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4.5.12. USB 总线速率测试

4.5.12.1. 测试原理

USB 速率测试的基本原理是通过测量 USB 设备与主机之间的数据传输速率，计算数据传输时间，以此来测量实际的总线速率。

测试内容

USB 总线速率测试分别使用了 USB 虚拟网口和 dd 命令对 U 盘进行读写操作，这两种测试方法用于评估 USB 2.0 和 USB 3.0 的传输速率。

dd 命令原理说明

使用 dd 命令测试 USB 总线速率的原理涉及到 磁盘 I/O 性能测试，虽然它并不直接测量 USB 总线本身的速度，但通过测试与 USB 设备进行数据读写时的吞吐量，可以间接推测出 USB 总线的性能瓶颈。

dd if=/dev/zero of=/mnt/usb/testfile bs=1M count=1024 conv=sync oflag=direct

  • if=/dev/zero：输入文件是 /dev/zero，它会生成连续的零数据。

  • of=/mnt/usb/testfile：输出文件为 USB 存储设备的挂载点下的 testfile，即将数据写入 U 盘。

  • bs=1M：块大小为 1MB。每次操作读取或写入 1MB 数据。

  • count=1024 ：共写入 1024 个块，即 1GB 的数据。

  • conv=sync：按指定块大小对齐，不足部分用 0 补齐；本命令中因数据源不间断，主要起到块同步写入的作用（if=/dev/zero 数据不间断，不会出现 “块不足” 的情况）。

  • oflag=direct：使用直接 I/O 模式，绕过系统页缓存，更接近 U 盘真实物理写入速度。

dd if=/path/to/source_file of=/dev/null bs=4K iflag=direct

  • if=/path/to/source_file: if( 输入文件 ) 指定输入文件的路径，/path/to/source_file 是要从中读取数据的文件。

  • of=/dev/null: of（输出文件）：指定输出文件的位置，这里将数据写入 /dev/null。

  • bs=4K: bs（块大小）：设置每次读取和写入的数据块大小为 4KB（ 4096 字节）。

  • iflag=direct: direct 标志确保数据直接从 U 盘读取，而不经过操作系统的缓存。

通过执行 dd 读写命令，系统会把零数据写入到 U 盘，测试写入过程中的吞吐量。命令执行后，系统会显示写入的字节数和所需时间，从而计算出写入速度， dd 读命令同理。

usb 虚拟网口原理说明

设置 USB 口工作在 device 模式，使能 rndis 驱动，连接到个人电脑后，会在电脑上生成一个远程网卡。配置好板端和电脑上的网络 IP 地址后，使用 iperf3 工具进行速率带宽的测试。

4.5.12.2. 准备工作

U 盘读写准备方法

1. 查看 x5_evb 开发板是否为 usb host 模式，输入命令：

root@buildroot:~# cat  /sys/kernel/debug/usb/35100000.usb/mode
host

  • 设置 USB 3.0 为 Host 模式下的命令：

echo host > /sys/class/usb_role/35100000.usb-role-switch/role

  • 设置 USB 3.0 为 Device 模式下的命令：

echo device > /sys/class/usb_role/35100000.usb-role-switch/role

2. 将 U 盘插入 x5_evb 开发板 USB3.0 接口，可输入命令查看 U 盘接口类型：

root@buildroot:~# lsusb
Bus 002 Device 004: ID 0781:55a9
Bus 001 Device 001: ID 1d6b:0002
Bus 002 Device 001: ID 1d6b:0003

通过 lsusb 命令发现， BUS2 ： ID 1d6b:0003 表示这是一个 USB 3.0 控制器，新插入的 U 盘挂载在 BUS2 上，因此可以确认该 U 盘为 USB 3.0 接口。

4.5.12.3. 测试方法

输入命令 lsblk 可以查看 U 盘的挂载路径，不同的 U 盘可能会有不同的挂载路径，例如 /media/UBUNTU_24_1 。

root@buildroot:~# lsblk
NAME         MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINTS
sda            8:0    1  233G  0 disk
`-sda1         8:1    1  233G  0 part /media/UBUNTU_24_1
mtdblock0     31:0    0  512M  0 disk
mmcblk0      179:0    0  7.1G  0 disk
|-mmcblk0p1  179:1    0    4K  0 part
|-mmcblk0p2  179:2    0  2.3M  0 part
|-mmcblk0p3  179:3    0  2.3M  0 part
|-mmcblk0p4  179:4    0    4K  0 part
|-mmcblk0p5  179:5    0    2M  0 part
|-mmcblk0p6  179:6    0  256K  0 part
|-mmcblk0p7  179:7    0   16K  0 part
|-mmcblk0p8  259:0    0   12M  0 part
|-mmcblk0p9  259:1    0  250M  0 part /
|-mmcblk0p10 259:2    0  200M  0 part /usr/hobot
|-mmcblk0p11 259:3    0  700M  0 part /app
`-mmcblk0p12 259:4    0    6G  0 part /userdata
mmcblk0boot0 179:8    0    4M  1 disk
mmcblk0boot1 179:16   0    4M  1 disk

输入 dd 命令测试 usb 总线的写速率：

root@buildroot:~# dd if=/dev/zero of=/media/UBUNTU_24_1/myfile bs=4K count=256K conv=sync
262144+0 records in
262144+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB, 1.0 GiB) copied, 26.0445 s, 41.2 MB/s

输入 dd 命令测试 usb 总线的读速率：

root@buildroot:~#  dd if=/media/UBUNTU_24_1/myfile of=/dev/null bs=4K count=256K
262144+0 records in
262144+0 records out
1073741824 bytes (1.1 GB, 1.0 GiB) copied, 8.27242 s, 130 MB/s

4.5.12.4. 准备工作

usb 虚拟网口准备方法

1. 将 x5_evb 开发板的 usb2.0 口连接至 PC 的 USB2.0 ，如图：

X5_USB2.0

2. 将 usb2.0 虚拟为网口，命令如下：

/etc/init.d/usb-gadget.sh stop adb
/etc/init.d/usb-gadget.sh start rndis

执行输出：

Detecting platform:
 board : D-Robotics X5 EVB LP4 1_B board
 udc   : 35300000.usb
Creating the USB gadget
Loading composite module
Mount ConfigFS and create Gadget
configfs mount point:  /sys/kernel/config
Configfs already mounted...
Creating gadget directory g_comp
OK
init configfs...
Setting Vendor and Product ID's
OK
Setting Multi-func Gadget for Windows
Setting English strings
OK
Creating Config
Init functions...
funciton_init, but do nothing, please init on demand
OK
Bind functions...
Bind functions according to .usb-config file
bind gadget rndis...
Creating RNDIS gadget functionality
[  210.814912] using random self ethernet address
[  210.815497] using random host ethernet address
OK
Pre run userspace daemons(eg. adb)...
0
waiting
.
OK
Binding USB Device Controller
UDC set to: 35300000.usb
OK
Run some userspace daemons(eg. usb_camera)...
usb-gadget start succeed.
usb-gadget restart succeed.

在电脑上可以查看网络配置页面，可以看到如下图所示的 Remote RNIS Compatible Device 网卡。

image-20240312183523200

3. 使用以下命令来配置 usb0 网络接口的 IP 地址，使其与 PC 端远程网卡的 IP 地址网段一致。

ifconfig usb0 192.168.1.10

PC 端远程网卡 ip 配置如图：

NETWORK_CONFIG

4.5.12.5. 测试方法

在 pc 端运行 iperf3 启动 Server，使用 powershell 输入命令如图：

iperf3

在 x5_evb 开发板运行 iperf3 启动客户端，设置 Server 端一样的 ip 地址和 port 号连接 Server 启动测试，执行命令如下：

root@buildroot:~# iperf3 -c 192.168.1.111 -i 1 -t 600 -p 5002
Connecting to host 192.168.1.111, port 5002
[  5] local 192.168.1.20 port 44826 connected to 192.168.1.111 port 5002
[ ID] Interval           Transfer     Bitrate         Retr  Cwnd
[  5]   0.00-1.00   sec  36.9 MBytes   310 Mbits/sec    0   71.3 KBytes
[  5]   1.00-2.00   sec  36.7 MBytes   308 Mbits/sec    0   71.3 KBytes
[  5]   2.00-3.00   sec  36.7 MBytes   308 Mbits/sec    0   71.3 KBytes
[  5]   3.00-4.00   sec  36.8 MBytes   308 Mbits/sec    0   71.3 KBytes
[  5]   4.00-5.00   sec  36.8 MBytes   308 Mbits/sec    0   71.3 KBytes

此时客户端如果成功连接， pc 服务端打印如下：

Accepted connection from 192.168.1.20, port 44822
[  5] local 192.168.1.111 port 5002 connected to 192.168.1.20 port 44826

4.5.12.6. 测试指标

USB 总线的理论速率（最高）：

  • usb 2.0 ： 480Mbps 即 60MB/s

  • usb 3.0 ： 5Gbps 即 625MB/s

实际的传输速率通常会低于理论最大值，由于传输过程中存在协议开销、硬件限制、以及设备性能等因素， USB 2.0 的实际传输速率通常在 25 MB/s 到 35 MB/s 之间， USB 3.0 的实际传输速率在 40 MB/s 到 200 MB/s 之间。

常见影响因素

  • USB 版本： USB 3.0 、 3.1 和 2.0 的带宽差异会直接影响数据传输速率。如果你在 USB 2.0 接口上使用设备，理论最大速度为 480 Mbps，实际速度可能更低。

  • 设备类型： USB 设备（如 U 盘、外接硬盘、 SSD）具有不同的读写性能，尤其是闪存类型的 U 盘速度较慢，而 SSD 性能更好。

  • 块大小 (bs)：dd 命令的块大小选择对测试结果有很大影响，较大的块大小可能提高吞吐量，而过小的块大小可能导致效率低下，可适当更改 dd 命令参数来达到更好的测试效果。

测试结果

通过测试一和测试二的方法，可以有效地测试出 USB 3.0 和 USB 2.0 的实际传输速率，并与 USB 在实际使用中的速率结果相符。