CM4 Carrier PCB

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Übersicht

Trägerplatine für das Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4). Das CM4 steckt über zwei 100-Pin Hirose-DF40C-Connectoren auf dem Carrier und bringt CPU, RAM, optional eMMC sowie Schnittstellen (Ethernet, USB, I²C, UART, GPIO) mit. Der Carrier macht die genutzten Schnittstellen physisch zugänglich:

• Ethernet (Gigabit) — RJ45 mit integrierten Magnetics (HR911130A) für LAN-Anbindung.
• microSD — Boot-Medium für eMMC-less CM4-Varianten („lite”) sowie Test-/Entwicklungs-Builds.
• USB-Host — über den Bus-Stecker zum BusBoard → FE1.1s-Hub → 4 Modul-Slots.
• I²C — über den Bus-Stecker zum PowerBoard (Lesen der INA226-Messwerte).
• UART-Debug — 3-Pin-Header J102 direkt für seriellen Konsolen-Zugriff (siehe „Debug-Header” unten).
• rpiboot — Flash-Pin (nRPIBOOT) ist auf den Bus-Stecker geführt; wird im DeviceTester per manuell gesetztem Jumper am 4-Pin Flash-Header (J202) auf GND gezogen, um den CM4 in den Flash-Modus zu versetzen.

Block-Diagramm

flowchart LR
    CM4["CM4<br/>(2× DF40C-100DS)"]
    CM4 <-->|"MDI (4× TRD)"| ESDeth["TPD4EUSB30 ×2<br/>(MDI ESD)"]
    ESDeth <--> RJ45["HR911130A<br/>RJ45 + Magnetics"]
    CM4 <-->|"SD bus"| SD["microSD<br/>(TF-01A)"]
    CM4 -->|"SD_PWR_ON"| LS["RT9742<br/>Load-Switch"]
    LS -->|"+3V3 gated"| SD
    CM4 -->|"LED_nPWR"| Buf["SN74LV1T34<br/>Buffer"]
    Buf --> LEDp["Power-LED D202"]
    CM4 -->|"LED_nACTIVITY"| LEDa["Activity-LED D201"]

    CM4 -->|"USB D+/D-, USB_ID, I²C, nRPIBOOT"| Bus["Bus-Stecker J101"]

    UART(["UART RXD0 / TXD0"]) <--> CM4
    UART --> J102["J102 Debug-Header"]

    Bus -.->|"USB Host"| BB["BusBoard → FE1.1s → 4 Slots"]
    Bus -.->|"I²C (SDA/SCL)"| PB["PowerBoard (INA226)"]
    Bus -.->|"nRPIBOOT"| DT["DeviceTester (zum Flashen)"]

CM4-Varianten-Kompatibilität

Variante	Unterstützt	Zweck
eMMC (alle RAM-Größen)	✅	Produktiv-Betrieb — Boot vom internen eMMC
eMMC-less / „lite” (alle RAM-Größen)	✅	Test/Entwicklung — Boot von microSD
Wifi-Variante	❌	nicht vorgesehen — keine Antennen-Anbindung auf dem Carrier

Auf diesem Carrier ist kein Mix-and-Match möglich — das jeweils andere Boot-Medium ist hardware-seitig nicht erreichbar:

• eMMC-Varianten booten immer vom eMMC. Der CM4 verbindet seinen MMC1-Bus intern fest mit dem eMMC; der externe microSD-Slot dieses Carriers ist physisch nicht angeschlossen.
• lite-Varianten booten immer vom microSD-Slot. Hier ist MMC1 auf den externen SD-Pfad geführt; ein eMMC ist nicht bestückt.

Die rpi-eeprom-config-Boot-Order ist zwar grundsätzlich auf CM4-Ebene konfigurierbar — auf diesem Carrier hat sie aber keinen Effekt, weil das alternative Boot-Medium physisch nicht erreichbar ist.

Steckverbinder

Bezeichner	Typ	Funktion
J101	20-Pin (Hirose PCN10C-20S-2.54DS — weibliche Buchse, paart mit dem PCN10-20P-Stift-Header auf dem BusBoard)	Bus-Anschluss zum BusBoard. Versorgung (+5V/+12V/GND), USB-Host, I²C, USB_ID, nRPIBOOT.
J102	3-Pin Header (2.54 mm Raster)	UART-Debug. Pin 1 = GND, Pin 2 = RXD0, Pin 3 = TXD0. Pin-1-Lage im Silkscreen noch nicht markiert — siehe Issue #3.
J201, J202	2× DF40C-100DS-0.4V_51_	CM4-Footprint (Board-to-Board, 0.4 mm Raster, 100 Pin pro Stecker).
J301	HR911130A RJ45	Gigabit Ethernet inkl. Magnetics + Link/Activity-LEDs.

Bus-Stecker J101 — Lokale Pin-Numerierung

Achtung: Die Pin-Numerierung auf dem Carrier ist gespiegelt ggü. der Bus-Seite (BusBoard’s J201 Pin a1 mated mit CM4Carrier’s J101 Pin a10 etc.). Physikalisch passt’s; die Signale stimmen überein. Für die kanonische Bus-Pinbelegung siehe BusBoard.

Carrier-eigene Sicht auf J101:

Pin	Net	Pin	Net
a1	+12V	b1	+12V
a2	+12V	b2	+12V
a3	GND	b3	GND
a4	+5V	b4	+5V
a5	+5V	b5	+5V
a6	USB D+	b6	USB D-
a7	NC	b7	NC
a8	I²C SDA	b8	USB_ID
a9	I²C SCL	b9	nRPIBOOT
a10	GND	b10	GND

Auf dem Carrier verbaute Komponenten

Bauteil	Funktion
RT9742GGJ5 (U401)	Load-Switch / Strombegrenzer. Steuert die Versorgung der microSD-Karte (Eingang SD_PWR_ON vom CM4 → Ausgang gefilterte +3V3 zur SD-Karte). Erlaubt SD-Power-Cycle vom CM4.
SN74LV1T34DBV (U201)	Single-Buffer / Level-Shifter (3.3 V). Treibt die Power-LED aus dem CM4-Signal LED_nPWR heraus — entkoppelt von schwachen CM4-Boot-Pin-Treibstärken.
2× TPD4EUSB30 (U301, U302)	ESD-Schutz für die vier Ethernet-MDI-Differential-Paare (ETH_TRD0/1/2/3_P/N) zwischen CM4-PHY und RJ45-Magnetics. Trotz des „USB30”-Namens ein generischer 4-Kanal-TVS, hier auf den Ethernet-Linien verschaltet.
D201 (Activity-LED)	Direkt vom CM4-Pin LED_nACTIVITY via Vorwiderstand (R201). Blinkt bei eMMC- oder SD-I/O.
D202 (Power-LED)	Über den SN74LV1T34-Buffer vom CM4-Pin LED_nPWR. Leuchtet sobald der CM4 läuft.

Hinweis: Der Carrier hat keine eigenen I²C-Slaves. Der I²C-Bus wird unverändert zwischen CM4 und BusBoard durchgereicht; die einzigen I²C-Devices in der Remote Station sind die zwei INA226 auf dem PowerBoard (0x40 und 0x41).

Versorgung

Rail	Quelle	Verbrauch
+5V	Bus-Stecker (vom PowerBoard)	< 1 A typ. (kein HDMI angeschlossen)
+3V3	CM4-intern (am DF40C verfügbar)	für lokale Logik: SN74LV1T34, RT9742, RJ45-LEDs
+12V	Bus durchgeschleift	nicht direkt vom Carrier genutzt

Debug-Header (J102)

3-Pin-Stiftleiste, 2.54 mm Raster:

Pin	Signal	Beschreibung
1	GND	Masse-Referenz
2	RXD0	UART RX vom CM4 (PC sendet hier hinein)
3	TXD0	UART TX vom CM4 (PC empfängt hier)

Pin-1-Lage im Silkscreen ist auf der aktuellen Revision NICHT markiert (Issue #3) — Schaltplan zu Rate ziehen oder die Adapter-Pinbelegung kurz mit einem Multimeter gegen GND verifizieren bevor angeschlossen wird.

Standard UART-Parameter des CM4-Bootloaders + Raspberry Pi OS: 115200 8N1 (sofern in config.txt / cmdline.txt nicht überschrieben).

rpiboot-Workflow (CM4 flashen)

Der CM4-Carrier hat keinen eigenen rpiboot-Jumper. Stattdessen sind die zwei dafür nötigen Pins (nRPIBOOT und USB_OTG_ID) auf den Bus-Stecker geführt (J101 b9 und J101 b8). Auf dem DeviceTester werden sie über den 4-Pin Flash-Header J202 manuell per Jumper gesetzt — beide Pins nebeneinander mit jeweils GND bzw. +5V als Nachbar:

• nRPIBOOT → GND (Pin 2 ↔ Pin 1): versetzt den CM4 nach Power-Up in den USB-Boot-Modus statt vom eMMC zu booten.
• USB_OTG_ID → +5V (Pin 3 ↔ Pin 4): schaltet die USB-Schnittstelle in den Device-Mode (CM4 als USB-Gerät, PC als Host).

Ablauf:

1. CM4 in den Carrier einsetzen, Carrier in den DeviceTester (Bus-Stecker J101 ↔ DeviceTester J203) einsetzen.
2. Auf dem DeviceTester am 4-Pin-Header J202 beide Jumper setzen — Pin 1↔2 (nRPIBOOT auf GND) und Pin 3↔4 (USB_OTG_ID auf +5V).
3. DeviceTester per USB-C mit dem PC verbinden (J201).
4. rpiboot auf dem PC starten — der CM4 erscheint als USB-Mass-Storage-Device (eMMC-Variante) bzw. erlaubt einen direkten Image-Schreib-Vorgang.
5. Nach Abschluss: Jumper am DeviceTester wieder abziehen, sonst bootet der Carrier beim nächsten Power-Up wieder in den rpiboot-Mode statt regulär.

⚠️ Funktioniert nur mit der eMMC-Variante des CM4 — eMMC-less / lite-CM4s booten ohnehin von SD und brauchen keinen Flash-Schritt; einfach SD-Karte mit dem Image bestücken.

Bringup

Nach Bestückung und mit eingesetztem CM4:

1. Optisch: Power-LED D202 muss kurz nach Anlegen von +5V leuchten. Wenn nicht: prüfen ob CM4 korrekt sitzt und der eMMC-Variantenwahl entspricht (lite-Variante ohne SD-Karte hat nichts zum Booten).
2. Activity-LED: D201 blinkt unregelmäßig sobald der CM4 mit dem eMMC/SD redet.
3. Ethernet: RJ45 einstecken — beide LEDs am Stecker (Link gelb, Activity grün) sollten passend zur Netzwerklage aufleuchten.
4. UART-Konsole: USB-TTL-Adapter (3.3 V Level!) an J102 (GND/RX/TX) anschließen, 115200 8N1 → CM4-Bootloader + Linux-Boot sichtbar.
5. I²C-Sanity: vom CM4 i2cdetect -y 1 ausführen → die zwei INA226-Adressen 0x40 und 0x41 aus dem PowerBoard müssen ACK geben.

Verwandte Module

• BusBoard — nimmt den USB-Host des CM4 entgegen und verteilt ihn als 4-Port-Hub auf die Modulslots.
• PowerBoard — speist +5V/+12V via Bus ein; INA226 werden vom CM4 per I²C ausgelesen.
• DeviceTester — zieht nRPIBOOT für rpiboot-Mode auf GND und stellt USB-C zum Flash-PC bereit.

Daten

• Schaltplan
• BOM
• iBOM
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• JLCPCB Bom
• JLCPCB Pick&Place