近日，樹莓派基金會宣布了樹莓派的8G內(nèi)存版本，并發(fā)布了一個(gè)支持USB引導(dǎo)的固件版本。借此來解決長期以來令人詬病的磁盤IO問題。此前硬件版本樹莓派最大外部磁盤速度受到限制，尤其是 USB 2.0 總線與網(wǎng)絡(luò)適配器共享，進(jìn)一步限制了其帶寬，即使 USB 啟動也快不到哪去。

樹莓派 Pi 4 架構(gòu)中不僅將網(wǎng)絡(luò)適配器與USB總線分離，而且開始支持USB 3.0，其理論上可以比USB 2.0快10倍。所以此次USB引導(dǎo)測試版的新固件為提高樹莓派的性能帶來了曙光。日前一個(gè)小哥Jeff Geerling就分享了他的對新版本體驗(yàn)，并且做了基準(zhǔn)測試，本文我們就一起來學(xué)習(xí)下小哥的實(shí)踐過程。

用USB 引導(dǎo)樹莓Pi 4

首先，用一個(gè)32GB SanDisk Pro microSD制作了最新的64位測試版樹莓派操作系統(tǒng)。該測試版本系統(tǒng)可以從樹莓派論壇下載：

要制作引導(dǎo)盤，需要使用使用dd。實(shí)踐中使用了一臺老的Mac，當(dāng)然也可以直接使用樹莓派官方鏡像。

然后，按照USB 引導(dǎo)測試版設(shè)置說明，進(jìn)行以下操作：

1、啟動SD卡引導(dǎo)的樹莓派系統(tǒng)。

2、在樹莓派操作系統(tǒng)中打開終端，也可以通過SSH 從另一臺計(jì)算機(jī)執(zhí)行。

3、運(yùn)行以下命令，升級系統(tǒng)

sudo apt update

sudo apt full-upgrade

4、修改/etc/default/rpi-eeprom-update文件，將其值由“CRITICAL”修改為“BETA”。

5、 運(yùn)行下面命令，更新EEPROM ：

sudo rpi-eeprom-update -d -f /lib/firmware/raspberrypi/bootloader/beta/pieeprom-2020-06-03.bin

6、 重新啟動，并通過打開終端并運(yùn)行檢查引導(dǎo)加載程序版本：

vcgencmd bootloader_version

應(yīng)該輸出類似下面的信息：

Jun 3 2020 13:53:47

version b5de8c32f4f45a12a1fdfe107254df82965f9d56 （release）

timestamp 1591188827

這樣表示引導(dǎo)成功，接下來還需要將 Pi OS flash到外部 USB SSD 或 HDD。首先，最好在啟動驅(qū)動器時(shí)將需要加載的設(shè)備插入并確保系統(tǒng)已經(jīng)識別了它（應(yīng)該出現(xiàn)在桌面上或者使用lusb找的到）。注意：不是任何外部驅(qū)動器和 USB SATA 適配器支持開箱即用。

該試驗(yàn)中使用的是金士頓A400 240GB SSD，硬盤盒使用的是Inateck USB 3.0 SATA enclosure。

將USB驅(qū)動器插入主計(jì)算機(jī)（之前制作microSD卡的電腦），并將樹莓派操作系系統(tǒng)燒錄到它，和microSD 操作一樣。

在引導(dǎo)boot卷之前，需要將卷上的一些文件替換為 GitHub 的最新版本

在樹莓派固件GitHub 存儲庫（github.com/raspberrypi/firmware），下載發(fā)布的zip壓縮包或者git clone整個(gè)倉庫。

在boot目錄中，復(fù)制所有以.elf和.dat的結(jié)尾的文件到boot卷（替換已存在的同名文件）。

彈出boot卷，然后拔下 USB 驅(qū)動器。

重啟當(dāng)前以microSD 卡運(yùn)行的系統(tǒng)，拔下microSD卡，然后插入U(xiǎn)SB驅(qū)動器。

請確保將驅(qū)動器插入到了USB 3.0端口（藍(lán)色端口）。

打開樹莓派電源，大約一分鐘后，如果正常就可以應(yīng)該可以啟動，引導(dǎo)界面如下：

注意：上圖有個(gè)錯(cuò)誤提示，主要是引導(dǎo)加載程序不能啟動通過USB-HDD后系統(tǒng)重新啟動的問題，不影響使用。目前解決方案拔下引導(dǎo)usb設(shè)備樹莓派完全關(guān)閉電源， 然后插入它回來。

基準(zhǔn)測試

為了了解其microSD卡啟動時(shí)磁盤和USB SSD啟動的性能差距，小哥進(jìn)行了一系列的基準(zhǔn)測試。

第一個(gè)基準(zhǔn)測試是對大文件寫入及小文件（4K）隨機(jī)訪問讀取/寫入。這兩者都很重要，但在許多方面，當(dāng)使用像樹莓派這樣的通用計(jì)算機(jī)時(shí)，后者的差異會更有意義，因?yàn)橛?jì)算機(jī)不不會整天讀取和寫入大型文件（大量順序訪問），例如攝像機(jī)或無人機(jī)（這是大多數(shù)microSD卡都會優(yōu)化的用例）。

如果要自行運(yùn)行此基準(zhǔn)測試。記錄在Pi Dramble維基的磁盤訪問基準(zhǔn)頁。注意，對于 USB SSD，測試中修改了hdparm路徑由/dev/mmcblk0改成了/dev/sda1。結(jié)果如下圖：

結(jié)果確實(shí)可以說明問題。對于順序操作，使用 USB SSD 比使用 microSD 卡快 3-4 倍。對于隨機(jī)訪問，隨機(jī)讀取速度稍快一些，但寫入速度約為8倍。這在很多活動中有所不同，例如啟動應(yīng)用、運(yùn)行具有許多選項(xiàng)卡的 Web 瀏覽器。順序性能意味著可以輕松流式傳輸和錄制4K高清視頻，樹莓派也有足夠的帶寬用于其他內(nèi)容。

為了了解磁盤訪問如何影響熟悉的真實(shí)應(yīng)用程序的性能（并且能夠以高度準(zhǔn)確的結(jié)果徹底進(jìn)行基準(zhǔn)測試），還測試運(yùn)行多年的Pi Dramble Drupal 基準(zhǔn)，運(yùn)行了一組Drupal基準(zhǔn)。測試會運(yùn)行Docker容器化的Drupal系統(tǒng)和MariaDB數(shù)據(jù)庫，然后通過Nginx訪問。結(jié)果如下：

和前面一樣，也運(yùn)行了所有測試 4x，在同一配置上，所有結(jié)果都相差不到 0.5%，因此很明顯，SSD 在許多操作中產(chǎn)生了巨大的不同：Drupal 的安裝和第一頁加載導(dǎo)致數(shù)百個(gè)文件被訪問和/或?qū)懭氪疟P，因此在 SSD 上更快。因此，它有意義。

另外還測試了另一個(gè)方案：在 Drupal 中加載和重新加載頁面：

這些基準(zhǔn)測試顯示，對于某些操作，磁盤IO性能差異并不明顯。在 Drupal的案例中，處理和返回每個(gè)頁面時(shí)會將所需的數(shù)據(jù)將緩存（opcache 或者memcache，redis等數(shù)據(jù)庫的緩存中），可以保持讀取和寫入最小化。

總結(jié)

本文中嘗試了在樹莓派中運(yùn)行USB SSD的嘗試。根據(jù)基準(zhǔn)測試使用USB3.0和SSD硬盤可以極大提高樹莓派的IO性能。在這種方案下，可以一定程度上擴(kuò)充樹莓派的存儲和訪問性能，可以讓樹莓派的通用性加大，而不僅僅是個(gè)玩具。當(dāng)然我們的呼聲是樹莓派能提供真正的磁盤接口，而不僅僅是USB。