在freeRTOS环境下如何快速获取CPU利用率

# 在FreeRTOS环境下如何快速获取CPU利用率

## 1. 引言

在嵌入式实时操作系统中，CPU利用率是衡量系统负载和性能优化的重要指标。FreeRTOS作为一款轻量级实时操作系统，虽然本身不直接提供CPU利用率统计功能，但通过合理配置和辅助工具，开发者可以快速获取这一关键数据。本文将详细介绍三种实用方法，并提供代码实现和优化建议。

## 2. 方法一：基于空闲任务钩子函数

### 2.1 实现原理
FreeRTOS的空闲任务（IDLE Task）在系统无其他任务运行时自动执行。通过统计空闲任务的执行时间占比，可以反向推导出CPU利用率。

```c
// 启用空闲任务钩子函数
#define configUSE_IDLE_HOOK 1

// 全局变量定义
static uint32_t idleCount = 0;
static uint32_t totalCount = 0;

void vApplicationIdleHook(void)
{
    idleCount++;
}

2.2 统计实现

创建定时器中断（建议1s周期）计算利用率：

void TIM_IRQHandler(void)
{
    totalCount = idleCount + activeCount; // activeCount需其他任务维护
    float cpuUsage = 100.0f * (1.0f - ((float)idleCount)/totalCount);
    idleCount = 0;
    // 输出或存储cpuUsage
}

2.3 优缺点分析

• 优点：实现简单，资源消耗低
• 缺点：精度受定时器周期影响，需注意数值溢出问题

3. 方法二：使用FreeRTOS运行时间统计功能

3.1 配置步骤

1. 启用configGENERATE_RUN_TIME_STATS
2. 定义时间统计相关宏：

#define portCONFIGURE_TIMER_FOR_RUN_TIME_STATS() ConfigureTimerForStats()
#define portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE() GetTimerStatsValue()

3.2 实现示例

// 在硬件定时器中实现（如STM32的TIM2）
void ConfigureTimerForStats(void) {
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    TIM2->PSC = SystemCoreClock/1000000 - 1; // 1us分辨率
    TIM2->ARR = 0xFFFFFFFF;
    TIM2->CR1 = TIM_CR1_ENABLE;
}

uint32_t GetTimerStatsValue(void) {
    return TIM2->CNT;
}

3.3 数据获取API

TaskStatus_t *pxTaskStatusArray;
pxTaskStatusArray = pvPortMalloc(uxNumberOfTasks * sizeof(TaskStatus_t));

uxTaskGetSystemState(pxTaskStatusArray, uxNumberOfTasks, NULL);

for(int i=0; i<uxNumberOfTasks; i++){
    float taskUsage = pxTaskStatusArray[i].ulRunTimeCounter * 100.0 / totalTime;
}

4. 方法三：硬件性能计数器辅助

4.1 Cortex-M系列实现

利用DWT（Data Watchpoint and Trace）单元中的CYCCNT寄存器：

#define  DEMCR           (*((volatile uint32_t *)0xE000EDFC))
#define  DEMCR_TRCENA    (1 << 24)
#define  DWT_CTRL        (*((volatile uint32_t *)0xE0001000))
#define  DWT_CYCCNT      (*((volatile uint32_t *)0xE0001004))

void EnableCycleCounter(void){
    DEMCR |= DEMCR_TRCENA; 
    DWT_CYCCNT = 0;
    DWT_CTRL |= 1; // 启用计数器
}

4.2 统计代码示例

uint32_t idleCycles = 0;
uint32_t lastCycle = 0;

void vApplicationIdleHook(void){
    uint32_t now = DWT_CYCCNT;
    idleCycles += (now - lastCycle);
    lastCycle = now;
}

5. 优化建议

1. 采样周期选择：

   • 高负载系统：建议500ms-1s
   • 低功耗应用：可延长至2-5s

2. 数据滤波处理：

   #define FILTER_WEIGHT 0.1f
   float filteredUsage = FILTER_WEIGHT * currentUsage + (1-FILTER_WEIGHT) * lastUsage;
   

3. 多核系统扩展：

   • 每个核心单独统计
   • 通过IPC机制汇总数据

6. 实际应用案例

6.1 动态频率调节

当检测到CPU利用率持续>80%时触发升频：

if(filteredUsage > 80.0f){
    increase_cpu_frequency();
}

6.2 负载均衡

在通信网关应用中，通过CPU利用率动态调整任务优先级：

void adjust_priorities(float cpuUsage){
    if(cpuUsage > 70){
        vTaskPrioritySet(xCommTask, HIGH_PRIO);
    }
}

7. 总结对比

开发者应根据具体需求选择合适方案，对于大多数应用场景，方法二在精度和复杂度之间取得了良好平衡。

注意：所有代码示例需根据具体硬件平台调整，建议在实际使用前进行充分测试。 “`