0025 MPDTPU(M.2 E)

关键词

树莓派5、PCIe、TPU、DTPU、Edge TPU、驱动安装、操作演示、AI、google、Coral、PCIe Switch、M.2 E key

一、简介

MPTPUD是一款专为树莓派5设计的双TPU扩展板，通过16Pin FPC接口连接至树莓派5，扩展板上通过一颗一扩二的PCIe Switch芯片来驱动双TPU模组。Coral的双TPU模组板载了两颗Google的Edge TPU处理器，使用了非标的M.2 E key接口。双TPU模组可提供8TOPS的总性能，能效为2TOPS每瓦。

二、硬件资源

1. 采用16Pin PCIe接口，板载一扩二PCIe Switch芯片；

2. 板载M.2 E-key接插件2230，支持双TPU模组；

3. TPU模组通过16Pin PCIe接口供电，也可通过40Pin接口供电；

4. 标配INA219电压电流采样电路，可监测双TPU运行功耗；

5. 配40Pin贴片母座，可搭配PC104接插件连接至树莓派5的40Pin插针；

6. 可选24C32 E²PROM，可用于存放设备初始化信息；

7. 尺寸：56x65mm，PCB板通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0；；

8. 四层板设计，高效导热，标配导热硅胶垫，可选配散热片；

9. 可选配铝合金外壳。

三、系统烧写

3.1 本文档使用的镜像为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz（树莓派OS，Raspberry Pi OS with desktop）。

树莓派OS下载地址：

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

3.2 系统烧写在SD（TF）卡上，点击直达烧写方法说明。

注意：烧写系统用的TF卡的容量至少为16G，否则可能会在安装配置过程中报空间不足！

四、树莓派OS下的驱动安装配置与演示

注意：此操作演示需要确保能稳定连通外网（需自备方法），否则许多文件无法下载或下载不全，最后可能会造成代码运行失败。

4.1 配置config.txt

系统启动后打开树莓派终端输入命令：

sudo nano /boot/firmware/config.txt

或者：

sudo mousepad /boot/firmware/config.txt

在文件最下方添加以下代码：

dtparam=pciex1

kernel=kernel8.img

dtoverlay=pineboards-hat-ai

代码添加成功后，保存并重启系统：

sudo reboot

4.2 确认软件环境

系统重启后打开打开树莓派终端输入命令：

uname -r

确保内核版本大于4.18后输入：

lsmod | grep apex

确保没有输出则可以开始安装TPU驱动。

4.3 安装必要软件

确保网络能连通外网（需自备方法）后，添加Google TPU软件库：

echo "deb https://packages.cloud.google.com/apt coral-edgetpu-stable main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/coral-edgetpu.list

curl https://packages.cloud.google.com/apt/doc/apt-key.gpg | sudo apt-key add -

添加完成后更新软件列表：

sudo apt-get update

更新完成后安装必要的软件：

sudo apt-get install cmake libedgetpu1-std devscripts debhelper dkms dh-dkms

4.4 安装Gasket Driver

依次输入以下命令安装Gasket Driver：

git clone https://github.com/google/gasket-driver.git

cd gasket-driver

sudo debuild -us -uc -tc -b

cd ..

sudo dpkg -i gasket-dkms_1.0-18_all.deb

安装完成后输入以下命令确保驱动以及软件安装成功：

sudo apt-get install gasket-dkms libedgetpu1-std

接下来添加udev rule去获得设备操作权限：

sudo sh -c "echo 'SUBSYSTEM==\"apex\", MODE=\"0660\", GROUP=\"apex\"' >> /etc/udev/rules.d/65-apex.rules"

添加用户到apex：

sudo groupadd apex

sudo adduser $USER apex

设置完成后重启系统：

sudo reboot

4.5 验证模块检测以及驱动安装

系统启动后验证模块检测以及驱动安装：

lspci -nn | grep 089a

ls /dev/apex_0

这里板载双TPU，因此可以看到两个TPU模块。

输入sudo lspci -v可以看到驱动加载，同样有两个TPU模块的驱动：

4.6 代码运行环境配置

Google TPU模块代码运行需要在Python3.6-3.9之间，而树莓派最新系统的Python版本为3.11，因此我们需要使用Pyenv来下载老版本Python。

首先进行依赖安装：

sudo apt-get install -y make build-essential libssl-dev zlib1g-dev \libbz2-dev libreadline-dev libsqlite3-dev wget curl llvm libncurses5-dev \libncursesw5-dev xz-utils tk-dev libffi-dev liblzma-dev python3-openssl

依赖安装完成后进行pyenv的安装：

curl https://pyenv.run | bash

输入：

sudo nano ~/.bashrc

或者：

sudo mousepad ~/.bashrc

在文件最下面添加以下代码：

export PYENV_ROOT="$HOME/.pyenv"

[[ -d $PYENV_ROOT/bin ]] && export PATH="$PYENV_ROOT/bin:$PATH"

eval "$(pyenv init -)"

添加完成后保存退出并重新加载shell：

exec "$SHELL"

接下来我们可以利用pyenv安装老系统版本Python：

pyenv install -v 3.8.8

等待安装成功后我们将系统Python版本更改为3.8.8：

pyenv global 3.8.8

更改成功后可以查看当前Python使用版本为3.8.8：

pyenv versions

python3 -V

4.7 下载代码和运行模组

依次输入以下命令进行下载：

mkdir coral && cd coral

git clone https://github.com/google-coral/pycoral.git

cd pycoral

cd test_data

git clone https://github.com/google-coral/test_data.git

接下来下载代码运行模组

pip3 install numpy

pip3 install Pillow

pip3 install --extra-index-url https://google-coral.github.io/py-repo/ pycoral

4.8 运行代码

模组下载完成后返回 coral/pycoral路径下

cd ..

4.8.1 单TPU运行单模型

输入以下代码进行代码运行

注意：我们可以复制下列代码，但是请先粘贴到文本软件中，按照上图的格式，删除多余的回车符，再复制然后粘贴到终端中运行：

python3 examples/classify_image.py \

--model test_data/test_data/mobilenet_v2_1.0_224_inat_bird_quant_edgetpu.tflite \

--labels test_data/test_data/inat_bird_labels.txt \

--input test_data/test_data/parrot.jpg

4.8.2 双TPU运行多模型

输入以下代码进行代码运行

注意：我们可以复制下列代码，但是请先粘贴到文本软件中，按照上图的格式，删除多余的回车符，再复制然后粘贴到终端中运行：

python3 examples/two_models_inference.py \

--classification_model test_data/mobilenet_v2_1.0_224_quant_edgetpu.tflite \

--detection_model \

test_data/ssd_mobilenet_v2_face_quant_postprocess_edgetpu.tflite \

--image test_data/parrot.jpg

4.8.3 双TPU运行单模型

输入以下代码进行代码运行

注意：我们可以复制下列代码，但是请先粘贴到文本软件中，按照上图的格式，删除多余的回车符，再复制然后粘贴到终端中运行：

python3 examples/model_pipelining_classify_image.py \

--models \

test_data/pipeline/inception_v3_299_quant_segment_%d_of_2_edgetpu.tflite \

--labels test_data/imagenet_labels.txt \

--input test_data/parrot.jpg

鉴于本开发板的测试需要在外网下载大量数据，为了方便用户进行测试，用户在购买本开发板后，可以联系我司获取已经配置完毕的树莓派OS镜像。

五、E²PROM芯片烧写操作演示

5.1 概述

MPTPUD扩展板板载E²PROM芯片。树莓派系统在启动过程中会通过I²C引脚查找E²PROM并读取E²PROM信息，因此我们可以向E²PROM芯片烧写我们需要的信息以及设备树文件，以此来实现配置信息自动加载的功能。

注意，烧写过程中需要连接外网，请保持网络畅通。

5.2 打开I²C

依次选择如下图项目后，打开I²C后，然后重启树莓派OS。

5.3 安装工具

输入以下命令安装工具：

git clone https://github.com/raspberrypi/utils.git

cd utils/eeptools

cmake .

make

sudo make install

下载和放置i2c-gpio.dtbo文件：

wget http://www.mcuzone.com/wiki/0025_MPTPUD/i2c-gpio.zip

unzip i2c-gpio.zip

sudo cp i2c-gpio.dtbo /boot/overlays

完成后重启系统：

sudo reboot

5.4 编辑配置文件

执行下列命令：

cd utils/eeptools

sudo mousepad eeprom_settings.txt

复制eeprom_settinggs.txt文件的所有内容后退出。

然后执行：

sudo mousepad myhat_eeprom.txt

创建myhat_eeprom.txt文件，将刚才复制的文本粘贴到里面，红字段落的内容可以自定义修改，在当前演示，我们将设备树文件修改为关闭蓝牙，即把设备树改为disable-bt-pi5，修改完毕后保存文件并退出：

随后使用E²PROM工具生成UUID：

eepmake myhat_eeprom.txt myhat.eep

将产生的UUID修改到myhat_eeprom.txt，然后保存并退出：

输入以下命令使能I²C-9，并查看结果：

sudo dtoverlay i2c-gpio i2c_gpio_sda=0 i2c_gpio_scl=1 bus=9

i2cdetect -y 9

修改eepflash.sh内容地址为0050：

sudo nano eepflash.sh

保存并退出。

5.5 烧写E²PROM

输入以下命令烧写E²PROM：

sudo ./eepflash.sh -w -t=24c32 -a=0x50 -f=myhat.eep

烧写完成后重启系统，即可看到蓝牙被禁用：

六、电压电流监测功能演示

MPTPUD扩展板添加了电压、电流检测功能。使用本扩展板可以实时检测双TPU的电压、电流以及功率等数据。

1. 按照5.2节，在树莓派OS中打开打开I²C。

2. 执行下列命令，安装python库：

pip3 intsall smbus

3. 执行下列命令，下载监测软件：

wget http://www.mcuzone.com/wiki/0025_MPTPUD/INA219.zip

unzip INA219.zip

4. 运行监测软件：

python3 INA219.py

不插TPU模块：

插TPU模块静态：

单TPU运行：

双TPU同时运行：

在双TPU同时运行时，可以看到最大电流已经升至0.912A，对应约4.527W功率，双TPU同时工作时功率基本是单TPU工作的功率（最大电流0.524A，对应约2.603W功率）的大约两倍。

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