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23‑1加粗部分。
代码清单23‑1配置运行时间和任务状态收集关宏定义
1 /*
2 FreeRTOS与运行时间和任务状态收集有关的配置选项
3 /
4 //启用运行时间统计功能
5 #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1
6 //启用可视化跟踪调试
7 #define configUSE_TRACE_FACILITY 1
8 /* 与宏configUSE_TRACE_FACILITY同时为1时会编译下面3个函数
9 * prvWriteNameToBuffer()
10 * vTaskList(),
11 * vTaskGetRunTimeStats()
12 */
13 #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
14
15 extern volatileuint32_t CPU_RunTime;
16
17 #define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() (CPU_RunTime = 0ul)
18 #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23‑2加粗部分。
代码清单23‑2定时器中断服务函数
1 /* 用于统计运行时间 */
2 volatileuint32_t CPU_RunTime = 0UL;
3
4 void BASIC_TIM_IRQHandler (void)
5 {
6 if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) {
7 CPU_RunTime++;
8 TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);
9 }
10 }
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23‑3加粗部分。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23‑3获取任务信息与CPU使用率
1 memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零
2
3 vTaskList((char *)&CPU_RunInfo); //获取任务运行时间信息
4
5 printf(“———————————————rn”);
6 printf(“任务名任务状态优先级剩余栈任务序号rn”);
7 printf(“%s”, CPU_RunInfo);
8 printf(“———————————————rn”);
9
10 memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零
11
12 vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
13
14 printf(“任务名运行计数使用率rn”);
15 printf(“%s”, CPU_RunInfo);
16 printf(“———————————————rnn”);
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23‑4加粗部分。
代码清单23‑4CPU利用率统计实验
1 /**
2 \*
3 * @file main.c
4 * @author fire
5 * @version V1.0
6 * @date 2018-xx-xx
7 * @brief FreeRTOS v9.0.0 + STM32
8 \*
9 * @attention
10 *
11 * 实验平台:野火 STM32开发板
12 * 论坛 :http://www.firebbs.cn
13 * 淘宝 :https://fire-stm32.taobao.com
14 *
15 \*
16 */
17
18 /*
19 \*
20 * 包含的头文件
21 \*
22 */
23 /* FreeRTOS头文件 */
24 #include”FreeRTOS.h”
25 #include”task.h”
26 /* 开发板硬件bsp头文件 */
27 #include”bsp_led.h”
28 #include”bsp_usart.h”
29 #include”bsp_TiMbase.h”
30 #include”string.h”
31 /* 任务句柄 /
32 /*
33 *
34 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
35 *
36 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
37 * 这个句柄可以为NULL。
38 */
39 /* 创建任务句柄 */
40 static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
41 /* LED任务句柄 */
42 static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
43 static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;
44 static TaskHandle_t CPU_Task_Handle = NULL;
45 /* 内核对象句柄 /
46 /*
47 *
48 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
49 *
50 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
51 * 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
52 *
53 *
54 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
55
56 *
57 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
58 * 来完成的
59 *
60 */
61
62
63 /* 全局变量声明 /
64 /*
65 * 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
66 */
67
68
69 /*
70 \*
71 * 函数声明
72 \*
73 */
74 static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
75
76 static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
77 static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */
78 static void CPU_Task(void* pvParameters);/* CPU_Task任务实现 */
79 static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
80
81 /*
82 * @brief 主函数
83 * @param 无
84 * @retval 无
85 * @note 第一步：开发板硬件初始化
86 第二步：创建APP应用任务
87 第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
88 /
89 int main(void)
90 {
91 BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
92
93 /* 开发板硬件初始化 */
94 BSP_Init();
95 printf(“这是一个[野火]-STM32全系列开发板-FreeRTOS-CPU利用率统计实验!rn”);
96 /* 创建AppTaskCreate任务 */
97 xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,/* 任务入口函数 */
98 (const char* )”AppTaskCreate”,/* 任务名字 */
99 (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
100 (void* )NULL,/* 任务入口函数参数 */
101 (UBaseType_t )1, /* 任务的优先级 */
102 (TaskHandle_t* )&AppTaskCreate_Handle);
103 /* 启动任务调度 */
104 if (pdPASS == xReturn)
105 vTaskStartScheduler(); /* 启动任务，开启调度 */
106 else
107 return -1;
108
109 while (1); /* 正常不会执行到这里 */
110 }
111
112
113 /*
114 * @ 函数名： AppTaskCreate
115 * @ 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
116 * @ 参数：无
117 * @ 返回值：无
118 /
119 static void AppTaskCreate(void)
120 {
121 BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
122
123 taskENTER_CRITICAL(); //进入临界区
124
125 /* 创建LED_Task任务 */
126 xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, /* 任务入口函数 */
127 (const char* )”LED1_Task”,/* 任务名字 */
128 (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
129 (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
130 (UBaseType_t )2, /* 任务的优先级 */
131 (TaskHandle_t* )&LED1_Task_Handle);
132 if (pdPASS == xReturn)
133 printf(“创建LED1_Task任务成功!rn”);
134
135 /* 创建LED_Task任务 */
136 xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, /* 任务入口函数 */
137 (const char* )”LED2_Task”,/* 任务名字 */
138 (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
139 (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
140 (UBaseType_t )3, /* 任务的优先级 */
141 (TaskHandle_t* )&LED2_Task_Handle);
142 if (pdPASS == xReturn)
143 printf(“创建LED2_Task任务成功!rn”);
144
145 /* 创建LED_Task任务 */
146 xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )CPU_Task, /* 任务入口函数 */
147 (const char* )”CPU_Task”,/* 任务名字 */
148 (uint16_t )512, /* 任务栈大小 */
149 (void* )NULL, /* 任务入口函数参数 */
150 (UBaseType_t )4, /* 任务的优先级 */
151 (TaskHandle_t* )&CPU_Task_Handle);
152 if (pdPASS == xReturn)
153 printf(“创建CPU_Task任务成功!rn”);
154
155 vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
156
157 taskEXIT_CRITICAL(); //退出临界区
158 }
159
160
161
162 /*
163 * @ 函数名： LED_Task
164 * @ 功能说明： LED_Task任务主体
165 * @ 参数：
166 * @ 返回值：无
167 /
168 static void LED1_Task(void* parameter)
169 {
170 while (1) {
171 LED1_ON;
172 vTaskDelay(500); /* 延时500个tick */
173 printf(“LED1_Task Running,LED1_ONrn”);
174 LED1_OFF;
175 vTaskDelay(500); /* 延时500个tick */
176 printf(“LED1_Task Running,LED1_OFFrn”);
177
178 }
179 }
180
181 static void LED2_Task(void* parameter)
182 {
183 while (1) {
184 LED2_ON;
185 vTaskDelay(300); /* 延时500个tick */
186 printf(“LED2_Task Running,LED1_ONrn”);
187
188 LED2_OFF;
189 vTaskDelay(300); /* 延时500个tick */
190 printf(“LED2_Task Running,LED1_OFFrn”);
191 }
192 }
193
194 static void CPU_Task(void* parameter)
195 {
196 uint8_t CPU_RunInfo[400]; //保存任务运行时间信息
197
198 while (1) {
199 memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零
200
201 vTaskList((char *)&CPU_RunInfo); //获取任务运行时间信息
202
203 printf(“———————————————rn”);
204 printf(“任务名任务状态优先级剩余栈任务序号rn”);
205 printf(“%s”, CPU_RunInfo);
206 printf(“———————————————rn”);
207
208 memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零
209
210 vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
211
212 printf(“任务名运行计数使用率rn”);
213 printf(“%s”, CPU_RunInfo);
214 printf(“———————————————rnn”);
215 vTaskDelay(1000); /* 延时500个tick */
216 }
217 }
218
219 /*
220 * @ 函数名： BSP_Init
221 * @ 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
222 * @ 参数：
223 * @ 返回值：无
224 /
225 static void BSP_Init(void)
226 {
227 /*
228 * STM32中断优先级分组为4，即4bit都用来表示抢占优先级，范围为：0~15
229 * 优先级分组只需要分组一次即可，以后如果有其他的任务需要用到中断，
230 * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
231 */
232 NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
233
234 /* LED 初始化 */
235 LED_GPIO_Config();
236
237 /* 串口初始化 */
238 USART_Config();
239
240 /* 基本定时器初始化 */
241 BASIC_TIM_Init();
242
243 }
244
245 /END OF FILE/
14.5. CPU利用率统计实验现象¶
程序编译好，用USB线连接电脑和开发板的USB接口（对应丝印为USB转串口），用DAP仿真器把配套程序下载到野火STM32开发板（具体型号根据你买的板子而定，每个型号的板子都配套有对应的程序），在电脑上打开串口调试助手，然后复位开发板就可以在调试助手中看到串口的打印信息，具体见图23‑1。
图23‑1CPU利用率实验现象