立创 CPSOe_Terminal：基于F1C100s/F1C200s与机械键盘的便携式Linux终端DIY全记录

立创 CPSOe_Terminal：基于F1C100s/F1C200s与机械键盘的便携式Linux终端DIY全记录

最近看到不少朋友对便携式Linux终端感兴趣，想自己动手做一个既能敲代码又有复古情怀的设备。正好，我之前用全志的F1C100s/F1C200s芯片，搭配一块定制的64键机械键盘，做了一个叫CPSOe_Terminal的小玩意儿。它不仅能跑完整的Debian系统，还能用LVGL做图形界面，算是一个集成度比较高的嵌入式综合项目。

今天，我就把这个项目的完整过程，从硬件设计到软件烧录，掰开揉碎了讲给你听。无论你是想复刻一个，还是想学习如何从零搭建一个嵌入式Linux系统，这篇记录都能给你提供一条清晰的路径。咱们不搞虚的，直接上干货。

1. 项目整体思路与硬件选型

这个项目的核心目标很明确：用一颗性价比高的国产芯片，驱动一块LCD屏幕，再配上一块手感好的键盘，做成一个能揣进口袋的Linux终端。

1.1 为什么选F1C100s/F1C200s？

首先得说说主控芯片。我选择了全志的F1C100s或F1C200s。这两款芯片可以看作是“孪生兄弟”，ARM9内核，主频跑个几百兆赫兹，用来跑一个轻量级的Linux系统（比如Debian）完全够用。最关键的是，它内置了内存（RAM），对于做这种小型设备来说，可以省掉一颗外置的DDR芯片，大大简化了PCB设计和焊接难度，成本也降下来了。对于DIY项目，简化就是王道。

1.2 系统的两大组成部分

整个项目可以清晰地分为两大块：

• 硬件部分：包括承载所有芯片和接口的“主板”，以及负责输入的“机械键盘”。
• 软件部分：就是跑在主板上的那一套系统，包括启动引导程序（U-Boot）、Linux内核、以及最终的Debian操作系统。

硬件是身体，软件是灵魂，两者都得搞定。下面，咱们就先从硬件的“身体”开始看起。

2. 硬件设计与版本迭代

硬件设计不是一蹴而就的，我这个项目也经历了从V1到V2的版本迭代，每一次改动都是为了更好用、更集成。

2.1 主板设计：从V1到V2的进化

V1版本：模块化设计，上手友好最初的思路是求稳、求简单。V1主板采用了模块化设计：

• 核心：直接使用了现成的“荔枝派Nano”核心板。这相当于别人已经把最复杂的芯片和内存部分做好了，我们只需要把它像插积木一样焊在主板上就行，大大降低了焊接门槛。
• Wi-Fi：使用了常见的ESP-12F模块（也就是ESP8266）。
• 电源：外接了一个独立的锂电池充电管理模块。

优点：焊接非常简单，基本上有把烙铁就能搞定，非常适合新手验证想法。缺点：集成度低，体积不好控制，外观上会显得比较“堆叠”。

注意：如果你使用V1方案，需要将荔枝派Nano核心板和ESP-12F模块上自带的Flash存储芯片拆掉，因为我们主板上有自己设计的Flash电路。

V2版本：高度集成，挑战升级有了V1的经验，V2版本的目标就是做“一体化”。

• 核心：不再使用核心板，而是直接把F1C100s/F1C200s芯片、SPI Flash、DDR内存等所有器件都设计在了一块主板上。
• 新增功能：加入了实时时钟（RTC）芯片，这样系统断电后时间也能继续走。
• 电源管理：充电管理电路也集成到了主板上。

优点：集成度高，体积可以做得更小巧、更规整，性能也更稳定。挑战：焊接难度飙升！F1C200s这类QFN封装的芯片，引脚在芯片底部，必须使用热风枪和锡膏进行焊接，对动手能力要求较高。

两个版本共用的关键部件：

• 电池：都使用505573规格的3.7V锂电池。这个型号代表了电池的尺寸（厚度5.0mm，宽度57mm，长度73mm），是比较常见的尺寸，容易购买。
• 外壳：V1和V2的外壳不兼容！因为主板布局和尺寸变了。打印外壳时，建议使用PLA或者ABS这类硬度较高的材料，保证结构强度。

下面是V2版本的组装效果图，可以看到所有芯片都集成在了一块板子上，非常紧凑： （此处原图展示了V2主板正反面的焊接效果，芯片布局规整，焊接点饱满）

2.2 键盘设计：打造专属输入体验

键盘是这台终端的灵魂，手感必须到位。我设计了一块64键的非标准直列（Ortholinear）机械键盘PCB。

• 主控：使用了经典的ATmega32U4-AU芯片。这颗芯片最大的好处是原生支持USB，可以被系统直接识别为USB键盘设备，无需额外驱动。而且它的封装（TQFP）引脚在四周，用烙铁细心点是可以手工焊接的。
• 轴体：支持标准的Cherry MX轴体（或兼容的五脚轴），你可以自由选择青轴、红轴等。
• 一个遗憾：由于PCB空间限制，空格键位没有预留安装“卫星轴”的孔位。卫星轴是用来稳定长按键（如空格、回车）手感，防止它晃动的。没有它，空格键手感可能会有点松垮，算是为了整体尺寸做的一个妥协。

焊接注意事项：

1. 二极管方向：每个键位都需要焊接一个二极管来实现“无冲”功能。二极管有正负极（阴极通常用一条色环标记），焊接时方向必须一致，否则键盘无法正常工作。
2. 外壳与键帽：项目的附件里提供了外壳和键帽的3D打印文件（.stl格式）。键帽是无刻印的，建议用光固化树脂打印，细节更好。你可以在网上购买键盘贴纸或者定制贴纸贴上去。

3. 软件栈搭建：让硬件“活”过来

硬件组装好只是完成了第一步，接下来要让系统跑起来。这套软件方案对V1和V2主板是通用的。

3.1 键盘固件：让电脑认识你的键盘

新焊接好的键盘PCB，里面的ATmega32U4芯片是“空”的，需要给它刷入固件程序。

1. 生成固件我使用的是开源的QMK固件。你可以访问 Keyboard Firmware Builder 这个在线工具。

• 根据我提供的键盘原理图，在网页上设置好按键矩阵（哪个按键对应哪两个引脚）。
• 配置完成后，工具会为你生成一个.hex格式的固件文件。我也已经把生成好的cpsoe64keyboard.hex文件上传到了项目附件中，你可以直接使用。

2. 烧录固件你需要用到QMK官方提供的烧录工具qmk_toolbox。

• 下载：可以通过国内的加速网站下载，例如https://ghproxy.com/https://github.com/qmk/qmk_toolbox/releases/download/0.2.2/qmk_toolbox_install.exe(版本可能更新，请以项目描述为准)。
• 操作：
  1. 打开QMK Toolbox，在右上角选择芯片型号为ATmega32U4。
  2. 点击“Open”按钮，选择刚才下载或生成的.hex固件文件。
  3. 用USB线连接你的键盘PCB到电脑。
  4. 点击 “Auto Flash”，此时工具会等待键盘进入烧录模式。对于全新的ATmega32U4，通常需要短接PCB上的“RESET”测试点（或按复位键）来触发。一旦检测到设备，烧录会自动开始。
  5. 烧录完成后，拔掉USB线再重新插入，电脑就应该能识别出一个新的键盘设备了。

3.2 主板系统：构建完整的Linux

这是最核心的部分，我们需要在TF卡上制作一个可以启动的Linux系统。

准备工作：

• 一张容量≥4G的TF卡。
• 一台Linux操作系统的电脑（可以是虚拟机）。因为很多操作命令在Linux下最方便。

制作步骤：

第一步：分区将TF卡插入电脑，假设它在系统中被识别为/dev/sdx（x是具体的字母，比如a、b，可以用sudo fdisk -l命令查看确认，操作前务必确认设备名，否则可能格式化错硬盘！）。

我们需要创建两个分区：

1. 第一个分区：大小32MB，格式化为FAT32文件系统。这个分区用来存放启动文件。
2. 第二个分区：用尽剩余空间，格式化为EXT4文件系统。这个分区是系统的根目录，存放所有程序和文件。

你可以使用fdisk或gparted图形工具来完成分区。

第二步：烧写U-BootU-Boot相当于这个嵌入式设备的“BIOS”，负责最基础的硬件初始化和加载内核。

• 进入存放有u-boot-sunxi-with-spl.bin文件的目录。
• 执行以下命令（再次确认/dev/sdx是你的TF卡！）：

  sudo dd if=u-boot-sunxi-with-spl.bin of=/dev/sdx bs=1024 seek=8

  这个命令会将U-Boot程序写入TF卡特定的位置。

第三步：复制启动文件将以下文件复制到TF卡的第一个FAT分区（挂载后的目录）：

• u-boot/boot.scr：U-Boot的启动脚本，告诉它去哪里加载内核。
• linux-5.7.1/arch/arm/boot/zImage：编译好的Linux内核镜像。
• linux-5.7.1/arch/arm/boot/dts/suniv-f1c100s-licheepi-nano.dtb：设备树文件，描述硬件的具体配置（比如用了哪些GPIO、屏幕型号等）。虽然项目名叫CPSOe_Terminal，但硬件基础与荔枝派Nano兼容，所以暂时使用它的设备树文件。

第四步：解压根文件系统根文件系统就是Debian系统的“血肉”，包含了从Shell命令到图形界面的所有程序。

• 将debian_rootfs.tar压缩包，解压到TF卡的第二个EXT4分区（挂载后的目录）。你可以用tar命令解压，注意保留文件权限。

至此，一张可以启动CPSOe_Terminal的系统卡就制作完成了。将TF卡插入主板，上电，你应该就能看到系统启动的日志，并最终进入Linux命令行或者图形界面（如果LVGL已配置好）。

4. 项目心得与后续

这个项目从画第一版原理图到V2版本调试完成，断断续续用了大半年时间。中间踩了不少坑，也学到了很多东西。

关于硬件：如果你刚开始接触嵌入式硬件，强烈建议从V1版本开始。模块化的设计能让你快速搭建起一个可工作的原型，获得正反馈，建立信心。等熟悉了整个系统的工作流程后，再挑战V2的焊接，会更有方向感。

关于软件：嵌入式Linux的学习曲线比较陡峭，但脉络是清晰的：U-Boot -> Linux内核 -> 设备树 -> 根文件系统 -> 应用。这个项目提供了一个完整的实践框架。我附件里提供的U-Boot、内核和文件系统都是调试好的，你可以直接使用。如果想深入学习，可以尝试自己下载源码，根据板子的实际情况修改设备树、编译内核。

项目当前状态：截至最近更新（2024年9月），V2主板已组装完成，基础功能（屏幕、USB、系统启动）已验证。像Wi-Fi（ESP8266）和声卡这类外设的驱动，可能还需要根据你的具体使用情况进行进一步的调试和适配。这正好也是嵌入式开发的常态——永远有可以优化和深挖的地方。

希望这份详细的记录能帮你打开DIY便携式Linux终端的大门。最重要的是动手去做，遇到问题就去查资料、去社区提问。享受从无到有创造出一个能工作的设备的乐趣吧！