制作自己的嵌入式Linux電腦
當今所有最好的集成電路都大規模的使用BGA封裝法來焊接。因為BGA封裝法連接在芯片底下，焊接更緊，需要使用回流焊箱或者熱印版。另一個問題是設計PCB（印刷電路板）時，過孔和引線之間的焊接球需要足夠小，主板上通常需要更多層來為緊挨的引線來騰出空間，這意味著一個廉價的中國產的兩層主板沒有足夠的空間，所以需要更多的層。附加層則會顯著提高主板的成本 ，就算只多了幾個拷貝。
我想設計一款內置BGA芯片的主板來體驗下焊接它們究竟是有多難。于是我決定設計一個可運行Linux的小型ARM嵌入式系統，使用的ARM處理器是在一個217球的LFBGA包中的AT91SAM9N12，只是因為在帶有運行Linux必需的內存管理單元的ARM處理器中，它是最便宜的。起初我只想用一塊BGA芯片，但是BGA包中的RAM比其他包里要便宜很多，所以我就決定在BGA包也增加一塊DDR2（Double Data Rate 2）的內存。
為最大化可用空間定位過孔。
結果尋找主板生產商還頗費了一番周折。兩層的空間是還不夠的，至少需要4層。217-LFBGA包的球直徑是0.4mm，臨接球的距離是0.8mm。為了給過孔多留些空間，球的焊盤布局做的要比焊球要稍小一些。我用的0.36mm的焊盤。在4個球之間放置過孔會最大程度的利用可用空間。廠商要能制造可以放進0.8mm寬度的過孔。幾乎所有廠商都可以制造這種直徑大小的過孔，但問題是：這個距離包括了過孔的鉆孔直徑，兩倍的過孔繞環的寬度 ，兩倍的過孔和引線之間的最小距離。比如，iTead的4層主板最小的過孔鉆孔直徑是0.3mm， 最小環寬度是0.15mm，過孔和引線的最小距離是0.15mm，加起來是0.9 mm，這意味著最小尺寸的過孔不能放在BGA球之間。我發現的唯一一家可以實現這一要求而且價錢相對合理的生廠商是OSH parks。他們的四層主板有更小的限制，過孔剛剛可以放進BGA球里面。額外的好處是，對于小主板而言，它要比iTead更便宜一些。
在OSH park設計原則下最小的過孔，剛剛能放下。
即使過孔可以放進BGA 球中間，仍然有一些問題：過孔中間沒有足夠的空間走線。這意味著要讓每一個焊盤都有一個過孔的標準布線通道是不可能了。這就是說主板需要有足夠的未經連接的焊盤，所以過線需要從里面進行布置。幸運的是，處理器還有很多通用的未連接的I/O引腳。
… 如果不違反設計原則的話，過線就不能正好在兩個過孔之間穿過。CAS 過線沒有足夠的空間來放入DQM0 和 D15過孔。
生產問題解決了，是時候開始想想主板上該放哪些部件了。我并不很在乎這塊主板的實際用處，相對于用處而言，整個項目更是一個學習的過程。為了降低成本，主板的尺寸要小。這意味著不會為其他額外的接口預留空間，比如：以太網，串口或者SD卡。
除了處理器和RAM外，其他必需的部件是：大內存，電壓調整器，以及處理芯片重置的監控電路。處理器可以從NAND啟動，但是以防萬一我決定為引導裝載程序加入Dataflash（數據閃存），雖然最終會很少被用到。對于大內存而言，NAND是一個很好的選擇因為他容量大又便宜。在BGA包中加入會更便宜些，但我已經被兩個BGA包折騰的夠嗆了，所以我決定在一個48引腳的TSOP（薄型小尺寸封裝）包里面使用4GB的NAND。連接各個組件在處理器的清單表中已經解釋的很好了，但是在上千頁的文檔中要找到全部的細節還是很難的。Atmel 也發布了一個試用板的原理圖，在設計主板時會很有幫助。
DDR2 引線空間應該有一定的自由度。正常的引線應該長度合適，有可控的阻抗和可以終止或者串聯電阻。在開發板的參考設計中，所有DDR2的信號使用了串聯電阻。我沒有足夠的空間放置他們，所以我決定暫且放著不管。阻抗也不是50歐姆，因為我必須使用小一些的引線來填充其他的空間。我希望的是，因為RAM更靠近處理器，就算缺少串聯電阻箱或者阻抗不匹配，關系也不大。所有從CPU到RAM的連線大約是25mm長。通常的經驗是：如果引線的長度要超過信號波長的10%時，轉換線的影響應該被考慮進去。這種情況意味著頻率大約在1 GHz以上。RAM的時鐘頻率只有133 MHz， 甚至頭幾個諧波還在1 GHz以下，這預示著應該會正常工作。為了保證可行，我幾乎完全匹配了引線的長度，但這也許不是必須的。
供電有些復雜。處理器核心的電壓是1伏特，RAM需要1.8伏特， NAND需要3.3 伏特。因為從USB輸入電壓是5伏特，主板需要有三種不同的電壓適配器。正常情況下比較好的做法是：在主板上為電力供應保留一層并且保持它與信號脫離，來降低電力供應的阻抗，但是主板只有4層，而且其中一層要用于做底板。這意味著只有兩層留給做信號處理，這顯示不夠。所以我沒有單獨拿出一層來供電，而是在不同的層里為不同的供電做了一些擋板。
對于USB供電的應用，線形調整器的電力損失在最壞的情況下太大了些，所以我決定用3.3伏特的調整器作為一個更有效的可切換開關的調整器。1.0伏特和1.8伏特的調整期是一個以3.3伏特作為輸入電壓的線性調整器。因為線形調整器的損失決定于輸入和輸出電壓的差，所以使用3.3伏特的電壓比5伏特的電壓提高了效率。
電路圖。PDF
PCB布局，尚未焊錫。
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焊接
空的電路板。
焊錫和部件被固定到背面。焊錫是用牙簽手動固定的。這兒的部件都是1mm（0.04英寸）長。我只拿上一些做下試驗，先看下他們如何回流的。如果情況不太好，我會換另外一塊板子。
使用一個烤箱和自制的控制器來控制回流。
回流之后。三個部件被焊接到一個錯誤的地方。我最后還是把它們拿出來了，在主板上有足夠的解耦的電容器，即使丟了一小部分，也不過有什么影響。我還錯誤的把一個電容器放在左上的位置，但那兒其實應該是一個電阻。
對于上層，我有一個OSH的模板，所以我不必手動把焊錫弄到BGA板上。直接按到桌子上，我就把主板和模具焊牢了。
模板隊形排列很整齊。
這看起來有些過了，但是幾乎所有的焊錫都可以用了。還需要一些額外的焊錫來讓模具平整一些。
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把焊錫鋪開，然后挪掉模具。比我自己手動弄的背面要好的多。
我從一個非BGA的部件開始。它們是用一雙沉穩的手用鉗子固定的。
CPU 和我的指尖。球間距是0.8mm。許多新的BGA甚至使用小于0.5mm的間距。
BGA固定在板上。部件放置的位置誤差需要小于0.4mm，否則可能和一個行間隔焊接，而且因為焊球在芯片下面，不能檢查。沒有絲網印刷的邊界，幾乎不可能按照要求的精度放置。有了絲網印刷，只需沿著絲網印刷邊沿對齊即可，很容易。
回焊正面，抬高PCB，這樣底面的部件也不會觸到其他地方。焊接表面的拉力會保持底面不倒下。
過烤箱后。焊接口看上去很好看，所有部件仍然在他們應該的位置上。
焊接NAND Flash。我的焊接鐵片要比引腳大一些。一次焊接一個引腳太困難了。簡單些的辦法是灌錫后，用吸錫帶把多余的吸出來。
在移除多余焊錫后，焊接口現在質量很高了。
在加入供電頭和調試串口后，主板焊接完畢。
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最終的成品。
另一面，空著的位置是位Dataflash準備的。
在把USB纜線接到USB設備口上，沒有出現什么意外，而且我看到了一個新的串口 /dev/ttyACM0 出現。再用SAM-BA程序（用來對啟動加載程序和內核編程）打開，一切都能用了。許多人說焊接BGA很難，但是從這次經驗來看，我覺得還好。也許只是幸運吧，但是我的確沒出什么問題就搞定了。
打開SAM-BA。At91sam9n12ek是Atmel針對這款處理器提供的開發工具，他的配置同樣適用于這塊板。
DDR2 也可以工作，執行程序，并且可以寫回NAND。一切都OK。
軟件
軟件啟動加載程序
啟動進程開始工作時，內部的ROM加載器嘗試在不同的內存區域發現一個合法的程序。他會掃描SPI （串行外設接口）緩存，SD卡，NAND flash，二級SPI flash 還有I2C EEPROM 對于一個合法的程序。一旦發現一個，馬上就啟動它，否則就會進入SAM-BA監控器，也就是進入調試模式，此時處理器會監聽來自串口和USB端口的指令。這種模式下可以對bootloader進行編程。
ROM 啟動不能直接啟動linux內核，所以需要一個二級的啟動加載器。它會初始化RAM和時鐘，然后開始加載linux內核。AT91 Bootstrap 是一個現成的啟動加載器，可以完成這一系列操作。它被放在NAND flash開始的地方，或者如果我填充這些位置，它可能被放到Dataflash。即使AT91 bootstrap 可以直接啟動linux，對于調試而言，之后啟動U-boot的bootloader 對調試更有用。U-boot是它自帶的基于命令行的微操作系統，可以讀取USB棒，使用以太網，讀寫NAND，當然可以啟動linux。例如使用U-boot 可以清除NAND或者改變linux 啟動參數。
為編譯bootloader，需要一個ARM 交叉編譯器。我用的是Sourcery codebench lite edition，因為它容易設置，而且效果不錯。先加載AT91SAM9N12EK 開發板配置文件是最容易的。和從頭開始寫新的配置相比，修改文件要省事的多。
為了讓這份定制版同樣有效，需要做一些改動：RAM 大小需要設置成64MB，bank的數量改成4，一些試驗需要稍微調整一下（試用版有128MB的RAM容量，8個banks）。NAND初始的函數也需要改動，這塊板比開發板相比，NAND flash要連接的地方有些不同，因此有必要告訴bootloader。
U-boot
因為AT91 bootstrap已經初始化了整個硬件，就可以直截了當的配置U-boot。同樣有為at91sam9n12ek準備的配置文件，但是默認是從SD卡啟動設置的。因為硬件已經配置好了，所以其他需要改動的地方就沒多少了。有一些可選項比如在NAND flash上創造和改變分區時啟動UBIFS 工具 ，以及為讀取ext4格式的USB棒提供支持。USB支持使得從USB棒啟動Linux 內核變得可能，這讓試驗不同的內核配置變得容易了。
Linux和根文件系統
安裝linux不像安裝一臺常規的x86 pc一般容易。需要配置內核來支持各種需要的設置，而且需要建立根目錄的鏡像文件。可以手動來做，但是用buildroot做起來會很容易些。后者是用來建立根文件系統和內核的一系列工具。整個過程可能會有一些難，因為內核和build root有很多的選項。
Buildroot 沒有為at91sam9n12ek開發板提供配置文件，但有為另一款 Atmel板 at91sam9260ek提供配置文件。使用這個配置文件作為基準文件，配置會更容易些。可以通過“make at91sam9260ek_defconfig”加載。
開始我們想有一個相對新的內核版本，因為相對于處理器來說，只需要做一些很小的改動，所以我們就使用上周新發布的3.15.1版本吧。
Linux 被配置成用buildroot 的“make linux-menuconfig” 命令配置。它會打開尋常的Linux菜單配置窗口。內核中大多數重要的配置是系統類型的配置菜單。我們需要檢查AT91SAM9N12的支持情況還有“Atmel AT91SAM Evaluation Kits with device-tree support”” 選項。設備樹是一個隨內核一同加載的外部二進制文件，描述了開發板上各硬件的可用性情況。這使得使用帶有不同開發板的同樣的內核以及針對不同開發板的設備配置，可以用文本來寫，而不是為每塊板都寫一個只是略有不同的C文件。幸運的是：有一個可以作為基準文件的針對at91sam9n12ek 的設備樹文件。需要做得改動只是一些簡單的移除不再使用的設備。這塊修改過的設備數文件需要被添加到buildroot配置，所以它可以知道如何編譯，并且從中構造一個鏡像文件。
內核里面其他值得啟動的選項是：
- USB 主機支持AT91_USB。
- 支持NAND flash還有處理器內部的NAND ECC 控制器支持。
- 支持UBIFS，將被用作一個根文件系統。
- 讀取USB棒的Ext4 支持。
在buildroot 配置過程中，我們需要選擇我們想要在根目錄上安裝哪些程序以及產生根文件系統鏡像的選項。這塊開發板有不帶控制器的原始NAND內存，所以一般的桌面文件系統，比如ext4就不能用了。UBIFS是通常的選擇，在這正好也能用。
UBIFS 有一些依賴NAND flash 類型的選項，如果設置錯了，LInux將不能讀取最終的文件系統。這些選項可以從NAND FLASH 的數據清單里面得到，但是更容易的方法是從USB 棒啟動linux，并且從那創建ubi 分區。或者也可以使用 U-boot的“ubi info”指令，這將會讀取NAND 并且輸出需要的配置值。
在鍵入“make”后， Buildroot 會下載交叉編譯器，linux 內核以及所有其他的包，構建并輸出內核，設備樹，以及根文件系統鏡像。然后可以用SAM-BA程序傳到開發板上。一些程序需要對 NAND ECC controller 參數編程。一些參數也應該被配置到AT91bootstrap， U-boot 以及linux 內核，否則他們會報告NAND已經損壞。這種情況下NAND有2048個字節，帶有512字節的扇區，ECC能夠每1個扇區糾正4個字節。存儲這些鏡像的NAND地址可以在AT91的bootstrap 以及U-boot配置文件中找到。
在對主板編程以及重置后，ROM 啟動加載器應該可以在NAND上找到AT91bootstrap 并且開始啟動過程。如果你對更多細節感興趣，所有硬件和軟件的文件都可以在這找到。
