DIY個人的Linux開發板教程

項目作者：FanHuaCloud

作者簡介：大佬已在硬創社開源了近50款開發板，動手能力極強，于去年年底開始接觸學習Linux，并由全志V3s、F1C200S等芯片開始上手DIY個人的Linux開發板。

本項目是基于全志F1C200S設計的開源屏幕開發板，設計的目標是提供一個低成本、超迷你且適合Linux開發的平臺，特別是針對屏幕接口的支持。

項目簡介

開發板板載16M nor flash，主控芯片采用F1C200S，內置64M DRAM。同時附帶USB Host接口以及USB type-c口，以及CH340串口轉USB芯片，用于開發調試使用。

開發板2D預覽圖

由于芯片功能繁多，開發板設計也相對復雜，為了教會大家自己DIY開發板，作者將開發板設計的硬件部分按功能拆分為了10個不同的知識點，來對開發板整體設計進行全面介紹和詳細講解電路原理。

全志F1C200S主控

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

芯片基于ARM 9架構，并SiP了DDR，這樣的配置使其外圍電路在設計時會非常簡單，非常適合作為入門級的Linux開發板。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，不接會導致USB Host無法枚舉設備，同時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，會導致內部電路損壞。

6X1為24M晶振，為芯片提供時鐘信號，采用22pF負載電容。

SDMMC接口

SDMMC接口用于接入Micro SD卡，系統啟動時，可以從SD卡中加載U-Boot，內核，RootFS，實現Linux啟動。

SDMMC接口原理圖

如上圖所示，相關線路說明如下所示：

1CLK: SDMMC時鐘，每個時鐘周期傳輸一個命令或數據位。頻率可在0至25MHz之間變化。SD卡總線管理器可以自由產生0至25MHz的頻率，沒有任何限制

2CMD: 命令傳輸線，命令通過該CMD線串行傳輸

3D0～D3:數據通過這些數據線傳輸

4按照SDMMC規范，SDMMC線路還需要增加10K上拉電阻，如果沒有可以會影響數據傳輸，本原理圖中R7-R11即上拉電阻。同時，為了保證電源質量，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SD卡是否插入，這一塊懸空未使用

CH340串口轉USB

此電路用于用戶連接系統調試中斷使用，其功能為將TTL串口轉換為USB接口，使得用戶可以在電腦中連接該串口進行調試。

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，所以本開發板將CH340的串口連接到了F1C200S的UART1(PA2/PA3引腳)上，后續編譯U-Boot和內核時我們需要相應的修改代碼。

CH340串口轉USB原理圖

如上圖所示，該部分除了串口轉USB外，還兼顧了系統的供電。

1用戶通過Type-C線纜連接該調試口后，將同時為開發板供電

2板上的5.1K電阻用于雙頭Type-C線纜識別從機，為其供電

3如果R12,R13不焊接會導致使用雙頭Type-C線時板子沒有供電

4D2為TVS瞬態抑制二極管用于保護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，不接會導致USB Host無法枚舉設備，同時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，會導致內部電路損壞。

6X1為24M晶振，為芯片提供時鐘信號，采用22pF負載電容。

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）參數上，會比普通的電感大一點，電感值的計算公式可以參考下方：

DCDC電流電感值計算公式

1L為計算出的電感容量

2Vout為降壓芯片輸出電壓

3L為計算出的電感容量

4Vin為降壓芯片輸入電壓

5Fsw為芯片開關頻率，SY8089取1.5Mhz，也就是1500000Hz

6Iout,max為最大輸出電流

如下圖所示，本開發板電感值直接參考SY8089數據手冊文檔，折中后取1.5Uh：

電源模塊在電路中的接線

SY8089典型應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算：

SY8089芯片反饋電阻計算公式

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，計算出Rh

6為了最大限度地減少輕負載下的功耗，最好為 RH 和 RL 選擇較大的電阻值。強烈建議 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，位號為U10，由于較為簡單，此處不在詳細說明。

SPI Nor Flash

Nor Flash為F1C200S芯片提供了第二種啟動方式。

1上電后，F1C200S首先從內部BROM(芯片內置，無法擦除)啟動

2首先檢查 SD0 有沒有插卡, 如果有插卡就讀卡 8k偏移數據，是否是合法的啟動數據, 如果是BROM 引導結束, 否則進入下一步

3第二步：檢測SPI0 NOR FLASH是否存在, 是否有合法的啟動數據, 如果是BROM 引導結束, 否則進入下一步

4第三步：檢測SPI0 NAND FLASH 是否存在, 是否有合法的啟動數據, 如果是BROM 引導結束, 否則進入下一步

5最后，因為找不到任何可以引導的介質，系統會進入usb fel模式，此時可以使用USB燒錄

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

W25Q128JVEIQ原理圖

1R4為上拉電阻(F1C200S內部也存在上拉電阻，可以不焊)，防止未供電時芯片錯誤寫入數據

2C16為濾波電容

3SW2為FEL模式開關，將SPI_MISO短路到地后，F1C200S將無法檢測到SPI Nor Flash，從而進入USB Fel模式，此時可以松開按鍵，燒錄內容至SPI Nor Flash

4/WP為SPI Nor Flash保護引腳，低電平有效，有效時無法寫入數據

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

6最后，因為找不到任何可以引導的介質，系統會進入usb fel模式，此時可以使用USB燒錄

外部IO接口

此處引出了未使用的IO，用戶可連接其他設備，C35為濾波電容，用于保證電源質量，該部分引腳功能可以參考下圖（來源：芯片數據手冊14/15頁）：

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，無供電輸入/輸出能力。

USB OTG處可用于連接其他USB設備，帶5V輸出，當然也可以接雙頭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，開發板中沒有連接ID線（ID線用于識別USB模式），所以在編寫設備樹時，我們需要強制指定USB模式為主機或從機。

背光驅動

該部分用于驅動RGB屏幕背光，標準40Pin RGB屏幕基本采用串聯背光，由于本身開發板供電只有5V，所以我們需要使用背光驅動芯片升壓到合適的電壓，來驅動屏幕背光。

同時，背光驅動芯片采用恒流控制，可以避免電流過大導致背光LED燒毀，該部分原理圖如下所示：

背光驅動原理圖

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)，過低的電容耐壓會導致電容損壞

2BL_CTR為芯片背光控制引腳，此處直接接入了上拉，再開發時可以將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，有恒流驅動的存在，控制亮度時，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計算，但是需要注意電流不能超過電感額定電流

R5為芯片的反饋電阻，用于調節輸出的電流，計算公式可參考下方：

反饋電阻計算公式

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

屏幕數據手冊線路原理圖

如上圖，下方說明了LED為2并5串，額定電流為40ma，我們為了保險，選擇了20ma，亮度會有所損失。

40Pin RGB/觸摸接口

此處參考屏幕數據手冊即可，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，F1C200S內置色彩抖動，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，此處選用了內部上拉，所以并沒有加電阻，該部分原理圖如下所示：

RGB/觸摸接口原理圖

開發環境搭建

使用VSCode的DeviceTree插件，我們可以實現設備樹文件的代碼高亮，編輯c語言代碼。

安裝VSCode后，我們開始安裝設備樹插件，再商店中搜索DeviceTree插件，點擊安裝安裝即可：

同理，推薦讀者同時安裝中文漢化，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。

打開安裝好的Ubuntu 18.04虛擬機，將需要分區的SD卡插入電腦USB口，并右鍵點擊VMware右下角的USB存儲器圖標，點擊連接，將SD卡連入虛擬機。具體操作過程如下圖所示：

點擊桌面左下角圖標，進入所有應用，然后搜索GPartd，可參考下圖：

此時需要輸入密碼，輸入用戶密碼，提權到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，默認為/dev/sda，這個是我們虛擬機的系統盤，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，右鍵點擊如圖所示位置，點擊“卸載”，接著點擊“刪除”按鈕刪除SD卡中原有分區，最后點擊確定，確認刪除，具體過程可以參考下圖。

接著開始創建分區，首先創建boot分區，用于u-boot讀取設備樹、內核等文件，我們需要在分區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，首先點擊左上角按鈕，創建新分區，然后按照下圖創建boot分區。

此處為U-Boot以及SPL預留了1Mib的空間，完全足夠存放這些程序。

接著創建rootfs分區，我們將剩下的空間全部作為rootfs，文件系統選擇ext4，如下圖所示：

最后點擊保存，確認后生效，拔出SD卡備用，操作可參考下圖：

開源資料獲取

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master分支代碼可能會存在更新，所以移植指南使用了最近的一個U-Boot版本來指導復刻打開發者進行修改和配置，編譯出自己的U-Boot。

本項目所有資料均已開源，軟硬件都開源了，其中軟件開源了：UBoot、Kernel、Buildroot:測試鏡像下載地址等……。

審核編輯：湯梓紅