Raspberry Piを使ってFPGAのリモートデバッグ環境を整える

この記事は、Raspberry Pi Advent Calendar 2015、慶應義塾大学SFC村井&徳田研 Advent Calendar 2015の5日目の記事です。

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大学の研究室でFPGAを使った研究をしているのですが、FPGAの開発環境を持ち運ぶとなると、FPGA評価ボードとACアダプター、拡張カード、が必要で持ち運びにはとても不向きです。
更に、私はFPGAからHDMIの出力をしようとしていたので、FPGAから出力されるHDMI信号を受けるディスプレイと、開発をするのにLinuxの環境をPCに入れる必要があります。

それを解決するために、Raspberry Pi Model B+(以下、Raspberry Pi)を使ってFPGAのリモートデバッグ環境を整えた話をします。

FPGAが何をする装置かよくわからないよ！という方はArduinoと置き換えて貰えれば分かりやすいかと思います。（ハード的には全然異なりますが）

リモートデバッグ環境に必要な要件

• FPGAの環境(評価ボード, 拡張カード)
• FPGAにデータの書き込み、デバッグができる
• HDMI出力が見れる
• デバッグ用に任意のピンの出力や入力ができる

残念ながら、FPGAのデータの書き込みやコンパイルはRaspberry Piでは非力なので、別のPCで対応することにしました。

FPGAの環境(評価ボード, 拡張カード)

FPGAの環境はデスクに KC-705 と、FMC拡張ボードの XM-105 を2台ずつ設置しました。
（下に見切れているのがRaspberry Piです）

HDMI出力を見る

これを実現するために、Raspberry Piに接続したWebカメラをストリーミング配信できる MJPEG-streamer というアプリケーションを使います。

MJPEG-streamer は、ビデオデバイスからキャプチャして、様々な形式で書き出すことができます。今回は output_http モジュールを使って、キャプチャをWeb上から見れるようにします。

インストールは以下のコマンドを実行します。

$ sudo apt-get install subversion libjpeg-dev imagemagick
$ svn co https://svn.code.sf.net/p/mjpg-streamer/code/mjpg-streamer mjpg-streamer
$ cd mjpg-streamer/
$ make

実行するには以下のコマンドを実行します。
/dev/video0がビデオデバイスに当たるので、複数ある場合は適宜書き換えてください。

$ sudo ./mjpg_streamer -i "./input_uvc.so -f 10 -r 640x480 -d /dev/video0 -y -n" -o "./output_http.so -w ./www -p 8080"

これで、8080ポートでWebサーバが起動します。ブラウザから開きます。

http://203.178.XXX.XXX:8080/

ストリーミングの方式にいろいろ有りますが Javascript の Simple だとよいです。

http://203.178.XXX.XXX:8080/javascript_simple.html

これを、Raspberry Piが再起動しても大丈夫なようにRaspberry Piの起動時に自動起動するようにします。起動スクリプトを書くのが面倒なため、少々強引ですが /etc/rc.local に直接コマンドを書いちゃいます。

/etc/rc.local

$ cd /home/pi/mjpg-streamer
$ ./mjpg_streamer -i "./input_uvc.so -f 10 -r 960x720 -d /dev/video0 -y -n" -o "./output_http.so -w ./www -p 8080" &

あとは、カメラを三脚などに固定して、ディスプレイが見れるように設置します。

これで、ディスプレイの出力がリモートからバッチリ見えます！ ✌ ('ω') ✌

デバッグ用に任意のピンの出力や入力ができる

これを満たすのには Raspberry Pi のGPIOピンを使います。
幸い、Raspberry Pi のGPIOは 3.3V ということなので、FPGAボードと直接結んでも両者壊れる心配はありません。

Raspberry PiのGPIOピンとFPGAの拡張ボードをジャンパワイヤなどで結びます。
GPIOはコマンドをたていて見ることができますが、常にコマンドを叩いていては疲れるのと、変化が読み取りにくいため、whileコマンドを使うことにします。

以下の様なファイルを保存しておくと、呼び出すときに便利でした。

gpio_out.sh

while :
do
  echo DBG[2]=`gpio read 7` DBG[1]=`gpio read 9` DBG[0]=`gpio read 8`
done

上のスクリプトを実行すると、連続的にGPIOピンの入力が表示されます。

(番外) DHCPのIPアドレスを取得する

Raspberry Piは、ディスプレイ無しで使えて小型が売りです。しかし、DHCP環境の場合、ころころIPアドレスが変わってしまい、そのたびにHDMIを繋げてIPアドレスを確認するのは非常に大変です。

そこで、研究室の先輩に教えてもらったTIPSですが、Google Formsを作り、Raspberry PiからフォームにIPを書き込んでもらうという面白い方法を紹介します。

1. まず [Google ドライブ](https://drive.google.com/) から、新しい Google フォーム を作成します。
2. 質問として「質問の形式」を「テキスト」にした項目を1つ作ります。フォームのタイトルや質問のタイトルは任意です。 
3. 「実際のフォームを表示」ボタンを押して、実際のフォームを開きます。
4. 質問の項目の `label` タグの `name` 属性を調べます。(`entry.XXXXXXXXX`という形式のはず…)
5. 以下のスクリプトを任意の場所に保存します。(ここでは `/bin/notify_ip.sh`) また、``と`<調べた name属性>`を適宜書き換えます。
/bin/notify_ip.sh

#!/bin/bash

HOST=`hostname`
IP_CMD=`/sbin/ip addr show dev eth0 | /bin/grep 'inet '`

MSG="${HOST}: ${IP_CMD}"

curl <Google フォームのURL>/formResponse -d ifq -d <調べた name属性>="${MSG}" -d submit=Submit

6. `/bin/notify_ip.sh` を `/etc/crontab` や `/etc/rc.local`に記述して起動時や定期的に実行するようにします。
7. 実際に実行されると、IPアドレスがスプレッドシートに記載されます。 

まとめ

Raspberry Piは小型なのにWebカメラが扱えて、GPIOも扱えてFPGAのデバックには持って来い！というデバイスでした。

実は「FPGAにデータの書き込み、デバッグができる」ですが、今回使っているXilinxのFPGA開発環境の場合、hw_serverというサーバを動かせばローカルでビルドした結果を、ネットワーク越しに書き込む事ができるので、そこも挑戦してみたかったです。

まだ、Raspberry Piカレンダーは空きがあるっぽいので、続報が出たらまた紹介します。