2001 CM4 Ultra（CM4核心板的扩展板）
关键词
树莓派、CM4核心板、系统烧写、2.5G、SSD、WIFI6、5G、RPiOS、eMMC、OpenWrt
一、简介
CM4_Ultra扩展板是一款基于树莓派CM4核心板设计的扩展板。CM4_Ultra扩展板具有一个M-KEY接口用于外扩SSD和一个B-KEY接口用于外扩5G以及一个A-KEY接口用于外扩WIFI6；拥有一个2.5G网口；具有一个标准尺寸的HDMI接口，支持4K输出；引出了原生的千兆有线以太网和1路DSI接口以及2路CSI接口。外设扩展方面，扩展了2个USB3.0主机口和一个USB从机口以及一个内置USB2.0。除此之外还有与树莓派4B相同定义的2.54mm间距2x20的GPIO引脚，用于常规外设扩展。
二、硬件资源
2.1 一路原生千兆网口；
2.2 一路由PCIE支持的2.5G以太网接口；
2.3 一路支持4K分辨率的标准HDMI口；
2.4 两路USB3.0主机口；
2.5 一路内置USB2.0；
2.6 一路USB2.0烧写口；
2.7 两路CSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；
2.8 一路DSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）；
2.9 一路PCIe M-KEY接口，支持2280尺寸规格的固态硬盘；
2.10 一路PCIe B-KEY接口，用于外扩5G；
2.11 一路PCIe A-KEY接口，用于外扩WIFI6；
2.12 TF卡座；
2.13 SIM卡座；
2.14 40pin引脚定义从左到右依次为：
| 5V | 5V | GND | G14 | G15 | G18 | GND | G23 | G24 | GND | G25 | G08 | G07 | IDSC | GND | G12 | GND | G16 | G20 | G21 |
| 3V3 | G02 | G03 | G04 | GND | G17 | G27 | G22 | 3V3 | G10 | G09 | G11 | GND | IDSD | G05 | G06 | G13 | G19 | G26 | GND |
三、系统烧写及设置
3.1 概述
本文档采用树莓派OS和OpenWrt系统进行测试，其中树莓派OS的版本为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派OS下载地址：
https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit
OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2711-rpi-4-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz
3.2 从TF卡启动
如果核心板没有eMMC，则系统将从TF卡启动。
3.3. 从eMMC启动
如果核心板具有板载eMMC，则系统将会忽略TF卡，而从eMMC启动。
要烧写系统到eMMC，首先需要在PC上安装驱动包，下载地址：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000623
然后使用跳线帽短接BOOT脚和GND脚，使用Type-A数据线将扩展板上的USB2.0 OTG接口（即两个网口中间的USB口）连接至电脑。连接上电脑之后，打开计算机的设备管理器，查看是否有新的USB设备出现。在下图中的是名称为“BCM2711 Boot”的USB设备：
PC的开始菜单的所有程序下，Raspberry Pi下面有个rpiboot：
打开这个软件，计算机会将emmc或者TF卡格式化并分区：
稍等片刻，在资源管理器中会出现一个分区（本例中的分区名为bootfs，具体名称视实际情况而不同）：
接下来我们就可以使用balenaEtcher软件对这个分区进行烧写了。
打开balenaEtcher软件，第一项点击“从文件烧录”，选择你要烧录到eMMC的文件，第二项选择上面的那个bootfs分区，然后点击“现在烧录”，就开始烧录文件了：
等烧写完成后，我们还要将之前插上的短路帽拔下来，否则无法正常启动核心板。
四、硬件测试
4.1 2.5G网口测试
CM4_Ultra扩展板有两个网口，一个是2.5G网口，一个是原生千兆网口，PCB板背后相应位置有丝印标注。我们将网线插入2.5G网口，系统会自动获取IP，然后我们打开终端，安装测速软件iperf3：
sudo apt-get install iperf3
2.5G以太网测速结果，client模式为2.15Gbps左右，server模式为1.75Gbps左右：
注意：2.5G网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
4.2 原生千兆网口测试
我们将网线插入原生千兆网口，系统会自动获取IP，然后我们打开终端，使用iperf3进行测试：
原生千兆以太网测速结果，client模式为940Mbps左右，server模式为820Mbps左右：
注意：原生千兆网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
4.3 SSD硬盘测试
4.3.1 SSD硬盘基本操作
将一块SSD硬盘插入扩展板的M.2接口，从TF卡启动树莓派OS。
在树莓派OS中，打开File Manager，我们可以看到SSD的分区。如下图所示：
如果需要对SSD操作，请点击分区图标，此时需要输入系统密码，然后点击“Authenticate”，授权成功后即可对SSD进行操作：
此时回到桌面，就可以看到SSD分区的快捷图标：
同时在终端中输入df，也可以看到SSD分区，以及SSD的挂载信息，我们可以将这个SSD作为存储设备。
如果需要对SSD硬盘进行分区和永久挂载等操作，请参考此页面。
4.3.2 SSD硬盘读写速度测试
我们将网线插入2.5G网口，系统会自动获取IP。对SSD硬盘进行速度测试，需要用到SSH连接软件，本文档使用MobaXterm软件，支持文件传输，MobaXterm软件下载地址：
https://mobaxterm.mobatek.net/download-home-edition.html
要在树莓派OS中开启SSH连接，首先从Preferences菜单中打开Raspberry Pi Configuration窗口：
然后单击Interfaces选项卡，选择SSH行旁边的Enable，再点击OK即可：
接下来打开MobaXterm软件，新建一个连接，选择SSH，Remote Host填入树莓派OS的IP，Specify username填入登录账号，如下图所示：
登录完成后，我们在左侧点击SSH Browser，进入SSH浏览器：
然后我们进入SSD硬盘的挂载文件夹，本文所示例子为：
/media/mcuzone/00009305000DEDEE/
在此文件夹下，将PC上的文件拖入SSH浏览器窗口，以及将SSH浏览器窗口内的文件拖到PC上，测试硬盘的读写速度。
写入速度140Mbps左右：
读取速度60Mbps左右：
注意：SSD硬盘读写速度测试受网络环境和硬盘性能影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
4.4 DSI测试
首先使用22Pin 0.5mm间距转15Pin 1mm间距的转接板和相应的FPC排线，将树莓派官方的7寸触摸屏与CM4_Ultra扩展底板相连接，然后用一根Micro-USB线给触摸屏供电，注意，树莓派触摸屏不用Micro线独立供电的话是无法使用的，切勿忘记。
连接好后，给板子上电。等待系统运行后打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtoverlay=vc4-kms-dsi-7inch
保存后重启系统，即可使用树莓派官方7寸触摸屏。
重启后在终端依次输入下列命令：
wget http://www.mcuzone.com/wiki/2001_CM4_Ultra/Brightness.zip
unzip Brightness.zip
cd Brightness
sudo chmod +x install.sh
./install.sh
然后就可以从Accessories菜单中打开Brightness窗口，可以调节7寸屏的背光：
4.5 CSI测试
首先将摄像头连接到CSI0或者CSI1接口（本文档使用OV5647摄像头），连接好后，给板子上电。等待系统运行后打开终端，运行下列命令：
sudo nano /boot/firmware/config.txt
在文件末尾加入下列语句：
dtoverlay=ov5647,cam0
dtoverlay=ov5647,cam1
在实际使用中根据自己的型号进行添加，保存后重启系统，即可使用OV5647摄像头。
重启后在终端中输入：
ls /dev
即可看到video0、video1设备（插一个摄像头显示video0，插两个摄像头显示video0、video1，和插在CSI0还是CSI1无关）。
在终端中输入libcamera-hello --camera 0或libcamera-hello --camera 1即可打开对应的摄像头浏览（插一个摄像头为camera 0，插两个摄像头则分为camera 0、camera 1）。
如果需要拍照，则输入：
libcamera-jpeg -o test.jpg
照片保存在/home/mcuzone目录下（即用户主目录），照片效果如下：
4.6 USB3.0测试
CM4_Ultra扩展板上电启动后我们将U盘插入USB3.0接口，输入lsusb查看USB3.0hub是否正常识别，随后输入lsusb -t查看USB3.0工作模式是否正常。
4.7 5G模块测试
本文档基于RM500-U模块进行测试演示。
将5G模块接入扩展版后上电，系统启动后，我们输入lsusb查看模块是否正常识别：
记下5G模块的ID：2c7c 0900。
下载minicom工具：
sudo apt-get install minicom
使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是上面记录的ID值：
sudo modprobe option
sudo sh -c 'echo 2c7c 0900 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
执行下面命令，进入AT命令：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB2
进入minicom后我们输入AT+QNETDEVCTL=1,3,1进行自动拨号，成功后重启系统即可正常使用：
如果重启后无法上网，需要查看下系统的nameserver（即DNS服务器）是否正确。通过下面的命令打开resolv.conf文件：
sudo nano /etc/resolv.conf
查看此时的nameserver是否正确，如果不正确，请将其改为sim卡的nameserver（通常是其网关地址）或者一些通用的nameserver地址（如114.114.114.114等）。
输入sudo apt install speedtest-cli安装测速工具：
随后进行测速测试：
注意：5G模块网络测速受5G信号和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
4.8 WIFI6模块测试
4.8.1 更新系统和头文件
首先打开树莓派终端，输入sudo apt-get update，更新系统：
然后输入sudo apt-get upgrade：
最后输入sudo apt-get install raspberrypi-kernel-headers安装头文件：
4.8.2 编译安装驱动
把源码下载至本地，输入：
git clone https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/iwlwifi/backport-iwlwifi.git
下载完成后，cd backport-iwlwifi进入源码文件夹，输入make defconfig-iwlwifi-public，输出.config配置文件：
输入：
sed -i 's/CPTCFG_IWLMVM_VENDOR_CMDS=y/# CPTCFG_IWLMVM_VENDOR_CMDS is not set/' .config
输入make -j4，此处-j4表示用四核进行编译，如果出现死机卡死的情况，可以尝试用-j1或者-j2进行编译：
编译完成后，输入sudo make install进行驱动安装：
安装完毕后提示重启，请先不要重启。
4.8.3 安装固件
本文档使用的模块为AX210，根据模块的不同，这里所需安装的固件也不同，请注意！
依次在树莓派终端执行：
cd ..
cd Downloads
wget http://www.mcuzone.com/wiki/2001_CM4_Ultra/iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.zip
unzip iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.zip
sudo cp iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.ucode /lib/firmware
然后输入cd /lib/firmware，再输入ls /lib/firmware iwl*.*，若有iwlwifi-ty-a0-gf-a0-59.ucode这个文件，即表明固件安装成功：
4.8.4 验证WIFI6模块功能
重启系统，点击桌面右上角网络图标，然后点击“Click here to set Wi-Fi country”：
我们选择CN：
再次重启系统，然后在桌面右上角手动连接WiFi，输入密码：
显示WiFi成功连接后，查看网络参数：
在树莓派终端执行ifconfig -a，也可以查看网络参数（wlan0）：
五、OpenWrt系统操作演示
5.1 概述
CM4_Ultra扩展板在OpenWrt系统下可配置为一进一出的交换机模式，扩展板上的原生千兆口作为WAN口（连接Internet），2.5G网口配置为LAN口，用于连接PC。
5.2 准备工作
本文使用的OpenWrt系统为：openwrt-bcm27xx-bcm2711-rpi-4-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz
烧写OpenWrt系统并上电启动后，我们通过扩展板上的原生千兆口连接网线至PC网口，待PC的网卡与扩展板上的原生千兆口连接成功后，我们在Windows设置中找到网络和Internet，在以太网中打开连接的网络查看默认网关的IP地址，这个地址就是OpenWrt系统的后台配置页面地址，如图所示，本文测试的地址为192.168.198.1：
然后打开网页浏览器输入192.168.198.1进入OpenWrt系统。默认用户名为root，默认密码为password：
5.3 设置OpenWrt系统
打开“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：
接口名称设置为WAN，接口协议选择DHCP客户端，接口选择eth0后点击“提交”按钮：
在防火墙设置中选择WAN口后点击“保存”按钮。注意不要点“保存&应用”按钮：
然后点击“返回至概况”按钮，在接口处点击LAN口的“修改”按钮：
在物理设置中将接口改为eth1：
随后点击“保存&应用”按钮，网络配置就完成了。
5.4 2.5G网口测试
网络配置完成后，原生千兆网口就变成了WAN口，2.5G网口就变成了LAN口，将与电脑连接的网线切换到2.5G网口，另外找一根可连接Internet的网线接入原生千兆网口。随后进入OpenWrt页面，点击“系统-TTYD终端”，登录后（默认用户名为root，默认密码为password）输入ifconfig -a查看IP地址：
也可以在“网络 - 接口”查看网口信息：
接下来我们在TTYD终端使用iperf3测速软件（系统自带），与PC之间进行测速：
扩展板作为client时：
扩展板作为server时：
注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
5.5 SSD硬盘测试
将一块SSD硬盘插入扩展板的M.2接口，启动OpenWrt系统，登录后台页面后，进入“系统 - 挂载点”，我们可以看到SSD硬盘已经被自动挂载：
点击“网络存储-网络共享”，注意有可能会有两个“网络共享”，要进标注Samba的网络共享，而不是Ksmbd的网络共享！
添加一个共享目录，目录为硬盘挂载的地址：
随后点击“保存&应用”按钮。
设置完毕后在资源管理器中输入\\192.168.198.1（地址为扩展板的地址，视实际情况而不同），我们就能看到那个共享目录了：
将任意文件拖拽到桌面进行读取速度测试：
将任意文件拖拽到SSD进行写入速度测试：
注意：测试速度受网络状况、硬盘质量、硬盘上的文件存储情况等多种因素影响，以上测试结果仅供参考，不作为实际产品的最终参数。
如果在访问共享时Windows提示无法访问：
需要修改Windows网络策略。按window+R键输入gpedit.msc 来启动本地组策略编辑器。依次找到“计算机配置 - 管理模板 - 网络 - Lanman工作站”这个节点，在右侧内容区可以看到“启用不安全的来宾登录”这一条策略设置。状态是“未配置”：
双击“启用不安全的来宾登录”这一条策略设置，将其状态修改为“已启用”并单击确定按钮：
设置完成再次尝试访问发现可以正常访问了。
5.6 WiFi6模块测试
5.6.1 通过WiFi6模块上网
承接5.4节，将WiFi6模块（AX200或AX210）插上扩展板，将与电脑连接的网线插到2.5G网口，原生千兆网口不插网线。启动OpenWrt系统，登录后台后，在“网络 - 无线”中可以看到无线概况：
点击“扫描”按钮，扫描出附近的无线AP：
选择一个进行连接，防火墙选WAN：
然后按“提交”，提交后在点击“保存&应用”：
成功后再回到“无线概况”，就能看到此时无线已经连接成功：
我们登录TTYD终端，运行ifconfig -a查看网络参数，可以看到无线网卡（wlan0）已经获取了IP地址：
利用本扩展板做client，与电脑之间进行测速，结果如下：
注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
5.6.2 WiFi6模块作为无线AP
AX210可以在2.4G模式下作为无线AP使用，AX200不能作为无线AP使用。本节使用AX210进行测试。
承接上一节，我们在原生千兆网口上插上能连接Internet的网线。然后在“网络 - 无线”里面点击“修改”
按照下图修改，无线AP名称可以自己定义：
点击“保存&应用”，随后点击“网络 - 接口”，删除WWAN：
再点击LAN的“修改”：
进入LAN的物理设置，确认设置如下图：
点击“保存&应用”，然后进入“网络 - 无线”，把这个AP先停用再启用：
随后我们就能搜索到这个AP了，我们连接该AP，密码就是上一节连的无线AP的密码：
上网测速结果如下：
注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。
5.7 5G模块测试
插上5G模块（本文档使用RM500-U为例）和sim卡，将与电脑连接的网线插到2.5G网口，原生千兆网口不插网线。启动OpenWrt系统。
点击“系统-TTYD终端”，登录后输入ifconfig -a查看网卡：
可以看到有一个名为usb0的网卡，此时还没有拨号获取IP地址。
在TTYD终端输入lsusb，记下5G模块的ID：2c7c 0900：
然后输入以下两条命令：
modprobe option
'echo 2c7c 0900 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
成功后使用内置的minicom打开串口：
minicom -D /dev/ttyUSB3
注意，USB后面的序号可能为0-4中其中一个，以实际为准。
进入minicom后我们输入AT+QNETDEVCTL=1,3,1进行自动拨号，成功后重启系统即可正常使用5G模块：
进入“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：
按下图配置，添加一个新接口，本文档为其命名为“5GWAN”：
配置完毕后点击“提交”，然后进入防火墙设置，将防火墙区域设置为WAN：
返回“网络 - 接口”，此时我们就能看到5G模块已经获取到了IP地址，PC也能通过该5G模块上网：
六、功耗测试信息
使用本产品时最低需要12V 1.5A电源进行供电，推荐使用12V 2A电源。
6.1 产品使用时系统待机功耗
1. 不接外设时待机功耗：0.756A
2. 单独接5G待机功耗：0.9A
3. 单独接SSD待机功耗：0.847A
4. 单独接WIFI6待机功耗：0.83A
5. 外设全接待机功耗：1.15A
6.2 各个模块使用时的功耗
1. 单独5G测速功耗：1.9A
2. 单独测试WIFI6功耗：1.15A
3. 2.5G从SSD拖文件到电脑时系统功耗：1.588A
4. 2.5G从电脑写文件到SSD时系统功耗：1.668A
6.3 模块之间相互使用时功耗
1. WIFI6从电脑写文件到SSD时系统功耗：1.25A
2. WIFI6从SSD拖文件到电脑时系统功耗：1.72A
3. 5G从网页下载文件到SSD时系统功耗：1.88A
注意：上述数据为本公司的测试数据，仅供参考。
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