多米尼克·普兰基特谈树莓派计算模块5

在最新一期的《The MagPi》杂志中，安德鲁·格雷戈里与高级首席硬件工程师多米尼克·普兰基特探讨了树莓派计算模块5这一拼图的各个部分是如何整合到一起的。阅读他们的对话，深入了解设计过程以及企业利用CM5打造的各类产品。

《The MagPi》杂志：CM4和CM5之间有哪些变化？

多米尼克·普兰基特：CM5汲取了树莓派5的所有优势，并将其融入计算模块。所以我们采用了树莓派5上使用的博通BCM2712处理器。我们还有I/O处理器RP1。与CM4相比，这是板上新增的一整个芯片，因此要把它集成到板上花费了不少功夫。

我给自己设定了一个挑战，即中央处理器的位置不能变动，这样任何为CM4配备过散热装置的用户，都能将同样的设置用于CM5。这给我带来了巨大挑战，要把RP1集成到板上——有好几个星期，它都只能悬在板的边缘，不过最终我成功地把各个部件紧凑安排，将所有电子元件正确安置在板上。

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计算模块5基本上就是去掉了连接器的树莓派5，那为什么不直接拿树莓派5，把带有连接器的PCB部分剪掉呢？

我确实可以这么做，但这样做出来的尺寸不会像计算模块5那么小。计算模块比树莓派5小得多，而且我们还想增加板载eMMC等功能，所以要在与CM4相同的空间内塞进更多技术。理论上，你所做的只是剪掉连接器，但要正确实现这一点，还有很多工作要做。

所以挑战在于保持与CM4相同的外形尺寸吗？

是的。改变外形尺寸是可行的，但这不是我想做的，因为这可能会影响向后兼容性。你或许可以在不影响太多人的情况下对外形尺寸做些小改动，但一旦做出改变，就必然会影响到某些人。

除了主处理器散热片形状的物理变化外，基本上外形尺寸是一样的。板上的一些部件位置有所变动，但这不应影响终端用户。

但从电气性能方面来看，由于要添加新功能，就必须做出一些改变。所以存在一些差异，这意味着它并非100%兼容。但对大多数人来说，它可以直接替换使用，而且我们已经看到，人们在为CM4设计的设置中使用CM5，没有出现问题。

我们添加了USB 3.0等新功能，当CM5插入为CM4设计的载板时，这些功能无法使用，因为CM4没有USB 3.0。这就是现实情况。

如果你想要100%兼容的产品，那就继续使用CM4；CM4仍在生产，并且会持续生产数年——大概到2030年左右，而且很可能我们会延长其生产时间，以确保它仍然可获取。

计算模块5

树莓派5 16GB

为了在小得多的空间内集成树莓派5的所有优势，计算模块5的PCB不得不采用十层铜箔，而树莓派5只有六层。

所以如果制造商想从计算模块5中获得USB 3.0功能，他们要么升级到新的载板，要么自己设计电子电路，对吗？

确实如此。计算模块是为那些想要设计自己电路板的人设计的。我对CM4和CM5的主要目标是，将所需的尽可能多的部件集成到CM模块中，这样你要做的就是在你的板上安装连接器。所以看看计算模块5的I/O板，上面除了连接器几乎没别的东西。这里涉及的电子电路并不复杂。这就是整个目标。我们用KiCad制作CM5的I/O板，KiCad是一款可免费下载的CAD系统，CM5 I/O板的设计文件也可免费获取，所以你可以获取这些文件，删除不需要的部分，随意移动部件，然后设计自己的电路板。

将树莓派5的功能集成到CM5尺寸的模块中，面临哪些挑战？

挑战在于密度，以及将RP1集成到板上——RP1实际上是个小芯片，但相对于电路板的比例而言，它让电子元件的密度大幅增加。

所以要合理地将它集成到板上很困难，因为它有大量的I/O接口——它是我们的I/O芯片，所以有USB 3.0接口对从这里引出。还有MIPI接口对；以太网通过物理层芯片从这里引出。然后还有所有接入的PCIe接口，以及所有引出的通用输入输出（GPIO）接口。所以板上的这个区域元件非常密集，花了很长时间才想出如何让所有元件都适配。

CM5本身现在是一个十层电路板（树莓派5有六层）。所以它内部有十层铜箔，还有相当多的接地层，因为像USB 3.0和PCIe这些高速信号，在电路板上必须实现电气匹配。所以你必须相当精确地规划线路走线，以确保整个电路板上都有良好的信号完整性。

位于板一端的RP1芯片边缘，有所有引出的USB 3.0信号。由于板上空间不足，它们无法直接引出，所以必须向下进入电路板，然后在内层走线。所以在板的那个角落非常密集。然后你要在内层规划它们的走线。另外一层还有MIPI接口对，底层还有以太网线路。所以有很多信号试图相互交叉、走线并占用相同的空间，所以你要在三维空间内合理安排所有线路，确保电路板内有正确的铜参考层。

我们和电路板制造商花了一段时间才弄清楚如何实现。最后，我们实际上把电路板做得比CM4厚40微米，以确保所有的电阻抗都正确。增加的厚度让我得以解决拼图的下一部分。

这就像一个大型的解谜过程，需要大量的协调和反复研究与操作。这是一个元件非常密集的小电路板，很复杂，但当你花上几周时间专注于此，你就会开始了解信号走向以及哪些地方比较密集……我通常先专注于处理困难的部分，所以我会完成一部分，然后到某个阶段我会想，“哦，我很确定我现在知道那个区域该如何走线了。” 然后我会去处理下一个最难的部分，等我确定能完成所有困难部分后，再回头完成这部分，因为如果我无法完成困难部分，那就必须决定做出哪些改变。

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在将树莓派5的优势集成到更小尺寸的计算模块5的过程中，有没有什么是被迫舍弃的？

在早期，我们内部就一些信号进行了讨论，因为我们有200针的连接器，并且知道必须在那里更改一些信号，因为有些信号在新设计中不再需要。这样就腾出了一些引脚。但之后我们想添加到这些引脚上的信号，比可用的引脚数量还多，所以我们必须决定要包含哪些功能。所以树莓派5右侧有两个USB 2.0端口，在CM5中就被舍弃了。没有空间安排这两个USB 2.0端口的信号，所以CM5上没有它们。

有些人可能会觉得他们需要额外的USB端口，但我们必须权衡，努力为所有人打造一款好产品，而不只是满足某一个人或某一群人。所以关键是要确保对很多人都适用，同时也要为我们的主要客户保持良好的向后兼容性。

总体而言，你拥有比CM4更多的USB端口。CM4有四个MIPI端口，但从树莓派5开始只支持两个MIPI端口。这样就腾出了两个MIPI端口，我们将其重新分配用于USB 3.0。我们就是这么做的。

所以如果你将CM5插入CM4的板，并且使用其中一个MIPI端口，那么这个端口就不能再用于连接摄像头或显示屏。但这就是现实。我们必须做出一些选择。是的，这些选择对某些人来说很难接受，我完全承认有些人会觉得我们做出的选择不适合他们。但就像我说的，CM4仍然可用，显然当他们围绕CM4板设计产品时，CM4就是合适的产品。它不会过时。但很多人会发现，他们可以直接换上CM5，从而获得更高的处理性能。

如果使用板载eMMC，速度会快得多。所以它比SD卡快，而且比CM4的板载eMMC快得多。所以我们还做了一些其他改进。有更多内存可用——未来会有16GB版本。

现在不再有1GB版本了——如果有人下订单要几百万个，我相信我们会考虑，但目前不会有1GB版本。部分原因是技术进步不可避免。另外，我们已经有大量产品在计划中，我们必须理性行事，不能让大量不同的产品积压在库存中，给自己造成过重负担。

树莓派计算模块5开发套件

计算模块都应用在哪些领域？企业用它们打造了哪些类型的产品？

它们应用在各种各样的领域，因为对人们来说，它们小巧且计算能力高效。而且在系统中添加自己的I/O接口很容易，这样就能获得树莓派的所有优势。并且由于它使用相同的软件，你可以在制作定制板之前，先在树莓派5上完成所有开发工作。