LinuxでのUSRP-X410開発環境の構築

UHD 4.1.0.5 /4.2、 GNU-Radio 3.8.2.0、 RFNoC 4 を含んだ、Linux (ubuntu 20.04.3LTS ) でのUSRP-X410開発環境の構築と設定方法について説明します。

1. ハードウェアの準備と機器接続

   1. まず、以下のハードウェアを準備します。
      1. USRP-X410
      2. PCI Express 3.0(Gen3) x16 拡張スロット、および最低16GB（推奨24GB以上）のメインメモリ（DRAM）を有するPC（Linuxをインストールしても良いもの）
      3. PCディスプレイ、キーボード、マウス（上記PCに接続可能なもの）
      4. X410用PCインタフェースキット(788216-01)内のPCIeイーサネットインタフェースカード：NVIDIA/Mellanox社製「型番MCX516A-CCAT」
      5. X410用PCインタフェースキット(788216-01)内のケーブル：1本または2本 (2本目を購入する場合は、NI型番788215-03)
      6. インターネットおよびDHCPサーバ（社内LANなど）への接続用LANケーブル：2本 
   2. PC(ii)のPCI-Express拡張スロットにインタフェースカード(iv)を装着し、PC(ii)に各周辺機器(iii)を接続します。
   3. PC(ii)に装着したインタフェースカード(iv)のQSFP28コネクタ（カードエッジ端子から遠いほうのコネクタ）とX410背面パネルのQSFP28コネクタ（左側のコネクタ）をインタフェースケーブル(v)で接続します。（2本目も接続する場合は、残りのコネクタ同士を接続します）
   4. PC(ii)とX410(i)のそれぞれをDHCPサーバーのあるLAN（インターネット接続環境）に、LANケーブル(vi)で接続します。（必要に応じて、スイッチング・ハブ等を利用してください）
   5. 最初は、次章以降でPCのセットアップから始めますので、PCのみに電源を入れて起動します。

2. デスクトップPCにubuntu 20.04.3 LTSをインストール

1. ご使用中のUbuntuのバージョンが 20.04.3でない場合は、必ず20.04.3 LTSを新規インストールまたは20.04.3 LTSにアップグレードしてください。新規インストールする場合は、以下の手順を参考にしてください。
2. Ubuntu 20.04.3 LTSのインストールイメージ（ISOファイル）をダウンロードサイト Download Ubuntu Desktop | Download | Ubuntu からダウンロードします。
3. 上記のインストールイメージファイルをDVD-Rなどのメディアに焼き、それを利用してデスクトップPCにUbuntu 20.04.3 LTSをインストールします。必要に応じて、解説サイト Ubuntu 20.04 LTSインストールガイド【スクリーンショットつき解説】 を参照してください。

3. Perlスクリプトによるubuntu追加パッケージのインストール

   1. Ubuntu追加パッケージをインストールするために、添付のPerlスクリプト「Script_Install_Packages_Ubuntu_20.04.pl」を任意のディレクトリに保存し、保存したディレクトリに移動してから、そのスクリプトファイルを実行します。これ以降、本書に記載のコマンドを「右クリック >> コピー」後、端末ウィンドウ内で「右クリック >> 貼り付け」して、実行可能です。

2. パッケージのインストールが完了すると、下図のように「Success, Done!」というメッセージが表示されます。

3. 次のコマンドにより、各パッケージを最新のものにアップデートします。必要に応じて、Ettus社の解説サイト Building and Installing the USRP Open-Source Toolchain (UHD and GNU Radio) on Linux - Ettus Knowledge Base を参照してください。

4. また、前項のスクリプト内ではインストールされないものを含む以下のパッケージを、次のコマンドにより、インストールします。（下記コマンドのコピー＆貼り付けを推奨）

5. 上記のインストールが完了したら、ホストPCを一旦シャットダウンした後、再度ホストPCを起動します。いずれのエラーも無い状態で上記インストールが完了できたら、次章に進みます。

 

4. CMakeのバージョン確認およびインストール

1. CMakeのバージョンが3.8よりも古い場合はcmakeコマンド実行時にエラーとなりますので、本章の手順によりバージョンを確認し、必要に応じて解説サイト「Ubuntu 18.04 に Cmake の Latest Release をインストールする 」や「Linuxに特定のバージョンのcmakeをインストール 」を参照して最新版にアップデートしてください。

2. 次のコマンドによりCMakeのバージョンを確認します。

3. 万が一、前項のバージョン確認でCMakeが3.8より古いバージョンだった場合は、以降の手順により、CMakeをアップデートします。バージョンが3.8以上の場合は、5章に進みます。

4. 次のコマンドにより、cmakeダウンロードサイト から CMake のソース 「Unix/Linux Source (has \n line feeds)」 の最新版（以下は最新版がcmake-3.22.1.tar.gzの場合）をダウンロードします。

5. 次のコマンドにより、ダウンロードしたファイルを解凍し、ビルドのための事前設定を実行します。

5. 次のコマンドにより、CMakeをビルドします。

6. 続いて次のコマンドにより、CMakeをインストールします。

7. Linux環境設定ファイルへ環境変数を登録します。次のコマンドにより、環境設定ファイル「.bashrc」にCMakeのPathを追加します。下記の「’」（シングルクォーテーション）2個を忘れずに付けてください。

8. 以下の要領で、環境設定ファイルをviエディタで開き、正しく追加されたか確認します。

9. さらに次のコマンドにより、その環境設定ファイルをsourceします。もしくは、いったんTerminalウィンドウを閉じてから、再度Terminalを開きます。

5. UHD最新版のインストール (例：4.1.0.5の場合) ［v4.2以上を推奨］

   1. UHD/GNU RadioのOpen SourceホストであるGitHubサイト GitHub - EttusResearch/uhd at UHD-4.1 のソースコード・リポジトリからソースコードをクローンして、UHD 最新版をインストールします。

2. まず、次のコマンドにより、ソースコード・リポジトリをクローンするためのディレクトリを作成し、そのディレクトリに移動してからリポジトリをクローンします。

3. クローンしたリポジトリから最新バージョンをチェックアウトするために、いったんリポジトリ内のバージョンリストを表示して確認します。

4. 上記リスト中の（「-rc*」付きのものより、付いてないほうが新しいバージョン）最新バージョン名（以下、例としてv4.1.0.5）を確認したら、次のコマンドにより、そのバージョンをチェックアウトします。ちなみに、下図内のコメントにUHDバージョン切り替え方法が表示されています。

5. 次のコマンドにより、「host」ディレクトリ下に「build」ディレクトリを作成し、そのディレクトリに移動してからコンパイル（cmake）します。

6. さらに次のコマンドにより、ビルド（make）します。

7. Makeが完了したら、次のコマンドにより、UHDをインストールします。

8. 次のコマンドにより、UHD FPGAイメージをダウンロードします。

6. GNU Radio 3.8.2.0のインストール

   1. GNU Radio 3.8.2.0をインストールします。まず次のコマンドにより、GitHubサイトのソースコード・リポジトリからソースコードをクローンします。

2. 次のコマンドにより、ビルド用のディレクトリを作成してからクローンしたソースコードをチェックアウトします。ちなみに、下図内のコメントにGNU Radioバージョン切り替え方法が表示されています。

3. 次のコマンドにより、サブモジュールをアップデートします。

4. 次のコマンドにより、コンパイル（cmake）します。

5. 次のコマンドにより、ビルド（make）します。

6. 次のコマンドにより、GNU Radioをインストールします。

7. RFNoC 4のインストール

   1. まず次のコマンドにより、GitHubサイトのリポジトリからソースコードをクローンします。

2. 次のコマンドにより、ビルド用のディレクトリを作成してからコンパイル（cmake）します。

3. 次のコマンドにより、ビルド（make）します。

4. 次のコマンドにより、RFNoCをインストールします。

8. 環境設定ファイルの編集

   1. Linux環境設定ファイル「.bashrc」の最終行に環境変数を追加します。次のコマンドにより、環境設定ファイルを開きます。

2. さらに以下のコマンドにより、その環境設定ファイルをsourceします。もしくは、いったんTerminalウィンドウを閉じてから、再度Terminalを開きます。

9. インストールしたGnuRadioとUHDのバージョン確認

   1. 次のコマンドにより、インストールされているGnuRadioのバージョンなどを確認します。

2. また次のコマンドにより、GNU RadioライブラリとRun-timeモジュールが正しくインストールされたか確認できます。そのコマンドを実行して、PCのスピーカーから音が出るのを確認後、<ctrl-C>キーで終了します。

10. X410のFile Systemsのアップデート

1. まず次のコマンドにより、ホストPCが接続しているネットワーク内のUHD対応デバイス（すなわちX410）情報を表示させて確認します。必要に応じて、Ettus社のマニュアルサイト USRP Hardware Driver and USRP Manual: USRP X4x0 Series (ettus.com) を参照してください。

2. X410に電源を入れるために一旦ホストPCをシャットダウンし、X410の電源を入れてから、ホストPCを起動します。

3. 簡単な方法として、最新のFile Systemsにアップデートするために次のコマンドを使用できます。

4. まず、次のコマンドにより、X410のIPアドレスを確認します。

5. 次のコマンドにより、SSHアクセスしてX410にリモートログインします。

6. 次のコマンドにより、各USRPモデルのMender artifactイメージファイルのダウンロードURLを確認します。

7. 次のコマンドにより、ダウンロードしたMender artifactイメージファイルをインストールします。

8. 再起動完了まで1～2分待ち、X410が正常に起動したことを「uhd_find_devices」コマンドで確認します。万が一、X410が検出できない場合は、ホストPCを再起動してから再試行してください。

9. 次のコマンドにより、アップデートをコミットします。

10. ちなみに、次のコマンドにより、現在インストールされているMender Artifact情報を表示します。

11. 最後に、次のコマンドにより、ホストPCが接続しているネットワーク内のUHD対応デバイス（すなわちX410）情報を表示させて最終確認します。

11. PCネットワークポート［QSFP28(10GE)ポート］の設定

    1. 以下の手順により、Linux (ubuntu) PCに装着したX410接続用インタフェースカードのQSFP28（10GE）ポートを設定します。まず、ubuntuデスクトップの右上隅にある「▼」マークをクリック >>「設定」を選択します。

2. 表示された設定画面の左ペインにある「ネットワーク」を選択し、右ペインにある「Ethernet(enp1s0f0np0)」欄の「接続中-10000Mb/s」表示の右端にある設定（歯車）アイコンをクリックします。

3. 次に表示された設定画面で、「IPv4」タブをクリック >>「IPv4メソッド」欄で「手動」を選択 >>「アドレス」欄に「192.168.10.1」を入力 >>「ネットマスク」欄に「255.255.255.0」を入力します。

4. 同じ設定画面で、「Identity」タブをクリック >> 好みにより「名前」欄に任意の文字列を入力 >>「MACアドレス」欄のプルダウンメニューから「(enp1s0f0np0)」（ポート0側）を選択 >>「MTU」欄に「9000」と入力します。

5. ポート0側のみを使用する場合には以上ですが、ポート1側も設定する場合には、上記11.2章において「Ethernet(enp1s0f1np1)」欄のほうを選択し、上記11.3章では「アドレス」欄に「192.168.20.1」（その他は同じ）を入力し、11.4章では「MACアドレス」欄で「(enp1s0f1np1)」（ポート1側）を選択（「名前」は別名でその他は同じ）します。

12. XilinxのVIVADOコンパイラの入手とインストール

 

1. Xilinx Vivado 2019.1 HLx edition + Update-1 (Vivado 2019.1.1) をインストール済みの場合は、以降の手順を省略できます。また、事前にXilinxのアカウント情報（User ID、Password）をご用意ください。無い場合は、あらかじめXilinx社のWebサイトでアカウントを作成してから、本章の手順を実行してください。

2. 下記サイトの「2019.1」アーカイブリンク より、Xilinx Vivado 2019.1 HLx editionのLinux用自己解凍型ウェブインストーラ(BIN - 115.05 MB)をダウンロードします。

3. ダウンロードファイルの保存ディレクトリにcdコマンドで移動し、次セクション以降に示すようにXilinx Vivadoをインストールします。必要に応じて、解説サイト VivadoをLinux (Ubuntu) にインストール を参照してください。 

cd <インストーラファイル保存ディレクトリ>

4. 次のコマンドにより、インストールを開始します。

sudo chmod +x Xilinx_Vivado_SDK_Web_2019.1_0524_1430_Lin64.bin
sudo ./Xilinx_Vivado_SDK_Web_2019.1_0524_1430_Lin64.bin

上記のコマンドを実行すると、下図のような確認ダイアログが表示されますので、<Continue>ボタンをクリックします。

   

その背景にある下図の画面では<Next>をクリックします。

5. 下図のような画面が表示されたら、Xilinxのアカウント情報（User ID、Password）を入力します。その下にあるチェック項目はデフォルトの「Download and Install Now」を選択します。

入力を完了したら、<Next>をクリックします。

 

6. 次に、下図のようにライセンスなどの合意を求められるので、すべて<Agree>をチェックします。

完了したら、<Next>をクリックします。

 

7. 次に表示されるインストールエディションの選択画面では、１番目のWebPACKではなく、２番目の「Design Edition」を選択します。完了したら、<Next>をクリックします。

8. 次に表示される画面で、インストールするツール類を選択できますが、デフォルト設定で問題ありません。<Next>をクリックします。

9. 次に表示される画面ではインストール先のディレクトリを選択できますが、デフォルトの「/tools/Xilinx」で問題無ければ、そのままインストールを開始します。（約80分）

下図の画面で<Next>をクリックします。

下図の確認ダイアログで<Yes>をクリックし、その背景画面では<Install>をクリックします。

  

10. インストールが完了すると下図のような画面が表示されますので<OK>ボタンをクリックします。

その後、下図のようなLicense Manager選択画面が表示されますが、後述の15章で説明するとおり、社内ネットワーク上にあるライセンスサーバー（NI社内であれば本社にあります）を使用する場合は、ここでは何もせずにウィンドウ右上にある<×>ボタンによりウィンドウを閉じます。

社内ネットワーク上にXilinx用のライセンスサーバーが無い場合には、選択肢の中から必要なものを選択して、Xilinxと契約します。（あとからでもLicense Managerを起動して契約可能です。）

 

13. Cable Driverのインストール

    1. ボードもしくはプログラミングケーブル用のデバイスドライバはインストールされていませんので、これらは個別にインストールする必要があります。/tools/Xilinx にインストールした場合、次のコマンドによりインストールします。

cd /tools/Xilinx/Vivado/2019.1/data/xicom/cable_drivers/lin64/install_script/install_drivers/
sudo ./install_drivers

 

14. VIVADOの環境ファイル設定

    1. このままではTerminal上でvivadoと入力してもvivadoは立ち上がりませんので、次のコマンドにより、Linux環境設定ファイルに環境変数を追加します。

cd $HOME
echo source /tools/Xilinx/SDK/2019.1/settings64.sh >> $HOME/.bashrc

正しく追加されたか確認するために、次のコマンドにより、viエディタで表示してみます。
 

vi $HOME/.bashrc
 

<G>キー（<Shift-g>）を押して、ファイルの最終行に移動して確認します。

万が一、正しく追加されていなかった場合には、<i>キーで編集モードに移行することによって、ファイルを編集できます。編集した場合は <ESC>キー >> <:wq> と入力することによって、上書き保存後にviエディタを終了します。編集しなかった場合は <:q> と入力して、viエディタを終了します。

 

2. さらに以下のコマンドにより、その環境設定ファイルをsourceします。もしくは、いったんTerminalウィンドウを閉じてから、再度Terminalを開きます。

source $HOME/.bashrc

 

 

15. Xilinxライセンスサーバーへのアクセス設定

    1. 社内ネットワークの場合、以下の要領で設定します。まず、次のコマンドによりpingが通ることを確認します。

ping <社内License Serverアドレス>

2. 確認したら、次のコマンドにより、Linux環境設定ファイルに環境変数を追加します。

echo export XILINXD_LICENSE_FILE=2100@ <社内License Serverアドレス> >> $HOME/.bashrc
 

正しく追加されたか確認するために、次のコマンドにより、viエディタで表示してみます。
 

vi $HOME/.bashrc

<G>キー（<Shift-g>）を押して、ファイルの最終行に移動して確認します。

万が一、正しく追加されていなかった場合には、<i>キーで編集モードに移行することによって、ファイルを編集できます。編集した場合は <ESC>キー >> <:wq> と入力することによって、上書き保存後にviエディタを終了します。編集しなかった場合は <:q> と入力して、viエディタを終了します。

 

3. さらに以下のコマンドにより、その環境設定ファイルをsourceします。もしくは、いったんTerminalウィンドウを閉じてから、再度Terminalを開きます。

source $HOME/.bashrc
 

16. Xilinx VIVADO 2019.1のアップデート

    1. 9.1章で実施した「Xilinx Vivado 2019.1 HLx edition」のダウンロードと同様の要領（同じXilinxのWebページ ）で、「HLx Edition: アップデート 1 - 2019.1」（9.29GB）を任意のディレクトリにダウンロード（他のアップデート2,3もありますが、1のみ）します。ダウンロードしたディレクトリに移動した後、そのファイル（***.tar.gz）を解凍します。

cd <ダウンロードしたディレクトリ>
sudo tar -zxvf Xilinx_Vivado_SDx_Update_2019.1.1_0629_0743.tar.gz

解凍したファイル群の中の「xsetup」ファイルがあるディレクトリに移動し、次のコマンドにより、そのファイルを実行します。

cd Xilinx_Vivado_SDx_Update_2019.1.1_0629_0743/
sudo ./xsetup

2. 上記コマンドを実行すると、下図のような画面が表示されますので、<Next>ボタンをクリックしてアップデートを開始します。

すると、下図のようなアップデート概要確認画面が表示されますので、<Install>ボタンをクリックし、次に表示される確認ダイアログでは、ほかに起動しているXilinxアプリケーションが無いことを確認のうえ、<Continue>ボタンをクリックしてインストールを開始してください。

3. インストールが完了すると、下図のような画面が表示されますので、<OK>ボタンをクリックして完了します。

 

17. Motherboard CPLDのアップデート（必要な場合のみ）

1. 本章のMotherboard CPLDアップデートは、万が一、適切に実行されなかった場合には、デバイスが正常に動作しなくなりますので、ご注意ください。実行する前に弊社担当者にご確認ください。また必要に応じて、Ettus社のマニュアルサイト USRP Hardware Driver and USRP Manual: USRP X4x0 Series (ettus.com) を参照してください。

2. X410とホストPCを接続し、X410の電源を入れてからホストPCを起動します。起動が完了したら、次のコマンドにより、X410がホストPCで検出されることを確認します。

uhd_find_devices

3. 通常FileSystemsは、「/lib/firmware/ni/cpld-x410.rpd」の場所にCPLDファイルを置いています。よって、新しいFileSystemsをインストール中に本章を参照している場合には、新しいFirmwareにアクセスするために、次のコマンドにより、ホストPCからSSHアクセスでX410にリモートログインしてから、新しいFileSystemsをmountする必要があります。

ssh root@<X410のIPアドレス> (ユーザ名@X410のIPアドレス)
mkdir /workdir
mkdir /mnt/other
mount /dev/mmcblk0p3/mnt/other
cp /mnt/other/lib/firmware/ni/cpld-x410.rpd /workdir
umount /mnt/other

上記の2行目について、FileSystemsによっては「/dev/mmcblk0p2」の場合もあります。

4. 次のコマンドにより、Motherboard CPLDをアップデートします。

x4xx_update_cpld --file=/workdir/cpld-x410.rpd

FileSystemsのバージョンが古いと上記のコマンドを認識しない場合があります。その場合は、 USRP X410 Getting Started Guide - Ettus Knowledge Base を参照のうえ、まずFileSystemsをアップデートしてください。

5. Motherboard CPLDのアップデートが完了したら、アップデートを有効化するために、以下の手順によりX410を再起動します。次のコマンドにより、X410をシャットダウンします。

shutdown -h now

X410がシャットダウンしたら、電源プラグをコンセントから抜き、ホストPCも一旦シャットダウンします。その後、X410の電源を入れてからホストPCを起動します。
 

18. FPGAイメージのアップデート（必要な場合のみ）

1. X410内部のFPGAイメージを別のものに書き換える場合は、上述のセットアップを実行した後に、本章の手順に従って書き換えてください。必要に応じて、Ettus社のマニュアルサイト USRP Hardware Driver and USRP Manual: USRP X4x0 Series (ettus.com) を参照してください。

2. 次のコマンドにより、X410内部FPGAのイメージ（.bitファイル）を書き換えることができます。

uhd_image_loader --args type=x4xx,addr=<X410のIPアドレス> --fpga-path <.bitファイルの保存場所>
 

3. ちなみに、サンプルbitファイルが、ホストPC内の以下の場所にあらかじめ保存されています。

/usr/share/uhd/images/

ただし、UHDのインストールの仕方によっては別の場所の場合もあります。さらに、上記のサンプルbitファイルの最新版をダウンロードする場合には、ホストPCのTerminal（端末）上で、次のコマンドを実行します。

cd /usr/share/uhd/images/
uhd_images_downloader

 

4. またX410内部にも、出荷時に下表のようなサンプルbitファイルがいくつか保管されています。

FPGA Image Flavor	QSFP28 Port 0 Interface	QSFP28 Port 1 Interface
X1_100	1x 10 GbE (Lane 0)	N/C
X4_{100, 200}	4x 10 GbE (All Lanes)	N/C
XG_{100, 200}	1x 10 GbE (Lane 0)	1x 10 GbE (Lane 0)
X4C_{100, 200}	4x 10 GbE (All Lanes)	100 GbE
C1_400	100 GbE	N/C
CG_{100, 400}	100 GbE	100 GbE

X410内部FPGAイメージを上表のいずれかのbitファイルに書き換える場合には、次のコマンドを実行します。（例：4x 10GbE, 200MHz-BWの場合）

ssh root@{X410のIPアドレス} (ユーザ名@X410のIPアドレス)
uhd_image_loader --args type=x4xx,mgmt_addr=127.0.0.1,fpga=X4_200

 

アナログ帯域幅によって使用可能なマスタークロックレートが決まります。UHD 4.1では、X4_200イメージだけがUHDに同梱されており、245.76MHzまたは250MHzのマスタークロックレートを使用できます。他のイメージは実験的（非対応）なものです。また、USRP X310や他の第3世代USRPデバイスとは異なり、FPGAイメージは、QSFP28コネクタの構成方法だけでなく、どのマスタークロックレートが利用可能かもエンコードされています。これは、データ・コンバータの構成がFPGAイメージの一部であるためです（X410のADC/DACは、FPGAと同じダイ上にあります）。上表の「FPGA Image Flavor」は、アンダースコアで区切られた2つの短い文字列で構成されています。例えば、X4_200は、4x 10GbEを含み、200MHzのアナログ帯域幅を処理できるものです。最初の 2 文字は、QSFP28 ポートの構成を表します。「X」は10GbEを、「C」は100GbEを表します。

 

次のステップ

• Multi-FosphorサンプルデモによるLinux PCでのUSRP-X410動作検証