PYNQボードマスターガイド：プログラマブルプロジェクトのための包括的解説

プログラマブルでエキサイティングな電子プロジェクト構築には多くの方法があります。代表的なのはArduinoやRaspberry Piボード。しかし、Xilinxプラットフォームへのより簡単なアプローチを求めるなら、PYNQボードが必要です。

実際、PYNQボードは電子プロジェクト構築しながらプログラミングの様々な可能性を開きます。

ボードはどう動くのか？ 本記事ではPYNQボードとは何か、使い方、できること等を解説します。

始めましょう！

PYNQボードとは？

PYNQ-Z1

PYNQボードはPYNQプログラムを使用する開発ボード。PYNQはXilinx開発のプロジェクトで、Xilinxプラットフォームと連携。設計者がこれらプラットフォームを非常に容易に使用可能にします。

主要プログラミング言語はPythonとそのライブラリ。設計者はこれを活用してユニークなプロジェクトを構築できます。

PYNQ-Z1

PYNQ-Z1はPYNQフレームワークと互換性のある設計。ボードのSoCをPythonで開発可能。

また、Xilinx Zynq-7000 SoCと類似設計。FPGAのプログラマビリティと強力なデュアルコアプロセッサを融合。

PYNQ-Z2

一方、PYNQ-Z2はZYNQ XC7Z020を中心としたFPGAベース開発ボード。PYNQサポートにより、組み込みプログラマーがXilinx ZYNQ SoCを制約なく完全に探索可能。

PYNQ-ZU

PYNQ-ZUもPYNQを強力にサポートする設計。Xilinx Zynq Ultrascale+を中心とした設計。複数の機能と拡張インターフェースを備え、他開発ボードとの併用も可能。

PYNQ-Z1ボードの特徴

PYNQ-Z1は最先端のSoC開発プラットフォームで、強力かつプログラミング容易。ハードウェアとソフトウェアが提供する卓越した機能により、設計者、組み込みプログラマー等にとって魅力的なボードです。

ハードウェア面では、Pmodポート、HDMI入出力、オーディオ出力、オンボードI/O、接続機能（USB、Ethernet）、Arduinoヘッダーを搭載。これら全てがPYNQ-Z1をカスタマイズ可能かつ非常に汎用性の高いものにしています。

IoT、組み込みコンピューティング加速、コンピュータビジョン、暗号化、産業制御などのアプリケーションに最適。

ソフトウェア面でも印象的な機能を備えます。PYNQオープンソースフレームワークを使用。PYNQ-Z1ブートイメージをマイクロSDカードから設定可能。無料ダウンロード、SDカードへのコピーも容易。あるいはブートイメージプリロード済みSDカード購入も可能。

さらに、設計者はXilinxのVivado Design Suiteツールで新しいハードウェアライブラリを貢献可能。これも無料。

PYNQの使い方

良いニュース：とても簡単。ただしまずボードセットアップが必要。

必要なもの

PYNQ使用前に準備すべきもの：

• PYNQ-Z1ボード
• マイクロSDカード（空白またはプリロード済みイメージ）
• 対応ブラウザ搭載コンピューター
• マイクロUSBケーブル
• Ethernetケーブル

マイクロSDカードのセットアップ

マイクロSDカード

各種オンラインストアでプリロード済みSDカード購入可能。空白SDカードの場合は以下手順：

1. PYNQ-Z1ブートイメージをここからダウンロード
2. ZIPファイルの内容を展開
3. イメージをSDカードに書き込み（8GB以上推奨）

これでPYNQイメージのブート準備完了。

ボードのセットアップ方法

PYNQ-Z1ボードを以下の6ステップで簡単セットアップ：

1. ブートジャンパーをJP4上部2ピンに配置し、SDカードからブートするよう設定。ブートジャンパーがSD位置になります。
2. USBケーブルまたは12V電源レギュレーターでボードに電源供給。USB使用時は電源ジャンパーを上部2ピンに配置。12Vレギュレーター使用時はジャンパーをREGに設定。
3. ロード済みSDカードを挿入。SDカードスロットはボード下部。

PYNQ SDカードスロット

4. USBケーブルでコンピューターをPYNQ-Z1ボードに接続（USBポートはPROG UARTポート）。

PYNQ-Z1 USBポート

5. Ethernetケーブルを接続。詳細は後ほど。
6. 最後にPYNQ-Z1電源オン。方法不明な場合は以下の手順参照。

Ethernetのセットアップ

ボードをEthernet接続する2通り：ネットワークルーター経由、またはコンピューター直接接続。

注：ネットワークルーター接続を推奨。ボードを最新状態に保ち、最近のパッケージ取得可能。

ネットワークルーター接続

ネットワークルーター

このオプションではボードにIPアドレス割り当て。ただしそのネットワーク接続権限が必要。なければネットワーク問題発生。

ネットワークルーターまたはDHCPネットワーク接続手順：

1. PYNQ-Z1をEthernetケーブルでルーター/スイッチに接続
2. コンピューターも同ルーター/スイッチにWi-FiまたはEthernetで接続
3. 以下Webアドレスへアクセス：https://pynq:9090/ でJupyter Notebooksに接続

プロのヒント：ホスト名変更やプロキシ設定も可能。ただし必須ではありません。

コンピューター直接接続

Ethernetポート接続

コンピューターのEthernetポート必須。ネットワークインターフェース変更権限も必要。

直接接続ならPYNQをダイレクトに使用可能。ただしインターネットアクセスなし＝アップデート/新パッケージ取得不可。

直接接続手順：

1. コンピューターにスタティックIPアドレス設定
2. Ethernetケーブルでボードをコンピューターに接続
3. 以下アドレスへアクセス：https://192.168.2.99:9090/ でJupyter Notebooksに接続

プロのヒント：このオプションでもボードにインターネットアクセス付与可能。ボードのEthernet接続をコンピューターのインターネットにブリッジすれば実現。

PYNQ-Z1電源オン方法

電源スイッチをオンし、赤色LED点灯確認。即時点灯なら電源供給OK。数秒待ち緑/黄色LED点灯でZynqデバイス動作確認。その後青色LED2つが点滅、緑/黄色LED4つが点灯継続。この後システム使用可能。

LEDインジケーター

Jupyter Notebooksへの接続

接続モードによりJupyter Notebooks接続方法が決定。上記アドレスをWebブラウザでアクセスし、ログインページ表示。ユーザー名/パスワード：xilinx。

ホスト名やスタティックIP変更時は、Jupyter Notebooksアクセス用Webアドレスも変更必要。

PYNQ vs ZYNQ

ZYNQ SoC

ZYNQはプログラマブルFPGAハードウェアとARMベースプロセッサーソフトウェアを1つのSoCに統合。PYNQもZYNQベース設計だが、Pythonとそのライブラリでのプログラミング能力を追加。

ZYNQボードへのPYNQ提供方法

ZYNQボードへのPYNQ提供は2通り。ブータブルLinuxイメージ（PYNQ Pythonパッケージ付き）を使用、またはAWS-F1等ホストコンピューター向けPythonパッケージを使用。

プロジェクト例

PYNQ-Z1プロジェクト例：

• Xilinx PYNQ Computer Vision
• PYNQ BOT
• PYNQ Repository
• Deep Learning (PYNQ)
• Networking (PYNQ)

PYNQ FPGA

PYNQにより設計者と組み込みプログラマーは、PythonとJupyter Notebooksを通じてFPGAを活用可能。

まとめ

PYNQボードは他の開発ボードとは一線を画します。エキサイティングなハードウェア/ソフトウェア機能を提供し、ディープラーニングやコンピュータビジョン等の高度なタスク/アプリケーションを処理可能。

コンピュータビジョン

直感的なPythonプログラミング言語を使用し、エキサイティングなプロジェクトのプログラミングと構築を容易にします。

PYNQボードの使用についてどう思われますか？ 入手でお困りですか？ お気軽にご相談ください。