制作自己的嵌入式 Linux 电脑

当今所有最好的集成电路都大规模的使用BGA封装法来焊接。因为BGA封装法连接在芯片底下，焊接更紧，需要使用回流焊箱或者热印版。另一个问题是设计PCB（印刷电路板）时，过孔和引线之间的焊接球需要足够小，主板上通常需要更多层来为紧挨的引线来腾出空间，这意味着一个廉价的中国产的两层主板没有足够的空间，所以需要更多的层。附加层则会显著提高主板的成本 ，就算只多了几个拷贝。

我想设计一款内置BGA芯片的主板来体验下焊接它们究竟是有多难。于是我决定设计一个可运行Linux的小型ARM嵌入式系统，使用的ARM处理器是在一个217球的LFBGA包中的AT91SAM9N12，只是因为在带有运行Linux必需的内存管理单元的ARM处理器中，它是最便宜的。起初我只想用一块BGA芯片，但是BGA包中的RAM比其他包里要便宜很多，所以我就决定在BGA包也增加一块DDR2（Double Data Rate 2）的内存。

为最大化可用空间定位过孔。

结果寻找主板生产商还颇费了一番周折。两层的空间是还不够的，至少需要4层。217-LFBGA包的球直径是0.4mm，临接球的距离是0.8mm。为了给过孔多留些空间，球的焊盘布局做的要比焊球要稍小一些。我用的0.36mm的焊盘。在4个球之间放置过孔会最大程度的利用可用空间。厂商要能制造可以放进0.8mm宽度的过孔。几乎所有厂商都可以制造这种直径大小的过孔，但问题是：这个距离包括了过孔的钻孔直径，两倍的过孔绕环的宽度 ，两倍的过孔和引线之间的最小距离。比如，iTead的4层主板最小的过孔钻孔直径是0.3mm， 最小环宽度是0.15mm，过孔和引线的最小距离是0.15mm，加起来是0.9 mm，这意味着最小尺寸的过孔不能放在BGA球之间。我发现的唯一一家可以实现这一要求而且价钱相对合理的生厂商是OSH parks。他们的四层主板有更小的限制，过孔刚刚可以放进BGA球里面。额外的好处是，对于小主板而言，它要比iTead更便宜一些。

在OSH park设计原则下最小的过孔，刚刚能放下。

即使过孔可以放进BGA 球中间，仍然有一些问题：过孔中间没有足够的空间走线。这意味着要让每一个焊盘都有一个过孔的标准布线通道是不可能了。这就是说主板需要有足够的未经连接的焊盘，所以过线需要从里面进行布置。幸运的是，处理器还有很多通用的未连接的I/O引脚。

… 如果不违反设计原则的话，过线就不能正好在两个过孔之间穿过。CAS 过线没有足够的空间来放入DQM0 和 D15过孔。

生产问题解决了，是时候开始想想主板上该放哪些部件了。我并不很在乎这块主板的实际用处，相对于用处而言，整个项目更是一个学习的过程。为了降低成本，主板的尺寸要小。这意味着不会为其他额外的接口预留空间，比如：以太网，串口或者SD卡。

除了处理器和RAM外，其他必需的部件是：大内存，电压调整器，以及处理芯片重置的监控电路。处理器可以从NAND启动，但是以防万一我决定为引导装载程序加入Dataflash（数据闪存），虽然最终会很少被用到。对于大内存而言，NAND是一个很好的选择因为他容量大又便宜。在BGA包中加入会更便宜些，但我已经被两个BGA包折腾的够呛了，所以我决定在一个48引脚的TSOP（薄型小尺寸封装）包里面使用4GB的NAND。连接各个组件在处理器的清单表中已经解释的很好了，但是在上千页的文档中要找到全部的细节还是很难的。Atmel 也发布了一个试用板的原理图，在设计主板时会很有帮助。

DDR2 引线空间应该有一定的自由度。正常的引线应该长度合适，有可控的阻抗和可以终止或者串联电阻。在开发板的参考设计中，所有DDR2的信号使用了串联电阻。我没有足够的空间放置他们，所以我决定暂且放着不管。阻抗也不是50欧姆，因为我必须使用小一些的引线来填充其他的空间。我希望的是，因为RAM更靠近处理器，就算缺少串联电阻箱或者阻抗不匹配，关系也不大。所有从CPU到RAM的连线大约是25mm长。通常的经验是：如果引线的长度要超过信号波长的10%时，转换线的影响应该被考虑进去。这种情况意味着频率大约在1 GHz以上。RAM的时钟频率只有133 MHz， 甚至头几个谐波还在1 GHz以下，这预示着应该会正常工作。为了保证可行，我几乎完全匹配了引线的长度，但这也许不是必须的。