近日，樹(shù)莓派基金會(huì)宣布了樹(shù)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(lái)解決長(zhǎng)期以來(lái)令人詬病的磁盤(pán)IO問(wèn)題。此前硬件版本樹(shù)莓派最大外部磁盤(pán)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(dòng)也快不到哪去。

樹(shù)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(kāi)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(cè)試版的新固件為提高樹(shù)莓派的性能帶來(lái)了曙光。日前一個(gè)小哥Jeff Geerling就分享了他的對(duì)新版本體驗(yàn)，并且做了基準(zhǔn)測(cè)試，本文我們就一起來(lái)學(xué)習(xí)下小哥的實(shí)踐過(guò)程。

用USB 引導(dǎo)樹(shù)莓Pi 4

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

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

然后，按照USB 引導(dǎo)測(cè)試版設(shè)置說(shuō)明，進(jìn)行以下操作：

1、啟動(dòng)SD卡引導(dǎo)的樹(shù)莓派系統(tǒng)。

2、在樹(shù)莓派操作系統(tǒng)中打開(kāi)終端，也可以通過(guò)SSH 從另一臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行。

3、運(yùn)行以下命令，升級(jí)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(dòng)，并通過(guò)打開(kāi)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(lái)還需要將 Pi OS flash到外部 USB SSD 或 HDD。首先，最好在啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)將需要加載的設(shè)備插入并確保系統(tǒng)已經(jīng)識(shí)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(dòng)器和 USB SATA 適配器支持開(kāi)箱即用。

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

將USB驅(qū)動(dòng)器插入主計(jì)算機(jī)（之前制作microSD卡的電腦），并將樹(shù)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(shù)莓派固件GitHub 存儲(chǔ)庫(kù)（github.com/raspberrypi/firmware），下載發(fā)布的zip壓縮包或者git clone整個(gè)倉(cāng)庫(kù)。

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(dòng)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(dòng)器。

請(qǐng)確保將驅(qū)動(dòng)器插入到了USB 3.0端口（藍(lán)色端口）。

打開(kāi)樹(shù)莓派電源，大約一分鐘后，如果正常就可以應(yīng)該可以啟動(dòng)，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(dòng)通過(guò)USB-HDD后系統(tǒng)重新啟動(dòng)的問(wèn)題，不影響使用。目前解決方案拔下引導(dǎo)usb設(shè)備樹(shù)莓派完全關(guān)閉電源， 然后插入它回來(lái)。

基準(zhǔn)測(cè)試

為了了解其microSD卡啟動(dòng)時(shí)磁盤(pán)和USB SSD啟動(dòng)的性能差距，小哥進(jìn)行了一系列的基準(zhǔn)測(cè)試。

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

如果要自行運(yùn)行此基準(zhǔn)測(cè)試。記錄在Pi Dramble維基的磁盤(pán)訪問(wèn)基準(zhǔn)頁(yè)。注意，對(duì)于 USB SSD，測(cè)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(shuō)明問(wèn)題。對(duì)于順序操作，使用 USB SSD 比使用 microSD 卡快 3-4 倍。對(duì)于隨機(jī)訪問(wèn)，隨機(jī)讀取速度稍快一些，但寫(xiě)入速度約為8倍。這在很多活動(dòng)中有所不同，例如啟動(dòng)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(shù)莓派也有足夠的帶寬用于其他內(nèi)容。

為了了解磁盤(pán)訪問(wèn)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(cè)試），還測(cè)試運(yùn)行多年的Pi Dramble Drupal 基準(zhǔn)，運(yùn)行了一組Drupal基準(zhǔn)。測(cè)試會(huì)運(yùn)行Docker容器化的Drupal系統(tǒng)和MariaDB數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)Nginx訪問(wèn)。結(jié)果如下：

和前面一樣，也運(yùn)行了所有測(cè)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(yè)加載導(dǎo)致數(shù)百個(gè)文件被訪問(wèn)和/或?qū)懭氪疟P(pán)，因此在 SSD 上更快。因此，它有意義。

另外還測(cè)試了另一個(gè)方案：在 Drupal 中加載和重新加載頁(yè)面：

這些基準(zhǔn)測(cè)試顯示，對(duì)于某些操作，磁盤(pán)IO性能差異并不明顯。在 Drupal的案例中，處理和返回每個(gè)頁(yè)面時(shí)會(huì)將所需的數(shù)據(jù)將緩存（opcache 或者memcache，redis等數(shù)據(jù)庫(kù)的緩存中），可以保持讀取和寫(xiě)入最小化。

總結(jié)

本文中嘗試了在樹(shù)莓派中運(yùn)行USB SSD的嘗試。根據(jù)基準(zhǔn)測(cè)試使用USB3.0和SSD硬盤(pán)可以極大提高樹(shù)莓派的IO性能。在這種方案下，可以一定程度上擴(kuò)充樹(shù)莓派的存儲(chǔ)和訪問(wèn)性能，可以讓樹(shù)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(shù)莓派能提供真正的磁盤(pán)接口，而不僅僅是USB。