content_mgmt

DDR DIMM SPD адаптер для Raspberry Pi¶

Сегодня практически каждый модуль DDR памяти имеет в своем составе небольшой объем I2C EEPROM памяти для хранения информации о производителе, спецификации, конфигурации и прочих параметров модуля. Наличие этой конфигурационной информации позволяет компьютеру автоматически определять тип памяти, задавать корректные параметры скорости и напряжений интерфейса памяти, в соответствии со спецификацией производителя модуля памяти. Такой механизм работы основан на стандарте JEDEC Serial presence detection specification. Когда нужно изменить информацию SPD используют программные утилиты для модификаций параметров памяти в составе системы. Данные утилиты очень редко доступны разработчику для использования, а также нередко поддерживают лишь ограниченный круг системных плат.

Для решения данной проблемы поставим задачу разработать автономный программатор для чтения/записи SPD.

В качестве базовой платформы выбираем Raspberry Pi. Применение данный процессорного модуля - один из сотни возможных путей решения задачи. Причины выбора модуля: широко распространенная Linux платформа, легкая в освоении и настройке, позволяющая инженерам реализовывать новые возможности встраиваемых ARM платформ. Низкая стоимость и универсальность модуля также позволит использовать его в других проектах, без необходимости дополнительных затрат.

Дополнительное требование к работе программатора: изменения в SPD должны производиться без риска повреждения модуля механически или в результате пайки. Для удовлетворения этого требования необходимо применить стандартный разъем для DIMM. Такой подход позволяет реализовать быстрое подключение к SPD без риска повреждения и без паяного неразрывного соединения.

Основные требования к проекту¶

• Проект с открытым кодом, под управлением dev.xdevs.com и *Mercurial DVCS*
• Полноразмерные DDR3/DDR4 UDIMM/RDIMM разъемы совместимые со стандартными модулями памяти
• Разъем для подключения к порту GPIO Raspberry Pi
• I2C EEPROM интерфейс подключен к интерфейсу I2C1 Raspberry Pi
• Напряжение питания микросхемы SPD +3.3 В с порта Raspberry Pi
• Переключатель питания модулей памяти для замены без отключения питания Raspberry Pi
• Переключатель выбора адреса I2C для подключения нескольких адаптеров к Raspberry Pi
• МК NXP LPC11U37FBD64- в составе адаптера для реализации дополнительных функций, автономного программирования без Raspberry Pi (например, для автоматизации процесса)

Структура проекта¶

Все проектные файлы, а так же сопутствующая документация отслеживается Распределенной Системой Контроля Версий Mercurial¹.

Для работы с проектом вы можете получить дерево проекта, выполнив команду:

pre. hg clone http://dev.xdevs.com/hg/ddr4s

Также можно просмотреть отдельные фалы в дереве проекта.

Разработка аппаратной части¶

Основа адаптера - простой дизайн с небольшим количеством компонентов. Потратив несколько часов, получаем схему адаптера:

Доступена схема в варианте PDF-документа.

Часть с микроконтроллером не является обязательной и не требуется для работы с RPI. Рисунок печатной платы делался для 4-х слоев, для стандартной печатной платы с использованием материала FR4. Внутренние слои предназначены для питания. Для простоты сборки шелкография компонентов наносится с обеих сторон платы. Большая часть компонентов - для технологии поверхностного монтажа, за исключением разъемов, переключателей и электролитических конденсаторов. Исходные файлы для изготовления печатной платы доступны для загрузки[2]

Внешний вид стека платы:

Для отдельных приложений DIY сборка платы может быть упрощена.

На схеме показаны резисторы подтяжки I2C к питанию RPI, а также переключатель питания. Имеется индикаторный светодиод для отображения наличия питания.

Внешний вид платы адаптера (ручная сборка):

Список компонентов:

• Выключатель питания SW4 (двухпозиционный)
• Резисторы подтяжки интерфейса I2C R10,R9 (2.2 kΩ, 0603 5%)
• вспомогательный резистор R7 (0-10 Ом, 0603 5%)
• конденсаторы развязки C3,C2 (0.1 мкФ 0603 X7R)
• Конденсатор фильтра питания C4 (100-560 мкФ 6.3-16V 7 мм диаметр, шаг выводов 4 мм)
• 2.54mm 26-контактный разъем для RPI порта расширения P1.
• разъем DDR3 240-pin DIMM
• разъем DDR4 288-pin DIMM (при необходимости)

Все компоненты расположены на верхней стороне платы. На нижней стороне платы расположены декоративные светодиоды 0603.

Питание, I2C, SPI и UART подключены к 26 контактному разъему. подключение к порту расширения Raspberry Pi производится с помощью плоского кабеля.

Для подключения нескольких адаптеров необходимо установить адрес с помощью двухпозиционного переключателя с индикацией светодиодами. Такая настройка типична для линий A0, A1, A2 выводов I2C EEPROM.

Микроконтроллер NXP LPC11U37FBD64 оснащен интерфейсом SWD для записи и отладки программного обеспечения. Для работы интерфейсов UART и USB микроконтроллера необходим кварцевый резонатор 12.000 МГц.

Внешний вид комплекта для работы адаптера:

• Модуль памяти DDR3 Corsair UDIMM
• DDR плата адаптера
• Raspberry Pi Модель B с 2GB SD card и 26-контактным 2.54 мм кабелем

Подключение DDR3 модуля памяти к адаптеру:

Подключение DDR4 модуля памяти к адаптеру:

Одновременное подключение обоих типов модулей памяти не рекомендуется, из-за конфликта адресации I2C шины.

Разработка программной части¶

Рассмотрим пошаговую инструкцию настройки Raspberry Pi для использование в данном проекте. За основу возьмем минимальный образ ОС, для обмена данными с платой будем использовать сетевое подключение с поддержкой ssh.
Образ ОС может быть получен с http://www.linuxsystems.it/raspbian-wheezy-armhf-raspberry-pi-minimal-image/ или с зеркала http://dev.xdevs.com/projects/rpi/repository/entry/os/raspbian_wheezy_20130923.img.7z
Объем образа 120MB, Для записи на SD card можно использовать, например: "Win32 Disk imager" от gruemaster, tuxinator2009 или любым аналогичным ПО для записи образа на носитель.
Пароль root - "raspberry".

Настройка программного обеспечения¶

Для подключения к RPi по сети необходимо правильно настроить сетевой интерфейс (eth0). В случае если локальная сеть использует DHCP достаточно добавить строку конфигурации в /etc/network/interfaces

 iface eth0 inet dhcp 

Если размер SD card более 1ГБ, то может понадобиться дополнительная разметка дискового пространства:
Создаем новые разделы, используя fdisk, таблица разделов может выглядеть следующим образом:

pre.. root@raspberry-pi:/# fdisk /dev/mmcblk0
Command (m for help): p
Disk /dev/mmcblk0: 32.1 GB, 32127320064 bytes
...
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/mmcblk0p1 2048 104447 51200 b W95 FAT32
/dev/mmcblk0p2 104448 1742847 819200 83 Linux
/dev/mmcblk0p3 1742848 1945599 101376 82 Linux swap / Solaris
/dev/mmcblk0p4 1945600 62748671 30401536 83 Linux

Для нового раздела задаем тип файловой системы ext4.

pre.. root@raspberry-pi:/# mkfs.ext4 /dev/mmcblk0p4 -L ummspi2
mke2fs 1.42.5 (29-Jul-2012)
Filesystem label=ummspi2
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
....
....
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

Убедимся, что изменения внесены в /etc/fstab:

pre.. root@raspberry-pi:/# cat /etc/fstab

1. <file system> <mount point> <type> <options> <dump> <pass>
   proc /proc proc defaults 0 0
   /dev/mmcblk0p1 /boot vfat defaults 0 0
   /dev/mmcblk0p3 none swap sw 0 0
   /dev/mmcblk0p4 /repo ext4 defaults 0 0
   root@raspberry-pi:/#

Теперь у нас есть раздел /repo тип файловой системы ext4. Монтируем его для использования.

pre. root@raspberry-pi:/# mount -a

Диск готов к использованию.

pre.. root@raspberry-pi:/# df -h
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
rootfs 788M 566M 222M 72% /
/dev/root 788M 566M 222M 72% /
devtmpfs 212M 0 212M 0% /dev
tmpfs 44M 180K 44M 1% /run
tmpfs 5.0M 0 5.0M 0% /run/lock
tmpfs 108M 0 108M 0% /run/shm
/dev/mmcblk0p1 50M 19M 32M 37% /boot
/dev/mmcblk0p4 29G 172M 27G 1% /repo

Хорошим правилом считается - обновление основных пакетов ОС перед установкой нового ПО. Убедитесь в наличии достаточного количества дискового пространства для данных обновлений.

pre.. root@raspberry-pi:~# aptitude update
Get: 1 http://archive.raspbian.org wheezy Release.gpg [490 B]
Get: 2 http://archive.raspbian.org wheezy Release [14.4 kB]
Get: 3 http://archive.raspbian.org wheezy/main Sources [6262 kB]
70% [3 Sources 4375 kB/6262 kB 70%].....79.8 kB/s 23s
...
Current status: 33 updates [+33], 77 new [+77].

Запускаем процесс обновления. Ниже представлен пример.

root@raspberry-pi:~# aptitude dist-upgrade
The following packages will be upgraded:
  apt apt-utils base-files dmsetup dpkg gnupg gpgv initscripts libapt-inst1.5 libapt-pkg-dev libapt-pkg4.12 libc-bin libc-dev-bin libc6 libc6-dev libdevmapper1.02.1 libgnutls26
  libssl1.0.0 linux-libc-dev locales lsb-base multiarch-support openssh-client openssh-server perl perl-base perl-modules ssh sysv-rc sysvinit sysvinit-utils tzdata wget
The following packages are RECOMMENDED but will NOT be installed:
  bcc gcc gcc-4.4 gcc-4.5 gcc-4.6 gcc-4.7 gnupg-curl libldap-2.4-2 manpages-dev psmisc
33 packages upgraded, 0 newly installed, 0 to remove and 0 not upgraded.
Need to get 35.5 MB of archives. After unpacking 234 kB will be freed.
Do you want to continue? [Y/n/?] Y
...
...
Setting up ssh (1:6.0p1-4+deb7u1) ...
Setting up perl (5.14.2-21+rpi2+deb7u1) ...
Current status: 0 updates [-33].

Автор статьи предпочитает использовать в качестве системного редактора mcedit. Производим замену редактора по умолчанию nano на mcedit:

root@raspberry-pi:/etc/mercurial# update-alternatives —config editor
There are 3 choices for the alternative editor (providing /usr/bin/editor).
  Selection    Path               Priority   Status
  0            /bin/nano           40        auto mode
  1            /bin/nano           40        manual mode
  2            /usr/bin/mcedit     25        manual mode
  3            /usr/bin/vim.tiny   10        manual mode
Press enter to keep the current choice[*], or type selection number: 2
update-alternatives: using /usr/bin/mcedit to provide /usr/bin/editor (editor) in manual mode

Основные данные проекта хранятся в локальном репозитории. Для доступа к ним - установим Mercurial:

apt-get install mercurial
root@raspberry-pi:~# apt-get install mercurial
Reading package lists... Done
Building dependency tree
Reading state information... Done
The following extra packages will be installed:
  ca-certificates mercurial-common openssl python python-minimal
Suggested packages:
  qct wish vim emacs kdiff3 kdiff3-qt kompare meld xxdiff tkcvs mgdiff python-mysqldb python-pygments python-openssl python-doc python-tk
The following NEW packages will be installed:
  ca-certificates mercurial mercurial-common openssl python python-minimal
0 upgraded, 6 newly installed, 0 to remove and 0 not upgraded.
Need to get 3514 kB of archives.
After this operation, 10.3 MB of additional disk space will be used.
Do you want to continue [Y/n]? Y
Get:1 http://archive.raspbian.org/raspbian/ wheezy/main python-minimal all 2.7.3-4+deb7u1 [42.8 kB]
...
...
Creating config file /etc/mercurial/hgrc.d/hgext.rc with new version
Processing triggers for ca-certificates ...
Updating certificates in /etc/ssl/certs... 158 added, 0 removed; done.
Running hooks in /etc/ca-certificates/update.d....done.

[Краткая статья по использованию Mercurial[https://xdevs.com/hg-intro/]], [официальная документация[http://mercurial.selenic.com/guide]]. //снести вниз статьи, в справочные материалы

Настраиваем доступ к аппаратному интерфейсу I2C
Изменения в /etc/modules

i2c-bcm2708 
i2c-dev

Если используется ядро Linux 3.18 или более новое, то в /boot/config.txt необходимо добавить параметры.

dtparam=i2c_arm=on
dtparam=i2c1=on
dtparam=i2c0=on
dtparam=spi=on

2. sudo apt-get install python-smbus

root@raspberry-pi:~# apt-get install python-smbus
Reading package lists... Done
Building dependency tree
Reading state information... Done
The following extra packages will be installed:
  i2c-tools
Suggested packages:
  libi2c-dev
The following NEW packages will be installed:
  i2c-tools python-smbus
0 upgraded, 2 newly installed, 0 to remove and 32 not upgraded.
Need to get 71.0 kB of archives.
After this operation, 317 kB of additional disk space will be used.
Do you want to continue [Y/n]? Y
Get:1 http://archive.raspbian.org/raspbian/ wheezy/main i2c-tools armhf 3.1.0-2 [59.5 kB]
Get:2 http://archive.raspbian.org/raspbian/ wheezy/main python-smbus armhf 3.1.0-2 [11.5 kB]
Fetched 71.0 kB in 1s (36.0 kB/s)
Selecting previously unselected package i2c-tools.
(Reading database ... 22286 files and directories currently installed.)
Unpacking i2c-tools (from .../i2c-tools_3.1.0-2_armhf.deb) ...
Selecting previously unselected package python-smbus.
Unpacking python-smbus (from .../python-smbus_3.1.0-2_armhf.deb) ...
Processing triggers for man-db ...
Setting up i2c-tools (3.1.0-2) ...
Setting up python-smbus (3.1.0-2) ...

3. sudo apt-get install i2c-tools

root@raspberry-pi:~# apt-get install i2c-tools
Reading package lists... Done
Building dependency tree
Reading state information... Done
i2c-tools is already the newest version.
i2c-tools set to manually installed.
0 upgraded, 0 newly installed, 0 to remove and 32 not upgraded.

Теперь мы можем подключить адаптер и проверить работу интерфейса I2C

i2cdetect -y 1

Если модуль памяти не установлен, либо установлен неправильно, устройства на шине обнаружены не будут:

root@raspberry-pi:~# i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
60: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
70: -- -- -- -- -- -- -- --

5. Минимальный образ linux может не иметь установленный компилятор gcc, установим компилятор перед началом использования кода программ.

apt-get install gcc
apt-get install make 

В случае ошибки вида:

sudo: unable to resolve host raspberry-pi

Добавим строку /etc/hosts

127.0.0.1 raspberry-pi

Если библиотека wiringPi не установлена - ее необходимо установить:

pre.. root@raspberry-pi:/rpdb/ddr4s/fw/wiringPi# ./build
wiringPi Build script =================
WiringPi Library
[UnInstall]
[Compile] wiringPi.c
...
[Compile] wiringPiSPI.c
[Compile] wiringPiI2C.c
...
GPIO Utility
[Compile] gpio.c
gpio.c:85:12: warning: 'decodePin' defined but not used [-Wunused-function]
[Compile] extensions.c
[Compile] readall.c
[Link]
[Install]
All Done.
NOTE: This is wiringPi v2, and if you need to use the lcd, Piface,
Gertboard, MaxDetext, etc. routines then you must change your
compile scripts to add -lwiringPiDev

7. Проверяем работу программ. Raspberry Pi подключена к терминалу Putty:

8. Использование программ:

• /comp.sh* – скрипт запуска gcc компилятора с spd_prog_both.c для получения выполняемого файла spd_prog (*nix)
• /check.sh* – скрипт запуска gcc компилятора с checksum.c для получения выполняемого файла checksum (*nix)
• /spd_prog* – запуск приложения для чтения / записи DDR3/DDR4 SPD. Приложение работает только с бинарными файлами.
• /checksum* – запуск утилиты расчета контрольной суммы и проверки CRC16 полей в двоичном файле DDR3/DDR4. Утилита запускается с параметром -f [filename]

9. Пример расчета контрольной суммы:

DDR3 дамп пример:

pre.. $:/repo/ddr4s/fw/Pi$ ./checksum -f ddr3.bin
/********************** xDevs.com DDR4s Project ****************/
DDR3/DDR4 dump checksum check tool | calculates CRC16 for input binary
Usage: checksum -f [dump_filename]
/***********************************************************************/
File DDR3 CRC16 = 600E | byte 126 = E | byte 127 = 60
Calculated DDR3 CRC16 = 600E | byte 126 = E | byte 127 = 60
CRC in dump is correct

DDR4 дамп пример:

pre.. $:/repo/ddr4s/fw/Pi$ ./checksum f ddr4.bin
/********************** xDevs.com DDR4s Project ****************/
DDR3/DDR4 dump checksum check tool | calculates CRC16 for input binary
Usage: checksum -f [dump_filename]
/***********************************************************************/
-i DDR4 mode enabled, 512 bytes parsed
File DDR4 CRC16 = E752 | byte 126 = 52 | byte 127 = E7
File vendor section DDR4 CRC16 = 0 | byte 382 = 0 | byte 383 = 0
Calculated DDR4 CRC16 = E752 | byte 126 = 52 | byte 127 = E7
CRC in dump is correct
tin@tin-lap:/repo/ddr4s/fw/Pi$

Справочная литература:¶

JEDEC Standard No. 21C : Serial Presence Detect (SPD), General Standard
JEDEC Registration - DDR4 DIMM PTH 288 Pin Socket Outline, 0.85 mm Pitch. SKT
JEDEC 288 PIN DDR4 DIMM, 0.85 mm PITCH
JEDEC Definitions of the EE1004-v 4 Kbit Serial Presence Detect (SPD) EEPROM and TSE2004av 4 Kbit SPD EEPROM with Temperature Sensor (TS) for Memory Module Applications
JEDEC DDR4 UDIMM Design Specification Annex D
JEDEC Proposed Annex for DDR4 UDIMM, R/C B
JEDEC Standard No. 21C : Annex L: Serial Presence Detect (SPD) for DDR4 SDRAM Modules
JEDEC Standard No. 21C : Serial Presence Detect (SPD) for DDR3 SDRAM Modules DDR3 SPD Document Release 6
JEDEC Standard No. 21C : Memory Module Nomenclature
JEDEC Standard No. 21C : Definition of the TSE2002av Serial Presence Detect (SPD) EEPROM with Temperature Sensor (TS) for Memory Module Applications

Версия данного документа:¶

Rev 10, Initial release to public, added low-cost option schematics
Rev 11, Added extra settings for Kernel 3.18+ to enable I2C operation
Rev 12, Добавлена версия на русском языке, стилистические правки, добавлено оглавление

¹ Это бесплатная и хорошо поддерживаемая система контроля версий с поддержкой синтаксиса, аналогично GIT и SVN

² RS274X GERBER-файлы для изготовления печатной платы