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：

1. #define configUSE_PREEMPTION 1
   
2. #define configUSE_IDLE_HOOK 1 //修改此宏的值为 1
   
3. #define configUSE_TICK_HOOK 1 //修改此宏的值为 1
   
4. #define configCPU_CLOCK_HZ ( SystemCoreClock )
   
5. #define configTICK_RATE_HZ ( ( TickType_t ) 1000 )
   
6. #define configMAX_PRIORITIES ( 8 )
   
7. #define configMINIMAL_STACK_SIZE ( ( uint16_t ) 128 )

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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：

1. #define traceTASK_SWITCHED_IN() extern void StartIdleMonitor(void);
   
2. StartIdleMonitor()
   
3. #define traceTASK_SWITCHED_OUT() extern void EndIdleMonitor(void);
   
4. EndIdleMonitor()

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

1. #include "stm32f4xx_hal.h"
   
2. #include "stm324xg_eval.h"
   
3. #include "cmsis_os.h" //添加包含此头文件
   
4. //…

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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：

1. static void LED_Thread2(void const *argument)
   
2. {
   
3. uint32_t count;
   
4. uint16_t usage =0;
   
5. (void) argument;
   
6. 
   
7. for(;;)
   
8. {
   
9. count = osKernelSysTick() + 10000;
   
10. 
    
11. /* Toggle LED2 every 500 ms for 10 s */
    
12. while (count >= osKernelSysTick())
    
13. {
    
14. BSP_LED_Toggle(LED2);
    
15. 
    
16. osDelay(500);
    
17. }
    
18. usage =osGetCPUUsage(); //获取当前 CPU 的使用率
    
19. /* Turn off LED2 */
    
20. BSP_LED_Off(LED2);
    
21. 
    
22. /* Resume Thread 1 */
    
23. osThreadResume(LEDThread1Handle);
    
24. 
    
25. /* Suspend Thread 2 */
    
26. osThreadSuspend(NULL);
    
27. }
    
28. }

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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。

1. void vApplicationIdleHook(void)
   
2. {
   
3. if( xIdleHandle == NULL )
   
4. {
   
5. /* Store the handle to the idle task. */
   
6. xIdleHandle = xTaskGetCurrentTaskHandle(); //记录空闲任务的句柄
   
7. }
   
8. }

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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。

1. void vApplicationTickHook (void)
   
2. {
   
3. static int tick = 0;
   
4. 
   
5. if(tick ++ > CALCULATION_PERIOD) //每 1000 个 tick,刷新一次 CPU 使用率
   
6. {
   
7. tick = 0;
   
8. 
   
9. if(osCPU_TotalIdleTime > 1000)
   
10. {
    
11. osCPU_TotalIdleTime = 1000;
    
12. }
    
13. osCPU_Usage = (100 - (osCPU_TotalIdleTime * 100) / CALCULATION_PERIOD); //这行代码就是
    
14. CPU 使用率的具体计算方法了
    
15. osCPU_TotalIdleTime = 0;
    
16. }
    
17. }

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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：

1. void StartIdleMonitor (void)
   
2. {
   
3. if( xTaskGetCurrentTaskHandle() == xIdleHandle ) //如果是切入到空闲任务
   
4. {
   
5. osCPU_IdleStartTime = xTaskGetTickCountFromISR();//记录切入到空闲任务的时间点
   
6. }
   
7. }
   
8. void EndIdleMonitor (void)
   
9. {
   
10. if( xTaskGetCurrentTaskHandle() == xIdleHandle ) //如果是从空闲任务切出
    
11. {
    
12. /* Store the handle to the idle task. */
    
13. osCPU_IdleSpentTime = xTaskGetTickCountFromISR() - osCPU_IdleStartTime; //计算此次空闲
    
14. 任务花费多长时间
    
15. osCPU_TotalIdleTime += osCPU_IdleSpentTime; //空闲任务所占时间进行累加
    
16. }
    
17. }

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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。

1. uint16_t osGetCPUUsage (void)
   
2. {
   
3. return (uint16_t)osCPU_Usage; //直接返回全局变量 osCPU_Usage，即 CPU 使用率
   
4. }

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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。