14. CPU使用率统计¶
14.1. 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。
14.2. 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。
14.3. 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。
用户想要使用使用CPU利用率统计的话，需要自定义配置一下，首先在FreeRTOSConfig.h配置与系统运行时间和任务状态收集有关的配置选项，并且实现portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS()与portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE()这 两个宏定义，具体见 代码清单25_1 高亮部分。
代码清单‑1配置运行时间和任务状态收集关宏定义¶
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 | /********************************************************************
FreeRTOS与运行时间和任务状态收集有关的配置选项
**********************************************************************/
//启用运行时间统计功能
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1
//启用可视化跟踪调试
#define configUSE_TRACE_FACILITY 1
/* 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数
* prvWriteNameToBuffer()
* vTaskList(),
* vTaskGetRunTimeStats()
*/
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
extern volatileuint32_t CPU_RunTime;
#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() (CPU_RunTime = 0ul)
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE() CPU_RunTime
|
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，其实很简单，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，中断服务函数具体见 代码清单25_2_ 高亮部分。
代码清单‑2定时器中断服务函数¶
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | /* 用于统计运行时间 */
volatileuint32_t CPU_RunTime = 0UL;
void BASIC_TIM_IRQHandler (void)
{
if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) {
CPU_RunTime++;
TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);
}
}
|
然后我们就可以在任务中调用vTaskGetRunTimeStats()和vTaskList()函数获得任务的相关信息与CPU使用率的相关信息，然后打印出来即可，具体见 代码清单25_3 高亮部分。关于vTaskGetRunTimeStats()和vTaskList()函数的具体实现过程就不讲解了，有兴趣 可以看看源码。
代码清单‑3获取任务信息与CPU使用率¶
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 | 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");
|
14.4. CPU利用率统计实验¶
CPU利用率实验是是在FreeRTOS中创建了三个任务，其中两个任务是普通任务，另一个任务用于获取CPU利用率与任务相关信息并通过串口打印出来。具体见 代码清单25_4 高亮部分。
代码清单‑4CPU利用率统计实验¶
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 | /**
******************************************************************
* @file main.c
* @author fire
* @version V1.0
* @date 2018-xx-xx
* @brief CPU利用率统计
******************************************************************
* @attention
*
* 实验平台:野火 i.MXRT1052开发板
* 论坛 :http://www.firebbs.cn
* 淘宝 :http://firestm32.taobao.com
*
******************************************************************
*/
#include"fsl_debug_console.h"
#include"board.h"
#include"pin_mux.h"
#include"clock_config.h"
#include"./led/bsp_led.h"
#include"./key/bsp_key.h"
#include"./pit/bsp_pit.h"
/* FreeRTOS头文件 */
#include"FreeRTOS.h"
#include"task.h"
#include"event_groups.h"
/**************************** 任务句柄 ********************************/
/*
* 任务句柄是一个指针，用于指向一个任务，当任务创建好之后，它就具有了一个任务句柄
* 以后我们要想操作这个任务都需要通过这个任务句柄，如果是自身的任务操作自己，那么
* 这个句柄可以为NULL。
*/
/* 创建任务句柄 */
static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
/* LED任务句柄 */
static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;
static TaskHandle_t CPU_Task_Handle = NULL;
/************************** 内核对象句柄 *********************************/
/*
* 信号量，消息队列，事件标志组，软件定时器这些都属于内核的对象，要想使用这些内核
* 对象，必须先创建，创建成功之后会返回一个相应的句柄。实际上就是一个指针，后续我
* 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
*
* 内核对象说白了就是一种全局的数据结构，通过这些数据结构我们可以实现任务间的通信，
* 任务间的事件同步等各种功能。至于这些功能的实现我们是通过调用这些内核对象的函数
* 来完成的
*
*/
/************************* 全局变量声明 *********************************/
/*
* 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
*/
/*
*************************************************************************
* 函数声明
*************************************************************************
*/
static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */
static void CPU_Task(void* pvParameters);/* CPU_Task任务实现 */
static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
/*****************************************************************
* @brief 主函数
* @param 无
* @retval 无
* @note 第一步：开发板硬件初始化
第二步：创建APP应用任务
第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
****************************************************************/
int main(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
/* 开发板硬件初始化 */
BSP_Init();
PRINTF("这是一个[野火]-全系列开发板-FreeRTOS-CPU利用率统计实验!\r\n");
/* 创建AppTaskCreate任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate, /* 任务入口函数
(const char* )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针
/* 启动任务调度 */
if (pdPASS == xReturn)
vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
else
return -1;
while (1); /* 正常不会执行到这里 */
}
/***********************************************************************
* @ 函数名： AppTaskCreate
* @ 功能说明：为了方便管理，所有的任务创建函数都放在这个函数里面
* @ 参数：无
* @ 返回值：无
*******************************************************************/
static void AppTaskCreate(void)
{
BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
/* 创建LED_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"LED1_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&LED1_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if (pdPASS == xReturn)
PRINTF("创建LED1_Task任务成功!\r\n");
/* 创建LED_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"LED2_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )3, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&LED2_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if (pdPASS == xReturn)
PRINTF("创建LED2_Task任务成功!\r\n");
/* 创建LED_Task任务 */
xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )CPU_Task, /* 任务入口函数 */
(const char* )"CPU_Task",/* 任务名字 */
(uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
(void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
(UBaseType_t )4, /* 任务的优先级 */
(TaskHandle_t* )&CPU_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
if (pdPASS == xReturn)
PRINTF("创建CPU_Task任务成功!\r\n");
vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
}
/**********************************************************************
* @ 函数名： LED_Task
* @ 功能说明： LED_Task任务主体
* @ 参数：
* @ 返回值：无
********************************************************************/
static void LED1_Task(void* parameter)
{
while (1) {
LED1_ON;
vTaskDelay(500); /* 延时500个tick */
PRINTF("LED1_Task Running,LED1_ON\r\n");
LED1_OFF;
vTaskDelay(500); /* 延时500个tick */
PRINTF("LED1_Task Running,LED1_OFF\r\n");
}
}
static void LED2_Task(void* parameter)
{
while (1) {
LED2_ON;
vTaskDelay(300); /* 延时500个tick */
PRINTF("LED2_Task Running,LED1_ON\r\n");
LED2_OFF;
vTaskDelay(300); /* 延时500个tick */
PRINTF("LED2_Task Running,LED1_OFF\r\n");
}
}
static void CPU_Task(void* parameter)
{
uint8_t CPU_RunInfo[400]; //保存任务运行时间信息
while (1) {
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");
vTaskDelay(1000); /* 延时500个tick */
}
}
/***********************************************************************
* @ 函数名： BSP_Init
* @ 功能说明：板级外设初始化，所有板子上的初始化均可放在这个函数里面
* @ 参数：
* @ 返回值：无
*********************************************************************/
static void BSP_Init(void)
{
/* 初始化内存保护单元 */
BOARD_ConfigMPU();
/* 初始化开发板引脚 */
BOARD_InitPins();
/* 初始化开发板时钟 */
BOARD_BootClockRUN();
/* 初始化调试串口 */
BOARD_InitDebugConsole();
/*RT1052不支持无子优先级的中断分组，按照port.c的770行代码相关的注释，
调用NVIC_SetPriorityGrouping(0)设置中断优先级分组*/
NVIC_SetPriorityGrouping(0);
/* 打印系统时钟 */
PRINTF("\r\n");
PRINTF("*****欢迎使用野火i.MX RT1052 开发板*****\r\n");
PRINTF("CPU: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_CpuClk));
PRINTF("AHB: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_AhbClk));
PRINTF("SEMC: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SemcClk));
PRINTF("SYSPLL: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SysPllClk));
PRINTF("SYSPLLPFD0: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SysPllPfd0Clk));
PRINTF("SYSPLLPFD1: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SysPllPfd1Clk));
PRINTF("SYSPLLPFD2: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SysPllPfd2Clk));
PRINTF("SYSPLLPFD3: %d Hz\r\n", CLOCK_GetFreq(kCLOCK_SysPllPfd3Clk));
/* 初始化SysTick */
SysTick_Config(SystemCoreClock / configTICK_RATE_HZ);
/* 硬件BSP初始化统统放在这里，比如LED，串口，LCD等 */
/* LED 端口初始化 */
LED_GPIO_Config();
/* KEY 端口初始化 */
Key_GPIO_Config();
/*初始化PIT定时器*/
PIT_TIMER_Init();
/*开启定时器*/
PIT_StartTimer(PIT, PIT_CHANNEL_X);
}
/****************************END OF FILE**********************/
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