嵌入式er：該知道如何計(jì)算CPU使用率（附代碼）

時(shí)間：2020-06-09 10:33:26

關(guān)鍵字： CPU 代碼嵌入式

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[導(dǎo)讀]這篇筆記有如下內(nèi)容： 1、為什么需要計(jì)算各個(gè)線程的CPU使用率？ 2、該如何計(jì)算線程CPU使用率？ 3、FreeRTOS線程計(jì)算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計(jì)算方式的時(shí)間限制？ 4、關(guān)鍵代碼介紹。上次介紹了如何計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的CPU使用率：《單片機(jī)里面的CPU使用

這篇筆記有如下內(nèi)容：

1、為什么需要計(jì)算各個(gè)線程的CPU使用率？

2、該如何計(jì)算線程CPU使用率？

3、FreeRTOS線程計(jì)算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計(jì)算方式的時(shí)間限制？

4、關(guān)鍵代碼介紹。

上次介紹了如何計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的CPU使用率：

《單片機(jī)里面的CPU使用率是什么鬼？》

《實(shí)操RT-Thread系統(tǒng)CPU利用率功能添加》

但是卻沒(méi)有介紹該如何計(jì)算每個(gè)線程（任務(wù)）的CPU使用率。

為什么要計(jì)算線程 CPU 使用率？

首先要問(wèn)的是，為什么要計(jì)算線程的CPU使用率，有啥用？

我們知道系統(tǒng)的CPU使用率關(guān)注的是整個(gè)系統(tǒng)的使用情況，使用率越低，表示越能更及時(shí)的響應(yīng)外部情況，整個(gè)系統(tǒng)的性能也會(huì)越好。

但這是從系統(tǒng)整體考量的，并不能反映單個(gè)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(gè)線程占據(jù)了25%的使用率，一個(gè)線程使用率是5%，那么你肯定會(huì)想，為啥這個(gè)線程需要占用這么高的CPU使用率，是不是代碼寫(xiě)的有問(wèn)題，是不是代碼可以優(yōu)化一下？

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果你能實(shí)時(shí)觀察各個(gè)線程的CPU使用率，那么你就能知道平時(shí)這個(gè)線程的CPU使用情況是怎樣的，為什么后來(lái)又高那么多，那么你就可以由此分析出這個(gè)線程可能出現(xiàn)了問(wèn)題，也就可以針對(duì)性的進(jìn)行檢查了。

這點(diǎn)對(duì)于合作開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目更是明顯，很多時(shí)候因?yàn)橛行┚€程的代碼不是自己寫(xiě)的，所以根本不知道代碼執(zhí)行情況，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，那么可能就是互相甩鍋了。

而當(dāng)計(jì)算了線程的CPU使用率，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)線程執(zhí)行異常，那么就能交給負(fù)責(zé)的人去查看了。

所以說(shuō)，使用操作系統(tǒng)的項(xiàng)目是非常有必要計(jì)算各個(gè)線程（任務(wù)）的CPU使用率的。

就好比你的電腦，風(fēng)扇嗡嗡響（CPU高負(fù)荷運(yùn)行），如果只有一個(gè)系統(tǒng)CPU使用率，發(fā)現(xiàn)高達(dá)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(jìn)程CPU使用率，查看一下哪個(gè)進(jìn)程CPU使用率高，把對(duì)應(yīng)的進(jìn)程關(guān)閉就行了，根本不需要重啟電腦。

如何計(jì)算線程 CPU 使用率？

那么現(xiàn)在就來(lái)看看該如何計(jì)算各個(gè)線程的CPU使用率。

從前面的筆記，我們其實(shí)也可以猜測(cè)該如何計(jì)算，無(wú)非就是獲取每個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)間罷了。

比如，1秒時(shí)間內(nèi)，空閑任務(wù)執(zhí)行700毫秒，任務(wù)1執(zhí)行200毫秒，任務(wù)2執(zhí)行100毫秒，那么各個(gè)任務(wù)的CPU使用率分別是 70%、20%、10%。

以前計(jì)算系統(tǒng)的CPU使用率的時(shí)候，采用了軟件方法計(jì)算空閑任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間，這必然是不夠準(zhǔn)確的，所以最好的方式是采用硬件計(jì)時(shí)。

因?yàn)轸~(yú)鷹采用STM32F103進(jìn)行測(cè)試，所以使用DWT外設(shè)進(jìn)行精確計(jì)時(shí)，不過(guò)麻煩的是，在KEIL 軟件仿真情況下，DWT外設(shè)是無(wú)法工作的，所以如果要測(cè)試的話，必須使用硬件仿真的方式，不過(guò)如果真要KEIL軟件仿真的話，也不是沒(méi)有辦法，就是使用硬件定時(shí)器，這個(gè)按下不表。

畢竟，DWT外設(shè)的功能在這里說(shuō)白了也就是個(gè)定時(shí)器而已。

既然要獲取線程的執(zhí)行時(shí)間，關(guān)鍵一點(diǎn)就是，我們要知道操作系統(tǒng)什么時(shí)候會(huì)切換到某一個(gè)線程運(yùn)行，什么時(shí)候又會(huì)從這個(gè)線程切出，到另一個(gè)線程執(zhí)行呢？

這個(gè)關(guān)鍵還是在系統(tǒng)內(nèi)置的鉤子函數(shù)。上次的筆記魚(yú)鷹介紹過(guò)空閑鉤子函數(shù)，今天介紹另一個(gè)鉤子，任務(wù)切換鉤子函數(shù)。

這個(gè)鉤子函數(shù)的特點(diǎn)就是，每當(dāng)系統(tǒng)需要切換到下一個(gè)任務(wù)時(shí)，就會(huì) 先執(zhí)行這個(gè)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)一般有兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)前任務(wù)和即將切換的任務(wù)。

只要設(shè)置任務(wù)切換的鉤子函數(shù)，并且有時(shí)間戳，那么計(jì)算一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間也就不那么困難了。

比如，操作系統(tǒng)在時(shí)刻12345 ms 切換到空閑任務(wù)執(zhí)行，突然一個(gè)任務(wù)就緒，開(kāi)始準(zhǔn)備執(zhí)行，所以在時(shí)刻12445切換到那個(gè)就緒任務(wù)執(zhí)行，那么空閑任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間我們也就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)了。

12445 – 12345 = 100 ms

也就是說(shuō)，這一次空閑任務(wù)執(zhí)行了 100 毫秒。

如果我們要計(jì)算單位時(shí)間（比如1秒內(nèi)）空閑任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，我們只要在每次運(yùn)行到空閑任務(wù)時(shí) 累計(jì)時(shí)間即可。

比如1秒內(nèi)，空閑任務(wù)執(zhí)行了 5 次，分別是 10、200、100、200、50，累計(jì)時(shí)間為

10 + 200 + 100 + 200 + 50 = 560毫秒

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

是的，通過(guò)線程的CPU使用率方法，我們其實(shí)也可以計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的CPU使用率。而且這種計(jì)算方式比前面所說(shuō)的計(jì)算方法更準(zhǔn)確，更科學(xué)。

前面采用時(shí)間戳進(jìn)行計(jì)算，但是時(shí)間戳是會(huì)溢出的，那個(gè)時(shí)候，你的時(shí)間計(jì)算還是準(zhǔn)確的嗎？

FreeRTOS 線程計(jì)算限制？

現(xiàn)在魚(yú)鷹就來(lái)說(shuō)說(shuō)第三個(gè)問(wèn)題，F(xiàn)reeRTOS線程計(jì)算的弊端？如何打破 FreeRTOS 線程計(jì)算方式的時(shí)間限制？

從網(wǎng)上查找FreeRTOS任務(wù)CPU計(jì)算相關(guān)的資料，可以得到以下信息：

1、需要開(kāi)一個(gè)定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器中斷頻率是操作系統(tǒng)時(shí)鐘的十幾倍（為了保證計(jì)算精度）。

2、一個(gè)64 位的變量在定時(shí)器自加更新，一旦變量溢出，時(shí)間計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

（相關(guān)細(xì)節(jié)可查看安富萊教程）

第一個(gè)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降（中斷頻率太高，一般是微秒級(jí)別的），而第二個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)（小時(shí)級(jí)別）線程CPU使用率計(jì)算準(zhǔn)確，超出時(shí)間后，計(jì)算會(huì)有問(wèn)題，所以教程中不建議在正式版本加入此功能。

第一個(gè)問(wèn)題其實(shí)很好解決，就是使用硬件定時(shí)器，不再由CPU去更新時(shí)間，這樣不會(huì)占用CPU時(shí)間，第二個(gè)問(wèn)題其實(shí)也非常好解決，就是通過(guò)《延時(shí)功能進(jìn)化論(合集)》的方式解決溢出問(wèn)題，這里不再展開(kāi)說(shuō)其中的奧妙。

任務(wù)切換鉤子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

總之，魚(yú)鷹接下來(lái)的實(shí)現(xiàn)方式解決了以上兩個(gè)痛點(diǎn)，即使無(wú)限執(zhí)行下去，也不會(huì)影響到計(jì)算精度問(wèn)題，唯一對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的一點(diǎn)影響，只有在任務(wù)切換時(shí)消耗的一點(diǎn)計(jì)算時(shí)間（微秒級(jí)別）。

那么先上任務(wù)切換鉤子函數(shù)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)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(gè)函數(shù)注冊(cè)到操作系統(tǒng)中被系統(tǒng)調(diào)用呢？

通過(guò)這個(gè)函數(shù)即可：

那么現(xiàn)在來(lái)分析這個(gè)鉤子函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

一個(gè)靜態(tài)變量，用于記錄切換時(shí)的時(shí)間戳。

每次任務(wù)開(kāi)始切換時(shí)，更新這個(gè)時(shí)間戳，同時(shí)累積時(shí)間，這個(gè)時(shí)間保存在當(dāng)前任務(wù)的user_data里面。

難理解？看下圖就清楚了。

假設(shè)系統(tǒng)調(diào)度是從任務(wù)1切換到任務(wù)2，即from為任務(wù) 1，to為任務(wù) 2，此時(shí)獲取的時(shí)間戳為 T1 。

上一次的時(shí)間戳我們已經(jīng)通過(guò)靜態(tài)變量保留了，這里為T0，那么T1-T0就是from任務(wù)即任務(wù) 1在本次運(yùn)行的時(shí)間，只要下次運(yùn)行任務(wù)1時(shí)繼續(xù)不斷的累積這個(gè)時(shí)間，那么就可以得到任務(wù)1的總運(yùn)行時(shí)間。

任務(wù)2同理。

當(dāng)然我們不可能一直累積下去，不然肯定會(huì)溢出，所以隔一段時(shí)間就需要清零，這個(gè)時(shí)間其實(shí)就是線程 CPU 計(jì)算的周期。

這里還有一個(gè)函數(shù)沒(méi)有說(shuō)，就是 get_curr_time()，在這里使用DWT，為了可以重新實(shí)現(xiàn)該函數(shù)，魚(yú)鷹使用了弱屬性 weak（關(guān)于這個(gè)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(gè)注釋，不要使用 rt_tick_get 函數(shù)，為啥？

精度太低，有些任務(wù)本來(lái)執(zhí)行了的，但是因?yàn)閳?zhí)行時(shí)間小于操作系統(tǒng)的時(shí)鐘（比如1毫秒），那么就無(wú)法累積時(shí)間了，那么即使這個(gè)任務(wù)運(yùn)行再多，時(shí)間累積也為 0，這肯定是我們不希望看到的。

然后再說(shuō)一個(gè)點(diǎn)，為了簡(jiǎn)化代碼（鉤子函數(shù)代碼只有短短幾行），魚(yú)鷹這樣的實(shí)現(xiàn)是有兩個(gè)問(wèn)題的。

1、首次運(yùn)行計(jì)算有誤，因?yàn)殪o態(tài)變量應(yīng)該在運(yùn)行任務(wù)之前就初始化的（不應(yīng)該初始化為 0），而鉤子函數(shù)是在任務(wù)運(yùn)行之后才調(diào)用的，所以從開(kāi)機(jī)以來(lái)的時(shí)間被累加到第一個(gè)運(yùn)行任務(wù)中了，這肯定是有問(wèn)題的，不過(guò)后面隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，靜態(tài)變量被持續(xù)更新，就不會(huì)再出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題了。

2、為了減少修改，魚(yú)鷹把線程的use_data當(dāng)成一個(gè)變量使用了，實(shí)際上這個(gè)變量的功能應(yīng)該是存儲(chǔ)線程私有變量地址的，但是因?yàn)轸~(yú)鷹懶得修改太多代碼，所以直接拿來(lái)用了。正因?yàn)槿绱?，所以魚(yú)鷹添加線程CPU計(jì)算時(shí)，只要修改很少的代碼就可以了。

線程 CPU 的計(jì)算

目前我們已經(jīng)能夠通過(guò)鉤子函數(shù)獲取各個(gè)線程的CPU執(zhí)行時(shí)間，現(xiàn)在就看該如何計(jì)算了。

為了計(jì)算各個(gè)線程的CPU使用率，我們需要確定計(jì)算周期，這里我們可以設(shè)置1秒計(jì)算一次。

其次，我們需要確定在哪個(gè)任務(wù)執(zhí)行計(jì)算。

原理上來(lái)說(shuō)，可以是系統(tǒng)中的任何一個(gè)任務(wù)，但是為了減少對(duì)系統(tǒng)的干擾，可以將計(jì)算工作放到優(yōu)先級(jí)比較低的任務(wù)中進(jìn)行，比如空閑任務(wù)。

現(xiàn)在，看看函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)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(guān)閉系統(tǒng)調(diào)度，防止在計(jì)算過(guò)程中更新線程時(shí)間，影響計(jì)算  time = get_curr_time(); // 獲取當(dāng)前時(shí)間戳 total_time = time - total_time_last; // 計(jì)算運(yùn)行總時(shí)間 total_time_last = time; // 更新時(shí)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(shí)間 thread->user_data = 0; // 清除線程執(zhí)行時(shí)間 }  rt_exit_critical();// 開(kāi)啟系統(tǒng)調(diào)度  // 計(jì)算各個(gè)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(jīng)很詳盡了，所以不多做討論。主要說(shuō)以下幾點(diǎn)：

1、為什么需要關(guān)閉調(diào)度器，可以使用關(guān)中斷嗎？

關(guān)調(diào)度器是為了防止在獲取各個(gè)線程執(zhí)行時(shí)間時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)度而導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間被更新，從而導(dǎo)致計(jì)算有誤，所以需要關(guān)閉調(diào)度器。

那么為什么不使用關(guān)中斷的方式呢？沒(méi)有必要。一旦關(guān)中斷，那么中斷就無(wú)法響應(yīng)了，所以在可以關(guān)調(diào)度器的情況下滿足要求，就不應(yīng)該關(guān)中斷。

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

節(jié)省時(shí)間，為了盡量減少關(guān)調(diào)度器的時(shí)間，能省一點(diǎn)是一點(diǎn)。畢竟只要能獲取到關(guān)鍵信息，啥時(shí)候計(jì)算都一樣。

3、因?yàn)榫€程CPU計(jì)算周期是自動(dòng)計(jì)算的，所以，計(jì)算周期其實(shí)就是該函數(shù)的調(diào)用周期，即2秒調(diào)用一次，那么線程CPU計(jì)算周期就是2秒，但是需要注意的是，調(diào)用周期必須小于定時(shí)器的溢出時(shí)間，即當(dāng)你使用 DWT 時(shí)，調(diào)用周期應(yīng)該在 60 秒以下（72 M 系統(tǒng)時(shí)鐘），否則計(jì)算是有問(wèn)題的。

現(xiàn)在我們已經(jīng)算是完成了線程CPU計(jì)算問(wèn)題，但為了使用方便，我們需要把它打印出來(lái)，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(shí)間、線程使用率都打印出來(lái)了，但是需要注意的是，這里的time 時(shí)間單位是定時(shí)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(yīng)該是 1000/72 秒，當(dāng)然了，你也可以在打印的同時(shí)就把時(shí)間換算一下，這個(gè)自由發(fā)揮就好。

—END—

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