Le tout nouveau module de calcul Raspberry Pi 4 (CM4) vient de sortir! Surpris? Non, et nous ne le sommes pas non plus – la Fondation Raspberry Pi avait laissé entendre qu’elle allait publier un module de calcul pour la série 4 pendant longtemps.

Le facteur de forme a fait l’objet d’une refonte totale, mais il y a des changements plus importants dans cette petite bête qu’on ne le voit à première vue, et nous allons vous expliquer la plupart d’entre eux. Les principaux avantages sont la mise en œuvre facile de PCIe et NVMe, ce qui permet d’obtenir des données dans et hors des SSD ridiculement rapidement. Associé au WiFi / Bluetooth en option et au Gigabit Ethernet facile à concevoir, le CM4 est un monstre de connectivité.

L’un des projets classiques qui veulent le construire avec un Pi est le NAS domestique ultra-rapide. Le CM4 rend cela enfin possible.

Si vous ne connaissez pas les modules de calcul, ce sont des versions allégées de ce que vous considérez probablement comme un Raspberry Pi, officiellement connu sous le nom de facteur de forme «Modèle B». Destinés aux applications commerciales, les modules de calcul manquent de nombreux conforts de créature de leurs plus grands frères et sœurs, mais ils les échangent contre une flexibilité de conception et permettent des fonctionnalités supplémentaires.

Les modules de calcul ne sont pas vraiment adaptés aux débutants, mais nous sommes positivement impressionnés par la mesure dans laquelle Team Raspberry a pu rendre ce module accessible au hacker intermédiaire. La plupart de cela est dû à la conception ouverte de la carte IO Breakout qui est également sortie aujourd’hui. Avec des fichiers de conception KiCAD complètement ouverts, si vous pouvez modifier et commander un PCB, puis souder par refusion ce qui arrive par la poste, vous pouvez concevoir pour le CM4. L’avantage est une plate-forme plus légère, moins chère et encore beaucoup plus personnalisable qui intègre la puissance du Raspberry Pi 4 dans un boîtier compact de 40 mm x 55 mm.

Voyons donc ce qui est nouveau, puis examinons un peu ce qui est nécessaire pour incorporer un module de calcul dans votre propre conception.

So Long, SO-DIMM

Le plus gros choc avec le CM4 est le nouveau connecteur. Depuis que le premier Raspberry Pi a reçu son module de calcul, ils sont livrés avec des connecteurs SO-DIMM à 200 broches, tout comme les cartes mémoire DDR2 pour un ordinateur portable. Le CM4 change la donne, optant pour deux connecteurs mezzanine 100 broches haute vitesse et haute densité. Rompre avec la tradition est traumatisant, et nous savons que certains d’entre vous se retrouveront avec un placard rempli de sockets SO-DIMM, mais ils l’ont fait pour une bonne raison.

Le système sur puce (SOC) utilisé par la famille Pi 4, le Broadcom BCM2711, a apporté beaucoup plus de capacités périphériques au parti (PDF). En conséquence, le Pi 4 Model B a choisi un deuxième connecteur HDMI, USB 3.0 et Gigabit Ethernet. Mais il était capable d’encore plus! Par exemple, il ne fallut pas longtemps aux hackers entreprenants pour se rendre compte que l’USB 3.0 était sur un bus PCIe et remplacer l’USB 3.0 par PCIe. C’était faisable, mais difficile, avec quelques retouches complexes à bord.

Les modules de calcul existent pour rendre toutes les capacités du SOC facilement accessibles au concepteur. Il n’était tout simplement pas possible d’intégrer PCIe aux côtés de deux ports HDMI et d’autres périphériques haute vitesse dans l’ancien connecteur SO-DIMM, ce que les ingénieurs de Raspberry ont laissé entendre cet été. D’où les nouveaux connecteurs: Hirose DF40C-100DS-0.4V si vous avez déjà des doigts qui vous démangent.

Avec deux connecteurs mezzanine à la place d’un seul SO-DIMM, la conception CM4 met en œuvre une belle répartition entre les périphériques à basse vitesse et à haute vitesse. Un côté a les GPIO traditionnels Raspberry Pi, l’alimentation, l’interface de la carte SD et Ethernet. L’autre côté prend en charge les lignes d’affichage PCIe, USB, HDMI et MIPI CSI et DSI, deux de chaque. D’une part, cela signifie que vous avez beaucoup plus d’E / S haute vitesse avec lesquelles jouer, et d’autre part, vous pouvez vous en tirer avec une conception simple à un seul connecteur si vous n’avez besoin d’aucun élément haute vitesse.

Les nouveaux connecteurs permettent également un encombrement réduit pour le module et une hauteur et un poids de carte inférieurs lorsqu’il est installé dans votre appareil. Ils implémentent une meilleure séparation des domaines à haut débit et à bas débit, de sorte qu’ils seront plus faciles à mettre en page. Heck, ils coûtent même moins cher pour la paire que l’ancien socket SO-DIMM. Et étant donné que c’est le compromis pour PCIe, nous ne déplorons pas le moindre changement.

32 saveurs: achetez juste le Pi dont vous avez besoin

Cliquez pour lire les petits caractères.

Le CM3 avait plus d’options de commande que le CM2, et le Pi 4 Model B avait plus d’options de configuration de mémoire que le Pi 3 Model B. Mais le CM4 prend le gâteau. Il existe 32 variétés différentes, à des prix différents en conséquence. Pourquoi? Il existe quatre niveaux de RAM, quatre niveaux de stockage eMMC intégré et le module sans fil en option. (4 x 4 x 2 = 32.) Commençons par le modèle de base: un CM4 sans sans fil, 1 Go de RAM et sans eMMC. Cela vous coûtera 25 $.

Pour le reste des options, c’est comme des garnitures de pizza. Un supplément de 5 $ vous donne accès au sans fil. Pour 5 $ par niveau, vous pouvez ajouter 8 Go, 16 Go ou 32 Go d’eMMC. Pour obtenir une carte avec 2 Go de RAM coûte 5 $, 4 Go coûte 20 $ et 8 Go coûte 45 $.

Un petit quiz: combien coûte un CM4 Lite (sans eMMC) avec WiFi et 4 Go de RAM? Nous obtenons 50 $. CM4 avec sans fil, une puissante eMMC de 32 Go et 2 Go de RAM? Aussi 50 $. Un Pi avec tout (sans fil / 32 Go eMMC / 8 Go de RAM)? 90 $.

Certaines configurations possibles sont répertoriées dans la fiche technique comme étant «en vrac» tandis que d’autres en tant que «1 + / en vrac», il se peut donc qu’elles ne soient pas toutes également facilement accessibles aux petits utilisateurs. Par exemple, si vous souhaitez une connexion sans fil en quantité 1, vous pouvez être limité à des configurations de 2 Go ou 4 Go de RAM. Cependant, tous les niveaux d’eMMC sont également disponibles. Étant donné que tout cela peut changer en fonction de la demande des clients à long terme, vous voudrez peut-être consulter le site Web de Raspberry Pi pour la dernière.

Plus PCIe, moins USB 3.0

Comparé au Pi 4 Model B, le CM4 est considérablement plus flexible. La différence principale est que le CM4 ne dédie plus le bus PCIe à l’USB 3.0. Ce choix avait du sens pour une carte orientée consommateur, mais la CM4 est pour les designers. PCIe peut être ajouté très simplement à une conception CM4: tout ce dont vous avez besoin est la bonne prise et les rails d’alimentation 3,3 V et 12 V. Et cela a même été testé avec les nouveaux disques SSD NVMe. L’ingénieur Raspberry Dominic Plunkett nous a dit qu’ils obtenaient une vitesse d’écriture de 390 Mo / s en laboratoire, ce qui est assez proche de la vitesse maximale théorique. Vous échangez cela contre le port USB 3.0 du modèle B, mais si vous recherchez des E / S SSD rapides, PCIe avec NVMe est la pointe. Pas mal pour un ordinateur monocarte!

Le modèle B n’a qu’un seul connecteur de caméra MIPI CSI à deux voies et un connecteur d’affichage MIPI DSI à deux voies cassé. Le CM4 en autorise deux de chaque, permettant par exemple l’imagerie 3D stéréoscopique. (Vous pouvez également le faire avec le CM3 +, mais c’est vieux et cassé pour le moment.) De plus, le modèle B n’expose que les versions à deux voies de CSI et DSI, tandis que le CM4 vous offre en outre des variantes à quatre voies pour bande passante plus élevée. En utilisant ces derniers, vous pouvez obtenir des performances encore plus élevées de la caméra sans recourir à du matériel externe. Vous voulez une fréquence d’images ou une résolution vidéo ultra-élevée sur les écrans DSI? CM4.

Même le module WiFi / Bluetooth en option est plus flexible. En plus de l’antenne PCB intégrée, ils ont ajouté un connecteur UFL pour une antenne externe, et les antennes internes et externes peuvent être activées ou désactivées à partir du logiciel selon les besoins. Cela fait du CM4 le bon choix pour les applications WiFi exigeantes, ou simplement pour la construction à l’intérieur d’une boîte métallique. La Fondation Raspberry Pi vendra une antenne certifiée FCC pour une utilisation avec le CM4, ou vous pouvez apporter la vôtre, mais c’est sur vous.

Enfin, la puce Ethernet a reçu une petite mise à niveau, vers le BCM54210PE sur le CM4. C’est toujours une puce PHY Gigabit Ethernet, mais celle-ci prend également en charge le protocole IEEE 1588 Precision Time. Si vous avez besoin d’une synchronisation de l’heure meilleure que NTP, vous savez ce que tout cela signifie.

Questions ouvertes

Nous avons remarqué deux choses qui nous ont rendus curieux en travaillant sur la fiche technique CM4 avec notre peigne fin.

Premièrement, il dit que le CM4 est plus efficace que le modèle B, donc il utilise moins d’énergie. Mais comme il est sur une carte plus petite, il n’est pas dissipé passivement aussi bien que le modèle B, et il peut encore être plus enclin à réduire la vitesse du processeur pour éviter la surchauffe. Il n’y a pas encore de chiffres disponibles, mais nous allons mettre la main sur un modèle B et mettre les deux à une comparaison de stress-test bientôt. Restez à l’écoute.

Deuxièmement, il y a une phrase alléchante sur deux entrées analogiques qui restaient sur le circuit intégré de gestion de l’alimentation MXL7704, et vous êtes renvoyé à la fiche technique (PDF) pour une étude plus approfondie. Ils semblent être éclatés en broches étiquetées AIN0 et AIN1 sur la carte officielle IO. Il nous semble que le gant a été jeté.

Enfin, la flexibilité entre parfois en conflit avec la facilité d’utilisation. Le modèle B est livré avec un total de quatre ports USB: deux USB 3.0 et deux USB 2.0. L’USB 3.0 a été supprimé et le CM4 ne dispose que de connexions pour un seul port USB 2.0, car c’est ce que le SOC Broadcom prend en charge nativement. Si vous voulez plus de ports USB, vous devez créer votre propre hub. C’est ce qu’ils ont fait sur le modèle B, et c’est aussi ce qu’ils ont fait sur la carte de démonstration CM4 IO. Et en parlant de la carte IO…

Mise en route: la carte de démonstration IO

90% des circuits sont un concentrateur USB et une régulation de puissance. L’arrière n’est que des traces.

Nous avons reçu une carte IO accompagnée de notre échantillon CM4. Avec une documentation solide ainsi que des fichiers de conception KiCAD disponibles, il s’agit essentiellement d’un modèle pour créer votre propre conception basée sur CM4. Regarde!

Nous sommes impressionnés par le peu de ressources nécessaires pour intégrer toutes les fonctionnalités du CM4 dans le monde réel. Les ports HDMI sont simplement câblés directement d’un connecteur à l’autre, tout comme la caméra MIPI et les lignes d’affichage. Ethernet est implémenté avec une protection Power-over-Ethernet, mais si vous n’en avez pas besoin, vous pouvez simplement câbler directement du CM4 au magnétisme. (Ou à un émetteur-récepteur optique?) PCIe est tout aussi simple: en dehors des rails d’alimentation 3,3 V et 12 V, tout est directement du CM4 à la prise.

J’ai trouvé ce bijou de résistance pullup sur l’interrupteur d’alimentation de la carte SD.

En effet, les seules parties de la carte IO qui semblent avoir nécessité un travail de conception (sans offense, ingénieurs RPi!) Sont le hub USB 2.0 qui permet jusqu’à quatre connexions, que vous pouvez copier directement si vous voulez une conception testée , et le bloc d’alimentation qui passe d’une prise jack 12 V à 5 V pour le CM4 et à 3,3 V pour le connecteur PCIe. La carte SD, pour accueillir la version non-eMMC «Lite» du CM4, a un interrupteur côté haut afin qu’elle puisse être désactivée par le CM4 pour économiser de l’énergie lorsqu’elle n’est pas utilisée. Tout le reste n’est que des fils.

Mais ce ne sont pas nécessairement de simples fils, et c’est celui que les gens qui n’ont pas conçu de cartes à grande vitesse ont à leur disposition. Il existe essentiellement deux classes de traces avec lesquelles vous devez faire attention: les paires différentielles 90 Ω et les paires différentielles 100 Ω. Le premier groupe comprend PCIe et USB, et au sein de la paire, ils doivent être assortis jusqu’à 0,15 mm, avec 0,1 mm recommandé pour PCIe. Des paires de 100 Ω sont spécifiées pour les connexions Ethernet, HDMI et MIPI CSI et DSI.

Selon la fiche technique, les longueurs entre paires sont nettement moins critiques, mais entre deux lignes dans une paire différentielle, il est avantageux de faire correspondre les longueurs. KiCAD fait des paires différentielles depuis que le CERN l’a ajouté en 2015, et la boîte à outils Saturn PCB est fortement recommandée pour calculer les largeurs de trace contrôlées par impédance, mais c’est uniquement Windows. (Vous pourrez peut-être simplement définir les largeurs de trace et les séparations de la conception de la carte IO et ignorer tout ce problème.)

Bien sûr, vous n’avez pas besoin de tous ces périphériques haute vitesse, sauf si vous en avez besoin. Vous pouvez exécuter un serveur CM4 avec eMMC et sans fil en utilisant uniquement les broches 5 V et GND, en supposant que vous disposiez d’un moyen d’intégrer le logiciel dans l’eMMC en premier lieu. Pour l’expérience classique sans tête Pi, vous pouvez également câbler les lignes de carte GPIO et SD, le tout sans vous soucier des impédances. (Notez que vous pouvez le faire en utilisant uniquement le connecteur mezzanine à faible vitesse. Bien.)

Mais ce n’est pas pour ça que tu es ici. Vous voulez transformer la conception de référence de la carte IO en ce NAS PCIe personnalisé haute vitesse, vous vous souvenez? C’est parti! N’oubliez pas de concevoir de nombreuses LED d’état.

Emballer

En conclusion, le CM4 est tout ce que le Raspberry Pi 4 Model B est, sauf dans un emballage plus flexible et moins convivial. Il se décline en 32 variétés différentes et expose des périphériques très haut de gamme, ce qui est d’autant plus impressionnant pour le prix bas. Le coût réel de l’admission est de concevoir votre propre tableau pour l’accompagner, mais même cela ne semble pas trop grave avec de l’aide. Nous avons hâte de voir ce que vous en ferez tous.

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