2001 RPi CM4 Ultra
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关键词
树莓派、CM4核心板、2.5G以太网、NVME SSD、WiFi6、5G、RPiOS、eMMC、OpenWrt、视频采集
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，将CM4自身的一路PCIe通过Switch芯片，一扩四，扩出4路PCIe。CM4_Ultra扩展板板载一路PCIe M.2 M-KEY接口用于接NVME SSD，一路PCIe 2.5G网口，一路PCIe M.2 A-KEY 用于接WiFi6以及一路PCIe扩USB3.0，其中一路USB3.0接一个M.2 B-KEY接口用于外扩5G；扩展板支持所有版本的树莓派CM4核心板；扩展板口理想用于各种海量数据高速采集，处理，通讯的应用场合，比如WiFi6测试终端，远程图像视频采集系统，直播推流，车机，类TBOX的车载数据接入设备，融合媒体播放器，人脸识别，软路由，网关，远程图传，边缘计算等等。
二、硬件资源
| 供电 | 一路DC直流输入，宽电压7-24v，DC5.5-2.1端子；
一路USB-C 5V3A，支持PD充电器；两路电源不可同时使用； |
| 网络 | 一路原生千兆网口；
一路PCIe的2.5G以太网口（RTL8125芯片）； 一路PCIe M.2 A-KEY接口，用于外扩WiFi6； 一路USB3.0的M.2 B-KEY接口，用于接5G，Nano SIM卡座，板载4路SMA天线座； |
| 存储 | 一路PCIe M.2 M-KEY接口，支持2280尺寸的NVME SSD固态硬盘，不支持SATA/GNFF硬盘；
一路TF卡座，用于lite版本的树莓派CM4核心板启动系统用；若用emmc的cm4核心板，此TF卡将不可用； |
| USB口 | 两路USB3.0-A主机口；
一路USB2.0口，1.25mm-4P； 一路USB OTG口（USB-A），也是eMMC核心板的烧写口； |
| 显示 | 一路支持4K分辨率的标准HDMI口；
一路DSI1（22PIN，0.5mm，翻盖下接）； |
| 摄像头 | 两路CSI（22PIN，0.5mm，翻盖下接）； |
| 其他 | 两路风扇电源，2.54mm-2P，5v和3.3V；
一路boot跳线，2.54mm-2p，烧写emmc核心板用； 40PIN GPIO，2.54mm 20*2，与树莓派4B的GPIO引脚完全兼容； |
| 尺寸 | 111*135mm；沉金工艺工艺，无铅生产，PCB板通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0；
可选铝合金外壳，带4个固定孔，方便安装设备，外壳尺寸：114*154*31mm。 |
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、系统的烧写
本文档采用树莓派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
3.1 从TF卡启动
如果树莓派CM4核心板没有eMMC，系统将从TF卡启动。
3.2 从eMMC启动
如果树莓派CM4核心板板载eMMC，只能从eMMC启动，板载的TF卡将无效。
首先需要在PC上安装树莓派CM4核心板的驱动包，可以从树莓派官网下载，也可以从我司网站下载：
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USB Type-A数据线将扩展板上的USB2.0 OTG接口连接至电脑（如下图）：
连接上电脑之后，打开计算机的设备管理器，会有新的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），然后重新上电，启动系统。
四、树莓派OS的操作
4.1 以太网测试
4.1.1 以太网识别
将千兆网口接上级路由器，树莓派终端执行ifconfig -a，显示如下：
eth0为原生千兆网卡，已获取IP地址；
eth1为扩展2.5G网卡，因为没插网线，所以没有获取IP。
4.1.2 2.5G以太网测速
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。
4.1.3 千兆网测速
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。
4.2 SSD硬盘测试
4.2.1 SSD硬盘基本操作
NVME SSD硬盘只能做数据存储使用，不能做启动系统用。
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。
4.2.2 SSD硬盘测速
4.2.2.1 硬盘接口测速
我们使用hdparm软件进行SSD硬盘接口速度测试。
安装hdparm软件：
sudo apt install hdparm
运行命令，可多次运行，测试多次硬盘速度：
sudo hdparm -t /dev/nvme0n1
测试结果：该硬盘的接口速度为360MB/s左右。
4.2.2.2 安装SAMBA文件共享服务
SAMBA是一个在Windows和Linux之间分享文件的软件，我们可以利用它在Windows和树莓派通过以太网传输文件，以用来测试网络的网速。
安装SAMBA：
sudo apt install samba
在SSD路径下建立一个新文件夹用于共享文件，并修改文件夹权限：
cd /media/mcuzone/writable
sudo mkdir ssdfiles
sudo chmod +777 ssdfiles
修改SAMBA配置文件，添加共享节点：
sudo mousepad /etc/samba/smb.conf
在文件末尾加上共享节点：
[ssd]
# 共享文件夹说明
comment = ssd
# 共享文件夹目录
path = /media/mcuzone/writable/ssdfiles/
# 需要映射的共享目录的挂载路径
browseable = yes
# 可被其他人看到资源名称（非内容，这里设置为是）
writable = yes
# 可写
create mask = 0777
# 新建文件的权限为 777
directory mask = 0777
# 新建目录的权限为 777
public = no
# guest访问，无需密码（这里设置为否）
注意：如果需要添加更多的映射文件夹，请使用相同的格式继续加上新的共享节点，其中共享文件夹说明和共享文件夹目录不要重复，本地path请按照挂载的路径填写。
创建一个名为mcuzone1的用户，创建后会提示输入密码：
sudo smbpasswd -a mcuzone
重启SAMBA服务：
sudo systemctl restart smbd
然后在Windows中映射一个网络驱动器，这里以Windows11为例。
打开“此电脑”，点击“映射网络驱动器”：
按下图填入相关节点信息（IP为树莓派OS的IP）：
输入刚才设置的用户名和密码：
然后就会打开设置的共享文件夹了：
注意：设置共享文件夹前一定要在树莓派OS中对SSD硬盘的分区进行授权操作，否则在设置共享文件夹时会报找不到网络名。
4.2.2.3 通过千兆网口进行硬盘读写测试
将网线插在千兆网口上，利用SAMBA文件共享服务，对SSD硬盘进行读写测试。
写：
读：
4.2.2.4 通过2.5G网口进行硬盘读写测试
将网线插在2.5G网口上，利用SAMBA文件共享服务，对SSD硬盘进行读写测试。
写：
读：
注意：硬盘测试速度受网络状况、硬盘质量、硬盘上的文件存储情况、操作系统环境等多种因素影响，以上测试结果仅供参考，不作为实际产品的最终参数。在实际测试中，读取速度最高可达270MB/s。
4.3 DSI测试
树莓派官方一代液晶屏，需要独立供电，且液晶屏上需配转接板和扩展板DSI接口配套。
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：
4.4 CSI测试
我们测试使用OV5467摄像头，连接到CSI0或者CSI1接口；连接好后，给板子上电，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：
4.5 USB口测试
系统启动后我们将无线键鼠插入OTG接口，两个USB3.0 SD读卡器插入USB3.0接口，输入lsusb查看USB设备：
Bus 002 Device 003：USB3.0-A，USB3.0 SD读卡器；
Bus 002 Device 004：USB3.0-A，USB3.0 SD读卡器；
Bus 003 Device 002：USB2.0-A（OTG）接口，接无线键鼠。
识别都正常；随后输入lsusb -t查看USB口的工作模式是否正常。
Bus 02：为5000M USB口（USB 3.0）；
Bus 03：为480M USB口（USB 2.0）；
工作模式都正常。
4.6 5G模块测试
测试基于移远5G模组RM500U-CN，我们已经将5G模组配置好了，在树莓派官方OS下免驱，自动识别。
（如果用户自己的5G模组，需要用户自己配置或者自己整驱动，不然无法实现免驱的，无法参考此章节）
4.6.1 5G测试
在树莓派OS的终端中，输入命令ifconfig -a，可以看到如下网络信息：
从上图可知，此时千兆有线网卡和5G模组均已获取了ip，我们ping网址成功：
但是如果拔掉网线，则ping IP能通，但ping域名不通，如下图所示：
因此需要查看下系统的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）。
不过，这种修改方式在系统重启后，resolv.conf文件内的DNS会被修改到默认地址，所以如果需要开机自动启动5G上网，还需要修改resolv.conf文件的权限，因为/etc/resolv.conf实际上是个软链接，所以需要重新生成resolv.conf文件才能修改权限，方法如下：
sudo mv /etc/resolv.conf /etc/resolv.conf.link
sudo nano /etc/resolv.conf
这样就重新建立了resolv.conf文件，在这个新建的文件中输入：
nameserver 114.114.114.114
保存退出，然后执行：
sudo chattr +i /etc/resolv.conf
做完上述步骤后，重启系统，resolv.conf文件的内容也不会变化了。
4.6.2 网络优先级的修改
如果同时插了网线和5G模块，默认情况下，优先通过5G网络上网。
执行route命令，查看路由表，usb0排在第一位，因此此时是通过5G模块上网：
如果要优先使用有线网络上网的话，可以运行命令：
sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1
这两条命令（以“&&”分隔）的解释：
sudo ip route del default：删除路由表中的默认路由；
sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1：添加有线网络的网关为新的默认路由（网关地址以实际为准）。
执行完毕后，再执行route，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关（eth0排第一位）：
这样网络就默认走有线网络了，如果需要改回默认走5G网络，请运行：
sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.42.1
或者重启系统即可。
其中192.168.42.1为5G模组的默认网关，请以实际为准。
注意，重启后路由表还是会恢复原状，所以如果重启后要网络继续默认走有线网络，需要再执行一次sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1。
4.6.3 5G网络网速测试
我们拔掉网线，只剩下5G网络连接，进入测速网站进行测速。
结果如下：
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。
4.6.4 AT命令的使用
将5G模块接入扩展板，系统启动后，我们输入lsusb，显示如下：
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命令进行测试：
如果需要查看回显，请键入命令：ate1，然后回车，继续键入其它命令，回车可以看到结果。
常用AT命令：
1. 检查SIM卡是否识别到：
at+cpin?
返回ready表示卡已识别，返回error要检查硬件
2. 检查天线信号质量：
at+CESQ
3. 检查注网情况：
at+cops?
正常应该返回运营商代码和一个数字，7代表4G，11代表5G。
注意，以上命令只有at+CESQ不要加问号，另外两条命令需要加问号。
4. 查看5G模块的IMEI码：
at+cgsn
5. 关闭射频：
at+cfun=0
开启射频：
at+cfun=1
上述两条命令成对使用，可以在不重启5G模组的情况下让模组重新注网。
6. 切换SIM卡
使用SIM1（丝印标识）：
AT+QUIMSLOT=1
使用SIM2（丝印标识）：
AT+QUIMSLOT=2
切换时如果原来的卡槽有卡，Windows会提示卡弹出，请将模块断电，把卡插到另一个卡槽，然后重新上电；如果切换过去的卡槽有卡，则可直接使用。
7. USB口和以太网口不可同时使用，可以通过AT命令切换：
使用USB口：
AT+QMAPWAC=0
使用以太网口：
AT+QMAPWAC=1
4.7 WiFi6测试
CM4_Ultra扩展板支持WiFi6（AX200）和WiFi6E（AX210）模块，都需要安装驱动才能使用。驱动的安装步骤如下：
4.7.1 安装驱动
首先要更新系统和头文件，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：
把WiFi驱动源码下载至本地，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。
4.7.2 安装固件
不同的模组，固件不一样，我们这里用的是AX210.
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：
4.7.3 测试WiFi6模块
固件安装完成后，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
我们测试使用的OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2711-rpi-4-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz，此系统已经包含wifi6驱动和我们公司配套5G模组驱动。
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。
5.1 登录系统
将扩展板上的原生千兆口连接网线至PC网口，系统上电启动后，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：
5.2 设置网络接口
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。
5.3 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，再将原生千兆网口接到上级路由器。
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：
其中eth0是2.5G网卡，eth1千兆网卡。
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。
5.4 SSD硬盘测试
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。
5.5 5G模块测试
插上5G模块（本文档使用RM500U-CN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的网卡即为5G模组，但是无IP地址。
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”：
点击“提交”，然后进入“防火墙设置”，将防火墙区域设置为“WAN”：
然后点击“保存&应用”，成功后返回“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：
在PC上测试网速结果如下：
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。
六、功耗测试信息
| 系统待机功耗 | 使用时的功耗 | 模块之间相互使用 | 系统功耗 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 不接外设 | 0.756A | WiFi6从电脑写文件到SSD | 1.25A | |||
| 单独接5G | 0.9A | 1.9A（测速时） | WiFi6从SSD拖文件到电脑 | 1.72A | ||
| 单独接SSD | 0.847A | 2.5G从SSD拖文件到电脑 | 1.588A | |||
| 单独接WiFi6 | 0.83A | 1.15A | 2.5G从电脑写文件到SSD | 1.668A | ||
| 外设全接 | 1.15A | 5G从网页下载文件到SSD | 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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