Compute Module 4S — характеристики и сфера применения

Raspberry Pi Compute Module 4S (CM4S) — вычислительный модуль на базе архитектуры Raspberry Pi 4, предназначенный прежде всего для промышленных и встраиваемых устройств. Его главное отличие от обычного Compute Module 4 — сохранение 200-контактного форм-фактора DDR2 SODIMM, который использовался в CM1, CM3 и CM3+.

CM4S позволяет перенести вычислительную часть существующего проекта с CM3 или CM3+ на значительно более производительный Broadcom BCM2711, сохранив механический форм-фактор. При этом это не обычный модуль памяти: Raspberry Pi прямо указывает, что CM4S механически совместим с DDR2 SODIMM, но электрически не совместим со стандартом DDR2 SODIMM. При модернизации старой платы-носителя также необходимо учитывать изменения в питании и периферийных интерфейсах.

CM4S выпускается с 1, 2, 4 или 8 ГБ LPDDR4-3200 с ECC и с eMMC объёмом 8, 16, 32 или 64 ГБ. Также существует версия CM4SLite без встроенной eMMC. В апреле 2024 года Raspberry Pi расширила линейку CM4S вариантами с 2, 4 и 8 ГБ памяти; первоначально был доступен вариант с 1 ГБ.

Основные характеристики Compute Module 4S

• SoC: Broadcom BCM2711
• CPU: 4 ядра ARM Cortex-A72, 1,5 ГГц, ARMv8 64-bit
• GPU: Broadcom VideoCore VI
• ОЗУ: 1 / 2 / 4 / 8 ГБ LPDDR4-3200 с ECC
• eMMC: 0 ГБ (CM4SLite), 8 / 16 / 32 / 64 ГБ
• USB: 1 × USB 2.0 High Speed до 480 Мбит/с
• GPIO: 46 линий
• HDMI: 1 × HDMI 2.0, до 4Kp60
• MIPI DSI: 1 × 2-lane и 1 × 4-lane интерфейс
• MIPI CSI-2: 1 × 2-lane и 1 × 4-lane интерфейс
• Composite: аналоговый видеовыход PAL/NTSC
• Wi-Fi/Bluetooth: отсутствуют
• PCIe: отсутствует
• Форм-фактор: 200-контактный DDR2 SODIMM
• Размеры: 67,6 × 31 мм
• Питание: VBAT 2,5–5,25 В и шина +3,3 В
• Рабочая температура: −20…+85 °C без конденсации
• Энергопотребление: около 1,5 Вт в простое и около 7 Вт при нагрузке, в зависимости от конфигурации
• Срок производства: Raspberry Pi заявляет выпуск как минимум до января 2034 года

Технические характеристики

Процессор и SoC

В основе CM4S находится Broadcom BCM2711 — тот же SoC, который используется в Raspberry Pi 4 Model B и Compute Module 4. Процессор содержит четыре ядра ARM Cortex-A72 архитектуры ARMv8 и работает на частоте до 1,5 ГГц.

По вычислительной части CM4S существенно превосходит CM3 и CM3+, сохраняя их привычный механический формат. Raspberry Pi позиционирует модуль именно как вариант перехода с CM3/CM3+ на BCM2711.

Графика и мультимедиа

За графику отвечает VideoCore VI. Модуль поддерживает аппаратное декодирование H.265/HEVC до 4Kp60, декодирование H.264 до 1080p60 и аппаратное кодирование H.264 до 1080p30. Поддерживается OpenGL ES 3.0.

Для подключения дисплея предусмотрен один интерфейс HDMI 2.0 с поддержкой разрешений до 4Kp60. Дополнительно доступны два интерфейса MIPI DSI — двухлинейный и четырёхлинейный.

Оперативная память

CM4S выпускается с 1, 2, 4 или 8 ГБ LPDDR4-3200 SDRAM с ECC. Более ёмкие варианты памяти — 2, 4 и 8 ГБ — были добавлены Raspberry Pi в апреле 2024 года.

eMMC и загрузка

Доступны версии со встроенной eMMC 8, 16, 32 или 64 ГБ. Вариант без eMMC называется CM4SLite. Для него доступен интерфейс SDIO 2.0, который позволяет реализовать внешнее хранилище на плате-носителе.

Для обычных CM4S с установленной eMMC соответствующие линии используются встроенным накопителем. Заявленная пиковая пропускная способность eMMC составляет до 100 МБ/с.

USB

На CM4S выведен один интерфейс USB 2.0 High Speed с сигнальной скоростью до 480 Мбит/с. В отличие от CM4, USB 3.0 отсутствует.

Интерфейс может использоваться в режиме USB Host или USB Device/OTG при соответствующей реализации на плате-носителе и настройке программного обеспечения. По умолчанию USB-интерфейс в прошивке может быть отключён для снижения энергопотребления.

Ethernet, Wi-Fi и Bluetooth

Встроенного Ethernet, Wi-Fi и Bluetooth у CM4S нет. Это важное отличие от обычного CM4. Сетевое подключение в готовом устройстве зависит от схемотехники платы-носителя и может быть реализовано отдельным контроллером или адаптером.

В некоторых старых публикациях для CM4S встречается значение около 350 Мбит/с Ethernet, однако актуальная официальная документация Raspberry Pi не указывает такую встроенную сетевую возможность для CM4S. В официальном документе по переходу с CM1/CM3 Ethernet для CM4S указан как отсутствующий интерфейс модуля.

PCIe

В отличие от Compute Module 4, CM4S не предоставляет PCIe. Поэтому PCIe NVMe-накопитель или другое PCIe-устройство нельзя подключить к CM4S так же, как к CM4.

GPIO и периферия

На 200-контактный разъём выведено 46 GPIO — GPIO0…GPIO45. 28 из них соответствуют GPIO, знакомым по 40-контактному разъёму Raspberry Pi 4 Model B. Остальные линии расширяют доступный набор периферии и интерфейсов.

GPIO поддерживают уровни 1,8 В или 3,3 В в зависимости от напряжения соответствующего банка. Доступны альтернативные функции UART, I²C, SPI, PWM, PCM, DPI, SMI, GPCLK и другие функции BCM2711.

Распиновка GPIO

GPIO	SODIMM pin	Основные альтернативные функции
GPIO0	3	SDA0, SA5, PCLK, SPI3_CE0_N, TXD2, SDA6
GPIO1	5	SCL0, SA4, DE, SPI3_MISO, RXD2, SCL6
GPIO2	9	SDA1, SA3, LCD_VSYNC, SPI3_MOSI, CTS2, SDA3
GPIO3	11	SCL1, SA2, LCD_HSYNC, SPI3_SCLK, RTS2, SCL3
GPIO4	15	GPCLK0, SA1, DPI_D0, SPI4_CE0_N, TXD3, SDA3
GPIO5	17	GPCLK1, SA0, DPI_D1, SPI4_MISO, RXD3, SCL3
GPIO6	21	GPCLK2, DPI_D2, SPI4_MOSI, CTS3, SDA4
GPIO7	23	SPI0_CE1_N, DPI_D3, SPI4_SCLK, RTS3, SCL4
GPIO8	27	SPI0_CE0_N, SD0, DPI_D4, TXD4, SDA4
GPIO9	29	SPI0_MISO, SD1, DPI_D5, RXD4, SCL4
GPIO10	33	SPI0_MOSI, SD2, DPI_D6, CTS4, SDA5
GPIO11	35	SPI0_SCLK, SD3, DPI_D7, RTS4, SCL5
GPIO12	45	PWM0_0, SD4, DPI_D8, TXD5, SDA5
GPIO13	47	PWM0_1, SD5, DPI_D9, RXD5, SCL5
GPIO14	51	TXD0, SD6, DPI_D10, CTS5, TXD1
GPIO15	53	RXD0, SD7, DPI_D11, RTS5, RXD1
GPIO16	57	CTS0, SD8, DPI_D12, SPI1_CE2_N, CTS1
GPIO17	59	RTS0, SD9, DPI_D13, SPI1_CE1_N, RTS1
GPIO18	63	PCM_CLK, SD10, DPI_D14, SPI6_CE0_N, SPI1_CE0_N, PWM0_0
GPIO19	65	PCM_FS, SD11, DPI_D15, SPI6_MISO, SPI1_MISO, PWM0_1
GPIO20	69	PCM_DIN, SD12, DPI_D16, SPI6_MOSI, SPI1_MOSI, GPCLK0
GPIO21	71	PCM_DOUT, SD13, DPI_D17, SPI6_SCLK, SPI1_SCLK, GPCLK1
GPIO22	75	SD0_CLK, SD14, DPI_D18, SD1_CLK, ARM_TRST, SDA6
GPIO23	77	SD0_CMD, SD15, DPI_D19, SD1_CMD, ARM_RTCK, SCL6
GPIO24	81	SD0_DAT0, SD16, DPI_D20, SD1_DAT0, ARM_TDO, SPI3_CE1_N
GPIO25	83	SD0_DAT1, SD17, DPI_D21, SD1_DAT1, ARM_TCK, SPI4_CE1_N
GPIO26	87	SD0_DAT2, DPI_D22, SD1_DAT2, ARM_TDI, SPI5_CE1_N
GPIO27	89	SD0_DAT3, DPI_D23, SD1_DAT3, ARM_TMS, SPI6_CE1_N
GPIO28	28	SDA0, SA5, PCM_CLK, MII_A_RX_ERR, RGMII_MDIO
GPIO29	30	SCL0, SA4, PCM_FS, MII_A_TX_ERR, RGMII_MDC
GPIO30	34	SA3, PCM_DIN, CTS0, MII_A_CRS, CTS1
GPIO31	36	SA2, PCM_DOUT, RTS0, MII_A_COL, RTS1
GPIO32	46	GPCLK0, SA1, TXD0, SD_CARD_PRES, TXD1
GPIO33	48	SA0, RXD0, SD_CARD_WRPRO, RXD1
GPIO34	52	GPCLK0, SOE_N/SE, SD1_CLK, SD_CARD_LED, RGMII_IRQ
GPIO35	54	SPI0_CE1_N, SWE_N/SRW_N, SD1_CMD, RGMII_START_STOP
GPIO36	58	SPI0_CE0_N, SD0, TXD0, SD1_DAT0, RGMII_RX_OK, MII_A_RX_ERR
GPIO37	60	SPI0_MISO, SD1, RXD0, SD1_DAT1, RGMII_MDIO, MII_A_TX_ERR
GPIO38	64	SPI0_MOSI, SD2, RTS0, SD1_DAT2, RGMII_MDC, MII_A_CRS
GPIO39	66	SPI0_SCLK, SD3, CTS0, SD1_DAT3, RGMII_IRQ, MII_A_COL
GPIO40	70	PWM1_0, SD4, SD1_DAT4, SPI0_MISO, TXD1
GPIO41	72	PWM1_1, SD5, SD1_DAT5, SPI0_MOSI, RXD1
GPIO42	76	GPCLK1, SD6, SD1_DAT6, SPI0_SCLK, RTS1
GPIO43	78	GPCLK2, SD7, SD1_DAT7, SPI0_CE0_N, CTS1
GPIO44	82	GPCLK1, SDA0, SDA1, SPI0_CE1_N, SD_CARD_VOLT
GPIO45	84	PWM0_1, SCL0, SCL1, SPI0_CE2_N, SD_CARD_PWR0

UART и последовательный интерфейс

Отдельного физического разъёма Debug UART на CM4S нет. Последовательные интерфейсы выводятся через SODIMM-разъём в составе общего набора GPIO.

В частности, GPIO14 может использоваться как TXD0, а GPIO15 — как RXD0. Дополнительно BCM2711 предоставляет до шести UART и соответствующие альтернативные функции на других GPIO.

MIPI CSI-2

Для камер доступны два интерфейса MIPI CSI-2: один двухлинейный и один четырёхлинейный. Сигналы обоих интерфейсов выведены непосредственно на 200-контактный разъём и могут быть подключены к FPC-разъёмам на плате-носителе.

MIPI DSI

Для дисплеев предусмотрены один 2-lane MIPI DSI и один 4-lane MIPI DSI. Это позволяет проектировать собственные платы-носители с различными типами дисплейных интерфейсов.

HDMI

CM4S имеет один выход HDMI 2.0 с поддержкой разрешений до 4Kp60. Видеосигналы HDMI также выведены через SODIMM-разъём и требуют соответствующей схемы на плате-носителе.

Питание

CM4S не имеет отдельного пользовательского разъёма питания. Питание подаётся через SODIMM-разъём с платы-носителя.

Для работы модуля требуется VBAT в диапазоне 2,5–5,25 В и шина +3,3 В с рабочим диапазоном 3,15–3,45 В. В отличие от более старых Compute Module, отдельная внешняя линия +1,8 В для работы CM4S больше не требуется, хотя её можно сохранить на старой плате-носителе для обратной совместимости.

Энергопотребление

Согласно актуальному даташиту Raspberry Pi, типичное энергопотребление CM4S составляет около 1,5 Вт в режиме простоя и около 7 Вт при рабочей нагрузке. Реальное потребление зависит от используемой конфигурации и периферии.

Охлаждение и температура

Диапазон рабочих температур CM4S составляет −20…+85 °C без конденсации. При повышении температуры BCM2711 автоматически снижает частоту, чтобы удерживать температуру кристалла ниже 85 °C.

Размеры и конструкция

Физические размеры CM4S составляют 67,6 × 31 мм. Модуль использует 200-контактный SODIMM-механизм и имеет два крепёжных отверстия.

При этом CM4S нельзя вставлять в обычный слот оперативной памяти DDR2. Совместимость с DDR2 SODIMM относится к механическому форм-фактору, а электрическая распиновка полностью другая.

Интерфейсы и разъёмы

Физически CM4S имеет один 200-контактный SODIMM-разъём. Именно через него проходят питание, GPIO, HDMI, USB, MIPI CSI, MIPI DSI, сигналы eMMC и другие интерфейсы.

В отличие от обычного Compute Module 4, у CM4S нет двух 100-контактных высокоплотных разъёмов. Поэтому набор доступных интерфейсов отличается, а PCIe и беспроводная связь отсутствуют.

Совместимость с CM3 и CM3+

CM4S создавался специально для проектов, использующих CM1, CM3 и CM3+ и соответствующий SODIMM-формат. Raspberry Pi рассматривает CM4S как путь перехода на BCM2711 без смены механического форм-фактора.

Однако при такой замене нельзя ограничиваться простой проверкой разъёма. Между CM3/CM3+ и CM4S существуют аппаратные различия, включая изменения питания, GPIO и доступных функций. Поэтому существующую плату-носитель необходимо проверить по принципиальной схеме и требованиям CM4S.

Операционные системы

• Raspberry Pi OS — основная официальная программная платформа для CM4S;
• Linux — другие системы на базе ядра Linux могут использовать BCM2711, но конкретная поддержка зависит от платы-носителя, загрузчика и используемого образа.

Возможности и особенности

• форм-фактор 200-pin SODIMM, совместимый по механике с CM1/CM3/CM3+;
• процессор BCM2711 с четырьмя ядрами Cortex-A72 на частоте до 1,5 ГГц;
• до 8 ГБ LPDDR4-3200 с ECC;
• до 64 ГБ встроенной eMMC;
• 46 GPIO с возможностью работы при 1,8 или 3,3 В;
• HDMI 2.0 до 4Kp60;
• два интерфейса MIPI DSI и два интерфейса MIPI CSI-2;
• USB 2.0 High Speed;
• расширенный диапазон рабочих температур −20…+85 °C;
• официально заявленный срок производства как минимум до января 2034 года.

Для чего подходит Compute Module 4S

CM4S в первую очередь рассчитан на промышленные и коммерческие устройства, где уже существует плата-носитель под CM3 или CM3+ и требуется существенно повысить вычислительную производительность без перехода на другой механический формат.

Типичные сценарии включают промышленную автоматику, панели управления, специализированные терминалы, встраиваемые контроллеры, оборудование с дисплеями и камерами, а также другие устройства с длительным жизненным циклом.

Преимущества

• современный BCM2711 в форм-факторе CM3/CM3+;
• до 8 ГБ оперативной памяти вместо 1 ГБ у CM3+;
• до 64 ГБ eMMC;
• HDMI до 4Kp60;
• 46 GPIO и большое количество альтернативных функций;
• широкий диапазон рабочих температур;
• долгий заявленный жизненный цикл производства.

Ограничения

По сравнению с обычным CM4 Compute Module 4S имеет более ограниченный набор высокоскоростных интерфейсов.

• нет PCIe;
• нет встроенных Wi-Fi и Bluetooth;
• нет встроенного Ethernet;
• только USB 2.0;
• только один HDMI вместо двух HDMI-интерфейсов CM4;
• для работы требуется плата-носитель.

Compute Module 4S и похожие модули

Главными вариантами для сравнения являются Compute Module 4, построенный на том же BCM2711, и более старый Compute Module 3+, использующий тот же механический SODIMM-формат.

Характеристика	CM4S	CM4	CM3+
SoC	BCM2711	BCM2711	BCM2837B0
CPU	4× Cortex-A72, 1,5 ГГц	4× Cortex-A72, 1,5 ГГц	4× Cortex-A53, 1,2 ГГц
GPU	VideoCore VI	VideoCore VI	VideoCore IV
RAM	1/2/4/8 ГБ	1/2/4/8 ГБ	1 ГБ
eMMC	0/8/16/32/64 ГБ	0/8/16/32/64 ГБ	0/8/16/32/64 ГБ
Ethernet	Нет	Gigabit Ethernet	Нет
USB	1× USB 2.0	USB 2.0 + USB 3.0	1× USB 2.0
PCIe	Нет	Есть	Нет
Wi-Fi/BT	Нет	Опционально	Нет
HDMI	1× HDMI 2.0	2× HDMI 2.0	1× HDMI 1.3a
GPIO	46	28 доступных GPIO	до 48 GPIO
Разъём	200-pin SODIMM	2×100-pin	200-pin SODIMM

Таким образом, CM4S занимает промежуточную позицию: по процессору и памяти он близок к CM4, но по физическому формату и набору доступных интерфейсов ориентирован на проекты предыдущего поколения CM1/CM3/CM3+.

Заключение

Raspberry Pi Compute Module 4S — промышленный вычислительный модуль на базе BCM2711, созданный для проектов, которым нужен уровень производительности Raspberry Pi 4 при сохранении 200-контактного SODIMM-формата.

Главное достоинство CM4S — возможность перейти с CM3 или CM3+ на более современную платформу без смены механического форм-фактора. При этом необходимо учитывать, что электрические и функциональные различия между поколениями требуют проверки существующей платы-носителя.

По сравнению с обычным CM4 модуль имеет более ограниченный набор интерфейсов: нет PCIe, Wi-Fi, Bluetooth и встроенного Ethernet, а USB работает только в режиме USB 2.0. Зато CM4S предлагает до 8 ГБ LPDDR4 с ECC, до 64 ГБ eMMC, HDMI 2.0, MIPI CSI/DSI и 46 GPIO.

Материалы

• Официальная страница Raspberry Pi Compute Module 4S
• Официальный даташит Compute Module 4S
• Официальная документация Raspberry Pi Compute Module
• Документ Raspberry Pi по переходу с CM1/CM3 на CM4S
• Официальный анонс вариантов CM4S с 2, 4 и 8 ГБ RAM