Raspberry Pi CM4で NVMe M.2 SSDから Raspberry Pi OS 64ビット版をブート

Raspberry Pi OS 64ビット版を Raspberry Pi Compute Module 4（以下、CM4）のPCIeスロットに挿したNVMe M.2 SSDからブートした際の作業メモです。

Raspberry Pi OS 64ビット版と NVMe boot support のEEPROM の入手（2022/2/28修正）

Raspberry Pi OSの64ビット版が正式リリースされました（Release date: January 28th 2022）。このページをbeta版から正式リリースされた64ビット版のインストール手順に修正しました。
https://www.raspberrypi.com/news/raspberry-pi-os-64-bit/
https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

Raspberry Pi Imagerから64ビット版をインストール可能

Raspberry Pi Imagerのバージョン1.7.1（imager_1.7.1.exe）のOS選択メニューに正式リリースされた64ビット版が追加されました。

CM4のon-board eMMC は外付けのUSBメモリやmicroSDカードのように取り外せないので、PCに専用ツール rpiboot をインストールして USB大容量ストレージとして認識させてから 、IOボートとUSBケーブルでつないで、Raspberry Pi Imagerから on-board eMMC にOSを書き込みます。

CM4もRaspberry Pi OS 64ビット版の対応機種

Raspberry Pi Imagerのダウンロードページの下の方にある「See all download options」をクリックすると「Operating system images」ページで対応機種を確認できます。CM4も正式リリースされた64ビット版に対応しています。

「Operating system images」ページでは全バージョンのzip形式のイメージファイルをダウンロードできます。

64ビット版の「Raspberry Pi OS with desktop」は「2022-01-28-raspios-bullseye-arm64.zip」でした（Release notes）。

CM4向けの NVMe boot support のEEPROM（ stable ）は下記サイトから入手できます。
Release notes ：2021-07-07 – Promote pieeprom-2021-07-06 to stable
Firmware：pieeprom-2021-07-06: Promote to STABLE

NVMe M.2 SSDに Raspberry Pi OS 64ビット版をセットアップ

Raspberry Pi OS 64ビット版のセットアップ手順メモ

手持ちのCM4は、無線LAN及びBluetooth：無、RAM：8GB、on-board eMMC：32GB の有線LANモデルです。Raspberry Pi OS 64ビット版 のセットアップは、32ビット版のセットアップ手順と同様に、

(1)rpiboot（rpiboot_setup.exe ）をインストールして、Raspberry Pi Imagerのバージョン1.7.1（imager_1.7.1.exe）から on-board eMMC に Raspberry Pi OS 64ビット版をセットアップ

(2)NVMe boot support のEEPROM（ stable版 ）アップデート

(3)BOOT_ORDERをNVMeブートに変更

(4)「SD Card Copier」でon-board eMMCのRaspberry Pi OSをNVMe M.2 SSDにコピー

(5)NVMeディスクのファームウェアとカーネルを最新バージョンにアップデート

の手順で作業しました。

NVMe ブートでセットアップ済の NVMe M.2 SSD を使いまわす場合は、USBアダプタケースを使ってPCにUSB接続して、事前に NVMe M.2 SSD を初期化（ブランクに）しておきます。

PCIeソケットにNVMe M.2 SSDをセットしても on-board eMMC からブートして上記(4)の手順を実行できるようにしておきます。

beta版のセットアップ手順と違いはデフォルトでUSB2.0が有効化されいました。コードネームは「Buster」から「Bullseye」になっています。

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64ビット版の動作確認

NVMeブートでRaspberry Pi OS 64ビット版がCM4が起動することを確認できました。ディスク構成を確認するためにLXTerminalから打ち込んだコマンドラインのメモです。

vcgencmd bootloader_version
lsblk
ls -l /dev/nvme*

インストールしたRaspberry Pi OSが32ビット版なのか、64ビット版なのかを下記コマンドで確認しました。

uname -m
getconf LONG_BIT

参考：Raspberry Pi OS 64ビットbeta版と32ビット版の比較

軽い画面操作では違いは体感できませんでしたが、キャッシュが効く負荷の大きな処理実行時には増加したRAMのメリットが期待できそうです。

hdparmの実行結果

64ビット版 と 32ビット版を NVMe M.2 SSD と on-board eMMCからブートした場合で測りました。-t オプションをつけるとキャッシュを外した速度です。

sudo apt install hdparm
sudo hdparm -t -T /dev/nvme0n1　　※NVMe M.2 SSDの場合
sudo hdparm -t -T /dev/mmcblk0　　※on-board eMMCの場合
　-t：Timing buffered disk reads
　-T：Timing cached reads

hdparmの測定結果（５回平均）です。 32ビット版と比べて、64ビット版 はキャッシュあり(-T)が速いです。

UnixBenchの実行結果

NVMe M.2 SSDブートした 64ビット版 、32ビット版でUnixBench を実行してみました。

sudo apt install git
git clone https://github.com/kdlucas/byte-unixbench
cd byte-unixbench/UnixBench
./Run