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@rairaiiin株式会社ACCESS

YouTubeアプリCobalt を動かすためのRaspberry Pi 2仮想環境構築がうまくいかなかったメモ

Posted at

はじめに

YouTube専用の軽量アプリケーション「Cobalt」をRaspberry Pi 2で動作検証するため、QEMUを使用した仮想環境の構築を試みました。結果として、Raspberry Pi 2の仮想環境は正常に動作したものの、CobaltがGPU（VideoCore）に依存するため、最終的な実行には失敗しました。本記事では、その過程で得られた知見と課題を共有します。

実験環境・前提条件

  • ホストOS: Ubuntu（QEMU 8.2.2使用）
  • ターゲット: Raspberry Pi 2B
  • 使用OS: Raspberry Pi OS（Buster、2021-05-07版）
  • 目的: Cobaltアプリケーションの動作検証

QEMU環境の準備

QEMUのインストールと確認

システムを最新状態に更新し、QEMUをインストールします。

sudo apt-get update
sudo apt install -y qemu-system

qemu-system-arm --version
QEMU emulator version 8.2.2 (Debian 1:8.2.2+ds-0ubuntu1.7)
Copyright (c) 2003-2023 Fabrice Bellard and the QEMU Project developers

qemu-system-arm -machine help | grep -i rasp
raspi0               Raspberry Pi Zero (revision 1.2)
raspi1ap             Raspberry Pi A+ (revision 1.1)
raspi2b              Raspberry Pi 2B (revision 1.1)

今回の対象であるraspi2bがサポートされていることを確認できます。

Raspberry Pi OSイメージの準備

イメージファイルのダウンロード

Raspberry Pi公式サイトからRaspberry Pi 2対応のOSイメージを取得します。

公式ダウンロードページ: https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-32-bit

wget https://downloads.raspberrypi.com/raspios_armhf/images/raspios_armhf-2021-05-28/2021-05-07-raspios-buster-armhf.zip

イメージファイルの展開と準備

unzip 2021-05-07-raspios-buster-armhf.zip

これにより2021-05-07-raspios-buster-armhf.imgが作成されます。

ブートファイルの抽出

QEMUでの起動に必要なカーネルファイルとデバイスツリーファイルを抽出します。

sudo losetup --show -fP 2021-05-07-raspios-buster-armhf.img

$ lsblk /dev/loop1
NAME      MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
loop1       7:1    0    4G  0 loop 
├─loop1p1 259:4    0  256M  0 part 
└─loop1p2 259:5    0  3.8G  0 part

ブートパーティションをマウントし、必要ファイルをコピーします。

sudo mkdir /mnt/raspios
sudo mount /dev/loop1p1 /mnt/raspios

ファイル対応表

ファイル名　 対応機種
kernel7.img Raspberry Pi 2、3、Zero 2 W など
bcm2709-rpi-2-b.dtb　 Raspberry Pi 2 Model B 
cp /mnt/raspios/kernel7.img /mnt/raspios/bcm2709-rpi-2-b.dtb .

クリーンアップ

sudo umount /mnt/raspios
sudo losetup -d /dev/loop5

この時点で、作業ディレクトリに以下3つのファイルが存在する状態になります：

$ ls
2021-05-07-raspios-buster-armhf.img  bcm2709-rpi-2-b.dtb  kernel7.img

QEMU仮想マシンの設定と起動

ディスクイメージの拡張

Cobaltアプリケーションのインストールに必要な容量を確保するため、イメージサイズを拡張します。

qemu-img resize -f raw 2021-05-07-raspios-buster-armhf.img 8G

起動スクリプトの作成

QEMUの起動設定を記述したスクリプトを作成します。

vi ./run.sh
chmod +x run.sh
run.sh
#!/bin/sh
cd `dirname $0`

qemu-system-arm \
-m 1024 \
-M raspi2b \
-kernel kernel7.img \
-dtb bcm2709-rpi-2-b.dtb \
-drive format=raw,file=2021-05-07-raspios-buster-armhf.img \
-append "console=ttyAMA0 root=/dev/mmcblk0p2 rw rootwait rootfstype=ext4 dwc_otg.fiq_fsm_enable=0 bcm2708_fb.fbwidth=1280 bcm2708_fb.fbheight=720" \
-serial stdio \
-no-reboot \
-device usb-kbd \
-device usb-tablet \
-device usb-net,netdev=net0 \
-netdev user,id=net0,hostfwd=tcp::2222-:22

主要パラメータの説明:

  • -m 1024: メモリ1GB割り当て
  • -M raspi2b: Raspberry Pi 2Bエミュレーション
  • hostfwd=tcp::2222-:22: SSH接続用ポートフォワーディング

仮想マシンの起動

./run.sh

image.png

image.png

ストレージ容量の拡張

現在の容量確認

初期状態では、ルートパーティション（/）の空き容量が206MBしかありません。

Raspberry Piで実行
$ df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/root       3.4G  3.0G  206M  94% /
devtmpfs        436M     0  436M   0% /dev
tmpfs           469M     0  469M   0% /dev/shm
tmpfs           469M   13M  456M   3% /run
tmpfs           5.0M     0  5.0M   0% /run/lock
tmpfs           469M     0  469M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mmcblk0p1  253M   48M  205M  19% /boot
tmpfs            94M  4.0K   94M   1% /run/user/1000

パーティションテーブルの確認と変更

パーティション構成を確認します。

Raspberry Pi
$ sudo fdisk /dev/mmcblk0

現在の構成を表示：

fdisk コマンド内で下記を実行する
Command (m for help): p
Disk /dev/mmcblk0: 8 GiB, 8589934592 bytes, 16777216 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: 0x9d5a64c8

Device         Boot  Start     End Sectors  Size Id Type
/dev/mmcblk0p1        8192  532479  524288  256M  c W95 FAT32 (LBA)
/dev/mmcblk0p2      532480 8404991 7872512  3.8G 83 Linux

パーティション構成の解析:

  • /dev/mmcblk0p1: 256MB FAT32（ブートパーティション）
  • /dev/mmcblk0p2: 3.8GB Linux ext4（ルートファイルシステム）
  • パーティションテーブル形式: MBR（MS-DOS）

パーティションの再作成

既存のルートパーティションを削除し、拡張された領域を使用する新しいパーティションを作成します。

Command (m for help): d
Partition number (1,2, default 2): 2

Partition 2 has been deleted.

新しいパーティションを作成：

Command (m for help): n
Partition type
   p   primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
   e   extended (container for logical partitions)
Select (default p): p
Partition number (2-4, default 2): 2
First sector (2048-16777215, default 2048): 532480
Last sector, +/-sectors or +/-size{K,M,G,T,P} (532480-16777215, default 16777215): 

Created a new partition 2 of type 'Linux' and of size 7.7 GiB.

既存のext4シグネチャを保持：

Partition #2 contains a ext4 signature.
Do you want to remove the signature? [Y]es/[N]o: N

変更を保存：

Command (m for help): w

The partition table has been altered.
Syncing disks.

重要: この段階ではパーティションサイズのみが変更され、ファイルシステム自体はまだ拡張されていません。

システム再起動とファイルシステム拡張

パーティションテーブルの変更を確実に反映させるため、システムを再起動します。

Raspberry Pi
sudo reboot

ファイルシステムをパーティションの最大サイズまで拡張：

Raspberry Pi
sudo resize2fs /dev/mmcblk0p2
df -h

拡張結果の確認:

Raspberry Pi
$ df -h
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/root       7.6G  3.0G  4.3G  41% /
devtmpfs        436M     0  436M   0% /dev
tmpfs           469M     0  469M   0% /dev/shm
tmpfs           469M  6.3M  462M   2% /run
tmpfs           5.0M     0  5.0M   0% /run/lock
tmpfs           469M     0  469M   0% /sys/fs/cgroup
/dev/mmcblk0p1  253M   48M  205M  19% /boot
tmpfs            94M  4.0K   94M   1% /run/user/1000

ルートパーティションの空き容量が206MBから4.3GBに増加しました。

Cobaltアプリケーションのデプロイ

バイナリファイルの転送

事前にビルドしたRaspberry Pi 2向けのCobaltバイナリを、SSHポートフォワーディング経由で転送します。

cd <COBALT_SRC>
export COBALT_SRC=${PWD}
rsync -avzLPh -e "ssh -p 2222" --exclude="obj*" --exclude="gen/" \
      $COBALT_SRC/out/raspi-2_gold pi@localhost:~/

Cobaltの実行試行

cd raspi-2_gold/install/cobalt_loader
./cobalt_loader

発生した問題と根本原因

エラー内容

Cobaltの起動時に以下のエラーが発生しました：

[cobalt_loader/1157:0721/040315.461450:INFO:main.cc(76)] Starting application.
* failed to open vchiq instance

問題の分析

このエラーは、Cobalt がRaspberry PiのBroadcom GPU（VideoCore）との通信に必要な/dev/vchiqデバイスファイルにアクセスできないことを示しています。

根本原因:

  1. ハードウェア依存性: Cobalt はRaspberry PiのVideoCore GPUを使用したハードウェアアクセラレーションに依存
  2. エミュレーション制限: QEMUはVideoCore GPUの完全なエミュレーションをサポートしていない
  3. デバイスファイル不在: /dev/vchiqがエミュレーション環境では作成されない

結論と今後の展望

実験結果のまとめ

成功した項目:

  • QEMU上でのRaspberry Pi 2環境の構築
  • Raspberry Pi OSの正常起動
  • ストレージ容量の拡張
  • ネットワーク接続とファイル転送

失敗した項目:

  • Cobaltアプリケーションの実行
  • VideoCore GPUへのアクセス

技術的制約

CobaltがVideoCore GPUに依存する設計であるため、現在のQEMUエミュレーション環境では動作させることができませんでした。この制約は以下の理由によります：

  1. GPU専用ドライバーの不在: QEMUではBroadcom VideoCore用のドライバーが提供されていない
  2. ハードウェア抽象化の限界: GPUの低レベルアクセスはエミュレーションが困難
  3. リアルタイム性能要件: 動画再生に必要な性能がエミュレーション環境では不足

代替アプローチの検討

Cobalt のビルド時に GPU の使用を disable にする設定がないか確認したが、下記のコマンド出力でそれらしいオプションは見つからなかった

gn args  out/raspi-2_gold --list | less

得られた知見

本実験により、以下の重要な知見を得ることができました：

  • QEMUによるRaspberry Pi環境の構築手順の確立
  • ハードウェア依存アプリケーションの仮想化における制約の理解
  • 組み込みシステム開発における実機検証の重要性

参考資料

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