在大模型、AI 芯片和多核服务器不断“卷”硬件性能的时代,是否还有人愿意回到极简主义的硬件设计,去探索最小系统的可能性?本篇文章讲述了一位开发者如何用仅仅三个 8 引脚芯片,打造出一台可运行 Linux 的迷你电脑,他不仅开源了所有硬件原理图和固件代码,还详细介绍了从烧录、启动到扩展使用的全过程。
长期以来,我一直在尝试用最少的组件构建一台能运行 Linux 的微型计算机。我也尝试过极限简化和各种有趣的形态设计,而这次我想做一次新的尝试:用最简单的方式,即只用三个 8 引脚芯片,来组装出一台可运行 Linux 的迷你电脑套件。
设计一台“最小化”的极简电脑
(1)初步构思
曾几何时,人们可以买到 DIY 套件,然后自己在家中亲手组装出一台能与市售计算机媲美的设备——可如今,这样的时代早已一去不返。
现在的计算机由成百上千颗复杂的大型芯片构成,这些芯片不仅没有公开的数据手册,还通过复杂的电源传输拓扑结构供给数百瓦的电力。而现代操作系统对硬件的要求也愈发苛刻:GB 级别的 RAM、TB 级别的存储空间、始终在线的网络连接……简直像是为了“更好地监控你”而生。
那么问题来了:如果想在家就能动手组装一台现代计算机,可能吗?我认为,只要能运行 Debian Linux、能用 vi 编辑器、能用 gcc 编译器并能执行 make 命令,就已经够“现代”了——于是这成为了我的目标。
基于我之前的探索,我知道这其实并不需要太高的配置:8MB 内存 + 1 MIPS(百万条指令每秒)的处理能力就足够了。存储方面更简单,SD 卡早就能轻松满足容量需求。虽然现在的电脑大多没有串口了,但对于嵌入式系统来说,串口仍是最简单的接口方式,用 USB 转串口即可代替传统串口。
因此,最终我设定的目标如下:至少 8MB 的 RAM、至少 1 MIPS 的处理能力、SD 卡存储、USB 接口(用于串口通信)。
在硬件设计方面,我希望能设计出一种在家也能轻松焊接组装的计算机,让焊接经验几乎为零、仅拥有一把 RadioShack 45W 电烙铁的人也能做到。整机要小巧、可爱且低成本。为了降低焊接难度,我决定只使用 8 引脚芯片,这本身也是一次趣味挑战。由于每颗芯片至少要保留电源和地线引脚,剩下最多只能用 6 个引脚来实现功能。这一限制对整个电路设计影响非常大,也造成了很多局限。
在外形上,我决定将其设计为一个小巧的圆形电路板,在顶部边缘设置一个 USB-C 接口,如下图所示。这就是最终能正常工作的版本,也确实是我亲手用 RadioShack 45W 电烙铁焊接完成的!
(2)零件选择
事实上,能支持 USB 通信的 8 引脚芯片几乎没有,不过勉强说的话,应该有“一种半”。
第一种是真正可用的解决方案:PL2303GL。这是一款非常小巧、实用的 USB 转串口桥接芯片,无需任何外部元器件,还能额外输出 100mA 的 3.3V 稳压电压,非常方便!它的表现完全符合预期,我个人非常喜欢。Prolific 官方也为几乎所有主流和小众操作系统都提供了驱动支持。唯一稍微麻烦一点的是,在 macOS 上,这些驱动程序需要从 App Store 安装,但整个过程也还算简单。需要一提的是,它的前代型号 PL2303SA 其实也可以用,但由于它已经停止生产(EOL),因此我并不推荐。