17、CPU 使用率统计

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，那么可以认为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。

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）。

　　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。

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，具体见下面代码清单。

/********************************************************************
FreeRTOS 与运行时间和任务状态收集有关的配置选项
**********************************************************************/
//启用运行时间统计功能
#define configGENERATE_RUN_TIME_STATS    1
//启用可视化跟踪调试
#define configUSE_TRACE_FACILITY    1
/* 与宏 configUSE_TRACE_FACILITY 同时为 1 时会编译下面 3 个函数
 * prvWriteNameToBuffer()
 * vTaskList(),
 * vTaskGetRunTimeStats()
 */
#define configUSE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 1

extern volatile uint32_t CPU_RunTime;

#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() (CPU_RunTime = 0ul)
#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下面代码清单 。

/* 用于统计运行时间 */
volatile uint32_t CPU_RunTime = 0UL;

void BASIC_TIM_IRQHandler (void)
{
　　if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) 
　　{
　　　　CPU_RunTime++;
　　　　TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);
　　}
}

　　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，具体见下面代码清单。

memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零

vTaskList((char *)&CPU_RunInfo); //获取任务运行时间信息

printf("---------------------------------------------\r\n");
printf("任务名 任务状态 优先级 剩余栈 任务序号\r\n");
printf("%s", CPU_RunInfo);
printf("---------------------------------------------\r\n");

memset(CPU_RunInfo,0,400); //信息缓冲区清零

vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);

printf("任务名 运行计数 使用率\r\n");
printf("%s", CPU_RunInfo);
printf("---------------------------------------------\r\n\n");