M.2 para piratas informáticos

Sep 07, 2023

En el primer artículo de M.2, describí los tipos y casos de uso del mundo real de los dispositivos M.2, para que no se confunda al tratar con varias tarjetas y puertos disponibles. También he diseñado bastantes tarjetas M.2 y adaptadores que aceptan tarjetas. Y hoy, me gustaría contarte todo lo que necesitas saber para construir la tecnología M.2 por tu cuenta.

Construir con M.2 tiene dos aspectos: agregar conectores M.2 a sus PCB y construir los PCB que son tarjetas M.2. Cubriré ambos, comenzando con el primero, y saber cómo manejar los zócalos M.2 puede ser lo único que necesite. Además de lo que describiré, hay algunas guías decentes de las que puede aprender partes, como la guía de diseño Sparkfun MicroMod, la mayoría de las cuales son específicas de MicroMod pero también incluyen bastantes consejos y trucos de M.2.

¿Qué podría hacer con un zócalo M.2 en su PCB? Para empezar, muchos SoM y CPU sabrosos y aptos para aficionados ahora tienen una interfaz PCIe accesible, y si está construyendo una placa de desarrollo o una simple ruptura, un zócalo M.2 le permitirá conectar un SSD NVMe para todas sus necesidades. acelere las necesidades de almacenamiento de bajo consumo: muchas placas base del módulo de cómputo Raspberry Pi tienen enchufes M.2 M-key específicamente para eso, y hay soporte NVMe en el firmware RPi para arrancar. Además, siempre puede conectar un adaptador PCIe de tamaño completo o un extensor en dicho zócalo y conectar una tarjeta de red PCIe u otro dispositivo muy necesario, ¡incluso quizás una GPU externa! Sin embargo, por mucho que los SoM equipados con PCIe sean sabrosos, están lejos de ser la única razón para usar zócalos M.2.

PCIe en sí es una interfaz que está aumentando en popularidad y accesibilidad. Hemos cubierto a alguien que hace un adaptador destinado a cámaras digitales, lo que le permite usar SSD NVMe en lugar de tarjetas CFExpress, ambas interfaces con PCIe como su red troncal. Un adaptador diferente que hemos visto le permite colocar una tarjeta PCIe WiFi en un Pinebook, lo que lo ayuda a aumentar bastante las velocidades de WiFi. Y, por supuesto, no es solo PCIe, ni siquiera cuando se combina con SATA o USB. ¿Le gustaría diseñar un SBC compatible con Linux RISC-V en una placa suya? Bueno, Sipeed fabrica uno de los pocos SoM RISC-V disponibles en este momento, llamado LicheeRV, y es un SOM de $ 20 que usa dos conectores M.2 B-key con un pinout completamente personalizado.

Resulta que puedes hacer mucho con un grupo de 67 pines que ocupa poco espacio. Por ejemplo, Sparkfun MicroMod es un ecosistema de microcontrolador que utiliza hardware M.2 con un pinout personalizado; en el caso de MicroMod, es hardware E-key, con una longitud de tarjeta personalizada y la ubicación del tornillo de retención se cambia para que las tarjetas WiFi no puedan estar enchufado. Para los aficionados, son un ecosistema limpio y moderno con toneladas de CPU y sensores diferentes para jugar; en términos comerciales, nos permiten evaluar una variedad de procesadores diferentes para nuestras aplicaciones. De hecho, la insignia Remoticon del año pasado de [Thomas Flummer] fue diseñada para CPU MicroMod, y recientemente, [tzarc] en Hackaday Discord nos dijo que se divirtieron mucho construyendo un teclado basado en MicroMod.

Mi propio trabajo con M.2 se trata principalmente de mejorar las computadoras portátiles y dar nueva vida al hardware antiguo. Por ejemplo, construí bastantes adaptadores para revivir computadoras portátiles viejas, es decir, adaptadores mPCIe a M.2 M-key NVMe de tamaño pequeño, que mis amigos y yo usamos para colocar SSD NVMe rápidos y económicos en máquinas viejas pero aún utilizables. . También construí una gran cantidad de adaptadores de llave a llave M.2 para los casos de uso de mis amigos, como uno que le permite reemplazar una tarjeta WiFi A/E con un SSD de llave M, o viceversa, y un adaptador para placas Apple Xserve para usar SSD M.2 SATA en su conector de unidad de arranque SATA patentado.

Hay mucha diversión con los enchufes M.2. Ahora, ¿cómo?

¿Qué se necesita para agregar un zócalo M.2? Mecánicamente, su huella, así como algo de espacio libre en el tablero. Hablemos primero del espacio en el tablero. Por supuesto, puede hacer que la tarjeta cuelgue de su PCB, transfiriendo el problema del "espacio de PCB" al área de "espacio dentro de su caja", pero aún debe tener en cuenta el tamaño. El tamaño de la tarjeta M.2 se describe con cuatro dígitos en formato WWHH, que son ancho y alto en milímetros: una tarjeta WWAN 3042 tiene 30 mm de ancho y 42 mm de alto (incluido el borde de la tarjeta) y una SSD 2280 tiene 22 mm de ancho y 80 mm de alto. Al colocar una huella en una PCB, la ubicación exacta del borde de la tarjeta relacionada con la huella se mostrará explícitamente en la hoja de datos o se puede deducir de la imagen de la sección transversal.

Hay varios zócalos M.2 que puede obtener: los separo en inserción de montaje medio, plano y en ángulo, y su diferencia más importante es la altura sobre su PCB. Las distancias de PCB a tarjeta del zócalo M.2 en realidad están estandarizadas, pero los zócalos de montaje medio y plano son un área menos que estandarizada; sin embargo, son extremadamente útiles para hacer que sus proyectos sean pequeños y delgados. Soy un gran fanático del uso de conectores planos porque solo mantienen la tarjeta en su lugar, no se requiere un separador; dicho esto, es probable que no funcionen bien con tarjetas de doble cara como algunos SSD más elegantes, y no me atrevería a poner componentes debajo de la tarjeta tampoco.

La mayoría de los zócalos M.2, independientemente de la altura, utilizan exactamente el mismo espacio de PCB, ya que también está estandarizado, salvo los zócalos de montaje medio, que son muy útiles cuando necesita ahorrar espacio vertical, pero sus espacios varían bastante. un poco más. Esta huella en realidad está estandarizada en la especificación y será la misma para la gran mayoría de los enchufes que encuentre. Sin embargo, un amigo me mostró recientemente que esto no siempre es así: LOTES APCI0162 es un ejemplo de un conector de inserción en ángulo que tiene una distancia menor entre las almohadillas que los enchufes de huella habituales. Por lo tanto, vuelva a verificar la huella cuando compre una pieza nueva, ¡por si acaso!

Los lugares adecuados como Digikey y Mouser tendrán conectores M.2 bien ordenados por clave, altura y tipo de montaje. En caso de que usted, como yo, elija el precio sobre la conveniencia al comprar en LCSC, hace aproximadamente un mes compilé una pequeña base de datos de los enchufes M.2 disponibles en ese momento en LCSC, ya que LCSC es tan malo para hacer un seguimiento de los parámetros importantes. ¡Incluso hay algunos enchufes de llave G en caso de que sus artilugios sean demasiado extravagantes para adaptarse a los pinouts dentro de las especificaciones!

No pude encontrar huellas de socket M.2 en la biblioteca estándar de KiCad; si no le importa tomar prestadas huellas, tengo algunas para que las reutilice. Aquí hay huellas para enchufes M, B y E-key, y aquí hay una huella de "todas las almohadillas de enchufe M.2": si necesita una llave G o alguna otra huella de enchufe, tome esta y retire los pines que no necesita . Esta es, nuevamente, la huella estandarizada en la que caben la mayoría de los enchufes planos y de inserción en ángulo, pero verifique si su específico lo hace.

Con las tarjetas de inserción en ángulo, querrá un punto muerto; de lo contrario, no es probable que la tarjeta se conecte mecánicamente hasta que la mantenga presionada correctamente. El hardware M2 funcionará mejor y M2.5 funcionará en caso de apuro. Si la tarjeta se sujetará a su estuche, probablemente agarrará algunos insertos roscados y terminará con eso. Sin embargo, si necesita sujetar su SSD a su PCB, querrá separadores soldables, y cuando compre en LCSC, s-ol en Twitter nos recuerda que podemos encontrarlos usando la palabra clave "smtso".

¿Qué pasa con el montaje? Mi experiencia es que definitivamente querrá una plantilla con pasta de soldadura, ya que estas son piezas bastante densas de 0,5 mm de paso, y una pistola de aire caliente/placa calefactora/horno de reflujo funcionará mejor. Dicho esto, con una punta lo suficientemente delgada y tal vez precalentando, puede estarcir su tablero y luego usar un soldador en caso de apuro, o tal vez una soldadura delgada con una punta de hierro delgada, pero será tedioso si desea ensamblar más de dos o tres tablas.

Después de soldar, aún podría terminar con puentes de soldadura entre los pines; en mi experiencia, puede limpiar estos puentes maravillosamente calentando el área del puente a través de una boquilla angosta de pistola de aire caliente desde abajo, agregando fundente después de que el puente se haya derretido y luego usando pinzas afiladas o una aguja para separar mecánicamente los pines. Si el corto se une justo después de la separación porque colocó demasiada pasta de soldadura en las almohadillas, usar una buena mecha de soldadura de antemano también debería ayudar.

Para PCIe, le recomiendo que use la tecla M para SSD, la tecla B para tarjetas compatibles con WWAN y la tecla E para ranuras compatibles con WiFi. Estas tres ranuras pueden manejar hasta 4x, 2x y 1x enlaces PCIe anchos respectivamente, pero incluso si solo tiene 1x PCIe en su CPU, puede usar cualquiera de estos tres, solo conectando los pines del primer carril; lea nuestro artículo de piratería de PCIe si te gustaría saber más. Si SATA es lo que desea en su lugar, también es bastante simple, solo dos pares diferenciales. En ese momento, puede usar la tecla B o la tecla M, ya que la gran mayoría de los SSD SATA son B + M: aquí hay una placa en la que usé la tecla M para SATA, simplemente porque en ese momento me abastecí de algunos buenos M -zócalos para llaves.

¿De dónde sacas pinouts y símbolos? Para empezar, hay símbolos en la biblioteca estándar de KiCad, al menos en KiCad 6. Aparte de eso, puede, una vez más, obtener símbolos de mi repositorio: obtuve algunos para tecla M, tecla B, tecla B+M. , tecla A+E y tecla E; estos funcionan tanto con zócalos como con tarjetas, ya que las huellas de las tarjetas simplemente ignorarán la falta de las almohadillas de montaje que están presentes en los zócalos. Si esos son limitantes y necesita otros más específicos, siempre están los sitios web dudosos y la especificación flotando que mencioné al final del último artículo.

Las tarjetas M.2 solo requerirán 3,3 V, pero pueden consumir bastante corriente. Si está creando tarjetas personalizadas, eso no será un problema, ya que sabe cuánto puede consumir su dispositivo. Sin embargo, al reutilizar las tarjetas SSD, WiFi y WWAN existentes en sus diseños, las cosas pueden volverse un poco más complejas. Aprender de los esquemas de las computadoras portátiles es la forma más simple: para resumir, proporcionar 1 A - 2 A para tarjetas WiFi y 1 A - 3 A para tarjetas WWAN y SSD probablemente sea una buena idea. Además, la especificación M.2 menciona que algunas tarjetas WWAN pueden construirse para voltaje de entrada en el rango de LiIon de una sola celda (3 V-4,2 V) en lugar de 3,3 V. Es probable que no encuentre tales tarjetas y es probable que esté escrito en la etiqueta o la primera página de la hoja de datos, pero es bueno saberlo de todos modos.

Las tarjetas PCIe requieren señales PERST, CLKREQ y PEWAKE. Dicho esto, CLKREQ se usa para activar el reloj con fines de administración de energía, y se puede vincular a GND en el lado del host PCIe; como prueba de ello, los elevadores PCIe 1x que abusan de los cables USB 3 siempre abundantes solo reenvían PEWAKE y PERST. Para las señales W_DISABLE en las tarjetas WWAN y WiFi, es posible que desee agregar pullups a VCC. Creo que están activos a nivel bajo, pero verifique dos veces. La señal DAA/DSS en SATA y NVMe es una buena señal de drenaje abierto de "actividad de la unidad" que puede usar para controlar un LED. SUSCLK es un reloj de 32 kHz útil para el ahorro de energía de la tarjeta, pero no se requiere en la práctica, y DEVSLP es una señal de modo de bajo consumo solo para SATA. Es probable que las señales I2C no sean útiles, pero no le hará daño si las conecta a su objetivo, a través de resistencias 0R, por si acaso.

¿Construir una tarjeta de corriente más alta o una combinación de tarjeta+anfitrión? Técnicamente, los conectores M.2 tienen una clasificación de 0,5 A por pin, por lo que la llave M con sus nueve pines de 3,3 V daría como resultado un máximo de 4,5 A; dicho esto, la recomendación para la llave M es no exceder los 2,5 A, y eso es a lo que querrás adherirte. En caso de que ambos lados de la ecuación estén bajo su control y esté creando su propio pinout (preferiblemente, usando algo como la tecla G), enloquezca y use tantos pines con tantos voltajes diferentes como desee. Solo desearía que Sipeed supiera eso al diseñar LicheeRV; aparentemente, solo usan un pin de enchufe M.2 para alimentar 5 V en la placa base. No sé si es un problema real, ¡pero seguro que parece subóptimo!

¿Se enfrenta a un zócalo M.2 injustificadamente vacío en la placa base de su portátil? Encontrar un receptáculo no será la parte difícil, ya que las huellas están estandarizadas, especialmente si tiene los esquemas, ya que a menudo enumeran el número de pieza del conector. Sin embargo, soldar el conector sería más complicado, ya que no se puede colocar una plantilla exactamente en una placa base ocupada. Le recomiendo que primero quite la soldadura aplicada de fábrica para que el conector pueda asentarse al ras de la PCB, luego coloque el conector y use un soldador de punta delgada con soldadura delgada para unir las almohadillas una por una. A partir de ahí, es posible que algunas piezas de gestión de energía y pasivos de señal, por ejemplo, los condensadores, estén desocupados. Un buen valor para los condensadores de la serie PCIe o SATA es de aproximadamente 220 nF; Las señales USB y cosas como PEWAKE/CLKREQ/PERST se pueden puentear con algo como 0R o 22 R, la administración de energía generalmente se puede puentear a 3.3 V, y muchas otras señales que encontrarás como opcionales.

Ahora, está bien equipado para construir y piratear cosas que aceptan M.2, y conoce bastantes lugares donde es útil. La próxima vez, quiero mostrarles cómo construir tarjetas M.2. ¡También hay un tesoro de aplicaciones geniales para estas!