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：
TA`{%P{P33M{K43(760U)70.png (63.88 KB, 下载次数: 7)
下载附件
保存到相册
2022-3-5 10:01 上传
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：
8CTMGLB)ZFZ[%[~8%INEM}N.png (96.62 KB, 下载次数: 23)
下载附件
保存到相册
2022-3-5 10:01 上传
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：
#define configUSE_PREEMPTION 1
#define configUSE_IDLE_HOOK 1 //修改此宏的值为 1
#define configUSE_TICK_HOOK 1 //修改此宏的值为 1
#define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock )
#define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 )
#define configMAX_PRIORITIES ( 8 )
#define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( uint16_t ) 128 )复制代码
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：
#define traceTASK_SWITCHED_IN() extern void StartIdleMonitor(void);
StartIdleMonitor()
#define traceTASK_SWITCHED_OUT() extern void EndIdleMonitor(void);
EndIdleMonitor()复制代码
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
//…复制代码
第五步： 修改工程属性，使编译过程不需要函数原型：
ZEKC[Q]QPCG~3`B[U4FHS5P.png (147.91 KB, 下载次数: 7)
下载附件
保存到相册
2022-3-5 10:01 上传
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 every 500 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);
}
}复制代码
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：
6DN{URB]Y3CT1UNS13]R{9B.png (19.85 KB, 下载次数: 17)
下载附件
保存到相册
2022-3-5 10:01 上传
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 to the idle task. */
xIdleHandle = xTaskGetCurrentTaskHandle(); //记录空闲任务的句柄
}
}复制代码
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;
}
}复制代码
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
}
}复制代码
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
}复制代码
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
通过此方法可以很好的用来评估 STM23 MCU 的运行性能。