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このガイドでは、ESP32におけるカスタムパーティションテーブルの作成方法について解説します。特にフラッシュメモリを効率的に活用するための重要なポイントと、その価値についてお話しします。私自身もこの手法を試してみて、その効果に驚きました。 Key Points:
- ESP32のカスタムパーティションテーブルを作成することで、フラッシュメモリの効率的な利用が可能になります。
- ウェアレベリング技術やECC（エラー訂正符号）を活用し、データ保護とシステムの安定性を向上させることができます。
- 動的パーティション管理によって、アプリケーションのアップデートやデータ量に応じた柔軟なメモリ管理が実現します。
ESP32のカスタムパーティションテーブルの使い方
ESP32プロジェクトを始めるとき、時には再起動や電源オフの後もデータを保持する必要が出てくることがあります。以前はEEPROMを使用していましたが、これでは保存できるデータ量が限られていたため、大きなデータには不向きでした。一方、ESP32はファームウェアやブートローダーなどの重要な情報を格納するためにフラッシュメモリを使用しています。このフラッシュメモリのサイズはバージョンによって異なるものの、ほとんどのアプリケーションコードを収めつつ、ある程度のストレージ領域も確保できます。
ただし、ファームウェアだけでなく、いくつかの他の重要なデータもフラッシュメモリに保存されます。例えば、パーティションマップやRFキャリブレーションデータ、Wi-Fi情報、Bluetoothペアリング情報、およびOTA（Over-the-Air）アップデートなど、多くの場合で必要となる情報です。したがって、このようなストレージ管理について考慮することは非常に重要です。
ただし、ファームウェアだけでなく、いくつかの他の重要なデータもフラッシュメモリに保存されます。例えば、パーティションマップやRFキャリブレーションデータ、Wi-Fi情報、Bluetoothペアリング情報、およびOTA（Over-the-Air）アップデートなど、多くの場合で必要となる情報です。したがって、このようなストレージ管理について考慮することは非常に重要です。
パーティションテーブルの基本を理解する
ESP32のパーティションテーブルについて理解するには、まずその基本的な仕組みを知っておくことが大切です。これは、コンピュータのストレージと同じように機能します。つまり、特定の種類のデータをどこに保存するかをシステムに指示し、そのパーティションのタイプやサイズを設定することで、データを論理的に分けることができるということです。
このパーティションテーブルのおかげで、一方にはアプリケーションを格納し、もう一方には設定情報やその他のデータなどを別々に保存できます。このようにしてアプリとデータを異なるメモリ領域に保持できるため、新しいバージョンのアプリケーションへの更新時にもデータはそのまま残すことが可能になります。また、各パーティションのサイズや種類（例えばアプリケーション用やSPIFFS、NVSなど）もカスタマイズできるため、用途に応じた効率的なメモリ管理が実現します。
さらに、データ損失を防ぐためにはウェアレベリング技術についても考慮すると良いでしょう。これによって耐久性が向上し、全体的な性能も改善されます。
このパーティションテーブルのおかげで、一方にはアプリケーションを格納し、もう一方には設定情報やその他のデータなどを別々に保存できます。このようにしてアプリとデータを異なるメモリ領域に保持できるため、新しいバージョンのアプリケーションへの更新時にもデータはそのまま残すことが可能になります。また、各パーティションのサイズや種類（例えばアプリケーション用やSPIFFS、NVSなど）もカスタマイズできるため、用途に応じた効率的なメモリ管理が実現します。
さらに、データ損失を防ぐためにはウェアレベリング技術についても考慮すると良いでしょう。これによって耐久性が向上し、全体的な性能も改善されます。
Extended Perspectives Comparison:
| ポイント | 説明 |
|---|---|
| ESP32のフラッシュメモリ | 最大16MBのストレージを持ち、アプリケーションや重要なデータを格納するために利用される。 |
| パーティションテーブル | データを論理的に分けるために使用され、特定の種類のデータごとに保存場所を指示する。 |
| NVSパーティション | Wi-Fi設定やBluetoothペアリング情報など、小さなデータを保存するために使用され、標準サイズは24kB。 |
| OTA機能 | ファームウェアのリモートアップデートが可能で、少なくとも3つの追加パーティションが必要。 |
| カスタムパーティション作成 | CSVファイルで定義され、各列には名前、タイプ、サブタイプなどが含まれ、自分のプロジェクトニーズに合わせた設計が可能。 |
主要なパーティションとその役割
デフォルトのパーティションスキームは、主に二つの主要なパーティションで構成されています。### **nvs**デフォルトのNVSパーティションは、ユニークなデバイスのPHYキャリブレーションやWiFiデータ、Bluetoothペアリング情報などをNVS形式で保存するために使用されます。このパーティションの標準サイズは24kB（0x6000バイト）です。### **factory**ファクトリーパーティションは、アプリケーションファームウェア自体を格納します。ブートローダーは、このパーティションを起点としてアプリケーションを初期化します。また、**[OTA]**を使用する場合、このファクトリーパーティションはすべてのOTAパーティションが空であるときのみ利用され、それ以外の場合には実際のOTAパーティションが使われるため、ファクトリーパーティションはもはや使用されません。
カスタムパーティションテーブルが必要なケース
このパーティションのもう一つの利用方法は、デフォルトアプリケーションを保持し、OTA APIを使用してブートパーティションを変更することです。たとえば、デバイスをOTAパーティションに更新した後や、OTA更新中に何らかの失敗が発生した際に工場出荷時設定に戻す場合などです。## **ユースケース**カスタムパーティションテーブルの最も一般的な用途は、ファームウェアをリモートでOTA（Over-The-Air）アップデートによって更新する必要がある場合です。この機能には、少なくとも3つの追加パーティションが必要で、それぞれOTAデータ用（_ota_）、および2つのアプリケーション用（_ota_0_ と _ota_1_）として使用されます。また、この機能はファイル保存やログデータ、デバイス設定、GPIOステータスなど、多種多様なデータを保存するための別のストレージエリアとしても利用できます。さらに、この拡張ストレージエリアにはクラウド証明書を保管できるため、アプリケーション内にハードコーディングする必要がなくなり、安全性が向上します（これは推奨されていません）。
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Free Imagesカスタムパーティションの作成方法
ESP32およびESP32-S2のフラッシュメモリは最大16MBまでと制限されています。そのため、もし16MB以上のストレージが必要な場合は、別途フラッシュメモリやSDカードを追加することができます。## **カスタムパーティションテーブルの作成**新しいパーティションを作成するには、まずパーティションのファイル構造を理解する必要があります。カスタムパーティションテーブルはCSVファイルで定義されており、以下の構造になっています:
アプリケーション用サブタイピング： - 工場出荷時 （factory ） : 初期状態アプリケーションとして動作します 。 OTA の場合 、 通常 ota ０ および ota １ が 必要なので 対応 関係 を 見直す と よろしいかと思います 。
# ESP-IDF パーティションテーブル# 名前, タイプ, サブタイプ, オフセット, サイズ, フラグアプリケーション用サブタイピング： - 工場出荷時 （factory ） : 初期状態アプリケーションとして動作します 。 OTA の場合 、 通常 ota ０ および ota １ が 必要なので 対応 関係 を 見直す と よろしいかと思います 。
CSVファイル構造をマスターする
最大で16のOTAパーティションを定義できますが、基本的なOTA機能には2つだけが必要です。- **テスト (0x20):** _テスト_ パーティションのサブタイプは、**[工場出荷時テスト手順]** に使用されます。 ### **オフセット** 第4列はメモリオフセットを示し、パーティションの開始アドレスを定義します。このオフセットは、前のパーティションのサイズとオフセットの合計によって決まります。最初のパーティション（私たちの場合はnvs）は必ず0x9000から始まる必要があります。これはブートローダー（オフセット0x1000、サイズ0x7000）やパーティションテーブルセクション（オフセット0x8000、サイズ0x1000）が関わっているためです。また、これらのパーティションはCSVファイルには記載されていません。もしブートローダーのサイズをカスタマイズなどにより増加させる必要がある場合は、プロジェクト設定メニューで(_Partition Table → Offset of partition table_) オフセットを増やす必要があります。その際には最初のパーティションにも新しいオフセットを追加することが求められます。
各列の詳細と設定方法
オフセットは4kB（0x1000）の倍数である必要があり、_app_パーティションについては64kB（0x10000）で整列されている必要があります。もし空白のままにすると、オフセットは前のパーティションの終わりに基づいて自動的に計算されるので、必要な整列も含まれます。### **サイズ**五番目の列はサイズを表し、このパーティションに割り当てるメモリ量を定義します。サイズは10進数や16進数（0xプレフィックス）、またはK（キロ）やM（メガ）の単位接頭辞を使用してフォーマットできます。つまり、4096 = 4K = 0x1000として表現できます。サイズはバイト数で定義されており、最小サイズは4kBです。また、大きなパーティションの場合、そのサイズも4kBの倍数でなければなりません。そして最大サイズはフラッシュメモリ全体の容量によって制限されています。このように、自分のプロジェクトに最適な構成を選ぶ際には、フラッシュメモリの特性やスキームによるデータアクセス速度への影響も考慮することが重要です。
実際のデモで学ぶカスタムパーティション
フラグはCSVファイルの最後の列で、これは「フラッシュ暗号化」機能によってパーティションが暗号化されるかどうかを定義するために使用されます。CSVファイルを作成した後、新しいパーティションテーブルのファイルを読み込むようにプロジェクト設定を変更する必要があります。ここで重要なのは、パーティションテーブルの構造に変更がある場合、フラッシュメモリを消去し、新しいパーティションバイナリファイルとともにデバイスを再プログラムする必要があるということです。この変換は手動でも行えるツールがありますが、ビルドプロセス中には自動的に実行されます。
さて、カスタムパーティションテーブルの使い方を示すために、拡張されたNVSパーティションとSPIFFS用の一つのパーティションを持つシンプルなデモを作成します。これによってESP32のフラッシュメモリを効率よく活用できる方法についても理解が深まります。アプリケーションやファイルシステムのサイズに応じて特定のデータ領域を割り当てることで性能向上につながるでしょう。また、異なるブロックサイズやアクセス速度に基づく最適な構成選択も安定性向上には欠かせません。このようなカスタマイズによって、それぞれのプロジェクトニーズに合った柔軟な設計が可能になります。
さて、カスタムパーティションテーブルの使い方を示すために、拡張されたNVSパーティションとSPIFFS用の一つのパーティションを持つシンプルなデモを作成します。これによってESP32のフラッシュメモリを効率よく活用できる方法についても理解が深まります。アプリケーションやファイルシステムのサイズに応じて特定のデータ領域を割り当てることで性能向上につながるでしょう。また、異なるブロックサイズやアクセス速度に基づく最適な構成選択も安定性向上には欠かせません。このようなカスタマイズによって、それぞれのプロジェクトニーズに合った柔軟な設計が可能になります。
ESP-IDF VS Code拡張機能を活用する
ESP-IDF v4.2を使用した_partition_find_の例に基づいてコードを作成します。このデモでは、デバイス設定やその他の小さな関連データを保存するために、拡張NVS（Non-Volatile Storage）を使用します。NVSは少量のデータを保存するために非常に推奨されますが、大きなデータストレージにはFATファイルシステムやSPIFFSへの移行が必要です。また、ファイルやその他の大きなデータを保存するためのパーティションも作成し、その形式としてSPIFFSを利用します。
私たちの開発ボードはESP32ベースで、8MBのフラッシュメモリが搭載されています。カスタムパーティションテーブルは以下の通りです：
このパーティションテーブルでは、_storage_ はSPIFFS用に使用され、_nvs_ext_ は追加的なNVSデータストレージとして機能します。OTAパーティションは同じサイズで確保し、将来的な機能追加に向けて十分なスペースを確保しておくことが重要です。
私たちの開発ボードはESP32ベースで、8MBのフラッシュメモリが搭載されています。カスタムパーティションテーブルは以下の通りです：
# ESP-IDF パーティションテーブル
# 名前, タイプ, サブタイプ, オフセット, サイズ, フラグ
nvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000,
otadata, data, ota, 0xf000, 0x2000,
ota_0, app, ota_0, 0x20000, 0x200000,
ota_1, app, ota_1, 0x220000, 0x200000,
storage, data, spiffs , 0x420000 , 0x200000 ,
nvs_ext , data , nvs , 0x620000 , 0x10000 ,
このパーティションテーブルでは、_storage_ はSPIFFS用に使用され、_nvs_ext_ は追加的なNVSデータストレージとして機能します。OTAパーティションは同じサイズで確保し、将来的な機能追加に向けて十分なスペースを確保しておくことが重要です。
一般的な問題とトラブルシューティング
もしOTAを使用しない場合、ファクトリーパーティションのサイズを2MBに設定する必要はありません。ファームウェアのサイズが1MB未満であれば、そのままで大丈夫です。新しいCSVファイルを追加する必要があります。このファイルは「**partitions_example.csv**」という名前で、例を変更してパーティションスキームを見つけます。フラッシュしてこの例を実行すると、出力には検出されたすべてのパーティションが表示されます。コマンドは以下の通りです：
拡張NVSパーティション（nvs_ext）を使用するには、NVS初期化時に_[nvs_flash_init_partition_ptr]_ を利用し、NVSパーティション名を渡す必要があります。
## **ESP-IDF VS Code Extension の利用**
パーテーションテーブル CSVファイルについて作業する別の方法として、[ESP-IDF VS Code Extension] を参考にすると便利です。このエクステンションでは、ESP-IDF をインストールし、Microsoft Visual Studio Code IDE 上でプロジェクト管理や作成ができます。特に便利なのは GUI ツールであるESP-IDF Partition Table Editorです。このエディターにアクセスするには、「Command Palette」を開き、「Partition Table Editor UI」と入力します（コマンドメニューは F1 キーで開きます）。
これで前述したフィールドと同様に、あなた自身のパーテーションテーブル構造を作成できます。構造体を書いた後、このCSVファイルをプロジェクト内に保存し、その後バイナリビルド及びボードへの書き込みをご確認ください。
### **一般的な問題（トラブルシュート）**
カスタムパーテーションとの関連性によく発生する問題はいくつかありまして、その中でもアライメントや重複について注意深く考えるべきです。まず初めて変更した場合、新しいバイナリファイルを書く際には必ずフラッシュ消去してください。そのためには次のコマンドをご利用下さい：
### **X パーツが見当たらない…**
この問題がおこる理由としてその部分は存在せずまた欠落していることがあります。またこれはCSV内で誤った値によって引き起こされることもあります。その一因として不正確なタイプやサブタイプなどがあります。
### **重複した分割問題**
もしあなたのオフセットポイントが他のセクター内になってしまうと下記エラーを見ることでしょう：
CSV エラー：分割間隔重複。
つまりCSV内6行目では始まる位置`(line=6)` が `offset=210000`となっていますので前回終わった `end=220000` よりも開始時間よりも高い位置から始まっていることになります。このエラー解決策としては CSV 内該当行数値を書き換えて下さい。
### **メモリーサイズ問題**
最もよくあるサイズ関連した課題とは整列性です。「app」型の場合、そのサイズは64kB （＝16進数表現では´10000´）単位整列されなければいけません。それゆえ各「app」部門全般にも適用されます。
例えば：
ここならば以下エラーになるでしょう。
Partition ota _o 無効 ： Offset ox12000 は align to ox10000 に合致しない
解決法としてオフセット値 `ox12000` を `ox20000` に修正してください。そして次以降再計算します。
こういう調整手間なく自動的な魔法的処理させたいならば空白保持すると良いでしょう。
例えば8MB フラッシュ使う事例を書く際には、
プロジェクト設定内『Serial flasher config → Flash size』 メニューでも適切量へ変えておいてくださいね。
カスタム・パーテーションテーブル作成というもの、ご自身プロジェクトへの利点多々ありそうですね。また外部SDカードなしでもデータ保管可能になる点非常素敵だと思います。ただ独自定義後しっかりデータ量・アライメント守って頂いて無駄なく資源活用出来るよう意識してみてくださいね
.py -p <COM_PORT> flash monitor# ESP-IDF パーティションテーブル# 名前, タイプ, サブタイプ, オフセット, サイズ, フラグnvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000,otadata, data, ota, 0xf000, 0x2000,ota_0, app, ota_0, 0x20000, 0x200000,ota_1, app, ota_1， 0x220000， 0x200000，storage，data，spiffs，０x420000，０x２００００,nvs_ext,data,nvs ,０x620000，０ｘ１００００,I (380) example: ----------------Find partitions---------------I (390) example: ESP_PARTITION_TYPE_DATA のタイプとサブタイプ ESP_PARTITION_SUBTYPE_DATA_NVS を持つパーティションを見つける...I (400) example: 'nvs' パーティションがオフセット 0x9000 とサイズ 0x6000 にて見つかりました I (410) example: Find partition with type ESP_PARTITION_TYPE_DATA and subtype ESP_PARTITION_SUBTYPE_DATA_PHY...E (420) example: パーティションが見つかりません！I (430) example: Find partition with type ESP_PARTITION_TYPE_APP and subtype ESP_PARTITION_SUBTYPE_APP_FACTORY...E (440) example: パーティションが見つかりません！I (450) example: Find partition with type ESP_PARTITION_TYPE_DATA and subtype ESP_PARTITION_SUBTYPE_DATA_FAT...E（460）example：パーティションが見つかりません！I（460）example：ESP_PARTITION_TYPE_DATAの型およびUNKNOWN_PARTITION_SUBTYPEとして指定されたパーティションを検索します… I(480) example : 'storage' がオフセット 目標データ「スペース」部分から取得しました559.I(570)...拡張NVSパーティション（nvs_ext）を使用するには、NVS初期化時に_[nvs_flash_init_partition_ptr]_ を利用し、NVSパーティション名を渡す必要があります。
## **ESP-IDF VS Code Extension の利用**
パーテーションテーブル CSVファイルについて作業する別の方法として、[ESP-IDF VS Code Extension] を参考にすると便利です。このエクステンションでは、ESP-IDF をインストールし、Microsoft Visual Studio Code IDE 上でプロジェクト管理や作成ができます。特に便利なのは GUI ツールであるESP-IDF Partition Table Editorです。このエディターにアクセスするには、「Command Palette」を開き、「Partition Table Editor UI」と入力します（コマンドメニューは F1 キーで開きます）。
これで前述したフィールドと同様に、あなた自身のパーテーションテーブル構造を作成できます。構造体を書いた後、このCSVファイルをプロジェクト内に保存し、その後バイナリビルド及びボードへの書き込みをご確認ください。
### **一般的な問題（トラブルシュート）**
カスタムパーテーションとの関連性によく発生する問題はいくつかありまして、その中でもアライメントや重複について注意深く考えるべきです。まず初めて変更した場合、新しいバイナリファイルを書く際には必ずフラッシュ消去してください。そのためには次のコマンドをご利用下さい：
.py -p <COM_PORT> erase_flash### **X パーツが見当たらない…**
この問題がおこる理由としてその部分は存在せずまた欠落していることがあります。またこれはCSV内で誤った値によって引き起こされることもあります。その一因として不正確なタイプやサブタイプなどがあります。
### **重複した分割問題**
もしあなたのオフセットポイントが他のセクター内になってしまうと下記エラーを見ることでしょう：
CSV エラー：分割間隔重複。
つまりCSV内6行目では始まる位置`(line=6)` が `offset=210000`となっていますので前回終わった `end=220000` よりも開始時間よりも高い位置から始まっていることになります。このエラー解決策としては CSV 内該当行数値を書き換えて下さい。
### **メモリーサイズ問題**
最もよくあるサイズ関連した課題とは整列性です。「app」型の場合、そのサイズは64kB （＝16進数表現では´10000´）単位整列されなければいけません。それゆえ各「app」部門全般にも適用されます。
例えば：
, app , ota_01 , ox12000 , ox20000ここならば以下エラーになるでしょう。
Partition ota _o 無効 ： Offset ox12000 は align to ox10000 に合致しない
解決法としてオフセット値 `ox12000` を `ox20000` に修正してください。そして次以降再計算します。
こういう調整手間なく自動的な魔法的処理させたいならば空白保持すると良いでしょう。
例えば8MB フラッシュ使う事例を書く際には、
プロジェクト設定内『Serial flasher config → Flash size』 メニューでも適切量へ変えておいてくださいね。
カスタム・パーテーションテーブル作成というもの、ご自身プロジェクトへの利点多々ありそうですね。また外部SDカードなしでもデータ保管可能になる点非常素敵だと思います。ただ独自定義後しっかりデータ量・アライメント守って頂いて無駄なく資源活用出来るよう意識してみてくださいね
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ESP32のPartition Tableの書き方
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