中文 EN

4.5.5. QSPI NAND Flash 压力测试

4.5.5.1. 测试原理

NAND Flash 测试使用 IOzone 工具进行文件系统性能测试，通过执行多种文件操作，如顺序读取、顺序写入、随机读写等，来测试磁盘或存储设备的性能。

测试内容

1. 测试过程：

在使用 iozone 命令测试 NAND Flash 存储设备的性能时，可以通过合理选择测试文件大小、块大小、测试模式和输出格式来更精确地评估其性能。

  • 创建测试文件： IOzone 首先在对应路径上创建一个或多个文件，并会使用特定的块大小来进行读写操作。例如脚本中 IOzone 将会在 $output_dir/iozone_data 路径下创建一个大小为 32MB 的测试文件。

  • 执行多种 I/O 操作：使用 -a 选项， IOzone 将自动评估多种测试模式和配置，包括不同的块大小、文件大小、操作模式等。

    • 顺序写入（ Sequential Write）：连续写入数据到存储设备，测试设备的最大写入带宽。

    • 顺序读取（ Sequential Read）：连续读取数据，测试设备的读取带宽。

    • 随机写入（ Random Write）：对数据进行随机写入，测试设备的随机写入能力。

    • 随机读取（ Random Read）：对数据进行随机读取，测试设备的随机读取能力。

    • 不同块大小测试：通过测试不同大小的数据块，可以评估存储设备在不同数据块尺寸下的表现。

    • 覆盖与追加 (Overwrite vs Append)：对已经存在的文件进行修改或覆盖，测试设备在更新文件时的性能。

      • 覆盖 (Overwrite)：覆盖原有数据，这种方式用于测试设备在处理重复写入时的性能，尤其是对 NAND Flash 存储的影响。

      • 追加 (Append)：追加写入数据，不会影响已有数据。

  • 数据记录与分析： IOzone 会记录每个操作的执行时间，并计算吞吐量和延迟等关键指标生成数据报告。

2. 命令解析：

  • 测试命令：iozone -e -+r -o -a -q 1M -s 32M -f "$output_dir/iozone_data" -Rb "$output_dir/test_iozone_qspi_nand_flash_${loop_num}.xls"

  • 参数解析：

    • -e：计算时间时将 flush (fsync,fflush) 包括进来。

    • -+r: 这选项是启用 random 模式测试，不仅是顺序读写，还包括随机读写。

    • -o: 该选项启用 overwrite 测试，测试过程会覆盖文件系统中的数据而不是追加数据。

    • -a: 启用自动测试模式。这表示 iozone 会在不同的操作模式下自动执行一系列测试，比如顺序读写、随机读写、不同大小的文件等。

    • -q 1M: 在执行测试时，设置 Iozone 使用的文件块大小为 1MB。

    • -s 32M: 设置测试的文件大小为 32MB。即， iozone 会在 32MB 大小的文件上执行性能测试。

    • -f $output_dir/iozone_data：指定测试结果存储的文件路径。

    • -Rb $output_dir/test_iozone_emmc_ext4_stability_${loop_num}.xls：使用 Excel 格式 (.xls) 输出测试结果文件。

4.5.5.2. 准备工作

1. X5_EVB 默认启动方式为 eMMC，需要将拨码开关切换至 NAND Flash 启动，如图：

拨码开关决定了开发板的启动模式配置、调试串口波特率，方便用户对开发板不同模式的配置，拨码开关内部结构和实物如下图，拨到 ON 位置表明给定信号为高电平 1。

image-20240424225353367

  • D2、D1、D0 三个拨码对应 X5 芯片的 2NDBOOT_SEL 管脚，用于决定开发板的启动模式。

  • D4 拨码对应 X5 芯片的 UART_BPS 管脚，用于决定开发板调试串口的波特率。

对应的拨码真值表如下表：

2NDBOOT_SEL Value 选项 启动方式的描述
D2, D1, D0 000 2NDBOOT UART 从 UART 接口进行引导启动
001 2NDBOOT eMMC 从 eMMC 存储设备进行引导启动
010 2NDBOOT USB2.0 DFU 通过 Dp/Dm 从 USB2.0 DFU（ Device Firmware Upgrade）接口进行引导启动
011 2NDBOOT SD Card 从 SD 卡进行引导启动
100 2NDBOOT QSPI NOR Flash 从 QSPI NOR Flash 存储设备进行引导启动
101 2NDBOOT QSPI NAND Flash 从 QSPI NAND Flash 存储设备进行引导启动
110 2NDBOOT USB3.0 DFU 通过 Dp/Dm 从 USB3.0 DFU（ Device Firmware Upgrade）接口进行引导启动
111 2NDBOOT QSPI NAND Flash (disable mmu) 从 QSPI NAND Flash 存储设备进行引导启动，并且在启动时禁用 MMU

注意：X5 烧录仅支持 USB 2.0 协议，无论使用 USB 2.0 还是 USB 3.0 接口，均按 USB 2.0 协议烧录，最高速度为 480Mbps。

UART_BPS Value 选项 描述
D4 0 115200bps 启动时调试串口的波特率将设定为 115200bps
1 921600bps 启动时调试串口的波特率将设定为 921600bps

2. 准备 NAND Flash 启动的编译镜像，输入 ./bd.sh lunch 选择 4 后，输入 ./bd.sh 进行编译后烧录。

(base) root@DESKTOP-BD9DR0J:/home/gegugu/x5_sdk_default# ./bd.sh lunch

You're building on #236-Ubuntu SMP Fri Apr 11 19:53:21 UTC 2025
Lunch menu... pick a combo:
      0. horizon/x5/board_x5_evb_debug_config.mk
      1. horizon/x5/board_x5_evb_jammy_debug_config.mk
      2. horizon/x5/board_x5_evb_jammy_release_config.mk
      3. horizon/x5/board_x5_evb_nand_debug_config.mk
      4. horizon/x5/board_x5_evb_nand_release_config.mk
      5. horizon/x5/board_x5_evb_release_config.mk
      6. horizon/x5/board_x5_soc_debug_config.mk
      7. horizon/x5/board_x5_soc_release_config.mk
Which would you like? [0] : 4

3. 需要注意 NAND Flash 启动的镜像里没有 /app 分区，需要将 nand_test.sh 拷贝至 /userdata 路径下 。

  • 可以通过 dmesg 命令查看到，/userdata 路径挂载在 NAND Flash 分区上。

[    4.930583] ubi1: volume 0 ("userdata") re-sized from 13 to 842 LEBs
[    4.932256] ubi1: attached mtd9 (name "userdata", size 221 MiB)
[    4.941166] mtdblock: MTD device 'userdata' is NAND, please consider using UBI block devices instead.
[   11.830340] UBIFS (ubi1:0): UBIFS: mounted UBI device 1, volume 0, name "userdata"

  • 可以通过命令 cat /proc/mtd 查看所有分区大小和所属类型。

dev:    size   erasesize  name
mtd0: 00040000 00040000 "mbr"
mtd1: 00240000 00040000 "miniboot"
mtd2: 00240000 00040000 "miniboot_bak1"
mtd3: 00040000 00040000 "misc"
mtd4: 00200000 00040000 "uboot"
mtd5: 00180000 00040000 "ubootenv"
mtd6: 02000000 00040000 "boot"
mtd7: 09600000 00040000 "system"
mtd8: 06400000 00040000 "hbre"
mtd9: 0dd80000 00040000 "userdata"

4.5.5.3. 测试方法

压测脚本支持输入后缀 -h 查看命令参数的说明，例如：

root@buildroot:/userdata/flash_test# ./nand_test.sh -h
Usage: ./nand_test.sh [options]

Options:
  -t <time>       Set the test duration ( 2h for hours， 30m for minutes; default: 48h).
  -d <seconds>     Set the sleep time between loops in seconds (default: 30).
  -o <directory>   Set the output directory for logs (default: ../log).
  -h             Show this help message and exit.

各参数解析如下：

  • -t <time>：设置测试时长，例如 2h 表示 2 小时， 30m 表示 30 分钟，默认是 48 小时。

  • -d <seconds>：设置循环之间的睡眠时间（以秒为单位），默认值是 30 秒。

  • -o <directory>：设置日志输出目录，默认值是脚本所在目录的 ../output 文件夹。

  • -h：显示帮助信息并退出脚本。

示例： 例如，使用命令： ./nand_test.sh -t 2h -d 10 -o /userdata 自定义测试时长 2 小时， 10 秒循环间隔，输出目录为 /userdata 。

确保完成准备工作后，运行测试命令：

 chmod +x nand_test.sh

./nand_test.sh

运行一段时间后，打印结果如下：

        Iozone: Performance Test of File I/O
                Version $Revision: 3.493 $
                Compiled for 64 bit mode.
                Build: linux

        Contributors:William Norcott, Don Capps, Isom Crawford, Kirby Collins
                     Al Slater, Scott Rhine, Mike Wisner, Ken Goss
                     Steve Landherr, Brad Smith, Mark Kelly, Dr. Alain CYR,
                     Randy Dunlap, Mark Montague, Dan Million, Gavin Brebner,
                     Jean-Marc Zucconi, Jeff Blomberg, Benny Halevy, Dave Boone,
                     Erik Habbinga, Kris Strecker, Walter Wong, Joshua Root,
                     Fabrice Bacchella, Zhenghua Xue, Qin Li, Darren Sawyer,
                     Vangel Bojaxhi, Ben England, Vikentsi Lapa,
                     Alexey Skidanov, Sudhir Kumar.

        Run began: Thu Jan  1 00:31:26 1970

        Include fsync in write timing
        Read & Write sync mode active.
        SYNC Mode.
        Auto Mode
        Using Maximum Record Size 1024 kB
        File size set to 32768 kB
        Excel chart generation enabled
        Command line used: iozone -e -+r -o -a -q 1M -s 32M -f /userdata/log/iozone_data -Rb /userdata/log/test_iozone_qspi_nand_flash_2.xls
        Output is in kBytes/sec
        Time Resolution = 0.000001 seconds.
        Processor cache size set to 1024 kBytes.
        Processor cache line size set to 32 bytes.
        File stride size set to 17 * record size.
                                                              random    random     bkwd    record    stride
              kB  reclen    write  rewrite    read    reread    read     write     read   rewrite      read   fwrite frewrite    fread  freread
           32768       4     2780     4956  1584143  1296151  1103931     4301  1112514      4776   1110629   104392   105451  1532503  1542531
           32768       8     5079     9559  1977788  1561719  1547485    10511  1607456     10708   1561273   108863   109577  1927416  1935041
           32768      16     9850    20046  2440637  1723633  1978982    19502  2007597     18954   1985097   111847   110092  2271139  2314614
           32768      32    17544    36329  2638750  1879761  2318381    31511  2218551     33214   2336732   112556   114307  2599809  2617043
           32768      64    33968    70865  2698065  1881812  2456371    64672  2498703     71972   2527419   111349   114829  2679313  2676249
           32768     128    58082   109002  2758249  1920300  2571652   108248  2636839    111033   2637900   115383   110742  2732260  2727484
           32768     256    71359   104816  2685461  1911116  2609332   105044  2626272    108726   2640876   111676   112701  2705862  2710787
           32768     512    79572   103659  2581783  1857701  2562602   106720  2558400    105179   2547857   114214   114433  2466355  2549245
           32768    1024    89865   113358  2075237  1701968  2137647   113756  2116385    114655   2128068   113836   111487  1997318  2002811

关键信息说明：

  • fsync：表示在写入时会同步数据到磁盘，确保数据被持久化。

  • Read & Write sync mode active：读取和写入操作都是同步的。

  • Record Size：使用的最大记录大小为 1024 kB。

  • File size：测试文件的大小为 32768 kB。

  • Excel chart generation enabled：启用了 Excel 图表生成，用于展示结果。

  • Command line used：实际运行的命令是 iozone -e -+r -o -a -q 1M -s 32M -f /userdata/log/iozone_data -Rb /userdata/log/test_iozone_qspi_nand_flash_2.xls。

  • 主要性能指标：

    • kB：表示文件大小（单位： KB）。

    • reclen：表示记录大小（单位：字节），即每次读写操作的数据块大小。

    • random write / rewrite / read / reread：这些列分别表示在随机写入、重写、随机读取、重读时的吞吐量。

    • record write / record read：表示记录顺序写入和顺序读取吞吐量。

    • stride read / stride write：表示跳跃读取（ stride read）和跳跃写入（ stride write）的吞吐量。

    • fwrite / frewrite / fread / freread：这些列表示基于 O_DIRECT 标志进行的直接 I/O 操作的吞吐量。

4.5.5.4. 测试指标

测试程序启动后会在 /userdata/log 目录下生成以下文件：

  • test_iozone_qspi_nand_flash.log：记录压测时的状态信息。

  • test_iozone_qspi_nand_flash_*.xls：记录压测时的数据结果。

测试目标是确保系统能够在 48 小时内稳定运行，不发生重启或挂死的情况。为确保测试过程中的稳定性，可通过以下命令检查日志文件中是否存在 fail、 error、 timeout 等异常信息：

cd "/userdata/log/" && grep -iE 'error|fail|timeout' test_iozone_qspi_nand_flash*.log

QSPI NAND Flash 测试结果

运行测试 48H 后检测 log 日志，并未出现异常状态信息，说明 NAND Flash 压测合格。

Test loop 1 succeeded!
Test loop 2 succeeded!
Test loop 3 succeeded!
.....