あっきぃです。

日本ではRaspberry Pi 5の発売はまだですが、先週末には日本の技適に関する証書PDFがRaspberry Piのポータルにアップロードされ、進捗が見えてきています。残念ながらこのPDFをもって日本で買ったり使ったりして良いことにはなっておらず、製品（またはパッケージ等）にマークと番号が印字されたものが販売開始されて初めて適法に利用できるようになるため、もう少しの辛抱です。

https://pip.raspberrypi.com/categories/894-approvals

さて、今回はRaspberry Pi 5のNVMe SSD用アクセサリーボードの話題。PCI Expressポートを使用したNVMe SSDの接続用アクセサリーボードについて、公式から販売が予告されていますが、まだ発売はされていません。しかし、すでにサードパーティベンダーからはいくつものNVMe SSDの接続用アクセサリーボードが発売されています。何種類か入手して試してみましたので、それぞれの使用感をレポートしていきます。

3種類のボード

今回紹介するのはこちらの3種類です。

• Geekworm X1001 （写真の左上）
• PineBerry Pi HatDrive! Top （写真の左下）
• Pimoroni NVMe Base （写真の右下）

各ボードについて、それぞれ詳しく見ていきましょう。

コンパクトながら2280サイズに対応するX1001

GeekwormのX1001は、Pi 5上に搭載するタイプのボードです。GPIO接続は不要かつGPIO部分が空いているため、HATボードの接続等のGPIOポートアクセスが可能です。固定用のネジ穴は3つで、スペーサーをつけると3本足で立つ、少しふしぎな形になります。

NVMe SSDは2230、2242、2260、2280のサイズに対応しますが、SSDの固定のダボは2280で固定になっていて外せないため、写真のように2280サイズ以外のSSDを使う場合には、別のアダプター等に付属している固定ネジが必要になります。また、動作中はACTのLEDランプが点滅します。

HAT形状のHAT Drive! Top

2023年9月末に設立されたばかりという、ポーランドのPineBerry Piが販売するHAT Drive Top!は、HATサイズにまとまったコンパクトなボードです。コンパクトな分、対応するNVMe SSDのサイズは2230、2242のみとなります。通電中の電源ランプとACTランプを搭載しています。

Raspberry Piへの接続は、PCIeケーブルのみでも動作しましたが、GPIOポートに接続するための延長ピンソケットが付属しており、これを使用して他のHATボードなどとセットで搭載することができます。なお、延長ピンソケットの抜き差しは慣れるまでは少し大変な印象でした。

Pi 5の下に配置！NVMe Base

イギリスのPimoroniが販売するNVMe Baseは、先述の2つとは違い、Pi 5の下に搭載するタイプのボードです（ちなみに、Pineberry PiやGeekwormも同様にボトムに配置するタイプのボードがあるようです）。

SSDのサイズはX1001と同じく2230、2242、2260、2280に対応します。SSDの固定は付属のネジとナットを使用して固定します。

ボードの裏面は波紋のような模様が特徴的。また、FPCケーブルのカーブも面白い設計ですね。

組み立てたあとの様子。ボードが下にあるため、Pi 5の全ポートにアクセス可能なのが便利です。一方、SSDの交換については都度ネジを外す必要があるのが、用途によっては面倒に感じるかも知れません。また、公式ケースやPimoroniのPiBowとは組み合わせられないのも惜しいところです。NVMe Baseに対応したPiBowケースの登場に期待したいです。

Raspberry Pi 5でNVMeブートをするための手順

Pi 5でNVMeブートをするには、事前にPi 5のEEPROM上の設定に対してブート順序の変更が必要なため、MicroSDカードでOSを起動して、rpi-eeprom-configコマンドを実行して設定作業を行います。

コマンドを実行するとエディターに設定が表示されるため、以下の2つのパラメータについて設定します。

$ sudo rpi-eeprom-config --edit

[all]
# BOOT_ORDERを変更。fより右に6を含める
BOOT_ORDER=0xf416

# 追記する
PCIE_PROBE=1

BOOT_ORDERパラメータは、6がfよりも右に含まれるように書き換えます。Raspberry Piの起動時には、数字の右側から起動が試行されます。0xf416の場合は、NVMe、MicroSD、USBの順に試して、起動メディアがなければまたNVMeから再試行していきます。各数字の意味の詳細は公式のドキュメントを参照してください。

https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#BOOT_ORDER

PCIE_PROBEパラメータは、次期HAT（おそらくHAT+）の仕様をサポートしないボードのためのパラメーターで、設定するとCM4と同様のPCIe x1検出方法になります。この設定はX1001とNVMe Baseの場合は不要です。HatDrive! Topの場合のみGPIO接続時にパラメータが必要ですが、GPIOに接続しない場合は不要です（今後のHatDrive!の設計変更によってはGPIO接続時でも不要になる可能性があります）。

https://github.com/raspberrypi/rpi-eeprom/releases/tag/v2023.12.06-2712

設定後はファイルを保存して終了し、一度OSを再起動します。再起動後はOSをシャットダウンしておきます。

NVMe SSDへのOSの用意

NVMe SSDにRaspberry Pi OSをインストールするには、作業PCにNVMe SSDを接続するために、USBに変換するためのエククロージャが必要です。Amazon等で販売されているので、1つ用意しておくと良いでしょう。

USB変換を使用してPC等に接続するとUSBストレージとして認識するので、MicroSDカードのときと同様に、Raspberry Pi Imager等を使用してRaspberry Pi OSを書き込みます。

OSを書き込んだ後、再度PCに接続してブートパーティションをマウントし、/boot/config.txtをエディターで開いて、以下の設定をファイルの末尾に追記します。

[all]
dtparam=pciex1
dtparam=pciex1_gen=3

dtparam=pciex1は、PCI Expressの外部コネクターを有効にするためのオプションです（なくても動作しますが一応記述します）。有効化すると、ポートがPCI Express 2.0 x1として利用できるようになります。

しかし、公式にはサポートされていないものの、dtparam=pciex1_gen=3を追加することで、PCI Express 3.0 x1として利用できるように強制できます。ただし、起動できなかったり、不安定になる場合もあるようなので、不具合が生じた場合はこのパラメータと除いてみてください。

起動！

OSが用意できたらボードをPi 5に搭載して起動します。ユーザー会では引き続き電波暗箱を使用しているため、箱にボードを入れての試験となります。基本的にボードに因る性能差異はなかったため、HatDrive! Topで検証した内容を掲載します。PCIe 3.0×1で問題なく利用できたため、SSDの性能をより引き出すことができました。

まずはhdparmを使用したシーケンシャルリードのテスト。800MB/sという、ラズパイらしからぬ性能が出ています。

akkie@nvmepi1:~ $ sudo hdparm -t /dev/nvme0n1

/dev/nvme0n1:
 Timing buffered disk reads: 2454 MB in  3.00 seconds = 817.58 MB/sec

続けてddコマンドでシーケンシャルライトのテスト。こちらも700MB/s弱の性能を叩き出していて、やはりラズパイらしからぬスピードです。

akkie@nvmepi1:~ $ dd if=/dev/zero of=a.zero bs=1M count=10000
10000+0 records in
10000+0 records out
10485760000 bytes (10 GB, 9.8 GiB) copied, 15.0922 s, 695 MB/s

Raspberry Piのストレージをテストしてサイトに掲載するスクリプトを提供しているPi Benchmarksのスクリプトを使用したテスト結果は以下の通り。DDの書き込み方法が異なるためか、あるいは熱による性能低下によるものかは不明ですが、こちらは359MB/sにダウンしてしまいました。ランダムの読み書き性能は150〜200MB/sと、なかなかの数字となりました。

     Category                  Test                      Result     
HDParm                    Disk Read                 798.84 MB/sec            
HDParm                    Cached Disk Read          675.10 MB/sec            
DD                        Disk Write                359 MB/s                 
FIO                       4k random read            126419 IOPS (505679 KB/s)
FIO                       4k random write           59883 IOPS (239532 KB/s) 
IOZone                    4k read                   198011 KB/s              
IOZone                    4k write                  144889 KB/s              
IOZone                    4k random read            57412 KB/s               
IOZone                    4k random write           167898 KB/s              

                          Score: 37236 

まとめ

色々なNVMeボードについて特徴を解説し、実際にボードをRaspberry Pi 5で利用するための手順について解説しました。

公式のNVMe HATボードがまだ登場していませんが、すでにサードパーティベンダーから、今回紹介したような、使い方やNVMe SSDのサイズに応じた様々なボードを選べるようになっているため、お好みで用意してみてはいかがでしょうか。

NVMe SSDを利用することで、MicroSDカードよりも高信頼かつ高速なRaspberry Piの環境が構築できます。サーバー用にRaspberry Pi 5を検討している方は、NVMe SSDの採用も合わせて検討すると良いでしょう。

こんにちは、あっきぃです。この記事はRaspberry Pi Advent Calendar 2023の15日目の記事です。

WIZnetさんからサンプルをいただいたので、今回はそちらを使って少し遊んでみます。レビューのほうは別の方がする予定となっているため、私からはとにかくなんか遊ぶ感じの話題をお届けします。ちなみにいただいたのは以下の3種類（下のHATは2つ）。WIZnetさん、ありがとうございます！

今回遊ぶ内容的にはどれを使用しても同じですが、今回はEthernet HATの方を使用しました。こちらの場合別途Raspberry Pi Picoが必要になりますが、EVB-Picoよりも全長が少し短くなってコンパクトになります。また、EVB-Picoと比べるとボード上の通電LEDがPicoで覆い隠せるため、実運用に投入するとLEDが眩しくて邪魔という問題が緩和できます。まあ、EVB-PicoのEVBはEValuation Boardの略だと思うので、実運用に適しているのかは不明ですが……。

なお、WIZnet製品は、スイッチサイエンスで購入できます。

https://www.switch-science.com/collections/all/cat:%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%AB%E3%83%BC%2F%E3%83%96%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%83%89_WIZnet

今回はCircuitPythonを使用して、Raspberry Pi Picoが接続されているPCのマウスカーソル操作をWeb API化して、リモート操作できるようにしてみます。

CircuitPythonを使う時、Macユーザーは注意

Macユーザー向けにナウな注意として、現在のmacOS Sonoma（14.2時点で問題は継続中）では、macOSの不具合によって、CircuitPythonを接続してすぐにスクリプトの読み書きをすると、I/Oエラーが発生してデータが破損するなどのおそれがあります。以下のページにあるシェルスクリプトを使用して再マウントすることで問題を回避できます。

https://learn.adafruit.com/welcome-to-circuitpython/troubleshooting#macos-sonoma-14-dot-x-disk-errors-writing-to-circuitpy-3160304

ネットワークに接続する

WIZnetのデバイスを扱うには、adafruit_wiznet5kモジュールを使用します。CircuitPythonのライブラリバンドルに収録されているので、ここからadafruit_winzet5kモジュールをデバイス上のlibディレクトリにコピーして使用します。

WIZnetのデバイスを使ってDHCPでアドレスを取得するまでのコードは、以下のようになります。このコードをデバイス上の/code.pyとして保存します。

import board
import busio
import digitalio
import time
from adafruit_wiznet5k.adafruit_wiznet5k import WIZNET5K

# SPIの初期化
SPI_SCK = board.GP18
SPI_TX = board.GP19
SPI_RX = board.GP16
SPI_CSn = board.GP17
W5500_RSTn = board.GP20
cs = digitalio.DigitalInOut(SPI_CSn)
spi_bus = busio.SPI(SPI_SCK, MOSI=SPI_TX, MISO=SPI_RX)

# デバイスをリセットする
ethernetRst = digitalio.DigitalInOut(W5500_RSTn)
ethernetRst.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
ethernetRst.value = False
time.sleep(1)
ethernetRst.value = True

# 接続する
eth = WIZNET5K(spi_bus, cs, is_dhcp=True)
print("MAC Address:", [hex(i) for i in eth.mac_address])
print("My IP address is:", eth.pretty_ip(eth.ip_address))

実行結果は以下の通り。デバイスはMACアドレスは持っていないため、”dead beef feed”になっています。MACアドレスを指定することは可能なため、複数動かすなどの場合には適宜変更すると良さそうです。

code.py output:
MAC Address: ['0xde', '0xad', '0xbe', '0xef', '0xfe', '0xed']
My IP address is: 192.168.29.127

Code done running.

Webサーバーにする

CircuitPythonでWebサーバーを作成するにはadafruit_httpserverモジュールを使うのが簡単です。ただ、WIZnetのボード向けのCircuitPythonにはhashlibモジュールが内蔵されていないため、現在のモジュールのバージョンでは、インポート時にエラーが発生します。そのため、ライブラリバンドルからではなく、Githubリポジトリから最新のコードを取得して、adafruit_httpserver/response.pyにあるimport hashlibの行をコメントアウトする必要があります。この問題は報告をして、現在やり取りをしているところです。 (追記)修正されたようです。リリースもされたため最新のバージョンが使用可能です。

https://github.com/adafruit/Adafruit_CircuitPython_HTTPServer/issues/73

ライブラリの方に一手間が発生してしまいましたが、気を取り直して、上記のIPアドレスを取得するコードに、次のコードを書き加えると、Webサーバーが起動するようになります。

import adafruit_wiznet5k.adafruit_wiznet5k_socket as socket
from adafruit_httpserver import Server, Request, Response

socket.set_interface(eth)
server = Server(socket)

@server.route("/")
def root(request: Request):
    print("GET /")
    return Response(request, "Hello!")

server.serve_forever(str(eth.pretty_ip(eth.ip_address)))

実行時に表示されたIPアドレスにアクセスすると、Hello!の文字が表示されました。

マウスを操作する

個人的にCircuitPythonを気に入っている理由の一つに、USB HIDデバイスとして使えるという点が上げられます。MicroPythonにはないので、私がCircuitPython推しなのはこの一点が大きいです。

USB HIDとして使えるようにするには、adafruit_hidモジュールを使用します。code.pyにコードを書く……前に、以下の内容を記述したboot.pyを用意する必要があります。

import usb_hid

usb_hid.enable((usb_hid.Device.MOUSE,))

Webサーバーが動くようになったcode.pyは一旦リネームして退避しておき、あたらしいcode.pyには以下のコードを用意します。

import time
import usb_hid
from adafruit_hid.mouse import Mouse

mouse = 0
while not mouse:
    try:
        mouse = Mouse(usb_hid.devices)
    except:
        pass
    time.sleep(1)

for i in range(0, 8):
    mouse.move(x=20, y=20)
    time.sleep(0.25)

boot.pyの反映はソフトリセットではできないため、code.pyの保存までできたら、ケーブルを抜き差ししてハードリセットします。（macOS Sonomaユーザーは上に書いた再マウントのWorkaroundを忘れずに！）。

抜き差し直後に、マウスカーソルをよく見ると、右下に少しだけカクカクと移動していきます。hidモジュールはクリックなどの操作ももちろんできるので、マクロ的な操作も作ることができます。

マウス移動をWeb APIにする

WIZnetのデバイス初期化、Webサーバー起動、マウス操作を組み合わせて、マウスカーソル移動をWeb APIにしてみます。

マウス操作のテストコードのうち、import timeとfor文以外をコピーして、退避したWebサーバーのコードをcode.pyにリネームし直し、コピーしたコードをcode.pyの最初の方にでも貼りつけておきます。

/にアクセスしたときは、マウスカーソルを操作するボタンを配置したHTMLを返すように変更します。また、マウスカーソルを上下左右に20px移動するAPIとして、/mouse/up・/mouse/down・/mouse/left・/mouse/rightを作成します。

Hello!を返すためのコードのかたまり（4行）を消して、以下のコードを追加します。

indexhtml = """<!DOCTYPE html><html><head><meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1"><meta charset="utf-8"><title>Web mouse cursor API</title><link href="https://cdn.jsdelivr.net/npm/bootstrap@5.3.0/dist/css/bootstrap.min.css" rel="stylesheet" integrity="sha384-9ndCyUaIbzAi2FUVXJi0CjmCapSmO7SnpJef0486qhLnuZ2cdeRhO02iuK6FUUVM" crossorigin="anonymous"><script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/bootstrap@5.3.0/dist/js/bootstrap.bundle.min.js" integrity="sha384-geWF76RCwLtnZ8qwWowPQNguL3RmwHVBC9FhGdlKrxdiJJigb/j/68SIy3Te4Bkz" crossorigin="anonymous"></script><script>function s(p){fetch(p).then(function(r){return r.text()}).then(function(t){document.getElementById('r').innerText=t;});}</script></head><body><main class="px-3 col-6 mx-auto text-center"><h1 class="mt-2">Web mouse cursor API</h1><div class="container"><div class="row"><button class="btn btn-primary mt-3 mb-3" onclick="s('/mouse/up');">👆</button></div><div class="row d-flex justify-content-between"><button class="btn btn-primary col-5 mt-3 mb-3" onclick="s('/mouse/left');">👈</button><button class="btn btn-primary col-5 mt-3 mb-3" onclick="s('/mouse/right');">👉</button></div><div class="row"><button class="btn btn-primary col-12 mt-3 mb-3" onclick="s('/mouse/down');">👇</button></div></div><div id="r" class="m-3"></div></main></body></html>"""

@server.route("/")
def root(request: Request):
    print("GET /")
    return Response(request, indexhtml, content_type="text/html")

@server.route("/mouse/<direction>")
def move_mouse(request: Request, direction: str):
    print("GET /mouse/%s" % direction)
    if direction == "up":
        mouse.move(x=0, y=-20)
    elif direction == "down":
        mouse.move(x=0, y=20)
    elif direction == "left":
        mouse.move(x=-20, y=0)
    elif direction == "right":
        mouse.move(x=20, y=0)
    else:
        return Response(request, "invalid parameter")
    return Response(request, "moved mouse cursor to %s side" % direction)

マウスの操作APIについては@server.route("/mouse/<direction>")のようにパラメータを変数に取ることができるので、これを活用しました。あとはパラメータに応じてマウスカーソルを移動させて、メッセージを返します。

完成

Web画面を開くと、以下のような画面が表示され、ボタンをクリックするとマウスカーソルが移動します。

スマートフォンなど、デバイスを接続していない別の端末からアクセスして操作するとちょっと楽しいと思います（楽しさの感じ方は人によります！）。

なお、同じネットワーク内にいる他人にアドレスがバレると、いたずらされる可能性があるので、程々に遊んだら片付けるのが安全でしょう。ちなみに私はインターネットに公開してURLをSNSで共有し、10分くらいマウス操作を開放して遊びました。操作している人たちは私のPCのカーソルがどうなっているか見えてもいないのに、なぜかとても楽しそうだったので何よりです。

まとめ

WIZnetのEthernet拡張を使用してWebサーバーを立ち上げて、マウスカーソル移動をWeb API化する例を紹介しました。

Raspberry Pi Picoでネットワーク接続と言えば、現在ではPico Wがあるため、無線LANでいいという考え方もできます。ただ、無線LANが不安定な環境だったり、そもそも無線LANがない環境で使いたい場合などには、やはり有線LANがあると嬉しいですよね。

WIZnetのEthernetモジュールは、ライブラリが揃っていて扱いやすい印象です。今回したCircuitPython以外に、MicroPythonでも使用可能です。難点は、MACアドレスを持っていないので自分で定義が必要な点と、EVB-Picoボードでは通電LEDが目障りになりがちな点でしょうか……。通電LEDは、いざとなればテープや引っ付き虫などで隠してしまっても良さそうです。

今回作成したコードは、諸々整えた状態で以下に公開してあります。

https://github.com/Akkiesoft/akkiesoft-pico/tree/main/CircuitPython/web_mouse

実は、ほぼ同じノリでマクロキーボードAPIというものを以前作っているのですが、こちらで使用していたadafruit_wsgiモジュールでは通信速度が非常に遅く、今回adafruit_httpserverモジュールで書いてみたら高速で転送できるようになったので、マクロキーボードAPIもそのうち書き直したいですね。