一種基于FreeRTOS的CPU使用率測算方法及原理介紹 - 全文

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(huán)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(xiàn)原理。

2、移植算法
2.1 算法簡介
此算法是基于操作系統(tǒng)的，理論上不限于任何操作系統(tǒng)，只要有任務(wù)調(diào)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(huán)境為STM3240G-EVAL評估板。

2.2 、開始移植
本文以CubeF4內(nèi)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(yīng)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(xù)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(shù)原型：

第六步：在工程中任何用戶代碼處都可以調(diào)用osGetCPUUsage()函數(shù)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(diào)試狀態(tài)下使用Live Watch窗口監(jiān)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(tài)值，由上圖可以，CPU使用率的動態(tài)值為20%。實際在代碼中是按第六步中調(diào)用osGetCPUUsage()函數(shù)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(xiàn)原理分析
操作系統(tǒng)運行時是不斷在不同的任務(wù)間進行切換，而驅(qū)動這一調(diào)度過程是通過系統(tǒng)tick來驅(qū)動的，即每產(chǎn)生一次系統(tǒng)tick則檢查一下當前正在運行的任務(wù)的環(huán)境判斷是否需要切換任務(wù)，即調(diào)度，如果需要，則觸發(fā)PendSV，通過在PendSV中斷調(diào)用vTaskSwitchContext()函數(shù)來實現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度。而本文所要講述的CPU使用率算法是通過在一定時間內(nèi)（1000個時間片內(nèi)），計算空閑任務(wù)所占用的時間片總量，100減去空閑任務(wù)所占百分比則為工作任務(wù)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(wù)的句柄
  }
}
此函數(shù)為空閑任務(wù)鉤子函數(shù)，每次當切換到空閑任務(wù)時就會運行此鉤子函數(shù)，它的作用就是記錄當前空閑任務(wù)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(shù)為操作系統(tǒng)的tick鉤子函數(shù)，即每次產(chǎn)生系統(tǒng)tick中斷都會進入到此鉤子函數(shù)。此鉤子函數(shù)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(nèi)空閑任務(wù)總共占用的時間片，CALCULATION_PERIOD宏的值為1000，即每1000個tick時間內(nèi)重新計算一次CPU的使用率。

下面兩個函數(shù)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(wù)
  {
    osCPU_IdleStartTime =xTaskGetTickCountFromISR();//記錄切入到空閑任務(wù)的時間點
  }
}

void EndIdleMonitor(void)
{
  if( xTaskGetCurrentTaskHandle() ==xIdleHandle ) //如果是從空閑任務(wù)切出
  {
    /* Store the handle to the idle task. */
    osCPU_IdleSpentTime =xTaskGetTickCountFromISR() - osCPU_IdleStartTime; //計算此次空閑任務(wù)花費多長時間
    osCPU_TotalIdleTime += osCPU_IdleSpentTime;//空閑任務(wù)所占時間進行累加
  }
}
這兩個函數(shù)是調(diào)度器鉤子函數(shù)，在調(diào)度器進行任務(wù)切進和切出時分別回調(diào)，StartIdleMonitor()函數(shù)記錄切換到空閑任務(wù)時的時間點，EndIdleMonitor()則在推出空閑任務(wù)時計算此次空閑任務(wù)花費多長時間，并累加到osCPU_TotalIdleTime，即空閑任務(wù)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(tǒng)的tick鉤子函數(shù)中每隔1000個tick就被重新計算一次。


4 結(jié)論
通過此方法可以用來評估STM23 MCU的運行性能。