一种基于FreeRTOS的CPU使用率测算方法及原理介绍

1、前言
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足够“胜任”。本文将介绍一种计算CPU占有率的方法以及其实现原理。

2、移植算法
2.1 算法简介
此算法是基于操作系统的，理论上不限于任何操作系统，只要有任务调度就可以。本文将以FreeRTOST为例来介绍本算法的使用方法。

本文所介绍的算法出处为随Cube库一起提供的，它在cube库中的位置如下图所示：

本文将以STM32F4为例，测试环境为STM3240G-EVAL评估板。

2.2 、开始移植
本文以CubeF4内的示例代码工程STM32Cube_FW_F4_V1.10.0\Projects\STM324xG_EVAL\Applications\FreeRTOS\FreeRTOS_ThreadCreation为例，IDE使用IAR。

第一步：
使用IAR打开FreeRTOS_ThreadCreation工程，将cpu_utils.c文件添加到工程，并在工程中添加对应头文件目录：

第二步：打开FreeRTOST的配置头文件FreeRTOSConfig.h修改宏configUSE_IDLE_HOOK和configUSE_TICK_HOOK的值为1：

#defineconfigUSE_PREEMPTION                   1
#defineconfigUSE_IDLE_HOOK                    1            //修改此宏的值为1
#defineconfigUSE_TICK_HOOK                    1            //修改此宏的值为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：继续在FreeRTOSConfig.h头文件的末尾处添加traceTASK_SWITCHED_IN与traceTASK_SWITCHED_OUT定义：

#definetraceTASK_SWITCHED_IN()  extern voidStartIdleMonitor(void); \
                                 StartIdleMonitor()
#define traceTASK_SWITCHED_OUT() extern voidEndIdleMonitor(void); \
                                EndIdleMonitor()

第四步：在main.h头文件中include“”cmsis_os.h“”
Main.h :

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm324xg_eval.h"
#include "cmsis_os.h"                   //添加包含此头文件
//…

第五步：修改工程属性，使编译过程不需要函数原型：

第六步：在工程中任何用户代码处都可以调用osGetCPUUsage()函数来获取当前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();                    //获取当前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：编译并运行测试
在调试状态下使用Live Watch窗口监控全部变量osCPU_Usage的值：

osCPU_Usage是在cpu_utils.c文件中定义的全局变量，表示当前CPU的使用率，是个动态值，由上图可以，CPU使用率的动态值为20%。实际在代码中是按第六步中调用osGetCPUUsage()函数来获取当前CPU的使用率的。

至此，算法使用方法介绍完毕。

3 、算法实现原理分析
操作系统运行时是不断在不同的任务间进行切换，而驱动这一调度过程是通过系统tick来驱动的，即每产生一次系统tick则检查一下当前正在运行的任务的环境判断是否需要切换任务，即调度，如果需要，则触发PendSV，通过在PendSV中断调用vTaskSwitchContext()函数来实现任务的调度。而本文所要讲述的CPU使用率算法是通过在一定时间内（1000个时间片内），计算空闲任务所占用的时间片总量，100减去空闲任务所占百分比则为工作任务所占百分比，即CPU使用率。
void vApplicationIdleHook(void)
{
  if( xIdleHandle == NULL )
  {
    /* Store the handle tothe idle task. */
    xIdleHandle =xTaskGetCurrentTaskHandle(); //记录空闲任务的句柄
  }
}
此函数为空闲任务钩子函数，每次当切换到空闲任务时就会运行此钩子函数，它的作用就是记录当前空闲任务的句柄并保存到全局变量xIdleHandle。
void vApplicationTickHook (void)
{
  static int tick = 0;

  if(tick ++ >CALCULATION_PERIOD)  //每1000个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); //这行代码就是CPU使用率的具体计算方法了
    osCPU_TotalIdleTime =0;
  }
}
此函数为操作系统的tick钩子函数，即每次产生系统tick中断都会进入到此钩子函数。此钩子函数实际上就是具体计算CPU使用率的算法了。osCPU_TotalIdleTime是一个全局变量，表示在1000个tick时间内空闲任务总共占用的时间片，CALCULATION_PERIOD宏的值为1000，即每1000个tick时间内重新计算一次CPU的使用率。

下面两个函数就是如何计算osCPU_TotalIdleTime的：
void StartIdleMonitor(void)
{
  if( xTaskGetCurrentTaskHandle() ==xIdleHandle ) //如果是切入到空闲任务
  {
    osCPU_IdleStartTime =xTaskGetTickCountFromISR();//记录切入到空闲任务的时间点
  }
}

void EndIdleMonitor(void)
{
  if( xTaskGetCurrentTaskHandle() ==xIdleHandle ) //如果是从空闲任务切出
  {
    /* Store the handle to the idle task. */
    osCPU_IdleSpentTime =xTaskGetTickCountFromISR() - osCPU_IdleStartTime; //计算此次空闲任务花费多长时间
    osCPU_TotalIdleTime += osCPU_IdleSpentTime;//空闲任务所占时间进行累加
  }
}
这两个函数是调度器钩子函数，在调度器进行任务切进和切出时分别回调，StartIdleMonitor()函数记录切换到空闲任务时的时间点，EndIdleMonitor()则在推出空闲任务时计算此次空闲任务花费多长时间，并累加到osCPU_TotalIdleTime，即空闲任务总共占用的时间片。
uint16_t osGetCPUUsage(void)
{
  return (uint16_t)osCPU_Usage;         //直接返回全局变量osCPU_Usage，即CPU使用率
}
全局变量osCPU_Usage保存的就是CPU的使用率，它是在操作系统的tick钩子函数中每隔1000个tick就被重新计算一次。


4 结论
通过此方法可以用来评估STM23 MCU的运行性能。