https://github.com/raspberrypi/documentation/blob/master/hardware/raspberrypi/schematics/README.md
• 主芯片SOC BCM2836及ARM A7 datasheet下载
  BCM2836 ARM-local peripherals
  https://github.com/raspberrypi/documentation/blob/master/hardware/raspberrypi/bcm2836/QA7_rev3.4.pdf
  ARM A7核心
  Cortex-A7 MPcore Processor Reference Manual
  https://developer.arm.com/docs/ddi0464/latest/preface
  需要注册ARM官网的账号才能下载
• 网卡及串口芯片 LAN9514
  http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/347291/SMSC/LAN9514.html

  简单电路分析

  本人不是做硬件开发的，这里只是简单分析下树莓派2B+的电路，一切以够用为原则

  实物图简单标注

• 树莓派正面
  
  核心芯片为BCM2836，右边LAN9514为网卡及串口，Microchip公司生产的 LAN951x 是第一款工业的全集成、高速2.0 USB、高性能10/100M网络控制器，网卡接口及USB接口设计在了 LAN9154 的右边。USB供电系统旁边有三个转压芯片，这一部分区域是给系统提供4种电压。HDMI和音频是系统芯片内部的功能，主要按照数据手册里方式的进行连接。树莓派为双层板，正面布满系统需要的绝大部分元器件。
• 树莓派反面
  
  PCB 板反面右边是SD卡接口，中心是一个19.2MHZ的晶振，对应正面中心的 BCM2836芯片

  树莓派硬件整体分析

  整体架构

  
  主要部件包括：

  ARMv7（主CPU，即Application Processor或AP）
  博通独有的VideoCore IV（图像处理单元，即GPU）
  只读ROM
  一次性写入的OTP
  512M SDRAM
  控制核心secure core
  集成的其它部件，如各种外设的controller等

其上电之初的整个过程完全由secure core控制
USB和ETH由BCM2836外接LAN9514驱动

电源电路分析

在raspberryPi 2B+电路中有多种电压，5V，3V3，1V8，5V_CORE，VDD_CORE，PLL_VDD，RUN，H5V（HDMI用），AUD_3V3(audio用)，电源电路很复杂，我这里只是在整体上作大致的分析

• 从输入到稳压5V
  
  从供电的输入端MicoUSB可以看出，该接口只有1和5号引脚起到供电作用，其他引脚悬空，没有USB串口功能，后边接到F1（MF-MSMF250/X），是自恢复保险丝，MSMF250/16具体参数如下图所示：
  
  可以看到该保险丝最大耐压16V，持续通过电流高达2.5A，峰值电流为5A
  Q3是续流二极管，有防反接作用
  BCM857BS是NXP的一款PNP型三极管，其基本功能是作差分放大，这里与D5瞬态抑制二极管（TVS管）SMJ5.0a实现5V稳压，BCM857BS引脚图如下：
  
• 从5V稳压中分解出3V3和1V8
  
  稳压后的5V电源接入PAM2306AYPKE芯片，PAM2306AYPKE为DC-DC开关稳压芯片，为树莓派CPU及外设提供1.8V和3.3V电压
  PAM2306 datasheet中的典型设计如下
  
  可见这里树莓派也是参考的典型设计
• 从5V分解出5V_Core、RUN和SDRAM_LDO_Enable
  
  可以看出，这里电路是通过5V和DMG2305 PMOS管得到5V_CORE、SDRAM的LDO使能信号和CPU的RUN信号
  1V8电压通过Q8(PNP管)与5V电压一起为DMG2305提供栅源电压，使得PMOS导通
  以下是DMG2305 datasheet中关于芯片的功能描述
  
  可以看出，这里主要是为了减小DS漏源阻抗以及提高电源转换效率，目的是为了匹配高速的SDRAM和CPU的对Power的需求
• 5V_CORE通过NCP6343为SOC的I2C控制器提供初始化电平
  
  NC6343是降压芯片，datasheet中关于芯片的描述为
  
  可见，NCP6343是为ARM7 SMPCore中的I2C Memory提供动态电压

  BCM2836起振与供电

  
  可以看出，BCM2836的供电电压是1V8并且要提供RUN电平，后面是19.2MHZ的晶振

  复位与指示灯电路

  
  APX803在系统上电的时候RST，这时候2号线输出低电平，3v3通过R5和R8分压到PWR_LOW_N,随后RST置位成高电平，从而在PWR_LOW_N产生一个电平跳变，为SOC提供复位
  由于SOC启动后，PWR_LOW_N保持低电平，从而开启Q1（P-FET）点亮RED led

  Camera电路

  
  引脚直接接到SOC的相应引脚上

  DSI接口LCD电路

  
  同样，引脚直接接到SOC相应引脚上

  音频电路

  
  这里核心的器件是NC7WZ16，是个高速双向缓冲器，主要是为了提高PWM信号的转换速度，当PWM为高电平时，信号高速通过，当为低电平时，输入输出为高阻态，既有效传输了音频信号，由做到了信号的隔离
  其他大量的电阻和电容，都是为了滤波，为输出提供高质量的数字信号

  HDMI接口电路

  
  HDMI接口的引脚也是直接接到SOC的相应引脚上，值得一提的是左边的供电电路
  RT9741CGV为显示器高压驱动芯片，HDMI转VGA显示器的VGA转换线就是从这部分获取电能，也就是从BCM857BS 5V稳压这里汲取电流，因为供电电源最高能提供2.5A的电流，最高也就是12.5W的功率，单CPU、GPU和WiFi蓝牙以及DISPLAY接口的功率都已经很高了，如果HDMI转接器仍通过该板卡供电的话，板子估计会吃不消，这也是为什么一些童鞋使用HDMI转VGA转接板显示花屏或者根本不显示的原因，建议使用VGA显示器的童鞋们，最好使用自带供电的HDMI转接板。

  GPIO电路

  
  这里没什么好说的，BCM2836的GPIO直接接到板卡的GPIO引脚上，这里有个需要注意的地方，板卡上是没有GPIO0和GPIO1的，具体见原理图的tips说明
  
  意思是说GPIO0和GPIO1被设置成ID_SD和ID_SC模式，在SOC上电时读取EEPROM的ID号，然后驱动GPIO的automagic 安装，具体要干嘛我也不知道，反正这两个GPIO不要使用就可以了
  GPIO的电路虽然简单，但后续我们玩树莓派，主要就是利用这些GPIO的硬件能力，作为GPIO、I2C、SPI和UART等，了解下这些GPIO还是有必要的，这里附上一张树莓派GPIO的引脚对照图以备参考
  

到这里，树莓派2B+的整个电路原理图已经基本分析完了，还是很简单的，但需要说明的是，官方提供的原理图不完整，还有许多细节没给出来，想要抄板仿制出来一个树莓派基本不可能了
有个关键性器件LAN9514 USB与网卡芯片电路图没有给出来，这里补上一张LAN9514 的系统框图供参考

官方文档上指出，USB接口供电源与板卡的供电源电路做了相应的隔离设计，防止像以前版本的树莓派在接带有外置电源的USB HUB时可能会出现倒灌电流的现象，但是你为什么不给出原理图呢，是不是还有别的坑没填呢。
到此，树莓派的硬件分析完毕

题外话

许多人一看到稍微大一点电路的原理图时就犯怵，这是很正常的，一开始我拿到树莓派的原理图时也很懵，一看里面的许多器件都没见过，这时候就需要耐下心来，一个一个模块来分析
我总结看懂电路图原理的四个要点是

• 识别元件
• 看清走线
• 模块划分
• 分析原理
  然后按部就班地分解电路图
  电路一定是按模块设计出来的，所以分析也要一个一个模块来分析

我分析电路原理图的一般步骤正如上文所描述的那样

• 分析电源电路
  一般一个板子的电源电路是最复杂也是最有意思的，分析清楚电源电路，接下来的模块电路分析就简单了
• 分析主芯片供电、复位和起振电路
  这个比较简单，也就是最小系统能跑起来的基本条件
• 模块电路分析
  模块电路分析要抓住核心器件，查看核心器件的datasheet，围绕这个核心器件来分析会事半功倍

不是题外话的题外话

随着物联网的兴起，现在开源硬件的热潮一波又一波，在这些浪潮之中的开源板卡有很多，比如Arduino、Raspberry、BeagleBlack、Intel Galileo、Intel MinNowBoard,Intel UpBoard，还有国产的香蕉派、香橙派、CubieBoard和96 Board等等，这么多板卡，能够处在浪潮之巅并且蜂拥前进的屈指可数，也就是Arduino、Raspberry和BeagleBlack了
其实板卡的做工、功能都差不多，为什么大多开源硬件都逃不出一波热，开锅熟，继而无人问津了呢
我理解主要有两点

• 软件生态的完备程度
  Arduino和其他板卡不同，是一块单片机，把单片机玩出生态，所以热度一直不减
  树莓派受RS社区的推动，并且在全世界有一堆的传道者，其生态可以说是最完备的,虽然硬件没有完全开源，但依然阻止不了Geek们蠢蠢欲动的心
  BeagleBlack虽然热度没有Raspberry那么热，但是由于其硬件全开源，社区也很活跃，投入的玩家也越来越多
  反观Intel的系列板卡，采用的不是ARM核心，在众多玩家心里，ARM就意味着开源，X86、Atom想来搭开源硬件的顺风车，路漫漫其修远兮
  而国产板卡的受众主要是国人，众多周知，国人在这一块的玩法较欧美国家还是要差一些的，最主要的是在国内，要建立起一个良好的社区氛围不容易，都有一颗Geek心，奈何完不成Geek的梦
• 服务质量的良莠程度
  这里不得不说的是，国产各种派的服务简直是不能人语，资料没法找，技术支持永远不在服务区，板卡上电启动冒烟无人理，你说这样的服务能把开源板卡做起来
  在这里默默祭奠下我英年早逝的香橙派，我才上电啊，你怎么就冒烟了。。。