16. CPU使用率统计

16.1. CPU利用率的基本概念

CPU使用率其实就是系统运行的程序占用的CPU资源，表示机器在某段时间程序运行的情况，如果这段时间中， 程序一直在占用CPU的使用权，那么可以人为CPU的利用率是100%。CPU的利用率越高， 说明机器在这个时间上运行了很多程序，反之较少。利用率的高低与CPU强弱有直接关系，就像一段一模一样的程序， 如果使用运算速度很慢的CPU，它可能要运行1000ms，而使用很运算速度很快的CPU可能只需要10ms，那么在1000ms这段时间中， 前者的CPU利用率就是100%，而后者的CPU利用率只有1%，因为1000ms内前者都在使用CPU做运算， 而后者只使用10ms的时间做运算，剩下的时间CPU可以做其他事情。

FreeRTOS是多任务操作系统，对 CPU 都是分时使用的：比如A任务占用10ms，然后B任务占用30ms，然后空闲60ms， 再又是A任务占10ms，B任务占30ms，空闲60ms;如果在一段时间内都是如此，那么这段时间内的利用率为40%， 因为整个系统中只有40%的时间是CPU处理数据的时间。

16.2. CPU利用率的作用

一个系统设计的好坏，可以使用CPU使用率来衡量，一个好的系统必然是能完美响应急需的处理， 并且系统的资源不会过于浪费（性价比高）。举个例子，假设一个系统的CPU利用率经常在90%~100%徘徊， 那么系统就很少有空闲的时候，这时候突然有一些事情急需CPU的处理，但是此时CPU都很可能被其他任务在占用了， 那么这个紧急事件就有可能无法被相应，即使能被相应，那么占用CPU的任务又处于等待状态，这种系统就是不够完美的， 因为资源处理得太过于紧迫；反过来，假如CPU的利用率在1%以下，那么我们就可以认为这种产品的资源过于浪费， 搞一个那么好的CPU去干着没啥意义的活（大部分时间处于空闲状态），使用，作为产品的设计，既不能让资源过于浪费， 也不能让资源过于紧迫，这种设计才是完美的，在需要的时候能及时处理完突发事件，而且资源也不会过剩，性价比更高。

16.3. CPU利用率统计

FreeRTOS是一个很完善很稳定的操作系统，当然也给我们提供测量各个任务占用CPU时间的函数接口， 我们可以知道系统中的每个任务占用CPU的时间，从而得知系统设计的是否合理，出于性能方面的考虑， 有的时候，我们希望知道CPU的使用率为多少，进而判断此CPU的负载情况和对于当前运行环境是否能够“胜任工作”。 所以，在调试的时候很有必要得到当前系统的CPU利用率相关信息，但是在产品发布的时候，就可以把CPU利用率统计这个功能去掉， 因为使用任何功能的时候，都是需要消耗系统资源的，FreeRTOS 是使用一个外部的变量进行统计时间的， 并且消耗一个高精度的定时器，其用于定时的精度是系统时钟节拍的10-20倍，比如当前系统时钟节拍是1000HZ， 那么定时器的计数节拍就要是10000-20000HZ。而且FreeRTOS进行CPU利用率统计的时候，也有一定缺陷， 因为它没有对进行CPU利用率统计时间的变量做溢出保护，我们使用的是 32位变量来系统运行的时间计数值， 而按20000HZ的中断频率计算，每进入一中断就是50us，变量加一，最大支持计数时间：2^32 * 50us / 3600s =59.6 分钟， 运行时间超过了 59.6 分钟后统计的结果将不准确，除此之外整个系统一直响应定时器50us一次的中断会比较影响系统的性能。

用户想要使用CPU利用率统计的话，需要自定义配置一下，在STM32CubeIDE中使能以下三个选项

CPU利用率统计

通过上面的配置将会在FreeRTOSConfig.h文件中设置以下三个宏为1。

FreeRTOSConfig.h
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 #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS            1
 #define configUSE_TRACE_FACILITY                 1
 #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS     1

然后需要实现一个中断频率为20000HZ定时器，用于系统运行时间统计，其实配置如下

定时器设置

在定时器中断周期回调函数中只需将CPU_RunTime变量自加即可，这个变量是用于记录系统运行时间的， 其代码如下所示

bsp_basic_tim.c
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 volatile unsigned long CPU_RunTime = 0UL;

 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 {
     if(htim->Instance == TIM6 )
     {
         CPU_RunTime++;

     }
 }

使用CPU利用率还需要实现configureTimerForRunTimeStats与getRunTimeCounterValue函数，其函数内容相对简单。

bsp_basic_tim.c
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 void configureTimerForRunTimeStats(void)
 {
     CPU_RunTime = 0UL;
 }

 unsigned long getRunTimeCounterValue(void)
 {
     return CPU_RunTime;
 }

16.4. CPU利用率统计实验

CPU利用率实验是在FreeRTOS中创建了三个线程，其中两个线程是普通线程， 另一个线程用于获取CPU利用率与任务相关信息并通过串口打印出来。其线程配置如下所示

线程设置

本小节只讲解重点部分代码，完整代码请打开工程查看。

16.4.1. MX_FREERTOS_Init函数

MX_FREERTOS_Init函数由STM32CubeIDE生成，代码如下所示

app_freertos.c
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 void MX_FREERTOS_Init(void) {

     LED1TaskHandle = osThreadNew(LED1_Task, NULL, &LED1Task_attributes);
     LED2TaskHandle = osThreadNew(LED2_Task, NULL, &LED2Task_attributes);
     CPUTaskHandle = osThreadNew(CPU_Task, NULL, &CPUTask_attributes);

 }

16.4.2. LED1_Task线程

app_freertos.c
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 void LED1_Task(void *argument)
 {
     for(;;)
     {
         LED1_ON;
         osDelay(500);   /* 延时500个tick */
         printf("LED1_Task Running,LED1_ON\r\n");
         LED1_OFF;
         osDelay(500);   /* 延时500个tick */
         printf("LED1_Task Running,LED1_OFF\r\n");
     }
 }

16.4.3. LED2_Task线程

app_freertos.c
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 void LED2_Task(void *argument)
 {
     for(;;)
     {
         LED2_ON;
         osDelay(300);   /* 延时500个tick */
         printf("LED2_Task Running,LED1_ON\r\n");

         LED2_OFF;
         osDelay(300);   /* 延时500个tick */
         printf("LED2_Task Running,LED1_OFF\r\n");
     }
 }

16.4.4. CPU利用率相关线程

app_freertos.c
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 uint8_t CPU_RunInfo[400];           //保存任务运行时间信息

 void CPU_Task(void *argument)
 {
     //启动定时器
     HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);

     for(;;)
     {
         memset(CPU_RunInfo,0,400);                          //信息缓冲区清零
         vTaskList((char *)&CPU_RunInfo);  //获取任务运行时间信息
         printf("---------------------------------------------\r\n");
         printf("任务名    任务状态 优先级     剩余栈     任务序号\r\n");
         printf("%s", CPU_RunInfo);
         printf("---------------------------------------------\r\n");

         memset(CPU_RunInfo,0,400);                          //信息缓冲区清零
         vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
         printf("任务名         运行计数    使用率\r\n");
         printf("%s", CPU_RunInfo);
         printf("---------------------------------------------\r\n\n");
         osDelay(1000);   /* 延时500个tick */

     }
 }

16.4.5. main函数

app_freertos.c
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 int main(void)
 {
     HAL_Init();

     if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
     {
         SystemClock_Config();
     }

     MX_GPIO_Init();          //初始化GPIO
     MX_USART3_UART_Init(); //初始化串口
     MX_TIM6_Init();         //初始化定时器

     osKernelInitialize();  //初始化内核状态
     MX_FREERTOS_Init();      //创建任务
     osKernelStart();                //启动任务调度器，

     while (1)
     {

     }
 }

16.5. CPU利用率统计实验现象

当程序运行会在串口中不断打印

实验现象