Raspberry Pi Compute Module

Raspberry Pi Compute Module – это встраиваемые вычислительные модули на базе платформы Raspberry Pi. В отличие от обычных одноплатных компьютеров, они не имеют стандартного набора USB, HDMI и других полноразмерных разъёмов и предназначены для установки на собственную несущую плату.

Такой формат используется в устройствах, где требуется Linux, вычислительная производительность Raspberry Pi и доступ к аппаратным интерфейсам, но стандартная плата Raspberry Pi слишком большая или содержит ненужные разъёмы.

Другие платы семейства представлены в категории Raspberry Pi.

Поколения Compute Module

При выборе поколения нужно учитывать не только производительность процессора. Не менее важны тип разъёма, доступные интерфейсы, объём оперативной памяти, наличие eMMC и совместимость с используемой carrier board.

Несущая плата

Compute Module не используется самостоятельно. Для работы необходима carrier board, на которой размещается вся периферия конкретного устройства.

На несущую плату обычно выносятся:

• питание;
• USB;
• HDMI;
• Ethernet;
• MIPI CSI и DSI;
• GPIO;
• PCIe;
• интерфейсы накопителей;
• аудио;
• кнопки и индикация;
• промышленные интерфейсы;
• схемы защиты.

Разработчик сам определяет, какие разъёмы и функции действительно нужны конечному устройству.

Готовые отладочные платы удобны для прототипирования, а собственная carrier board позволяет уже под конкретное оборудование определить расположение разъёмов, питание, размеры и периферию.

Compute Module 3+

Compute Module 3+ использует четырёхъядерный процессор Cortex-A53 и 1 ГБ LPDDR2.

Модули выпускались с разным объёмом eMMC:

• 8 ГБ;
• 16 ГБ;
• 32 ГБ.

Версия Compute Module 3+ Lite не имеет встроенной eMMC. В таком случае накопитель должен быть реализован на несущей плате или подключён другим способом.

CM3+ использует 200-контактный разъём SODIMM. Этот форм-фактор отличается от более новых CM4 и CM5 и особенно важен при модернизации уже существующего оборудования.

Compute Module 4

Compute Module 4 построен на платформе Raspberry Pi 4 и использует BCM2711 с четырьмя ядрами Cortex-A72.

Одно из главных отличий CM4 – большое количество конфигураций. Можно выбрать модуль с разным объёмом оперативной памяти, eMMC и беспроводной связью.

Такая модульность позволяет не устанавливать лишние компоненты и подобрать конфигурацию под конкретное устройство.

Например, стационарному промышленному контроллеру может вообще не требоваться Wi-Fi, а терминалу с локальной базой данных может быть полезна встроенная eMMC.

eMMC и Lite

Наличие встроенной eMMC – одно из ключевых различий между вариантами Compute Module.

eMMC используется как системный накопитель для Linux, приложений и данных. Она установлена непосредственно на модуле и не требует отдельной карты памяти.

Lite-версии не имеют eMMC. Это позволяет разработчику самостоятельно выбрать способ хранения данных на carrier board.

Для серийных устройств eMMC часто удобнее microSD: накопитель находится внутри корпуса, не требует отдельного слота и не может быть случайно извлечён пользователем.

Compute Module 4S

Compute Module 4S занимает отдельное место в линейке.

Аппаратно он относится к поколению Raspberry Pi 4, но сохраняет 200-pin SODIMM форм-фактор предыдущих Compute Module.

Такой модуль предназначен прежде всего для оборудования, где уже разработана несущая плата под CM3 или CM3+ и требуется переход на более современную вычислительную платформу без полной переработки механической конструкции.

При этом совместимость конкретной carrier board всё равно необходимо проверять по используемым линиям, питанию и периферии.

Compute Module 5

Compute Module 5 переносит архитектуру Raspberry Pi 5 во встраиваемый формат.

В основе используется BCM2712 с четырьмя ядрами Cortex-A76. Модуль выпускается в разных конфигурациях оперативной памяти, eMMC и беспроводной связи.

CM5 ориентирован на устройства, где требуется более высокая вычислительная производительность:

• машинное зрение;
• сложные HMI;
• терминалы;
• обработка видеопотока;
• локальные серверные функции;
• сетевые шлюзы;
• системы сбора и обработки данных.

Форм-фактор близок к Compute Module 4, что упрощает разработку новых carrier board и перенос существующих проектов.

PCIe

PCIe особенно важен в современных Compute Module, поскольку позволяет подключать высокоскоростную периферию напрямую к вычислительной платформе.

Через PCIe на carrier board могут подключаться:

• NVMe SSD;
• сетевые контроллеры;
• дополнительные интерфейсные микросхемы;
• специализированные ускорители;
• другие PCIe-устройства.

Для систем с интенсивной записью данных или большим объёмом хранения NVMe может быть удобнее встроенной eMMC.

При разработке собственной платы PCIe требует значительно более внимательной трассировки, чем обычные GPIO, UART или I2C.

MIPI CSI и DSI

Compute Module подходят для устройств с камерами и дисплеями благодаря доступу к MIPI-интерфейсам.

CSI используется для подключения камер, а DSI – дисплейных панелей.

Это позволяет создавать:

• системы компьютерного зрения;
• камеры;
• терминалы;
• HMI;
• информационные панели;
• приборы с графическим интерфейсом.

Несущая плата при этом определяет тип разъёма, количество доступных интерфейсов и совместимость с конкретной периферией.

Ethernet и беспроводная связь

В зависимости от поколения и конфигурации Compute Module может использовать проводную или беспроводную сеть.

Для стационарных устройств обычно предпочтителен Ethernet – особенно в контроллерах, терминалах, серверах и оборудовании, которое должно постоянно находиться в сети.

Wi-Fi и Bluetooth удобны, если прокладка кабеля не предусмотрена или требуется взаимодействие с беспроводной периферией.

Не все варианты Compute Module имеют беспроводной модуль, поэтому его наличие нужно проверять в обозначении конкретной конфигурации.

Охлаждение

Compute Module может быть установлен внутри закрытого корпуса без естественного воздушного потока, поэтому температурный режим нужно учитывать ещё на этапе проектирования.

Особенно это важно для более производительных поколений и устройств, которые длительное время работают под высокой нагрузкой.

В конструкции можно предусмотреть:

• радиатор;
• металлическую теплораспределяющую пластину;
• контакт модуля с корпусом;
• вентиляцию;
• активное охлаждение.

Наличие мощного процессора не имеет смысла, если модуль постоянно ограничивает производительность из-за перегрева.

Питание

Стабильное питание Compute Module обеспечивает carrier board.

При проектировании необходимо учитывать не только потребление самого модуля, но и подключённые USB-устройства, накопители, дисплеи, камеры, сетевые интерфейсы и другую периферию.

Просадки напряжения могут приводить к нестабильной загрузке Linux, ошибкам накопителя и случайным перезагрузкам.

Применение Compute Module

Compute Module выбирают, когда обычный Raspberry Pi уже подходит по программной платформе, но не подходит конструктивно.

Типичные области применения:

• промышленные контроллеры;
• панели оператора;
• информационные терминалы;
• торговое оборудование;
• системы видеонаблюдения;
• машинное зрение;
• сетевые шлюзы;
• приборы;
• специализированные Linux-устройства;
• серийная электроника.

Для прототипа можно использовать готовую carrier board, проверить Linux, периферию и программное обеспечение, а затем разработать собственную несущую плату только с необходимыми интерфейсами.

Выбор Compute Module

CM3+ имеет смысл рассматривать для существующих устройств на SODIMM-платформе.

CM4 подходит для большинства современных встраиваемых проектов, которым достаточно производительности Raspberry Pi 4.

CM4S нужен прежде всего там, где необходимо сохранить старый SODIMM-форм-фактор.

CM5 предназначен для более производительных Linux-устройств на современной платформе Raspberry Pi 5.

При выборе конкретного модуля нужно одновременно определить поколение, объём RAM, наличие eMMC, беспроводную связь и совместимость с carrier board. Именно эта комбинация определяет, подойдёт ли Compute Module для конкретного устройства.