ロボット制御 #13 Raspberry Pi 5 をSSD起動にしてみる
Raspberry Pi 5 が不安定になってしまったので、SSDをセットアップして高速化＆安定化したという話

Raspberry Pi 5 が不安定になり、ビルドやパッケージのインストールが遅くなったり、途中で止まる現象が発生したのでSSD起動に切り替えて高速化した話です。

Raspberry Pi 5 のセットアップは以下で触れています。

ロボット制御⑨ Raspberry Pi 5 を使ってみる

昨年の秋ごろに発売された「Raspberry Pi 5」ですが、日本の技適マーク対応を待ってスイッチサイエンスから購入しました。この記事を書いているのが8月なので、随分と時間が経ってしまいました。実は、あまり先頭を走らないタイプなのです。今...

chikuma-creative.com

2024.08.02

Raspberry Pi 5 が不安定になった原因

まず、そもそもの低速化に至った話は、一度、何かをインストールしている最中に Raspberry Pi 5 がフリーズしたので、禁じ手、SysRq+[b] キーでの強制リブートをしをしてしまったことがきっかけでした。その日以降、以下のようなエラーが出て、インストールしなおしても症状が改善されませんでした。

$ ls -al
-bash: /usr/bin/ls: Input/output error

一度、発生すると何もできなくなり、電源長押しでしか再起動できません。

これは、SDカードが不良になってしまったことが原因で、別のSDカードを使ってインストールしなおすことで改善しました。
ともあれ、購入してしまったのでSSD起動に切り替えます。

SSD の取り付け

Raspberry Pi 5 には、PCIe 2.0 が付いているので、対応した高速周辺機器の取り付けが可能になりました。また、Raspberry Pi のサイズに合わせたNVMEシールドもあるので、これらを購入して早速、取り付けてみました。
なお、Raspberry Pi 5 は、SDカードでセットアップ済みで、今回は、SDカードからSSDへの移行という形で進めました。

合わせて、SSD を取り付けた後に収納できるケースも購入しました。

Raspberry Pi 5 含めて購入したのは、以下のものです。

届いたので、早速、取り付けていきます。

まずは、Raspberry Pi 5 に X1001 NMVeボードを取り付けます。
（電源を抜いた状態で取り付けます）

ボードに付属しているケーブルをRaspberry Pi 5 側にセットアップします。

続いてボードを支えるスペーサーを3ヵ所ネジ留めします。

ボードを載せて、ネジで固定します。

SSD を取り付けます。

はめ込むだけです。

PCIe バスの反対側をネジで固定します。

これで、Raspberry Pi 5 に SSD を取り付け完了しました。

SSD で起動できるようにする

SSD にSDカードのイメージをコピーして、起動できるようにします。

ファームウェアの更新

Raspberry Pi 5 起動したら、最新の状態に更新します。

$ sudo apt update && sudo apt upgrade -y

Raspberry Pi 5 本体のファームウェアを更新します。

$ sudo rpi-eeprom-update -a

パーティションの作成とフォーマット

ディスクの状態を確認します。

$ sudo fdist -l
…

Disk /dev/nvme0n1: 238.47 GiB, 256060514304 bytes, 500118192 sectors
Disk model: PCIe SSD                                
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes


Disk /dev/mmcblk0: 117.75 GiB, 126437294080 bytes, 246947840 sectors
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: 0x90bc1d25

Device         Boot   Start       End   Sectors   Size Id Type
/dev/mmcblk0p1         8192   1056767   1048576   512M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p2      1056768 246947839 245891072 117.3G 83 Linux

パーティションの状態を確認します。

$ sudo parted /dev/nvme0n1
GNU Parted 3.5
Using /dev/nvme0n1
Welcom to GNU Parted! Type 'help' to view a list of commands.
(parted) p
Error: /dev/nvme0n1: unrecognised disk label
Model: PCIe SSD (nvme)
Disk /dev/nvme0n1: 256GB
Sector size (logical/physical): 512B/512B
Partition Table: unknown
(parted) mklabel gpt
(parted) p
Model: PCIe SSD (nvme)
Disk /dev/nvme0n1: 256GB
Sector size (logical/physical): 512B/512B
Partition Table: gpt
Disk Flags:

Number  Start  End  Size  File system  Name Flags

(parted) quit

parted を対話モードで起動しています。
パーティションの状態を確認するコマンド「p」を実行すると、エラーが表示されました。
ディスクラベルが設定されていないとのことです。
「mklabel gpt」でラベルを付けます。
ラベルを付けた後で、「p」を実行すると、エラー無く表示されました。
現段階では、パーティションが無いので、作成する必要があります。

$ sudo parted -a optinal /dev/nvme0n1 mkpart primary ext4 0% 100%

再び、ディスクの状態を確認します。

$ fdisk -l
…

Disk /dev/nvme0n1: 238.47 GiB, 256060514304 bytes, 500118192 sectors
Disk model: PCIe SSD                                
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: gpt
Disk identifier: 5B5563B1-AACA-4DD5-804A-775896079CC5

Device         Start       End   Sectors   Size Type
/dev/nvme0n1p1  2048 500117503 500115456 238.5G Linux filesystem


Disk /dev/mmcblk0: 117.75 GiB, 126437294080 bytes, 246947840 sectors
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: 0x90bc1d25

Device         Boot   Start       End   Sectors   Size Id Type
/dev/mmcblk0p1         8192   1056767   1048576   512M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p2      1056768 246947839 245891072 117.3G 83 Linux

フォーマットを行います。

$ sudo mkfs -t ext4 -L EX-SSD /dev/nvme0n1p1

SDカードのイメージをSSDへコピー

再起動して、イメージをコピーします。

メニューから [アクセサリ]→[SD Card Copier] を選択してSDカードからSSDにイメージをコピーします。

「Copy From Device:」にSDカードのデバイスを指定します。
ここでは「USD00 (/dev/mmcblk0)」を指定しました。
「Copy To Device:」にSSDを指定します。ここでは「PCIe SSD (/dev/nvme0n1)」を指定しました。

「Start」ボタンを押すとパーティションを作成して、データがコピーされます。

ブートデバイスの変更

「raspi-config」を起動します。

$ sudo raspi-config

「6 Advanced Options」を選択します。

「A4 Boot Order」を選択します。

「B2 NVMe/USB Boot」を選択します。

ブートデバイスが変更されました。
一旦、再起動します。再起動後にシャットダウンしてSDカードを抜いた状態で起動します。

SSDのみで起動できるようになりました。

ケースに格納する

起動することが分かったので、ケースに収納します。

真ん中の黒い金属製のケースに収納します。

X1001 NVMeボードの取り付けで使ったネジを外します。
１つずつ外してケースに付属の別ネジを取り付けます。

上の写真は、4ヵ所全て取り付けが完了した状態です。
なお左上は、ダミーのスペーサーを取り付けています。

ケースにRaspberry Pi 5 on SSD をセットアップします。
写真のように右側は、空けて左側にピッタリと寄せます。

ひっくり返してケース付属のネジで4ヵ所止めます。
実際には、2ヵ所は立てた状態でネジ留めして、残りの2か所のみひっくり返してネジ留めしています。

固定済みの状態です。

ケースのカバーをはめ込んで、ネジを4ヵ所止めます。
これでケースへの収納が完了です。

問題なく起動しました。

早くなったのか検証してみる

どのくらい早くなったのか確認してみます。
以下のサイトを参考にさせて頂きました。

Raspberry Pi 4をSSDからブートしてベンチマークしてみた

zenn.dev

fio のインストール

「fio」コマンドを使ってベンチマークを計測します。

$ sudo apt update && sudo apt install -y fio

ベンチマークの内容は、以下に設定します。

$ nano ~/.config/fio.config

[global]
ioengine=libaio
iodepth=1
size=1g
direct=1
runtime=60
directory=/tmp
stonewall

[Seq-Read]
bs=1m
rw=read

[Seq-Write]
bs=1m
rw=write

[Rand-Read-512K]
bs=512k
rw=randread

[Rand-Write-512K]
bs=512k
rw=randwrite

[Rand-Read-4K]
bs=4k
rw=randread

[Rand-Write-4K]
bs=4k
rw=randwrite

[Rand-Read-4K-QDS32]
iodepth=32
bs=4k
rw=randread

[Rand-Write-4K-QDS32]
iodepth=32
bs=4k
rw=randwrite

SDカードのベンチマーク

SSDを外した状態で「fio」を実行してみます。
代わりにSDカードを差し込んだ状態で起動しています。

$ lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
mmcblk0     179:0    0 117.8G  0 disk 
├─mmcblk0p1 179:1    0   512M  0 part /boot/firmware
└─mmcblk0p2 179:2    0 117.3G  0 part /

以下のコマンドで計測します。

$ fio -f ~/.config/fio.config
…

計測結果は、以下の通りです。

SSD のベンチマーク

SDカードを外した状態で「fio」を実行してみます。

$ lsblk
NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
nvme0n1     259:0    0 238.5G  0 disk 
├─nvme0n1p1 259:1    0   512M  0 part /boot/firmware
└─nvme0n1p2 259:2    0   238G  0 part /

以下のコマンドで計測します。

$ fio -f ~/.config/fio.config
…

計測結果は、以下の通りです。

ベンチマークの内容によって、倍率にはかなり差異が発生しますが、少なくとも4倍以上の高速化にはなっていると思います。

以上です。