一種基于FreeRTOS的CPU使用率測算方法及原理介紹
1、前言
出于性能方面的考慮，有的時候，我們希望知道CPU的使用率為多少，進而判斷此CPU的負載情況和對于當前運行環境是否足夠“勝任”。本文將介紹一種計算CPU占有率的方法以及其實現原理。
2、移植算法
2.1 算法簡介
此算法是基于操作系統的，理論上不限于任何操作系統，只要有任務調度就可以。本文將以FreeRTOST為例來介紹本算法的使用方法。
本文所介紹的算法出處為隨Cube庫一起提供的，它在cube庫中的位置如下圖所示：
本文將以STM32F4為例，測試環境為STM3240G-EVAL評估板。
2.2 、開始移植
本文以CubeF4內的示例代碼工程STM32Cube_FW_F4_V1.10.0\Projects\STM324xG_EVAL\Applications\FreeRTOS\FreeRTOS_ThreadCreation為例，IDE使用IAR。
第一步：
使用IAR打開FreeRTOS_ThreadCreation工程，將cpu_utils.c文件添加到工程，并在工程中添加對應頭文件目錄：
第二步：打開FreeRTOST的配置頭文件FreeRTOSConfig.h修改宏configUSE_IDLE_HOOK和configUSE_TICK_HOOK的值為1：
#defineconfigUSE_PREEMPTION 1
#defineconfigUSE_IDLE_HOOK 1 //修改此宏的值為1
#defineconfigUSE_TICK_HOOK 1 //修改此宏的值為1
#defineconfigCPU_CLOCK_HZ (SystemCoreClock )
#defineconfigTICK_RATE_HZ ( (TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES ( 8 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE (( uint16_t ) 128 )
第三步：繼續在FreeRTOSConfig.h頭文件的末尾處添加traceTASK_SWITCHED_IN與traceTASK_SWITCHED_OUT定義：
#definetraceTASK_SWITCHED_IN() extern voidStartIdleMonitor(void); \
StartIdleMonitor()
#define traceTASK_SWITCHED_OUT() extern voidEndIdleMonitor(void); \
EndIdleMonitor()
第四步：在main.h頭文件中include“”cmsis_os.h“”
Main.h :
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm324xg_eval.h"
#include "cmsis_os.h" //添加包含此頭文件
//…
第五步：修改工程屬性，使編譯過程不需要函數原型：
第六步：在工程中任何用戶代碼處都可以調用osGetCPUUsage()函數來獲取當前CPU的使用率：
static void LED_Thread2(void const *argument)
{
uint32_t count;
uint16_t usage =0;
(void) argument;
for(;;)
{
count =osKernelSysTick() + 10000;
/* Toggle LED2 every500 ms for 10 s */
while (count >=osKernelSysTick())
{
BSP_LED_Toggle(LED2);
osDelay(500);
}
usage =osGetCPUUsage(); //獲取當前CPU的使用率
/* Turn off LED2 */
BSP_LED_Off(LED2);
/* Resume Thread 1 */
osThreadResume(LEDThread1Handle);
/* Suspend Thread 2 */
osThreadSuspend(NULL);
}
}
第七步：編譯并運行測試
在調試狀態下使用Live Watch窗口監控全部變量osCPU_Usage的值：
osCPU_Usage是在cpu_utils.c文件中定義的全局變量，表示當前CPU的使用率，是個動態值，由上圖可以，CPU使用率的動態值為20%。實際在代碼中是按第六步中調用osGetCPUUsage()函數來獲取當前CPU的使用率的。
至此，算法使用方法介紹完畢。
3 、算法實現原理分析
操作系統運行時是不斷在不同的任務間進行切換，而驅動這一調度過程是通過系統tick來驅動的，即每產生一次系統tick則檢查一下當前正在運行的任務的環境判斷是否需要切換任務，即調度，如果需要，則觸發PendSV，通過在PendSV中斷調用vTaskSwitchContext()函數來實現任務的調度。而本文所要講述的CPU使用率算法是通過在一定時間內（1000個時間片內），計算空閑任務所占用的時間片總量，100減去空閑任務所占百分比則為工作任務所占百分比，即CPU使用率。
void vApplicationIdleHook(void)
{
if( xIdleHandle == NULL )
{
/* Store the handle tothe idle task. */
xIdleHandle =xTaskGetCurrentTaskHandle(); //記錄空閑任務的句柄
}
}
此函數為空閑任務鉤子函數，每次當切換到空閑任務時就會運行此鉤子函數，它的作用就是記錄當前空閑任務的句柄并保存到全局變量xIdleHandle。
void vApplicationTickHook (void)
{
static int tick = 0;
if(tick ++ >CALCULATION_PERIOD) //每1000個tick,刷新一次CPU使用率
{
tick = 0;
if(osCPU_TotalIdleTime> 1000)
{
osCPU_TotalIdleTime =1000;
}
osCPU_Usage = (100 -(osCPU_TotalIdleTime * 100) / CALCULATION_PERIOD); //這行代碼就是CPU使用率的具體計算方法了
osCPU_TotalIdleTime =0;
}
}
此函數為操作系統的tick鉤子函數，即每次產生系統tick中斷都會進入到此鉤子函數。此鉤子函數實際上就是具體計算CPU使用率的算法了。osCPU_TotalIdleTime是一個全局變量，表示在1000個tick時間內空閑任務總共占用的時間片，CALCULATION_PERIOD宏的值為1000，即每1000個tick時間內重新計算一次CPU的使用率。
下面兩個函數就是如何計算osCPU_TotalIdleTime的：
void StartIdleMonitor(void)
{
if( xTaskGetCurrentTaskHandle() ==xIdleHandle ) //如果是切入到空閑任務
{
osCPU_IdleStartTime =xTaskGetTickCountFromISR();//記錄切入到空閑任務的時間點
}
}
void EndIdleMonitor(void)
{
if( xTaskGetCurrentTaskHandle() ==xIdleHandle ) //如果是從空閑任務切出
{
/* Store the handle to the idle task. */
osCPU_IdleSpentTime =xTaskGetTickCountFromISR() - osCPU_IdleStartTime; //計算此次空閑任務花費多長時間
osCPU_TotalIdleTime += osCPU_IdleSpentTime;//空閑任務所占時間進行累加
}
}
這兩個函數是調度器鉤子函數，在調度器進行任務切進和切出時分別回調，StartIdleMonitor()函數記錄切換到空閑任務時的時間點，EndIdleMonitor()則在推出空閑任務時計算此次空閑任務花費多長時間，并累加到osCPU_TotalIdleTime，即空閑任務總共占用的時間片。
uint16_t osGetCPUUsage(void)
{
return (uint16_t)osCPU_Usage; //直接返回全局變量osCPU_Usage，即CPU使用率
}
全局變量osCPU_Usage保存的就是CPU的使用率，它是在操作系統的tick鉤子函數中每隔1000個tick就被重新計算一次。
4 結論
通過此方法可以用來評估STM23 MCU的運行性能。
更多內容請移步：
STM32單片機中文官網
意法半導體/ST/STM
編輯：admin 最后修改時間：2019-06-21
