嵌入式er：該知道如何計算CPU使用率（附代碼）

時間：2020-06-09 10:33:26

關鍵字： CPU 代碼嵌入式

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[導讀]這篇筆記有如下內容： 1、為什么需要計算各個線程的CPU使用率？ 2、該如何計算線程CPU使用率？ 3、FreeRTOS線程計算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計算方式的時間限制？ 4、關鍵代碼介紹。上次介紹了如何計算整個系統(tǒng)的CPU使用率：《單片機里面的CPU使用

這篇筆記有如下內容：

1、為什么需要計算各個線程的CPU使用率？

2、該如何計算線程CPU使用率？

3、FreeRTOS線程計算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計算方式的時間限制？

4、關鍵代碼介紹。

上次介紹了如何計算整個系統(tǒng)的CPU使用率：

《單片機里面的CPU使用率是什么鬼？》

《實操RT-Thread系統(tǒng)CPU利用率功能添加》

但是卻沒有介紹該如何計算每個線程（任務）的CPU使用率。

為什么要計算線程 CPU 使用率？

首先要問的是，為什么要計算線程的CPU使用率，有啥用？

我們知道系統(tǒng)的CPU使用率關注的是整個系統(tǒng)的使用情況，使用率越低，表示越能更及時的響應外部情況，整個系統(tǒng)的性能也會越好。

但這是從系統(tǒng)整體考量的，并不能反映單個線程的執(zhí)行情況。

比如雖然整體的CPU使用率是30%，但是有一個線程占據了25%的使用率，一個線程使用率是5%，那么你肯定會想，為啥這個線程需要占用這么高的CPU使用率，是不是代碼寫的有問題，是不是代碼可以優(yōu)化一下？

當系統(tǒng)運行時，如果你能實時觀察各個線程的CPU使用率，那么你就能知道平時這個線程的CPU使用情況是怎樣的，為什么后來又高那么多，那么你就可以由此分析出這個線程可能出現了問題，也就可以針對性的進行檢查了。

這點對于合作開發(fā)的項目更是明顯，很多時候因為有些線程的代碼不是自己寫的，所以根本不知道代碼執(zhí)行情況，一旦系統(tǒng)出現問題，那么可能就是互相甩鍋了。

而當計算了線程的CPU使用率，一旦發(fā)現某個線程執(zhí)行異常，那么就能交給負責的人去查看了。

所以說，使用操作系統(tǒng)的項目是非常有必要計算各個線程（任務）的CPU使用率的。

就好比你的電腦，風扇嗡嗡響（CPU高負荷運行），如果只有一個系統(tǒng)CPU使用率，發(fā)現高達90%，但是你卻根本不知道為什么這么高，所以只能重啟。

而一旦有了進程CPU使用率，查看一下哪個進程CPU使用率高，把對應的進程關閉就行了，根本不需要重啟電腦。

如何計算線程 CPU 使用率？

那么現在就來看看該如何計算各個線程的CPU使用率。

從前面的筆記，我們其實也可以猜測該如何計算，無非就是獲取每個線程的執(zhí)行時間罷了。

比如，1秒時間內，空閑任務執(zhí)行700毫秒，任務1執(zhí)行200毫秒，任務2執(zhí)行100毫秒，那么各個任務的CPU使用率分別是 70%、20%、10%。

以前計算系統(tǒng)的CPU使用率的時候，采用了軟件方法計算空閑任務的運行時間，這必然是不夠準確的，所以最好的方式是采用硬件計時。

因為魚鷹采用STM32F103進行測試，所以使用DWT外設進行精確計時，不過麻煩的是，在KEIL 軟件仿真情況下，DWT外設是無法工作的，所以如果要測試的話，必須使用硬件仿真的方式，不過如果真要KEIL軟件仿真的話，也不是沒有辦法，就是使用硬件定時器，這個按下不表。

畢竟，DWT外設的功能在這里說白了也就是個定時器而已。

既然要獲取線程的執(zhí)行時間，關鍵一點就是，我們要知道操作系統(tǒng)什么時候會切換到某一個線程運行，什么時候又會從這個線程切出，到另一個線程執(zhí)行呢？

這個關鍵還是在系統(tǒng)內置的鉤子函數。上次的筆記魚鷹介紹過空閑鉤子函數，今天介紹另一個鉤子，任務切換鉤子函數。

這個鉤子函數的特點就是，每當系統(tǒng)需要切換到下一個任務時，就會先執(zhí)行這個函數。這個函數一般有兩個參數，當前任務和即將切換的任務。

只要設置任務切換的鉤子函數，并且有時間戳，那么計算一個任務的執(zhí)行時間也就不那么困難了。

比如，操作系統(tǒng)在時刻12345 ms 切換到空閑任務執(zhí)行，突然一個任務就緒，開始準備執(zhí)行，所以在時刻12445切換到那個就緒任務執(zhí)行，那么空閑任務的執(zhí)行時間我們也就可以準確計算出來了。

12445 – 12345 = 100 ms

也就是說，這一次空閑任務執(zhí)行了 100 毫秒。

如果我們要計算單位時間（比如1秒內）空閑任務的執(zhí)行時間，我們只要在每次運行到空閑任務時累計時間即可。

比如1秒內，空閑任務執(zhí)行了 5 次，分別是 10、200、100、200、50，累計時間為

10 + 200 + 100 + 200 + 50 = 560毫秒

由此，可計算空閑任務的CPU使用率為 56%，從而可計算出系統(tǒng)的CPU使用率是44%。

是的，通過線程的CPU使用率方法，我們其實也可以計算整個系統(tǒng)的CPU使用率。而且這種計算方式比前面所說的計算方法更準確，更科學。

前面采用時間戳進行計算，但是時間戳是會溢出的，那個時候，你的時間計算還是準確的嗎？

FreeRTOS 線程計算限制？

現在魚鷹就來說說第三個問題，FreeRTOS線程計算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計算方式的時間限制？

從網上查找FreeRTOS任務CPU計算相關的資料，可以得到以下信息：

1、需要開一個定時器，這個定時器中斷頻率是操作系統(tǒng)時鐘的十幾倍（為了保證計算精度）。

2、一個64 位的變量在定時器自加更新，一旦變量溢出，時間計算就會出現問題。

（相關細節(jié)可查看安富萊教程）

第一個問題會導致系統(tǒng)性能下降（中斷頻率太高，一般是微秒級別的），而第二個問題導致在一段時間內（小時級別）線程CPU使用率計算準確，超出時間后，計算會有問題，所以教程中不建議在正式版本加入此功能。

第一個問題其實很好解決，就是使用硬件定時器，不再由CPU去更新時間，這樣不會占用CPU時間，第二個問題其實也非常好解決，就是通過《延時功能進化論(合集)》的方式解決溢出問題，這里不再展開說其中的奧妙。

任務切換鉤子函數的實現

總之，魚鷹接下來的實現方式解決了以上兩個痛點，即使無限執(zhí)行下去，也不會影響到計算精度問題，唯一對系統(tǒng)產生的一點影響，只有在任務切換時消耗的一點計算時間（微秒級別）。

那么先上任務切換鉤子函數關鍵實現代碼（RT-Thread）：

void thread_stats_scheduler_hook(struct rt_thread *from, struct rt_thread *to){ static uint32_t schedule_last_time;  uint32_t time;  time = get_curr_time();  from->user_data += (time - schedule_last_time); schedule_last_time = time;}

如何將這個函數注冊到操作系統(tǒng)中被系統(tǒng)調用呢？

通過這個函數即可：

那么現在來分析這個鉤子函數實現：

一個靜態(tài)變量，用于記錄切換時的時間戳。

每次任務開始切換時，更新這個時間戳，同時累積時間，這個時間保存在當前任務的user_data里面。

難理解？看下圖就清楚了。

假設系統(tǒng)調度是從任務1切換到任務2，即from為任務 1，to為任務 2，此時獲取的時間戳為 T1 。

上一次的時間戳我們已經通過靜態(tài)變量保留了，這里為T0，那么T1-T0就是from任務即任務 1在本次運行的時間，只要下次運行任務1時繼續(xù)不斷的累積這個時間，那么就可以得到任務1的總運行時間。

任務2同理。

當然我們不可能一直累積下去，不然肯定會溢出，所以隔一段時間就需要清零，這個時間其實就是線程 CPU 計算的周期。

這里還有一個函數沒有說，就是 get_curr_time()，在這里使用DWT，為了可以重新實現該函數，魚鷹使用了弱屬性 weak（關于這個看參考：《困惑多年，為什么 printf 可以重定向？》）。

__weakuint32_t get_curr_time() { return DWT->CYCCNT; // don't use the function rt_tick_get()}

這里可以看到有個注釋，不要使用 rt_tick_get 函數，為啥？

精度太低，有些任務本來執(zhí)行了的，但是因為執(zhí)行時間小于操作系統(tǒng)的時鐘（比如1毫秒），那么就無法累積時間了，那么即使這個任務運行再多，時間累積也為 0，這肯定是我們不希望看到的。

然后再說一個點，為了簡化代碼（鉤子函數代碼只有短短幾行），魚鷹這樣的實現是有兩個問題的。

1、首次運行計算有誤，因為靜態(tài)變量應該在運行任務之前就初始化的（不應該初始化為 0），而鉤子函數是在任務運行之后才調用的，所以從開機以來的時間被累加到第一個運行任務中了，這肯定是有問題的，不過后面隨著系統(tǒng)的運行，靜態(tài)變量被持續(xù)更新，就不會再出現這個問題了。

2、為了減少修改，魚鷹把線程的use_data當成一個變量使用了，實際上這個變量的功能應該是存儲線程私有變量地址的，但是因為魚鷹懶得修改太多代碼，所以直接拿來用了。正因為如此，所以魚鷹添加線程CPU計算時，只要修改很少的代碼就可以了。

線程 CPU 的計算

目前我們已經能夠通過鉤子函數獲取各個線程的CPU執(zhí)行時間，現在就看該如何計算了。

為了計算各個線程的CPU使用率，我們需要確定計算周期，這里我們可以設置1秒計算一次。

其次，我們需要確定在哪個任務執(zhí)行計算。

原理上來說，可以是系統(tǒng)中的任何一個任務，但是為了減少對系統(tǒng)的干擾，可以將計算工作放到優(yōu)先級比較低的任務中進行，比如空閑任務。

現在，看看函數是如何實現的：

// can call the function 1 s (max 60s when stm32f1xx because of dwt)void thread_cal_usage(thread_run_info_def *run_info){ static uint32_t total_time_last;   uint32_t time, total_time; struct rt_list_node *node; struct rt_list_node *list; struct rt_thread *thread; uint32_t i;  rt_enter_critical(); // 關閉系統(tǒng)調度，防止在計算過程中更新線程時間，影響計算  time = get_curr_time(); // 獲取當前時間戳 total_time = time - total_time_last; // 計算運行總時間 total_time_last = time; // 更新時間  list = &(rt_object_get_information(RT_Object_Class_Thread)->object_list); // 獲取線程列表指針 // 搜索類別 for(i = 0, node = list->next; (node != list) && i < THREAD_NBR_MAX; node = node->next, i++){ thread = rt_list_entry(node, struct rt_thread, list); // 獲取線程地址 run_info[i].name = thread->name; // 保存線程名 run_info[i].time = thread->user_data; // 保存線程執(zhí)行時間 thread->user_data = 0; // 清除線程執(zhí)行時間 }  rt_exit_critical();// 開啟系統(tǒng)調度  // 計算各個線程的 CPU 使用率 total_time /= 100;  if(total_time > 0){ for(uint32_t j = i, i = 0; i < j; i++) { run_info[i].usage = run_info[i].time / total_time; } }}

注釋已經很詳盡了，所以不多做討論。主要說以下幾點：

1、為什么需要關閉調度器，可以使用關中斷嗎？

關調度器是為了防止在獲取各個線程執(zhí)行時間時，因為系統(tǒng)調度而導致執(zhí)行時間被更新，從而導致計算有誤，所以需要關閉調度器。

那么為什么不使用關中斷的方式呢？沒有必要。一旦關中斷，那么中斷就無法響應了，所以在可以關調度器的情況下滿足要求，就不應該關中斷。

2、為什么分兩步計算，為什么不將最終的計算放在第一個循環(huán)中執(zhí)行呢？

節(jié)省時間，為了盡量減少關調度器的時間，能省一點是一點。畢竟只要能獲取到關鍵信息，啥時候計算都一樣。

3、因為線程CPU計算周期是自動計算的，所以，計算周期其實就是該函數的調用周期，即2秒調用一次，那么線程CPU計算周期就是2秒，但是需要注意的是，調用周期必須小于定時器的溢出時間，即當你使用 DWT 時，調用周期應該在 60 秒以下（72 M 系統(tǒng)時鐘），否則計算是有問題的。

現在我們已經算是完成了線程CPU計算問題，但為了使用方便，我們需要把它打印出來，或者把這些信息字符串化：

void thread_stats_print(void){ thread_run_info_def run_info[THREAD_NBR_MAX] = {0}; thread_run_info_def *p_info;
 thread_cal_usage(run_info);  rt_kprintf("thread\t\t\ttime\t usage\n"); for(uint32_t i = 0; i < THREAD_NBR_MAX; i++) { p_info = &run_info[i];  if(p_info->name != NULL) { if(p_info->usage > 0) // CPU 使用率大于 1 % {                    rt_kprintf("%-16s\t%u\t%2u%%\n",                          p_info->name,                          (uint32_t)p_info->time,                          (uint32_t)p_info->usage); } else  { rt_kprintf("%-16s\t%u\t<1%%\n", p_info->name,  (uint32_t)p_info->time,  (uint32_t)p_info->usage); } } else { break; } }}

這里將線程名、線程執(zhí)行時間、線程使用率都打印出來了，但是需要注意的是，這里的time 時間單位是定時器的單位，而不是微秒、毫秒，比如如果使用 DWT，那么單位就是 1/72 微秒，即如果 time 值為 1000，那么換算到微秒，應該是 1000/72 秒，當然了，你也可以在打印的同時就把時間換算一下，這個自由發(fā)揮就好。

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