［電子工作］PYNQ：PythonでFPGAを動かそう
ーーーー目次ーーーー
RISC-V互換 32bit/64bitプロセッサの設計に挑戦 ーーーーーーーーーー １．PYNQとは？PYNQとは、Xilinx社のARMを搭載したFPGAのプラットフォームを容易に扱えるようにする オープンソースのプロジェクトです。具体的には、Zynqを搭載したボード上でLinuxとPython が動作し、ハードとソフトの開発が可能となります。公式HPはこちら。 PYNQ対応のボードは様々な会社から提供されていますし、非対応のボードに移植している方 もいます。こちらに紹介されているボードを入手すれば、確実に動作させることが可能です。 私が入手したのは、上記の写真のPYNQ-Z2です。仕様は次の通り。
搭載FPGA(Zynq)：Xilinx社 XC7Z020-1CLG400C CPU：ARM Cortex-A9 デュアルコア650MHz ロジックセル：85K ブロックRAM：4.9Mbit DSPスライス：220 DDR3：512MB、16bit、1050Mbps QSPI Flash Memory：16MB MicroSDカードスロット HDMI：入力１ポート、出力１ポート USB：USB2.0ホスト１ポート、スレーブ１ポート（JTAG、UART） Gigabitイーサネット オーディオ：入力、出力（24bit DAC） Arduinoコネクタ：3.3V I/O Raspberry Piコネクタ
CPUの性能やメインメモリが心もとないですが、FPGAでアクセラレーションできますので、大して 問題ではありません。特徴は次の通り。 ・microSDカードに標準のPYNQ環境を書き込めば、LinuxとJupyter Notebookが起動。 ・最大130万ゲート相当のFPGAとして使える。 ・Pythonから、FPGAのbitファイルの書き込み、レジスタの読み書きが行える。 ・Pythonから、HDMI入力から映像をキャプチャしたり、HDMI出力で映像を表示できる。 ・音声の入出力もできるはず。（私は試していません。） ・A.I.（Deep learning）処理を、FPGAでアクセラレーション可能。 ・回路合成は、Vivadoのweb pack（無償版）でOK。（30日以降も使用可能） つまり、このボードとPCさえあれば、bitファイルの書き込みも、回路合成も、出来てしまいます。 追加の費用が不要です！ そして、最も適した使い方は、「HDMI入力の映像や音声を入力し、FPGA（Programmable Logic）で A.I.処理し、HDMIで映像出力したり、音声を出力する。」でしょう。
なお、私がこのボードを購入した理由は次のとおりです。 自作RISC-Vを中国製FPGAで開発していましたが、使用率が97%を超え、これ以上の拡張ができなく なったため、50万ゲート以上のFPGAを探していました。どれも2.5万円以上して高いなぁ、と思っていた ところ、Xilinx社のXC7Z020を搭載したボードも同じぐらいの価格で売られています。そこでXC7Z020を 搭載したボードを検索し、一番安かったのが、上記のTUL社のPYNQ-Z2です。残念ながら国内の一般 向け販売店で扱っているところがなかったのでU.S.A.の販売店から購入しましたが、価格は何と、 1.5万円強！（送料無料） 思わず買ってしまいました。
２．PYNQの使い方
PYNQの初期設定や、標準でついているサンプルの使い方は、ネットで様々な記事がありますので、 ここでは、自分で作成した回路を動かす手順を記載します。 まず、PYNQボード以外に必要なものは次の通り。 ・8GB以上のMicroSDカード：こちらのSD cardイメージを書き込んで下さい。 ・PC：WindowsやLinuxが動けば良いです。回路合成する時は、高速、大容量メモリ（多分、16GB以上） のものを準備下さい。 ・Vivado（私は、Linux版の2020.2を使用）：web pack（無償版）を標準設定でPCにインストール。 ・有線LAN環境：上の写真のようにクロスのLANケーブルでPCと直結でもOK。 但し、IPアドレスが、ディフォルトの192.168.2.99になる場合と、ルータに接続していた時のアドレスに なる場合があり、両方で通信を確認する必要あり。 ・microUSBケーブル：電源ケーブル、兼シリアルモニタ（8bit,115.2kbps） シリアルモニタは、ディフォルトで、ユーザー名xilinx、パスワードxilinxでログインできます。 >>ifconfig などでIPアドレスが確認できますし、Linuxのコマンドが使えます。 ・HDMIで映像の入出力を行う場合は、HDMI出力をもつ機材（PCでも良い）と、HDMIモニタが必要。
開発の手順は次の通り。 （１）TUL社のHPから、PYNQ-Z2のBoardFile、XDCをダウンロードする。 （２）ここの記事等を参考に、Vivadoを使って、baseとなるoverlayを作成する。 GPIOを端子に接続する必要はありませんが、自作の回路を動かす場合でもPYNQの環境が動く 必要がありますので、baseでエラーが出ないように作っておく必要があります。手順は次の通り。 1. Quick StartでCreate Projectを選び、適当な名前を付ける。 2. Project TypeでRTL Project、Default PartーBoardでＰＹＮＱ-Ｚ２を選択。 3. IP INTEGRATORーCreate Block Designを起動。 4. ZYNQ7 Processint Systemを選択し、Run Block Automationを実行。他のブロックを接続しない 場合は、手でM_AXI_GP0とACLKFCLK_CLK0を接続。 5. Sourcesのdesign_1を右クリックして、Create HDL Wrapperを実行。 6. 一旦、GenerateBitstreamを実行し、エラーが出ないことを確認する。 （３）（２）で出来たフォルダーに、自作回路のRTLやxdcファイルを置きましょう。 （４）自作回路のxdcを作成します。全端子、コメントアウト（先頭に「#」が付いている）されているので、 使いたい端子の設定の「#」を削除します。 自作RISC-V（RISCV32IMAFC）の場合、次の行を書き換えました。 Arduino Digital I/O On Outer Analog Headerとしてa[5:0]も使えますが、デジタルI/Oと同時に XADCが接続されており、1Vに落とすための分割抵抗が付いています。 そのため、プルダウン抵抗が付いたような接続になっているため、使う時は注意して下さい。
「フォルダ名.gen/sources_1/bd/design_1/hdl/design_1_wrapper.v」を起動し、元の記述を残したまま、 自分の回路を追加する。 自作RISC-V（RISCV32IMAFC）の場合、次のような記述を追加しました。
（７）回路合成できたbitファイルとhwhファイルをPYNQにアップロードします。ディフォルトの設定では、bitファイルは 「プロジェク名.runs/impl_1/」の下、hwhファイルは「プロジェクト名.gen/sources_1/bd/design_1/hw_handoff/」 の下にあります。 Linuxの場合、PCから次のようなコマンドでPYNQの pynq/overlays/ノートブック名 の下にコピーします。 >>scp design_1_wrapper.bit xilinx@192.xxx.xxx.xxx:pynq/overlays/test/test.bit >>scp design_1.hwh xilinx@192.xxx.xxx.xxx:pynq/overlays/test/test.hwh （８）PYNQのJupyter NotebookでNewを押して、（７）と同じ名前の新しいノートブックを作成します。そして、
おまけ．PYNQによる、RISC-V互換 32bit/64bitプロセッサの設計に挑戦はこちら
Arduinoの紹介はこちら。
「TangPrimer：中国製FPGAでプロセッサの設計に挑戦」はこちら。 |
