Друзья! А вы когда нибудь задумывались о том, как делают смартфоны и планшеты? Какие инструменты для этого используются и откуда берутся материнские платы разных размеров и форм-факторов, но с таким похожим расположением элементов? Недавно мне удалось приобрести девкит aka evaluation board популярного в прошлом среднебюджетного чипсета Qualcomm Snapdragon 410 за 4.000 рублей и заценить его, что называется, в деле. Чем он отличается от одноплатного компьютера, из чего он состоит и что умеет — читайте в сегодняшней краткой, но достаточно подробной статье!
❯ Что такое девкит?
Если вы крутой и продвинутый инженер, то ответ на вопрос что такое evaluation board наверняка знаете и сами. Однако сегодняшний материал будет написан в эдаком научпоп-стиле «для всех», поэтому строго в комментах не судите — старался всё расписать максимально доступно для рядового читателя!
Итак, давайте начнём издалека. В каждом смартфоне и планшете есть набор необходимых для функционирования системы компонентов:
- Чипсет: сердце устройства, фактически процессор. Однако от процессоров общего назначения мобильные чипсеты отличаются тем, что в одном кристалле помимо ARM-ядер также находятся вспомогательные модули — контроллер памяти и eMMC/UFS, графический ускоритель, DSP-модуль для обработки изображения с камер, аудио-тракт, отвечающий за вывод звука через встроенный ЦАП или через протокол i2s на внешний кодек, а также модуль управления пинами общего назначения (GPIO) и общения с внешними устройствами с помощью шин SPI и I2C.
- BT/Wi-Fi/GPS/FM радиотракт: обычно один комбо-чип, объединяющий в себе все указанные технологии беспроводной передачи данных. Модуль подключён к процессору напрямую, ранее — через SDIO, сейчас с помощью иных аппаратных шин. Вокруг чипа стоит обвязка — усилители сигнала и различные небольшие компоненты, необходимые для функционироавния тракта.
Пример реализации GPS/Wi-Fi/BT в чипсете SC6820. В MediaTek тех лет реализация +- похожая
- GSM радиотракт: также известный как модем. Именно от него зависит, какие стандарты связи и наборы частот будет поддерживать устройство. Основой модема служит бейсбенд — специальный DSP-процессор со своей собственной прошивкой, который занимается измерением уровня сигнала, выбором вышки и коммуникацией с ней, а также обработкой AT-команд, которые посылаются чипсетом при совершении звонков, обработке SMS и т. п. Также бейсбенд занимается декодированием звука. К бейсбенду в пару идет антенный усилитель и свитч, обычно в одном или нескольких чипах (в зависимости от набора поддерживаемых стандартов).
- Контроллер питания: этот чип выполняет сразу несколько важных ролей, связанных с питанием устройства — схема зарядки (чарджер) литий-ионных АКБ, многоканальный ШИМ-контроллер, способный выдавать несколько уровней напряжений (обычно называемых Power Rail'ами. Типичные напряжения в смартфоне/планшете — ~0.8V питание ядер процессора, 1.8V — питание логики, 3.3V — питание контроллера тачскрина/дисплея, 5V — напрямую никуда не поступает, бывает лишь на входе USB). К КП всегда идёт обвязка в виде мелких SMD-компонентов и ключей. В редких случаях (привет Unisoc) и его умудряются запихнуть в чипсет!
Звучит сложно? После практики ремонта и моддинга смартфонов всё значительно проще :)
Однако спроектировать такую большую систему «на коленке» сложно и для разработчиков смартфонов/планшетов существуют специальные платы, называемые evaluation board или понятным любому русскому человеку словом девкит.
Dragonboard 800
На таких платах распаяно всё необходимое для работы устройства: процессор, память, радиотракт, джек для звука и микрофона, чарджер для АКБ, USB и конечно-же, JTAG для отладки с гребенкой, на которую выведены пины процессора. Кроме того, на девкиты часто устанавливаются уже готовые дисплеи и тачскрины, а процессор с ОЗУ и памятью нередко выносят в отдельные системы на модуле (SoM, о серийном планшете с съемным процессором читайте в моей отдельной статье). Делается это для возможности быстрой замены спаленного проца (ну, в конце-концов, не все инженеры могут сдуть и поставить процессор в BGA-корпусе) и в некоторой степени для упрощения дизайна самой платы (поскольку на SoM есть лишь самая необходимая обвязка). То есть сами девкиты — это формально две платы, где основная представляет из себя лишь набор интерфейсов и гребенки пинов с процессора!
На самом деле, evaluation kit'ы не шибко отличаются от современных одноплатников — единственное отличие в габаритах (одноплатники в разы меньше и подходят для готовых устройств), доступных шинах и GPIO: хотя и здесь есть интересные устройства типа Olimex A20 SoM, который выводит почти все пины с AllWinner A20. Так что можно смело сказать, что одноплатники отпочковались от девкитов и являются их куда более дешевыми, а главное поддерживаемыми коммьюнити аналогами.
Недавно мне удалось купить девкит Snapdragon 410 под названием Variscite Dart SD410. Это, конечно, не самый крутой доступный девкит (у него нет GSM-части), но тем не менее это полноценная плата с собственным столом, дисплеем, тачскрином и различными образами ОС.
Нашёл я его на известной онлайн-барахолке, человек хотел сделать из него игровую консоль, но не сложилось. Так и выставил за 5.000 рублей. Немножко торга и вот — девкит уже у меня, а я как большой ценитель различных редких и интересных одноплатников и девкитов не могу нарадоваться :)
Давайте же распакуем его и познакомимся с ним поближе!
❯ Распаковка
Поставляется девкит в довольно большой коробочке с кратким мануалом, а также блоком питания. Для чуть более старых девкитов, например Idea6410 на базе Samsung S3C6410, характерны были DVD-диски в комплекте с лицензионной (?) Visual Studio 2005, Platform Builder с Windows CE и, конечно-же, BSP.
Сама плата прикручена к специальному «столу», дабы всё нужное не висело «на соплях». Несмотря на относительно большие размеры, девкит вполне можно превратить и в готовое устрйоство, размерами близкими к 7-дюймовому планшету. Делаем свой Nintendo Switch на Снапе!? :)
С верхней стороны платы расположен коннектор камеры, гребенка для JTAG, I2C/SPI и куча GPIO. Также сверху есть батарейка для поддержания работы RTC и три кнопки, характерных для Android (назад, домой и включение), а также перемычки на переключение режима загрузки. SD410 умеет грузиться с MicroSD, eMMC и… USB! Вот уж неожиданно для устройства на «снапе»!
По центру расположена та самая съёмная система на модуле с процессором и ОЗУ на борту. В качестве чипсета выступает APQ8016E с eMMC производства Samsung, на плате SoM также можно увидеть радиотракт Wi-Fi/BT/GPS и с обратной стороны контроллер питания. Фактически — это минимально необходимый набор для работы планшета или смартфона, остальная плата — лишь разведенная периферия!
Снизу платы разведен сетевой контроллер для LAN, а также USB-порты и 3.5мм разъемы Jack для подключения микрофона и динамиков. Есть также пятачки для ручной пайки динамиков и некоторых иных элементов.
С левой стороны платы расположен дисплей с емкостным тачскрином. Меня сразу удивила надпись LVDS, поскольку в мобильных устройствах гораздо более характерен MIPI DSI (схожий протокол), однако сняв и осмотрев дисплейный модуль я убедился, что Variscite изготовили переходную плату с TTL RGB на LVDS с помощью внешнего скалера. Зачем? Я и сам не знаю. Но с обратной стороны платы выведены пины DSI напрямую для подключения дисплея с мобильных гаджетов.
Справа мы видим свитч питания и набор пользовательских светодиодов, которыми можно поморгать. Кнопочки, кстати, тоже отдельные GPIO экспортированные в систему и их можно использовать для своих нужд.
Давайте же запустим плату!
❯ Запускаем
Для функционирования платы необходимо как минимум две вещи. Первая — исходный код ядра. Так уж получилось, что далеко не все чипсеты поддерживают Mainline-ядро Linux и используют свои форки, пока ещё не объединённые с основной веткой. Вторая называется BSP (Board Support Package) — пакет для поддержки системой определенной платы. В случае Linux, в BSP содержится конфиг сборки ядра, device-tree или machine-файлы (если ядро не мейнлайн и без поддержки dtb) с описанием подключенных к плате устройств и конечно-же сами драйвера для дополнительной периферии (например контроллера дисплея).
Чтобы получить образы системы, нужно регистрироваться на сайте вендора и заходить на приватный FTP… но у меня такой возможности нет, поскольку девайс я покупал с рук. Но продавец выслал мне BSP с recovery-образами двух систем: Android и Yocto Linux.
Android уже был предустановлен на eMMC и здесь всё в целом стандартно: обычная система версии 7.1, AOSP, но с различным тестовым и презентационным софтом от Qualcomm. В целом, это уже фактически готовый самый обычный Android-планшет, только с внешней гребенкой и питающийся только от 5В:
Гораздо более интересной выглядит установка Linux. Образы поставляются в виде прошивки для fastboot, которые шьются буквально одной кнопкой. Сначала нужно ввести плату в режим fastboot: делается это включением платы с зажатой кнопкой «назад». Затем распаковываем архив с Yocto Linux и выбираем нужный образ — есть десктопный, консольный и с оконным менеджером Weston. Я выбрал последний: распаковываем gz-архив и редактируем скрипт прошивки, дабы он брал образ rootfs с weston:
После этого запускаем процесс прошивки, ждём секунд 30:
И у нас есть полноценный Linux как на одноплатнике!
❯ Заключение
Ну что друзья, в сегодняшнем материале мы с вами рассмотрели такую интересную систему на модуле. Надеюсь, вам было интересно! А с какими интересными девбордами и чипсетами работали вы?
Друзья, если у вас есть похожие девкиты или просто одноплатники на каких-то интересных чипсетах типа древних самсунгов (времен S5PC), OMAP'ов, i.MX и т. п. и вам они не особо нужны — я готов рассмотреть их покупке. Особенно интересно было бы поколупать такой легендарный процессор, как Intel PXA (или его продолжателя в лице Marvel PXA) — киты с ним в свое время было достать несложно. Пишите в личку на Хабре :)
? Читайте также:
- ➤ Самый первый Android-смартфон в мире: каким был HTC Dream? Пишем приложения для Android 1.0 в 2024
- ➤ История планшетных компьютеров. От древних времен до конца двадцатого века
- ➤ Передаем игру в эфире ZX-Spectrum или цифровой Дон Кихот в воздухе
- ➤ JavaScript: структуры данных и алгоритмы
- ➤ «Я хотел апельсин! А он выдал мне лимон-лайм»: как создавалась Deus Ex
А ещё я держу все свои мобилы в одной корзине при себе (в смысле, все проекты у одного облачного провайдера) — Timeweb. Потому нагло рекомендую то, чем пользуюсь сам — вэлкам:
Комментарии (20)
MaFrance351
27.07.2024 14:15Основой модема служит бейсбенд — специальный DSP-процессор со своей собственной прошивкой, который занимается измерением уровня сигнала, выбором вышки и коммуникацией с ней
Вообще, по сути это полноценный компьютер со своей ОС (обычно Nucleus RTOS), памятью, ПЗУ и контроллером периферии. Причём исходники и даже отдельные детали реализации прошивки распространяются под строжайшими NDA, даже производителям телефонов разработчики модемов их не выдают.
bodyawm Автор
27.07.2024 14:15Все верно. Бсп смартфонов утекали, а вот исходный кол модемов - нет. Единственный опенсорс бейсбенд это калипсо и то реверснутый
acc0unt
27.07.2024 14:15+2Связан этот невиданный уровень секретности скорее всего с дичайшей патентной нагрузкой на мобильную связь и всё с ней связанное.
Если у тебя исходники DSP в открытом тексте, то прочесать их на предмет всяких патентных нарушений относительно легко. А если у тебя только бинарники, собранные с оптимизациями, аккуратно очищенные от строк и символов, пожатые, и поверх этого зашифрованные? Найти и тем более доказать в этом месиве что-то становится в разы сложнее, то есть дольше и дороже.
vorphalack
27.07.2024 14:15плюс, как в другом треде уже обсуждалось, еще и требования FCC и прочих, чтоб кто не нужно не залез куда не надо.
плюс, там скорее всего ЛЮТЕЙШИЙ говнокод, чтоб это хоть как-то работало, и такое выставлять, ну, просто опасно.
ripandtear
27.07.2024 14:15+4В целом неплохой материал.
У SoC которые ставят в мобильные устройства, например от Mediatek, Unisoc, Rockchip, упомянутый Qualcomm - много скрытой от программистов периферии (Это не только Baseband, BT, Wifi). А так же не полная документация, не полная карта регистров. Все что можно обложено бинарными блобами (Например настройка DDR-контроллера под определенные "Одобренные" микросхемы памяти)
Подобные SoC для мобильных устройств, чаще всего могут грузиться только с eMMC, и больше ни с чего. Встроенный загрузчик в ПЗУ в отличие от каких-нибудь МК или SoC для промышленного применения, довольно больших размеров, и умеет поднимать целый USB-интерфейс для общения по нему с конкретно утилитой от вендора, которая не всегда позволяет делать все, что хочется (Например медиатек).
Чипы для одноплатников все-таки больше похожи на MPU/MCU, у которых в корне другой подход - продать больше самих чипов и там часто вся документация открыта (Нет чувствительных технологий по типу всего этого Radio и LTE), хотя на MCU например к частям BT (Если он встроен в МК) доступа в плане исходников или полноценной документации тоже нет.
В целом, портировать или запустить какую-то ос не с поставки вендора, весьма трудно т.к. отсутствуют драйвера и т.п., их обычно пишет под андроид сам вендор, потом берет AOSP, слепляет два куска, и получается Андроид на ОЕМ девайсе который потом предлагается всем подряд, часто там какие-нибудь условные Xiaomi обои меняют (Свой личный неповторимый андроид-ui) и позиционируется как "свое" устройство.acc0unt
27.07.2024 14:15Сейчас BootROM, способные поднимать USB-стек, становятся всё более частым явлением даже в микроконтроллерах.
Например, у RP2040 из коробки идёт BootROM с поддержкой UF2 - режима прошивки на основе USB MSD. У STM32 в новых линейках чипов BootROM поддерживает USB DFU. А у ESP32-C3 есть "хардовый" USB-контроллер, на аппаратном уровне реализующий USB-UART и USB-JTAG.
bodyawm Автор
27.07.2024 14:15А так же не полная документация, не полная карта регистров
Вот здесь верно. Особенно сильно это касается GPU (не путать с контроллером дисплея и аппаратным 2D-ускорением): почему-то вендоры усиленно прячут плюшки их видеоускорителей. С другой стороны, под VideoCore IV, например, программировать в Bare Metal не так уж и сложно.
Например настройка DDR-контроллера под определенные "Одобренные" микросхемы памяти
А вот это неправда. У МТК в до-бутербродные времена был отдельный csv в системе сборки, который описывал поддерживаемые CID флэш памяти с настройками ддр контроллера. Ничего не мешало свапать прелоадеры с других устройств и даже апгрейдить ОЗУ.
Подобные SoC для мобильных устройств, чаще всего могут грузиться только с eMMC, и больше ни с чего
Тоже неправда. Квалк умеет грузится с сд при наличии фьюза и через юсб, если упал в 9008. У аллвиннера есть FEL, у рокчипа тоже что-то свое, а вот мтк и юнисок грузится с сд действительно не умеет.
Чипы для одноплатников все-таки больше похожи на MPU/MCU
Ну это зависит от самого одноплатника, конечно. Ваш пример хорошо подходит к аллвиннерам и особенно свеженьким v3s и f1c100s/f1c200s. Они не очень шустрые, но достаточно мощные для выполнения многих задач и доки на них свободно распространяются. В некоторой степени это касается и Broadcom.
Странно что Marvel PXA не видно.
MaFrance351
27.07.2024 14:15+1Найти бы для последней платформы. Мне (как любителю КПК) было бы очень интересно посмотреть на подобную отладочную плату для коммуникатора под Windows Mobile.
bodyawm Автор
27.07.2024 14:15Для PXA когда-то были, сейчас не найдшь. Ссылку на S3C6410 с винсе скинул в лчику в тг
monpa
27.07.2024 14:15f1c100s/f1c200s
доки на них свободно распространяются
Это те-то "доки" с confidential поперёк документа, где кроме абсолютного минимума ничего нет? Пытался как-то раз запустить больше одного чипселекта на SPI - нифига. В "доках" даже на распиновке его нет, проверить, верные ли адреса в ядре вбиты, просто неоткуда.
lumag
27.07.2024 14:15+1SD410 не запускали, мимо не пробегал. Для db410c (тот же чип) есть и Debian сборки (https://snapshots.linaro.org/member-builds/qcomlt/debian/arm64/) и Yocto (https://snapshots.linaro.org/member-builds/qcomlt/boards/qcom-armv8a/openembedded/master/94993/). Будет желание запустить что-то новее чем сборка 2016 года, обращайтесь, попробую подсказать. Если там какая-нибудь стандартная панелька, должно быть не особо сложно даже графику поднять.
Про PXA. Мимо меня когда-то пробегал Mainstone (PXA270), мы на нем тестировали сборки Debian. Девкит интересный и красивый, но уж больно со временем стал глючным. В принципе они изредка пробегают на eBay. Если хочется поразвлекаться с Linux на железе того времени, возможно, проще отловить Sharp Zaurus (только не SL5000/5500/5600), на них был нативный Linux от изготовителя и потом их долго поддерживали энтузиастыbodyawm Автор
27.07.2024 14:15+1Да, шарп мечта. На линуксе есть и n900/n800 и еще много крутых девайсов, включай umpc.
Девкит на pxa пока не видел
lumag
27.07.2024 14:15n770/n800/n900 как-то мимо меня прошли. Intel MID был в руках, но как-то не впечатлил.
Шарпы есть на авито, но CL-3200 стоит каких-то безумных денег (хотя это действительно раритет и самая сильная модель), а SL-5600 -- это довольно странный девайс. Он работал и довольно приятно, но был с мелкими глюками, например там с полярностью пинов на сериальнике были проблемы.PXA встречается на просторах мироздания. И даже объявление не снято с продажи. Попробуйте поискать посредника или просто знакомых, кто поможет.
jpegqs
27.07.2024 14:15И никто не написал про Hexagon: у многих чипов Qualcomm (возможно у всех новых) есть DSP на архитектуре VLIW под названием Hexagon. Причём и не один, для модема, для аудио, на дорогих моделях еще один с HVX (Hexagon Vector eXtension) расширением, в котором 1024-бит вектора (больше чем в AVX-512 у Интела!). Чтобы его программировать - нужен SDK от Qualcomm, можно скачать после бесплатной регистрации на сайте для разработчиков. На старых моделях чипов доступ к DSP закрыт (нужно получать ключ для анлока от Квалкома, который был привязан к серийнику аппарата, а значит работал ровно для одного телефона), но был хак freethedsp для получения доступа.
У меня есть догадки почему доступ к DSP был ограничен, по опыту программирования сложилось впечатление что DSP имеет полный доступ ко всей системе, ошибки в коде для DSP часто приводили к зависанию системы. Возможно DSP не имел MMU и имел прямой доступ к памяти. Что не только неудобства, если разработчик допустил ошибку в коде для DSP, но и лазейка для троянов, для получения полного доступа над устройством. Скорее всего доступ открыли после того как в DSP добавили ограничения доступа к системе для пользовательских программ.
bodyawm Автор
Друзья! Надеюсь материал вам был интересен. Сегодня чуть в нестандартное время публикуюсь т.к чуть просрочил публикацию
MaFrance351
Интересная железка. Хотя и подходящая больше для коллекции. Всегда хотел заполучить инженерный образец какого-то телефона.
Интересно, реально ли на него портировать какой-то другой дистрибутив? Или в наличии только образы, без нужных исходников?
bodyawm Автор
С такими платами всегда идет полный исходный код ОС. В случае 6410 - на дисках (WinCE + BSP + Platform Builder + документация).
lumag
Основная проблема, обычно, что там зачастую может быть произвольно старое ядро, сильно покореженное сначало производителем процессора, а потом еще и производителем девкита. В итоге портировать это все на современные версии местами очень (не-)весело.
Конкретно в этом случае, скорее всего, квалкомовское ядро в Android сборках и какое-то линаровское в Yocto (я бы предположил, что 4.4 или 4.9).