産業用途ではデータ領域と分けて運用しよう！CM4でもSSDドライブ起動

SSDドライブ起動のメリット

堅牢性を重視する産業用ラズパイでは、不意な電源シャットダウンでシステムが破損するのを避けるため、ファイルシステムをROM化をする必要も出てきます。ROMは読込専用（Read Only Memory）のことです。

一般的なRaspberry Piでは、microSDカードにOSを入れるのが基本ですから、データ領域と分けることが難しくなります。

SSD起動させるブートローダーの編集と書込み

CM4のブートローダーを書き換えるには、Pi 4のように単独ではできません。

CM4が搭載されている産業用ラズパイ「PL-R4」本体とは別に、市販されているPi 4を用意します。（別のPL-R4本体も使用できますが、今回はPi 4を使用します）
書き込みに使用する「rpiboot」ツールソフトをソースからビルドして使います。

書き込みに使うPi 4 はSSH接続ができたり、VNCで遠隔で操作できるよう事前にセットアップしておきました。

他にもCM4の書き込みにUSBケーブルが必要になります。USBケーブルで書き込み用ポートとPi 4を繋いでブートローダーを送り込む必要があるからです。

必要なもの：

• PL-R4本体
• Pi 4一式
• USB type-C to type-Aケーブル
• ソースからビルドした「rpiboot」
• microHDMIケーブル
• ディスプレイ

使用するケーブルは、CM4側がUSB-Cタイプのコネクタ形状で、Pi 4はUSB-Aタイプで少々特殊なため注意してください。
「USB-C to A」で検索すれば該当の商品が見つかるでしょう。

CM4は単独でEEPROMの更新ができない

一般的なPi 4であれば、rpi-eeprom-updateコマンドが使えます。
しかし、CM4では実行できません。

sudo rpi-eeprom-update
rpi-eeprom-update is not enabled by default on CM4.
The recommended method for flashing the EEPROM is rpiboot.
See: https://github.com/raspberrypi/usbboot/blob/master/Readme.md
Run with -h for more information.

少し面倒ですが、ある意味ではEEPROMの間違いは起こりにくくなりますね。

これ以降は別に用意したPi 4側で実行していきます。

ブートローダー（bootloader）の編集と入替え

NVMe接続のSSDドライブ起動に変更したい場合、市販のPi 5などではsudo rpi-eeprom-configコマンドで設定ができます。CM4も基本は同じなのですが、書き換えたブートローダーごと入れ替えないとなりません。

CM4にファイルを送り込むのに「rpiboot」というツールソフトを使用します。物理的にUSBケーブルで接続したCM4に送り込む形です。

手順の流れはこうです。

別に用意したPi 4に、特定バージョンのブートローダーに対し、SSDドライブから起動するオプションを施して組み直します。
出来上がったブートローダーを、「rpiboot」ソフトを使いCM4へ書き込んで入れ替えることで、オプションを追記したことと同じになります。

ブートローダーのバージョン

始める前にPL-R4側でバージョンをチェックしました。2023−01−11でした。ファイル名だと「pieeprom-2023-01-11.bin」です。

vcgencmd bootloader_version

2023/01/11 17:40:52
version 8ba17717fbcedd4c3b6d4bce7e50c7af4155cba9 (release)
timestamp 1673458852
update-time 0
capabilities 0x0000007f

今回は記事執筆時点で最新の「pieeprom-2024-10-21.bin」を使用しました。
stableとlatestでは「pieeprom-2024-10-21.bin」が最新でした。以下、使用するファイルが異なる場合、年月日の部分は置き換えてお読みください。

各ファームウェアファイルの更新履歴を確認して、希望のバージョンを選んでください。

rpi-eeprom：https://github.com/raspberrypi/rpi-eeprom/blob/master/releases.md

rpibootの利用

rpibootは公式から推奨されているようにソースからビルドして用意します。
以下のようにgit cloneします。ホームディレクトリで作業しました。

sudo apt install git libusb-1.0-0-dev pkg-config build-essential
git clone --recurse-submodules --shallow-submodules --depth=1 https://github.com/raspberrypi/usbboot
cd usbboot
make
cd recovery

これより/usbboot/recovary内にて作業します。

ファームウェアの場所

git cloneを実行した後、Pi 4(bookworm)では以下のディレクトリにファームウェアのファイルが展開されていました。

/lib/firmware/raspberrypi/bootloader-2711/stable
/lib/firmware/raspberrypi/bootloader-2711/latest
/lib/firmware/raspberrypi/bootloader-2711/default

どうやらbookwromになってからbootloader-2711とbootloader-2712にディレクトリ構造が分かれました。2712はPi 5用です。CM4は2711の中から選ぶことになります。

※bullseyeでの場所は、/lib/firmware/raspberrypi/bootloader/でした。

ブートローダーからconfファイルを抜き出して追記

始めにブートローダーから設定ファイルを抜き出します。

rpi-eeprom-config /lib/firmware/raspberrypi/bootloader-2711/latest/pieeprom-2024-10-21.bin -o boot.conf

すると、recovaryディレクトリ内に元々ある空のboot.confが書き換わります。これを編集します。

sudo nano boot.conf

起動順（ブート順）を設定するBOOT_ORDER=0xf16を追記します。

[all]
BOOT_UART=0
WAKE_ON_GPIO=1
POWER_OFF_ON_HALT=0
BOOT_ORDER=0xf16

Pi 5ではBOOT_ORDER=0xf461などど設定していました。起動の順番を数字の部分を右から優先されます。

代表的なのは、1がmicroSDカード、4がUSB接続のストレージ、6がNMVe接続のSSDドライブです。
今回のBOOT_ORDER=0xf16は、NVMe　→　microSDカードの起動順を表しています。

詳しくは公式ドキュメントでご覧ください。
URL：https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#boot_order-fields

256ハッシュ値の書き出し

sha256sumコマンドでpieeprom.binのハッシュ値を.sigファイルとして書き出します。

sha256sum pieeprom.bin | awk '{print $1}' > pieeprom.sig

整合性を照合するためです。

pieeprom.binへ書き出す

最後に書き出します。
先程追記したboot.confを含めたpieeprom-2024-10-21.binをpieeprom.binとして書き出します。

rpi-eeprom-config -c boot.conf -o pieeprom.bin /lib/firmware/raspberrypi/bootloader-2711/default/pieeprom-2024-10-21.bin

これで準備は完了です。

rpibootを実行してEEPROMへ書き込む

最後にrpibootを実行し、EEPROMへブートローダーを書き込みます。
USBケーブルとピンセット、ディスプレイとHDMIケーブルを用意しておきましょう。

コマンドの実行の前に、PL-R4をディスプレイとHDMIケーブルで繋いでおきます。（PL-R4本体の電源は入れない）

cd usbboot/recovary
sudo ../rpiboot -d .

実行後、次のようにWaitingになりターミナルの表示が止まります。
この時に書き換えたいPL-R4にUSBケーブルを繋きます。

**PL-R4に電源は要りません。単純にUSBケーブルでPi4と繋ぐだけです。

sudo ../rpiboot -d .
RPIBOOT: build-date Oct 27 2024 version 20240422~085300 c944557b
Loading: ./bootcode4.bin
Waiting for BCM2835/6/7/2711/2712...

このときEEPROMの書込み可にするため、ピンセットなどを使うディップスイッチをWRT側（向かって右）に切り替えます。

USBケーブルが接続されると、外部メディアとして認識されて書き込みが始まります。(/media/ユーザー名/にマウントされる)

次のような正しい結果例の通りならOKです。書き込めました。

sudo ../rpiboot -d .

RPIBOOT: build-date Oct 27 2024 version 20240422~085300 c944557b
Loading: ./bootcode4.bin
Waiting for BCM2835/6/7/2711/2712...
Loading: ./bootcode4.bin
Sending bootcode.bin
Successful read 4 bytes 
Waiting for BCM2835/6/7/2711/2712...
Loading: ./bootcode4.bin
Second stage boot server
Loading: ./config.txt
File read: config.txt
Loading: ./pieeprom.bin
Loading: ./pieeprom.bin
Loading: ./pieeprom.sig
File read: pieeprom.sig
Loading: ./pieeprom.bin
File read: pieeprom.bin
Second stage boot server done

正常に書き込みが完了すると、PL-R4に繋いだディスプレイが緑色に点灯します。
これで書込は無事に終わりました。

失敗する時に確認したい事項

上手く行かずにハマったのは、次の2点でした。

1つは、数年前と異なり、ビルドするのにgit cloneしますが、submoduleも含めないとエラーが出ました。
最新情報は、のページで確認しましょう。

usbboot：https://github.com/raspberrypi/usbboot

もう1つはbookworm以降、/lib/firmware/raspberrypi/bootloader〜にある.binファイルまでのパスが変更されていました。
今は、Pi5用のbootloader-2712ディレクトリとそれ以外のbootloader-2711ディレクトリに分かれているのですね。

最後に確認したいのはUSBケーブルです。
品質の悪いケーブルだったり、TypeCへの変換コネクタを使っていると上手く行かない場合もあります。
滅多にはないことですが、どうしてもエラーになるなら別のケーブルで確認しましょう。

PL-R4側で書き換えの確認

以上の手順でEEPROMへ書き換えが成功しました。

接続していたUSBケーブルを取り外します。
【注意】起動させる前にPL-R4のディップスイッチを元に戻すのを忘れずに行います。（今度は左へ）

正常にできたのか確認のため、PL-R4の電源を入れて立ち上げて確認してみましょう。

ブートローダーのバージョンを確認してみます。
今回使用したファームウェア「pieeprom-2024-10-21.bin」が使用されていますか？

vcgencmd bootloader_version

BOOT_ORDERも指定した通りに書き込まれていました。

sudo rpi-eeprom-config

[all]
BOOT_UART=0
WAKE_ON_GPIO=1
POWER_OFF_ON_HALT=0
BOOT_ORDER=0xf16

NVMeの接続と速度の比較

起動の順番を書き換えたので、NVMeに接続するSSDドライブを用意し、OSイメージファイルを書き込みます。

「PL-R4」はPiLinkのダウンロードページで、モデル別、バージョン別にダウンロードができます。
書き込んだOSは、PL-R4用に用意されているOSイメージ（bullseye）をダウンロードしてRaspberry Pi Imagerのカスタムにて書き込みました。

SSDドライブに書き込むには、M.2 SSD専用のディスクステーションがあると良いでしょう。
今回は代用として、市販のSSDドライブ外付けケースに入れて別のPCから書き込みました。

USBケーブルで接続することで、microSDカードと同様に外付けメディアと認識できます。いつものようにRaspberry Pi Imagerで書き込むだけです。

SSDドライブ起動の確認

SSDドライブ起動にするためブートローダーを変更し、SSDドライブにOSも書き込んだので、Pl-R4本体へ接続して確認してみましょう。

本体底面にSSDドライブも接続できるコネクタがあります。しっかりとネジ止めして準備完了です。

電源を入れる前に、eMMCの書き込みディップスイッチを戻し忘れずOFF（左側）にしてください。書き込み可能なまま（WRT側）だと起動しません。

では早速、いくつかのコマンドで確かめてみます。

dfコマンドで/dev/nvme0n1p1が/bootにマウントされているのが分かります。

df -h

ファイルシス   サイズ  使用  残り 使用% マウント位置
/dev/root        118G  4.2G  109G    4% /
devtmpfs         1.8G     0  1.8G    0% /dev
tmpfs            1.8G     0  1.8G    0% /dev/shm
tmpfs            724M  1.2M  723M    1% /run
tmpfs            5.0M  4.0K  5.0M    1% /run/lock
/dev/nvme0n1p1   255M   32M  224M   13% /boot
tmpfs            362M   28K  362M    1% /run/user/1000

fdiskコマンドでみるともう少し詳細が分かります。

sudo fdisk -l /dev/nvme0n1

Disk /dev/nvme0n1: 119.24 GiB, 128035676160 bytes, 250069680 sectors
Disk model: TS128GMTE452T2                          
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: *******

Device         Boot  Start       End   Sectors  Size Id Type
/dev/nvme0n1p1        8192    532479    524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/nvme0n1p2      532480 250069679 249537200  119G 83 Linux

lsblkコマンドでは、microSDカード、eMMC、NVMe接続のSSDドライブがあり、NVMeに/bootがマウントされているのが分かります。

lsblk

NAME         MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
mmcblk2      179:0    0  29.1G  0 disk 
└─mmcblk2p1  179:1    0  29.1G  0 part /media/pi/9016-4EF8
mmcblk0      179:32   0  29.1G  0 disk 
├─mmcblk0p1  179:33   0   512M  0 part 
└─mmcblk0p2  179:34   0  28.6G  0 part 
mmcblk0boot0 179:64   0     4M  1 disk 
mmcblk0boot1 179:96   0     4M  1 disk 
nvme0n1      259:0    0 119.2G  0 disk 
├─nvme0n1p1  259:1    0   256M  0 part /boot
└─nvme0n1p2  259:2    0   119G  0 part /

速度を調べる

続いてSSDドライブの速度を調べてみます。
hdparmコマンドで読み込み速度を計測してみました。

計測にはPL-R4本体でコマンドを実行し計測しています。

NVMe

NVMe接続のSSDドライブは375MB/sと出ています。

sudo hdparm -t /dev/nvme0n1

/dev/nvme0n1:
 Timing buffered disk reads: 1130 MB in  3.00 seconds = 376.54 MB/sec

Pi 5が販売されている今となっては忘れてしまいがちになりますが、今回はCM4にSSDドライブ起動です。Pi 5のようにPCIeに完全対応していませんから、速度としてはやや物足りないとはいえ桁違いですね。

eMMC

次はeMMCです。

sudo hdparm -t /dev/mmcblk0

/dev/mmcblk0:
 Timing buffered disk reads: 250 MB in  3.02 seconds =  82.88 MB/sec

eMMCは約82MB/sでした。

microSDカード

最後にmicroSDカードです。

sudo hdparm -t /dev/mmcblk2

/dev/mmcblk2:
Timing buffered disk reads:  28 MB in  3.09 seconds =   9.06 MB/sec

市販されているPi 4のmicroSDカード起動とは違い、今回の「PL-R4」ではおよそ10MB/s前後と速度が出ていません。これは製品独自のものです。
一般的なRaspberry Pi では概ね20〜30MB/sでしょうか。

今回の速度テスト結果

比較するまでもなく、SSDドライブの速度は充分な速さでした。

Result	SSD	eMMC	microSD Transcend32GB
読込速度	約376MB/s	約82MB/s	約10MB/s

※microSDカードは「PL-R4」仕様と調整による値

複数回の実行
hdparmは簡易的な計測です。次のコマンドで複数回実行させてみると良いでしょう。

for i in $(seq 5); do sudo hdparm -t /dev/mmcblk2; sleep 5; done

スコアで比較

もう1つ、ネットで計測を共有できるスクリプトツールでも計測してみました。
こちらもやっていることはhdparmコマンドと同じです。より細かい表示と、独自のスコア採点方法で速度を比べられます。
こちらも結果は同じような読込355MB/sでした。

同スクリプトツールは、これまでユーザー名raspidaとして登録してきました。Pi4、Pi5や条件が異なるSSDドライブが登録されています。
どうぞ参考にしてください。

PiBenchmarks：https://pibenchmarks.com/user/raspida/

CM4でもSSDドライブ起動

一般的なPi 4と違い、CM4でのブートローダー変更は少々面倒に感じるかもしれません。
それでも、PL-R4は書込切替用のディップスイッチがあるため、CM4を拡張ロジックボードで使うより分かりやすくなっています。

記事執筆時点でも、手順通りに進めれば何も問題無く完了することができました。
それに、起動順序はEEPROMに書き込まれるので一度変更してしまえば済みます。

SSDドライブは、microSDカードやeMMC起動よりも速度の恩恵が大きいため、Raspberry Piを使用する内容によっては必須になってくるでしょう。
microSDカードを別のデータ領域にすることで、万が一のときも含め使い勝手が良くなると想像できます。

CM4でもSSDドライブ起動にしてみましょう。