BSP 이미지 패키징 — Flash Layout·Partition·GPT 설계

#한 줄 요약

flash image는 섹터 단위의 layout입니다. 한 번 양산되면 바꾸기 어렵습니다. 파티션 layout과 partition table 형식을 처음부터 잘 잡는 것이 핵심입니다.

빌드 시스템이 toolchain, kernel, rootfs를 다 만들어 줘도 그것들이 어떻게 한 binary로 묶이는가는 별도 문제입니다. SD 카드의 0번 섹터, eMMC의 boot1 파티션, NAND의 MTD partition table이 다 다릅니다. 잘못 설계하면 OTA를 못 하는 BSP가 만들어집니다.

이번 글은 partition table 종류, A/B 슬롯, GPT 구조, genimage로 이미지를 조립하는 방법을 다룹니다.

#Partition Table 종류

eMMC와 SD 카드는 GPT가 표준입니다. raw NAND는 MTD partition을 씁니다. SoC가 자체 boot header 형식을 강요하는 경우(NVIDIA Tegra, Mediatek)도 있습니다. 새 BSP면 GPT로 시작하는 것이 안전합니다.

#GPT 구조

GPT는 LBA 단위로 다음을 배치합니다.

1
LBA 0          : Protective MBR (legacy tool 호환)
2
LBA 1          : GPT Header (primary)
3
LBA 2~33       : Partition Entry Array (128 entries × 128B = 16KB)
4
LBA 34~        : Partition data
5
...
6
LBA -33 ~ -2   : Partition Entry Array (backup)
7
LBA -1         : GPT Header (backup)

핵심 특징을 짚습니다.

• 16KB 예약. LBA 033이 partition table용입니다. 033 = 34 LBA = 17KB이지만 보통 첫 partition을 최소 1MB부터 시작하도록 정렬합니다.
• backup GPT. 디스크 끝에 동일 정보가 한 번 더 있습니다. primary가 깨져도 복구 가능합니다.
• partition UUID. 각 파티션은 고유 UUID를 갖습니다. kernel의 root=PARTUUID=...로 참조하면 sda/mmcblk0/nvme0n1 같은 device 이름 변화에 흔들리지 않습니다.

sgdisk나 parted로 확인할 수 있습니다.

1
$ sgdisk -p /dev/mmcblk0
2
Disk /dev/mmcblk0: 30543872 sectors, 14.6 GiB
3
Logical sector size: 512 bytes
4
Disk identifier (GUID): A1B2C3D4-E5F6-7890-ABCD-EF1234567890
5
First usable sector is 34, last usable sector is 30543838
6
Total free space is 2014 sectors (1007.0 KiB)
7

8
Number  Start    End        Size       Code  Name
9
   1    2048     67583      32.0 MiB   8300  boot
10
   2    67584    2164735    1024.0 MiB 8300  rootfs-a
11
   3    2164736  4261887    1024.0 MiB 8300  rootfs-b
12
   4    4261888  30543838   12.5 GiB   8300  data

#A/B Partition Layout

OTA를 안전하게 하려면 두 개의 rootfs 슬롯이 필요합니다. 업데이트 중 전원이 끊겨도 이전 슬롯으로 부팅 가능해야 하기 때문입니다.

1
GPT
2
├─ p1: bootloader-env (1MB)         # U-Boot 환경, 부팅 슬롯 정보
3
├─ p2: boot-a (32MB)                # kernel + dtb + initramfs (slot A)
4
├─ p3: boot-b (32MB)                # kernel + dtb + initramfs (slot B)
5
├─ p4: rootfs-a (1GB)               # rootfs (slot A)
6
├─ p5: rootfs-b (1GB)               # rootfs (slot B)
7
├─ p6: persist (256MB)              # 영구 데이터 (factory cert 등)
8
├─ p7: data (remainder)             # 사용자 데이터

A/B 슬롯의 동작 순서는 다음과 같습니다.

1. 부팅 직후: 부트로더가 BOOT_SLOT 환경 변수를 읽음. 기본 A.
2. 슬롯 A의 boot와 rootfs를 mount.
3. 정상 부팅 완료 시 application이 BOOT_OK=1을 씀.
4. OTA agent가 슬롯 B에 새 이미지를 씀.
5. 검증 후 BOOT_SLOT=B로 변경 + TRY_COUNT=3 설정.
6. 재부팅. B 슬롯이 부팅됨.
7. B가 정상 부팅하면 BOOT_OK=1. 실패하면 부트로더가 TRY_COUNT 감소 후 A로 fallback.

U-Boot 환경 변수로 다음과 같이 구현합니다.

1
bootcount=0
2
bootlimit=3
3
altbootcmd=run boot_alt
4
bootcmd=run boot_main
5

6
boot_main=if test "$boot_slot" = "B"; then run boot_b; else run boot_a; fi
7
boot_a=load mmc 0:2 ${kernel_addr_r} boot/Image; load mmc 0:4 ...; bootm
8
boot_b=load mmc 0:3 ${kernel_addr_r} boot/Image; load mmc 0:5 ...; bootm
9
boot_alt=if test "$boot_slot" = "B"; then setenv boot_slot A; else setenv boot_slot B; fi; saveenv; reset

bootcount와 bootlimit은 U-Boot가 자동으로 다루는 변수입니다. 부팅 시 +1, application의 bootcount=0로 reset. limit 초과 시 altbootcmd 실행.

#SoC 부트 헤더와 첫 섹터

SoC마다 부트 ROM이 읽는 첫 영역이 다릅니다. GPT가 이 영역을 침범하면 부팅이 안 됩니다.

GPT의 partition 1 시작 위치를 SoC 부트 영역 뒤로 옮겨야 합니다. 보통 첫 partition을 1MB 또는 8MB부터 시작하는 방식이 안전합니다.

i.MX 8M의 예입니다.

1
0x000000 (0KB)    : (사용 안 함)
2
0x008000 (32KB)   : flash.bin (SPL + ATF + U-Boot, ~2MB)
3
0x100000 (1MB)    : GPT primary header
4
0x100200 (1MB+)   : Partition entry array
5
0x800000 (8MB)    : partition 1 (boot)
6
...

GPT primary header가 1MB offset에 있으면 표준 GPT 도구로 인식이 안 될 수 있습니다. SoC vendor가 권장하는 layout을 따르거나, GPT를 8MB 이후에 두고 그 앞은 unused 영역으로 비워 두는 패턴이 흔합니다.

#genimage로 이미지 조립

Pengutronix의 genimage가 Buildroot/Yocto와 무관하게 standalone으로 자주 쓰입니다. 한 cfg 파일로 multi-partition disk image를 만듭니다.

1
image boot.vfat {
2
    vfat {
3
        files = {
4
            "Image",
5
            "mybsp.dtb",
6
            "boot.scr",
7
        }
8
    }
9
    size = 32M
10
}
11

12
image rootfs.ext4 {
13
    ext4 {
14
        label = "rootfs"
15
    }
16
    mountpoint = "/"
17
    size = 1G
18
}
19

20
image sdcard.img {
21
    hdimage {
22
        partition-table-type = "gpt"
23
    }
24

25
    partition u-boot {
26
        in-partition-table = "no"
27
        image = "u-boot.bin"
28
        offset = 32K
29
        size = 2M
30
    }
31

32
    partition boot-a {
33
        partition-type-uuid = U
34
        image = "boot.vfat"
35
    }
36

37
    partition boot-b {
38
        partition-type-uuid = U
39
        image = "boot.vfat"
40
    }
41

42
    partition rootfs-a {
43
        partition-type-uuid = L
44
        partition-uuid = "12345678-9abc-def0-1234-56789abcdef0"
45
        image = "rootfs.ext4"
46
    }
47

48
    partition rootfs-b {
49
        partition-type-uuid = L
50
        partition-uuid = "12345678-9abc-def0-1234-56789abcdef1"
51
        image = "rootfs.ext4"
52
    }
53

54
    partition data {
55
        partition-type-uuid = L
56
        size = 4G
57
    }
58
}

in-partition-table = "no"는 raw 영역(SoC가 읽는 부트 영역)에 쓰지만 GPT에는 표시하지 않는다는 뜻입니다.

빌드:

1
$ genimage \
2
    --inputpath output/images \
3
    --outputpath output/images \
4
    --rootpath output/target \
5
    --config genimage.cfg
6
INFO: vfat(boot.vfat): cmd: "MAKEDOSFS=mkfs.fat ..."
7
INFO: ext4(rootfs.ext4): cmd: "mkfs.ext4 ..."
8
INFO: hdimage(sdcard.img): writing GPT

sdcard.img를 dd나 bmaptool로 SD에 굽습니다.

1
$ sudo dd if=sdcard.img of=/dev/sdX bs=4M status=progress conv=fsync

bmaptool은 빈 영역을 건너뛰어 훨씬 빠릅니다.

1
$ bmaptool create -o sdcard.bmap sdcard.img
2
$ sudo bmaptool copy sdcard.img /dev/sdX

#Android Sparse Image

Android는 .simg (sparse image) 형식을 씁니다. 0으로 채워진 큰 영역을 메타데이터로만 표시해 전송량을 줄입니다. fastboot로 flash 할 때 사용됩니다.

1
# raw → sparse
2
$ img2simg rootfs.ext4 rootfs.simg
3

4
# sparse → raw
5
$ simg2img rootfs.simg rootfs.ext4
6

7
$ fastboot flash rootfs rootfs.simg

16GB raw image가 1GB sparse로 줄어드는 일이 흔합니다. 양산 line에서 flash 속도에 직접 영향이 있습니다.

#Raw NAND/NOR Flash (MTD)

raw flash는 GPT가 없습니다. MTD partition을 kernel cmdline 또는 device tree로 정의합니다.

1
mtdparts=spi-nor:512K(u-boot),128K(env),64K(dtb),4M(kernel),-(rootfs)

또는 DT:

1
&spi0 {
2
    flash@0 {
3
        compatible = "jedec,spi-nor";
4
        reg = <0>;
5
        spi-max-frequency = <40000000>;
6

7
        partitions {
8
            compatible = "fixed-partitions";
9
            #address-cells = <1>;
10
            #size-cells = <1>;
11

12
            partition@0 {
13
                label = "u-boot";
14
                reg = <0x0 0x80000>;
15
            };
16
            partition@80000 {
17
                label = "env";
18
                reg = <0x80000 0x20000>;
19
            };
20
            partition@a0000 {
21
                label = "kernel";
22
                reg = <0xa0000 0x400000>;
23
            };
24
            partition@4a0000 {
25
                label = "rootfs";
26
                reg = <0x4a0000 0xb60000>;
27
            };
28
        };
29
    };
30
};

NAND rootfs는 ubinize로 UBI volume을 만들어 둡니다. UBI는 wear-leveling과 bad block management를 해 줍니다.

1
$ mkfs.ubifs -r rootfs/ -m 2048 -e 124KiB -c 1000 -o rootfs.ubifs
2
$ ubinize -o rootfs.ubi -m 2048 -p 128KiB ubinize.cfg

raw 쓰기는 flash_erase + nandwrite:

1
$ flash_erase /dev/mtd4 0 0
2
$ nandwrite -p /dev/mtd4 rootfs.ubi

#양산 라인의 flashing 도구

i.MX의 uuu 예입니다.

1
$ cat << 'EOF' > flash.uuu
2
uuu_version 1.4.0
3

4
SDP: boot -f flash.bin
5
SDPU: write -f u-boot.itb -offset 0x57c00
6
SDPU: jump
7

8
FB: ucmd setenv fastboot_buffer 0x42000000
9
FB: flash gpt sdcard.gpt
10
FB: flash boot-a boot.vfat
11
FB: flash rootfs-a rootfs.ext4
12
FB: done
13
EOF
14

15
$ sudo uuu flash.uuu

양산 line이라면 PC + USB hub + 보드 8대 같은 setup에서 동시 flash가 표준입니다. uuu, fastboot 모두 multi-board 모드를 지원합니다.

#자주 하는 실수

GPT primary가 SoC 부트 영역과 겹침. i.MX 8M의 SPL은 32KB부터, GPT는 보통 1MB부터. 첫 partition은 8MB 이후로 두는 것이 안전합니다.

partition UUID 미사용. kernel cmdline에 root=/dev/mmcblk0p2로 박으면 SD가 USB로 바뀌면 panic. 항상 PARTUUID=.

A/B 슬롯에서 환경 변수 동기화 실패. 두 슬롯이 같은 bootloader-env partition을 공유해야 하는데 각 slot의 rootfs에 따로 두면 inconsistent. env는 별도 partition.

dd 대신 USB writer GUI 사용. Windows의 일부 GUI tool이 GPT를 깨뜨립니다. 항상 dd + sync나 bmaptool.

bmap 없이 raw image 전송. 16GB image 전체를 보내는 건 낭비입니다. bmap은 사용된 영역만 표시합니다.

sparse image 직접 mount 시도. .simg는 그냥 mount 안 됩니다. simg2img로 변환 후.

#정리

• 첫 섹터의 의미는 SoC마다 다릅니다. SoC vendor 가이드의 layout을 출발점으로 삼아야 합니다.
• GPT가 표준입니다. MBR은 legacy SD 카드 정도, raw NAND는 MTD partition.
• A/B 슬롯은 OTA 안전성의 출발점입니다. boot 슬롯과 rootfs 슬롯을 짝지어 두 세트 둡니다.
• partition UUID로 root를 지정해야 device 이름 변화에 영향을 받지 않습니다.
• genimage는 단일 cfg로 multi-partition disk image를 만드는 표준 도구입니다.
• bmaptool은 빈 영역을 건너뛰어 flash 시간을 한 자릿수로 줄입니다. 양산 line의 필수.
• Android sparse image는 fastboot 환경에서 큰 image의 전송 시간을 단축합니다.
• 양산 flashing은 SoC별 전용 도구(uuu, fastboot, RKDevTool, dfu-util)를 PC line에서 multi-board로 운영합니다.

#다음 편 예고

Ch 18: OTA와 field recovery에서는 A/B 슬롯을 활용한 OTA, RAUC/SWUpdate/Mender 같은 update agent, 그리고 현장 복구 시나리오를 다룹니다.

#관련 항목

• Ch 16: Buildroot/Yocto와 rootfs — 빌드 산출물의 출처
• Ch 18: OTA와 field recovery — A/B 슬롯의 활용
• Bootloader 시리즈 — 환경 변수 — U-Boot env partition
• Buildroot Practical — 이미지 조립 — Buildroot 측 깊이