从零入门ARM高速电路设计-第一章-需求和设计考量

教程总述

对于高速电路设计一直比较感兴趣，想自己做一个XX派，但苦于资料太少了。 过去6个月在摸索中完成了全志H6开发板。相信肯定也会有其他小伙伴有类似的想法，因此就有了这样一个《从零入门ARM高速电路设计》教程。

本教程，将给出一个可行的学习路径，分享我自己在做的过程中的一些经验(看别人似乎挺容易的，但自己操作起来怎么那么难，eg. BGA焊接)，以及设计过程中的一些考量。

考虑到高速电路设计本身就是一个复杂的领域，包含原理图设计，PCB设计，焊接和调试，软硬件联调等步骤，涉及了硬件工程师，PCB工程师，嵌入式软件工程师等岗位，很难由一个教程就将知识完全涵盖。对于网络上面讲得比较好的内容，我会给出资源地址，推荐大家去读原文。对于缺乏的内容，我会补充自己的知识和经验。

我作为高速电路设计的初学者，肯定有知识和经验上面的不足，要是有错误或者资料的补充，欢迎在评论区指出和补充。大家可以一起完善这个教程。

项目主页：https://oshwhub.com/logicworld/h6_board

项目需求和设计

项目需求

和一般的项目不同，本项目包含了两个方面的需求，除了真的作为产品的需求以外，还有学习的目的。

产品需求

• 作为一个XX派的替代产品，可以完成类似的功能
  • 一台小型的 Linux 桌面计算机，可以实现文件编辑，上网，学习编程，视频播放等；
  • 一台小型的 Linux 网络服务器，可以实现NAS，软路由，智能家居主控等；
  • 一台性能强劲的MCU，可以通过GPIO直接控制外部硬件；
• 支持系统：Ubuntu等常见系统；
• 系统性能：支持运行GUI系统，可以跑浏览器，比如：2GB内存，8GB存储；
• 支持接口：USB，HDMI，音频接口，WIFI，SD卡等常见接口；

学习的目的

• 主控芯片必须要能够方便找到资料，方便买到物料，否则，作为初学者可能根本做不下去；
• 主控芯片需要外接DDR内存，是否外接DDR内存是区分低速还是高速重要的元素，也是高速电路中的核心难点；除去射频，高速通信的板子以外，DDR电路就是高速电路里面最难的部分，只要解决了这个部分就算入门了；
• 尽可能将功能做全，将接口都引出来，这样可以学习各个电路的设计；大不了有一部分电路没调通，就算了；
• 简化设计，一开始就做得很复杂，容易翻车，比如：板子正反面都贴器件，且布局很紧凑的话，可能会出现布线布不下去的情况；
• 控制成本，包括PCB打样，SMT，物料，焊接工具等；初学容易做失败，可能会做多次，成本太高钱包受不了；

设计方案

主控芯片的选择

设计方案中最重要的就是主控芯片的选择。主控芯片一定，产品需求的满足程度，项目的原理图基本一半甚至更多，以及项目的难度和成本都基本确定了。下面主要谈谈我在选择主控时的一些考虑，重要性从高到低排序：

• 资料的齐全程度：这个是最最重要的因素，没有之一；
  • 重要性：
    • 没有或者缺少厂家的软硬件资料，会导致根本没有办法做，巧妇难为无米之炊。对于初学者的难度就更加显著了。
    • 厂家的设计资料算是一个比较权威的知识来源，可以学习他们的电路/PCB设计思路和经验。
  • 内容：
    • 硬件资料：
      • 标案：原厂给出的参考设计(包括原理图和PCB)，一般经过原厂测试，应该是比较靠谱的。一般原理图都会给，但是，PCB不一定有。极端情况下只有原理图也是可以设计的，只是对于初学者而言，缺了PCB会比较困难，比较容易出现自己搞不下去了想看看别人是怎么搞的。因此还是很希望可以有原理图+PCB设计。 如果实在找不到，可以使用开源社区的PCB设计，只是设计水平良莠不齐，比如：会出现阻抗线没有参考平面。
      • DDR模板：刚刚提到DDR是高速电路中的核心难点，厂家为了让客户方便的设计PCB，会提供已经验证了的DDR部分原理图和PCB设计，让客户直接抄过去直接使用，不用从零开始画。一般就算不给标案的PCB设计，也会给DDR模板。虽然说是DDR模板，基本包含了完整电路的一半。这个部分的PCB设计也是非常重要的参考，可以作为标案PCB的下位替代品。
      • 硬件设计指南：厂家给出的原理图设计和PCB设计注意事项，可以学习设计知识，可以找个别的芯片指南看看也大差不差。
      • 硬件调试指南：厂家给出的调试指南，可以学习调试流程，可以找个别的芯片指南看看也大差不差。
    • 软件资料：SDK资料，原厂移植的系统(eg. UBoot, Linux内核，Android)
      • 如果，要自己玩软件系统的话，这个必不可少；如果，你找的芯片有公司做成了XX派，他们会提供这个部分。
    • IC数据手册：主控芯片数据手册，配套的PMIC(电源管理IC)数据手册；
      • 对于硬件设计极端情况下可以不要，可直接硬抄原理图；相对还容易找一些；如果，你找的芯片有公司做成了XX派，他们会提供这个部分。
    • 工具：eg. 烧写工具(PhoenixSuit)，DDR测试工具(DragonHD)；
      • 必需的部分，可能可以在网上找到下载；如果，你找的芯片有公司做成了XX派，他们会提供烧写工具。
  • 来源：
    • 原厂或经销商：最正规的来源，但是，硬件设计这个领域挺封闭的，RK和全志的官网光秃秃的啥资料也没有。估计我们这些业余爱好者应该也要不到吧。
    • 网上散落的资料：
      • 吴川斌的博客：关注即可下载，目前我找到的最方便的地方，有一部分常见的芯片，比如：全志H6，H3，H616，瑞芯微RK3399，RK3588，RK3288。
      • CSDN下载：东西挺多的，就是下载需要积分，内容需要自己判断。积分下载问题，淘宝搜csdn下载，几毛钱就可以解决。
      • 其他站点：下载需要积分，暂时搞不定。
    • 公开出售的开发板/XX派：一般提供原理图(一般没有PCB设计)，软件镜像(可能也有源码)，IC数据手册，烧写工具，软件系统使用指南；
• 主控芯片被用在了某款公开出售的开发板/XX派：
  • 除了原厂的标案以外，多了一个信息的参考来源。可以参考它的电路设计，元器件选型，布局。
  • 可以直接使用它的软件镜像，先排除掉软件部分的复杂性，让我们先关注硬件部分的设计。
  • 调试过程中可以拿他来做对拍，确认正常的系统是什么样子的，我们的板子是否正常。
  • 既然主控芯片被某家公司使用了，相信这个应该也是一个不错的选择，比如：该有的功能应该都是有的，没有特别坑的地方。
  • 可以看看芯板坊和OrangePi，看看他们都有卖什么样主控芯片的板子。芯板坊还专门做了FindBoard，可以按照各种条件搜索板子，这样就可以了解市面上都有哪些主控的板子，某一款芯片的流行程度。
• 其他
  • 主控性能适中，难度适中：
    • 性能太弱，跑不动GUI或者比较卡，可玩性也比较差，比如：NXP I.MX6ULL(这个芯片被用在了正点原子/野火的Linux开发板上面，后面如果想学Linux软件开发的话，也不失为一个比较好的选择)；
    • 性能太强，设计难度，物料成本都会比较高，比如：RK3588，RK3399；(RK3399也是一个非常著名的芯片，用在了好多开发板上面，想挑战一下的话，也是一个可以的选择)
    • 比较适中的是H3，H6，H616，RK3288之类的；
  • 主控芯片物料是否可以获得：一般情况下淘宝是可以买到散片的，但是，交易量基本都是个位数甚至0，得问问老板是否有货。
  • 芯片的接口：一般来说，这类芯片基本上该有的接口都会有，其他高速接口(eg. PCIe)可能没有或者比较弱。如果，你想做特定应用的话，可能对接口会有特别的要求，比如：软路由对于网口数量有要求。

到目前选择主控芯片的考虑差不多就说完了，你可以去FindBoard，找找你心仪的主控芯片。

按照上面的标准，我找到了全志H6作为主控，主要是在吴川斌的博客里面找到了比较详细的H6开发资料，其次OrangePi LTS 3也是以H6作为主控。

外围电路设计

主控芯片确定之后，外围电路基本上水到渠成，参考原厂标案和公开出售的开发板进行设计。希望有哪些接口，就把这些接口加上。出于学习的目的，多多益善吧。但是接口引出太多，设计难度也会增加，注意平衡。

对于我做的H6开发板，我并没有引出芯片上面所有接口，一方面对于我用不上的接口没有引出，比如：红外接收器(不太用得上)，EPHY网口(家里没有网口，只有WIFI，因此没有引出)，电视接口(TV CVBS，没有这样的电视接口)，另一方面，有部分接口没有原理图参考，比如：PCIe，CSI。

简化设计和降低难度

作为初学者第一次做这样的板子，得从设计上面就得考虑进行一定的简化和降低难度，否则，很可能做到一半就发现做不下去了。以下是我在做的过程中遵循的几条原则：

• 尽量参考原厂标案或者公开出售的开发板进行设计，不要偏离他们的设计太远，比如：
  • 原理图设计时，没把握的地方尽量抄他们的，比如：滤波电容应该是偏多的，但是，我们第一次做经验不足，可能是吃不准哪些可以被去掉，从而精简设计；
  • PCB设计时，布局走线可以仿照他们，以防布线布到一半走不下去的尴尬；
  • 引脚定义也和他们一样，这样移植Linux系统时就会简单许多，减少软件上面的复杂性；
• 放松设计要求：
  • PCB板子的大小，可以比较大，这样可以降低布局布线的难度；OrangePi 3 LTS大小是56mm * 85mm，我的板子是98mm * 98 mm，卡着JLC免费打板的最大尺寸。
  • 板子层数，可以多一些，H6原厂的标案是4层板，我做的是6层板，可以简化设计。(当然这里做6层的主要目的是为了JLC的免费打板条件，布线是可以压到4层的)
  • 减少DDR片数，4片DDR的难度远大于1片DDR的难度；我还看到只连16条DDR数据线，而不是32条数据线的方案，也可以降低难度。目前我的设计就是采用了一片LPDDR3内存。
  • 降低板子的器件兼容性，比如：原厂的标案兼容eMMC和Nand Flash，兼容多款WIFI-BT芯片；我们可以固定一种芯片方案，我是选择了eMMC和AP6212 WIFI-BT芯片。
  • 牺牲板子的速率，比如：阻抗有偏差，3W要求不完全满足等等，具体可以到PCB章节再细说；
  • 电阻电容的封装大小：一般这些高速板都是0402的封装大小，如果，担心焊接能力有限的话，可以选择0603封装。我目前就是使用了0603封装，但是，对于布局和布线的难度会有所增加(这个到PCB章节的时候再细说)。

总结

以上就是《从零入门ARM高速电路设计》第一章，希望大家可以确定一款主控芯片，搜罗相关资料，对于外围的接口电路进行选择，为了简化设计考虑可以放松哪些设计要求，基本形成开发板/产品的大致方案和整体研发思路。