0023 MP2.5GTPU(M.2 E)

关键词

树莓派5、PCIe、Switch、RL8125、2.5Gbps、以太网、iperf3测速、TPU、DTPU、驱动安装、操作演示、AI、google、Coral、M.2 E key

一、简介

树莓派5具备一个16Pin的PCIe接口，我们可以利用该接口进行多种外设的扩展。这次我们利用PCIe接口，一路为M.2 E key接口，可外接A+E Key接口的TPU模组，一路通过RTL8125芯片2.5Gbps以太网扩展。该扩展板的2.5G以太网在树莓派系统下无需驱动上电后即可自动识别成eth1。如果使用Ubuntu系统则需要先安装RTL8125的驱动才可使用。而Coral M.2加速器是一款M.2尺寸的模组，可以通过PCIE接口为树莓派等平台扩展边缘TPU协处理器。

二、硬件资源

1. 采用0.5mm 16P PCIe线连接树莓派5的PCIE接口；

2. 一路PCIe扩展2.5Gbps以太网；

3. 一路PCIe扩展M.2 E-key接口，用于接Google coral Edge TPU，树莓派官方OS加载驱动；

4. 2.5Gbps以太网在树莓派官方OS和Openwrt系统免驱，Ubuntu系统下需安装驱动；

5. 采用优质电子元器件和沉金工艺，无铅生产；PCB板通过UL和ROHS认证,防火等级94V-0；

6. 四个M2.5固定孔，板子上方内凹设计，方便40Pin GPIO的操作使用；

三、系统烧写及设置

3.1 概述

本文档采用树莓派OS、Ubuntu OS和OpenWrt系统进行测试。

1) 树莓派OS的版本为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派OS下载地址：

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

注意：如果需要在树莓派OS下运行TPU模组，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！

2) Ubuntu OS的版本为ubuntu-24.04-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.xz，Ubuntu OS下载地址：

https://ubuntu.com/download/raspberry-pi

3) OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2712-rpi-5-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.100-20240805.img.gz

3.2 系统烧写在SD（TF）卡上

点击直达烧写方法说明。

四、树莓派系统下使用演示

4.1 Internet网络测试

MP2.5GTPU扩展板上的2.5G网口在树莓派OS下免驱即插即用，系统起来后，在树莓派终端中输入ifconfig -a命令，2.5G网口被识别为eth1：

使用中国科技大学测速网站，对2.5G网口连外网（200M宽带）测速，结果如下：

注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

4.2 2.5G内网测试

安装网络测速工具iperf3：

sudo apt install iperf3

利用iperf3，通过2.5G路由器，在树莓派OS与PC之间进行测速。

eth1测速结果如下：

当树莓派OS作为client时，速度大约为2.35Gbps：

当树莓派OS作为server时，速度大约为1.82Gbps：

注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

4.3 固定2.5G网口的MAC地址

2.5G网口为RTL8125网卡，在使用过程中的MAC地址是不固定的，每次重新上电后MAC地址都会随机改变。下面讲解如何为RTL8125网卡设置固定MAC地址。

本讲解也适用于Ubuntu系统。

首先在树莓派终端中查看RTL8125网卡的识别信息：

ipconfig -a

这里的RTL8125网卡为eth1，实际操作中可能会因为系统识别名称不同而不同。

然后输入：

sudo mousepad /etc/systemd/system/macspoof@eth1.service

或：

sudo nano /etc/systemd/system/macspoof@eth1.service

eth1为上面显示的网卡识别名称。

运行上面的命令后会新建一个文档，输入以下文本：

[Unit]

Description=MAC Address Change %I

Wants=network-pre.target

Before=network-pre.target

BindsTo=sys-subsystem-net-devices-%i.device

After=sys-subsystem-net-devices-%i.device

[Service]

Type=oneshot

ExecStart=/usr/bin/ip link set dev %i address xx:xx:xx:xx:xx:xx

ExecStart=/usr/bin/ip link set dev %i up

[Install]

WantedBy=multi-user.target

其中“xx:xx:xx:xx:xx:xx”为想要指定的MAC地址，可以按MAC地址格式自行确定（不要和其它网络设备重复），设置完成后保存并退出。

随后输入下面的命令使能服务：

sudo systemctl enable macspoof@eth1.service

这样就完成了对eth1的固定MAC地址。

全部操作完毕后重启系统，系统重启完毕后，执行ipconfig -a即可看到MAC地址更改成功：

五、Ubuntu系统下使用演示

5.1 安装Ubuntu系统下RTL8125驱动

MP2.5GTPU扩展板上的2.5G网口在Ubuntu系统下不能即插即用，需要安装RTL8125驱动。

因为树莓派5的无线网卡模块在Ubuntu系统下是即插即用的，所以我们需要使用无线网卡连接无线网络：

也可以使用网线连接树莓派5上的原生网口。

Ubuntu系统默认不安装ifconfig工具，所以需要手动安装：

sudo apt install net-tools

输入ifconfig -a，可见此时并没有显示2.5G网卡：

接下来我们开始安装RTL8125驱动。

首先需要更新系统：

sudo apt-get update

接着准备编译环境：

sudo apt-get install --reinstall linux-headers-$(uname -r) linux-headers-generic build-essential dkms

然后安装驱动：

sudo apt-get install r8125-dkms

按提示安装即可：

安装完成后输入：

sudo modprobe r8125

输入ifconfig -a就可以看到一个enxxx的网卡接口，这样就安装完毕2.5G网卡驱动：

5.2 Internet网络测试

将2.5G网口连外网（200M宽带）测速，结果如下：

注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

如果使用Ubuntu内置的Firefox浏览器时运行速度很慢或者经常无响应，建议安装轻量浏览器Falkon：

sudo apt install falkon

5.3 2.5G内网测试

安装网络测速软件iperf3：

sudo apt install iperf3

利用iperf3，在Ubuntu系统与PC之间进行测速。

测速结果如下：

当Ubuntu系统作为client时，速度大约为2.35Gbps：

当Ubuntu系统作为server时，速度大约为1.85Gbps：

注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

六、OpenWrt系统操作演示

6.1 概述

MP2.5GTPU扩展板在OpenWrt系统下，默认树莓派上的原生千兆网口为LAN口，我们可以把扩展板上的2.5G网口作为LAN口，而把树莓派5上的原生网口作为WAN口，这样就能利用2.5G网口在内网高速传输文件。

6.2 准备工作

烧写OpenWrt系统并上电启动后，我们将网线一端插在树莓派5的原生网口上，另一端插在PC上，待PC的网卡与树莓派5上的网口连接成功后，我们在Windows设置中找到网络和Internet，在以太网中打开连接的网络查看默认网关的IP地址，这个地址就是OpenWrt系统的后台配置页面地址，如图所示，本文测试的地址为192.168.198.1：

然后打开网页浏览器输入192.168.198.1进入OpenWrt系统。默认用户名为root，默认密码为password：

6.3 MP2.5GTPU的2.5G网口的配置和应用

进入“系统 - TTYD终端”，输入ifconfig -a，可以看到有eth0和eth1两个网口，其中eth0为树莓派5的原生网口，eth1为扩展板的2.5G网口：

我们使用的宽带一般不会超过千兆，为了获得更好的内网性能，建议将树莓派5的原生千兆配置从默认的LAN配置为WAN，然后把扩展板的2.5G以太网口配置为LAN。

点击“网络 - 接口”，点击“修改”：

在“物理设置”中，把eth1选中，然后点击“保存&应用”按钮：

将网线从树莓派5的原生网口中拔出，插入2.5G网口，待PC的网卡与2.5G网口连接成功后，我们刷新管理页面，点击“网络 - 接口”，点击“修改”：

在“物理设置”中，把eth0前面的勾去掉，然后点击“保存”按钮：

回到“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：

接口名称设置为WAN，接口协议选择DHCP客户端，接口选择eth0后点击“提交”按钮：

在防火墙设置中选择WAN口后点击“保存&应用”按钮：

把连接Internet网络的网线插到树莓派5的原生网口上，然后回到“网络 - 接口”，稍等片刻，就可以看见新建的WAN接口获取了IP地址，这样PC就可以通过连接2.5G网口进入内网上网了，此时网络结构为千兆网口（接Internet，树莓派上）进，2.5G网口（接内网，扩展板上）出：

我们在树莓派5的USB3.0接口上插入一个支持USB3.0的U盘或者移动硬盘，参考下面链接，将这个U盘或者移动硬盘配置为共享目录：

设置SSD硬盘为共享目录

设置完毕后，我们在资源管理器中输入\\192.168.198.1（地址为扩展板的地址，视实际情况而不同），就能看到所映射的共享目录了：

将任意文件拖拽到桌面进行读取速度测试：

将任意文件拖拽到SSD进行写入速度测试：

注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。

6.4 其它应用

树莓派5的无线模块可以作为无线AP，也可以作为无线WAN口，关于这些应用的实现，请参考下列链接：

树莓派自带WiFI做无线AP（master模式）使用

树莓派自带WiFi做Client使用

七、树莓派OS运行TPU模组

本章介绍如何在树莓派OS运行TPU模组。

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。

7.1 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

7.2 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。

7.3 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

7.4 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

7.5 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

这里需要看到TPU模块，如下图所示（具体参数显示以实际为准）：

ls /dev/apex_0

这里插了一个TPU模块，因此可以看到一个TPU模块。

输入sudo lspci -v可以看到驱动加载，其中必须包括TPU驱动，如果插了SSD硬盘，还需要包括SSD模块，如下图所示：

7.6 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