BeagleBone Blackのハードウエア不具合

BBB (BeagleBone Black、以下同様) を起動しようとしたとき、電源LEDが点灯するだけで起動しない事が稀にある。またこれよりも少し頻度が高いのだが、起動しても時々イーサネットが有効にならないことがある。後者の症状は以下のようなものだ。

• 物理層のリンクが上がらない (RJ-45のLEDが全く点灯しない)
• 物理リンクするがDHCPからアドレスを取得できない

気付いていないだけで他の症状もあるかもしれないが、いずれにせよイーサネット経由のネットワーク接続が使えないことに変わりは無い。そんなに頻繁に起こるわけではないし、再起動すると直っていたので放置していた。最近2回再起動しても直らない場合が発生したので調べてみたら、どちらも既知の問題として話題に上がっていることがわかった。

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既知の問題

キーワード「beaglebone black ethernet phy」でGoogle検索するとBBBの開発者が参加していると思われるGoogle Groupsのスレッドがいくつか見つかる。一番最近に開始されたと思われるスレッドを見ると、私が経験した2つの現象はシステムリセットの問題が共通の原因と捉えられているようだ。なるほど、これは一理ある。

過去のスレッドを見ると、去年5月23日初出のスレッドはなんとなく尻切れトンボになっている。また8月1日に開始されたスレッドは10月29日に「Best answer -- RESOLVED:」が出たが、11月27日に最初に紹介したスレッドが始まっていて、結局未だ解決策も回避策も提案されていない状態 (no solution/workaround for this specific problem being suggested)、と言う事だ (2013年11月27日時点)。

解決策

11月27日に始まったスレッドにAndrewTaneGlenは「C24とC30を取り除くと1,000回電源をon/offしても1回も問題が発生しなかった」と12月9日付けで発言している。多分これは私の持っているのと同じRev. A5Cについての事で、

SYS_RESETn信号とグランドの間に入っているコンデンサーを指しているようだ。これはおそらくRESETスイッチのチャタリング防止の目的だと思う。C30は同じ信号のJTAGヘッダー近くに入っている。

SYS_RESETn信号はAM3359の他にイーサネットトランシーバーLAN8710Aにも供給されている。

C24およびC30が入った状態だとSYS_RESETn信号は約10msかけてゆっくり立ち上がるが、取り除くと立ち上がり時間は1µs以下になるハズだ。

これらのコンデンサーを取り除くと問題が解決するのなら、問題の原因はこう言うことらしい。

SYS_RESETn信号に接続されているAM3359のnRESETIN_OUT端子はリセット入力であると同時に、オープンドレイン形式のリセット出力端子でもある。PORz (Power On Reset) 端子がLレベルの間はnRESETIN_OUT端子もLレベルに固定されている。PORz端子がHレベルに遷移してから一定の遅れの後nRESETIN_OUT端子もHレベルになろうとする。

(Source: AM335x ARM® Cortex™-A8 Microprocessors (MPUs) Technical Reference Manual Literature Number: SPRUH73J)

ただしnRESETIN_OUT端子はオープンドレイン出力なので、立ち上がりはSYS_RESETn信号に接続されたコンデンサーの影響でゆっくりとしたものになる。

AM3359のnRESETIN_OUT端子もLAN8710AのnRST端子もシュミットトリガー入力なので

遅い立ち上がりの信号を受ける事自体問題はないが、それぞれの入力が受け取る信号はノイズなども含めると完全に同じではないから、出力の0→1遷移タイミングがズレる場合が発生する。

つまりリセットが解除されるタイミングがズレる場合があるのだ。

多分LAN8710AがAM3359より先にリセット解除されても問題ないだろう。しかしその逆だとイーサネットの存在が認識されない場合が出てきてもおかしくない。

波形の立ち上がり時間が長くなるほどズレが大きくなる、と言うか、ズレは立ち上がり時間以上に大きくならない。だからC24とC30を取り除くとイーサネットが有効にならない問題が解決するなら、それは辻褄が合っているのだ。

12月9日付けAndrewTaneGlenの発言には「対策しないと1,000に54回問題が発生した」ともある。以上推定したような状況なら、まぁそんなものだろう。ただしこれはイーサネットが有効にならない問題についてだ。電源を入れても起動しない問題には別の原因があると考えるほうが自然だと思うが、「実は」と言うような裏の事情があって関連している可能性は否定できないだろう。

設計ミス?

先にも引用したTRF (Technical Reference Manual) には「nRESETIN_OUT端子を入力と出力、両方の目的に使うのはダメだ」と明記してある (赤線は筆者)。

(Source: AM335x ARM® Cortex™-A8 Microprocessors (MPUs) Technical Reference Manual Literature Number: SPRUH73J)

つまりnRESETIN_OUT端子にRESETスイッチとLAN8710AのnRST端子の両方を接続したのは、このガイドラインに対する明らかな違反である。その上C24とC30を取り付けたのはもっとマズかったと言うべきなのだろう。

対策はどうしよう

C24とC30を取り外すと、少なくともイーサネットが有効にならない問題が解決するのはほとんど確かだと見てよいだろう。しかしそれを実施するのは少々厄介だ。

相手がとても小さいのだ。まぁC24だけを取り外そう、と言う話ではないので、そんなに難しい訳ではないが・・・でも厄介である。それに効果と副作用もやってみないと分らないので、直ちに実施に踏み切るのはリスクを取り過ぎだろう。

もう少し穏便な対策としてSYS_RESETnにつながっているPullup抵抗の値を小さくする事が考えられる。これは何も抵抗を交換する必要は無く、P9に出ているSYS_RESETn (P9.10) とVDD_3V3B (P9.3:4) の間に1kΩ位の抵抗をつないでやればよい。

立ち上がり時間が1/11になるので、それなりの効果が期待できる。これでしばらく様子を見ながら、Google Groupsのスレッドの結末とbeagleboard.orgの動向を見守りたいと思う。

今回のまとめ

ある程度実用的なプロジェクト、特に無人運転するサーバー的な用途にBBBを使うのはもう少しハードウエアのリビジョンが進むのを待ったほうが良さそうである。ハードウエアもオープンなのは、普段なら表に出ないような問題点まで見えて多少はらはらするが、成熟度合いの見極めをつけるのには好都合と考えるべきなのだろう。

メジャーブランドの製品でもファーストロットに手を出すのはそれなりのリスクがあることを考えれば、コミュニティサポートのハードウエアの成熟に多少時間がかかるのは仕方が無いのかもしれない。