25.1 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。

25.2 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。

25.3 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。

  1. //启用运行时间统计功能
  2. #define configGENERATE_RUN_TIME_STATS 1
  3. //启用可视化跟踪调试
  4. #define configUSE_TRACE_FACILITY 1
  6. /* 与宏 configUSE_TRACE_FACILITY 同时为 1 时会编译下面 3 个函数
  7. * prvWriteNameToBuffer()
  8. * vTaskList(),
  9. * vTaskGetRunTimeStats()
  10. */
  11. #define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1
  13. extern volatile uint32_t CPU_RunTime;
  14. #define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() (CPU_RunTime = 0ul)
  15. #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。

  1. volatile uint32_t CPU_RunTime = 0UL;
  3.  void BASIC_TIM_IRQHandler (void)
  4.  {
  5.      if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) {
  6.          CPU_RunTime++;
  7.          TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);
  8.      }
  9.  }

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。

  1. memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零
  3. vTaskList((char *)&CPU_RunInfo); //获取任务运行时间信息
  4. printf("---------------------------------------------\r\n");
  5. printf("任务名 任务状态 优先级 剩余栈 任务序号\r\n");
  6. printf("%s", CPU_RunInfo);
  7. printf("---------------------------------------------\r\n");
  9. memset(CPU_RunInfo,0,400);    //信息缓冲区清零
  10. vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
  11. printf("任务名 运行计数 使用率\r\n");
  12. printf("%s", CPU_RunInfo);
  13. printf("---------------------------------------------\r\n\n");

25.4 实验

  1. /*
  2. *************************************************************************
  3. *                             包含的头文件
  4. *************************************************************************
  5. */ 
  6. /* FreeRTOS头文件 */
  7. #include "FreeRTOS.h"
  8. #include "task.h"
  9. /* 开发板硬件bsp头文件 */
  10. #include "bsp_led.h"
  11. #include "bsp_usart.h"
  12. #include "bsp_TiMbase.h"
  13. #include "string.h"
  14. /**************************** 任务句柄 ********************************/
  15. /* 
  16.  * 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
  17.  * 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
  18.  * 这个句柄可以为NULL。
  19.  */
  20.  /* 创建任务句柄 */
  21. static TaskHandle_t AppTaskCreate_Handle = NULL;
  22. /* LED任务句柄 */
  23. static TaskHandle_t LED1_Task_Handle = NULL;
  24. static TaskHandle_t LED2_Task_Handle = NULL;
  25. static TaskHandle_t CPU_Task_Handle = NULL;
  26. /********************************** 内核对象句柄 *********************************/
  27. /*
  28.  * 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
  29.  * 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
  30.  * 们就可以通过这个句柄操作这些内核对象。
  31.  *
  32.  * 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，
  33.  * 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
  34.  * 来完成的
  35.  * 
  36.  */
  39. /******************************* 全局变量声明 ************************************/
  40. /*
  41.  * 当我们在写应用程序的时候，可能需要用到一些全局变量。
  42.  */
  45. /*
  46. *************************************************************************
  47. *                             函数声明
  48. *************************************************************************
  49. */
  50. static void AppTaskCreate(void);/* 用于创建任务 */
  52. static void LED1_Task(void* pvParameters);/* LED1_Task任务实现 */
  53. static void LED2_Task(void* pvParameters);/* LED2_Task任务实现 */
  54. static void CPU_Task(void* pvParameters);/* CPU_Task任务实现 */
  55. static void BSP_Init(void);/* 用于初始化板载相关资源 */
  57. /*****************************************************************
  58.   * @brief  主函数
  59.   * @param  无
  60.   * @retval 无
  61.   * @note   第一步：开发板硬件初始化 
  62.             第二步：创建APP应用任务
  63.             第三步：启动FreeRTOS，开始多任务调度
  64.   ****************************************************************/
  65. int main(void)
  66. {    
  67.   BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  69.   /* 开发板硬件初始化 */
  70.   BSP_Init();
  71.   printf("这是一个[野火]-STM32全系列开发板-FreeRTOS-CPU利用率统计实验!\r\n");
  72.    /* 创建AppTaskCreate任务 */
  73.   xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )AppTaskCreate,  /* 任务入口函数 */
  74.                         (const char*    )"AppTaskCreate",/* 任务名字 */
  75.                         (uint16_t       )512,  /* 任务栈大小 */
  76.                         (void*          )NULL,/* 任务入口函数参数 */
  77.                         (UBaseType_t    )1, /* 任务的优先级 */
  78.                         (TaskHandle_t*  )&AppTaskCreate_Handle);/* 任务控制块指针 */ 
  79.   /* 启动任务调度 */           
  80.   if(pdPASS == xReturn)
  81.     vTaskStartScheduler();   /* 启动任务，开启调度 */
  82.   else
  83.     return -1;  
  85.   while(1);   /* 正常不会执行到这里 */    
  86. }
  89. /***********************************************************************
  90.   * @ 函数名  ： AppTaskCreate
  91.   * @ 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
  92.   * @ 参数    ： 无  
  93.   * @ 返回值  ： 无
  94.   **********************************************************************/
  95. static void AppTaskCreate(void)
  96. {
  97.   BaseType_t xReturn = pdPASS;/* 定义一个创建信息返回值，默认为pdPASS */
  99.   taskENTER_CRITICAL();           //进入临界区
  101.   /* 创建LED_Task任务 */
  102.   xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED1_Task, /* 任务入口函数 */
  103.                         (const char*    )"LED1_Task",/* 任务名字 */
  104.                         (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
  105.                         (void*          )NULL,    /* 任务入口函数参数 */
  106.                         (UBaseType_t    )2,        /* 任务的优先级 */
  107.                         (TaskHandle_t*  )&LED1_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  108.   if(pdPASS == xReturn)
  109.     printf("创建LED1_Task任务成功!\r\n");
  111.   /* 创建LED_Task任务 */
  112.   xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )LED2_Task, /* 任务入口函数 */
  113.                         (const char*    )"LED2_Task",/* 任务名字 */
  114.                         (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
  115.                         (void*          )NULL,    /* 任务入口函数参数 */
  116.                         (UBaseType_t    )3,        /* 任务的优先级 */
  117.                         (TaskHandle_t*  )&LED2_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  118.   if(pdPASS == xReturn)
  119.     printf("创建LED2_Task任务成功!\r\n");
  121.   /* 创建LED_Task任务 */
  122.   xReturn = xTaskCreate((TaskFunction_t )CPU_Task, /* 任务入口函数 */
  123.                         (const char*    )"CPU_Task",/* 任务名字 */
  124.                         (uint16_t       )512,   /* 任务栈大小 */
  125.                         (void*          )NULL,    /* 任务入口函数参数 */
  126.                         (UBaseType_t    )4,        /* 任务的优先级 */
  127.                         (TaskHandle_t*  )&CPU_Task_Handle);/* 任务控制块指针 */
  128.   if(pdPASS == xReturn)
  129.     printf("创建CPU_Task任务成功!\r\n");
  131.   vTaskDelete(AppTaskCreate_Handle); //删除AppTaskCreate任务
  133.   taskEXIT_CRITICAL();            //退出临界区
  134. }
  138. /**********************************************************************
  139.   * @ 函数名  ： LED_Task
  140.   * @ 功能说明： LED_Task任务主体
  141.   * @ 参数    ：   
  142.   * @ 返回值  ： 无
  143.   ********************************************************************/
  144. static void LED1_Task(void* parameter)
  145. {    
  146.   while (1)
  147.   {
  148.     LED1_ON;
  149.     vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */
  150.     printf("LED1_Task Running,LED1_ON\r\n");
  151.     LED1_OFF;     
  152.     vTaskDelay(500);   /* 延时500个tick */                 
  153.     printf("LED1_Task Running,LED1_OFF\r\n");
  155.   }
  156. }
  158. static void LED2_Task(void* parameter)
  159. {    
  160.   while (1)
  161.   {
  162.     LED2_ON;
  163.     vTaskDelay(300);   /* 延时500个tick */
  164.     printf("LED2_Task Running,LED1_ON\r\n");
  166.     LED2_OFF;     
  167.     vTaskDelay(300);   /* 延时500个tick */                 
  168.     printf("LED2_Task Running,LED1_OFF\r\n");
  169.   }
  170. }
  172. static void CPU_Task(void* parameter)
  173. {    
  174.   uint8_t CPU_RunInfo[400];        //保存任务运行时间信息
  176.   while (1)
  177.   {
  178.     memset(CPU_RunInfo,0,400);                //信息缓冲区清零
  180.     vTaskList((char *)&CPU_RunInfo);  //获取任务运行时间信息
  182.     printf("---------------------------------------------\r\n");
  183.     printf("任务名      任务状态 优先级   剩余栈 任务序号\r\n");
  184.     printf("%s", CPU_RunInfo);
  185.     printf("---------------------------------------------\r\n");
  187.     memset(CPU_RunInfo,0,400);                //信息缓冲区清零
  189.     vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
  191.     printf("任务名       运行计数         使用率\r\n");
  192.     printf("%s", CPU_RunInfo);
  193.     printf("---------------------------------------------\r\n\n");
  194.     vTaskDelay(1000);   /* 延时500个tick */        
  195.   }
  196. }
  198. /***********************************************************************
  199.   * @ 函数名  ： BSP_Init
  200.   * @ 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
  201.   * @ 参数    ：   
  202.   * @ 返回值  ： 无
  203.   *********************************************************************/
  204. static void BSP_Init(void)
  205. {
  206.     /*
  207.      * 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
  208.      * 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，
  209.      * 都统一用这个优先级分组，千万不要再分组，切忌。
  210.      */
  211.     NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_4 );
  213.     /* LED 初始化 */
  214.     LED_GPIO_Config();
  216.     /* 串口初始化    */
  217.     USART_Config();
  219.   /* 基本定时器初始化    */
  220.     BASIC_TIM_Init();
  222. }
  224. /********************************END OF FILE****************************/