2018年12月15日 | STM32CubeMX中FreeRTOS系统CPU使用率监测测试

1.测试描述：

使用STM32CubeMX自动配置的工程，对其提供的FreeRTOS系统的CPU使用率进行监测，并通过串口打印。

2.测试环境：

（1）软件环境：STM32CubeMX-4.22.0，IAR-7.5，串口调试工具 
（2）硬件环境：原子战舰V3开发板

3.测试准备：

（1）STM32CubeMX软件主要配置：

管脚和其他外设的配置直接省略了，具体的可查看源码文件里的ioc文件。下面贴出主要的系统方面配置图: 

首先是Configuration界面，从图中可以看出测试工程使用的东西并不多；

点击中间层的FREERTOS进入系统配置界面，主要注意下图中红色标注的部分；

下图对一些系统的函数进行使能和失能操作，由于测试工程里有用到vTaskDelayUntil函数，所以对其使能。

（2）IAR软件配置：

首先从stm32官网下载的固件包里找到如下文件： 

细心的人会发现这个是在F7的固件包里找的，当然F1的固件包里也可以找到，所以此方式也适用于其他支持FreeRTOS的stm32芯片。 

将两个文件复制到测试工程文件夹内，对应地址如下图（地址在后面添加头文件时有用，可实际根据自身情况拖放）： 

在工程里添加cpu_utils.c文件

在工程配置选项里添加cpu_utils.h文件路径，这里我用的是相对路径，如果换别的电脑上时使用只需要重新ReBuild一下工程就好了。

在cpu_utils.h里添加使用到的两个头文件：

最后在FreeRTOSConfig.h文件的用户代码区添加如下两段代码。这一步很重要，如果没有，那么监测到的使用率一直为100%。

4.测试代码：

• /* Includes ------------------------------------------------------------------*/

• #include "FreeRTOS.h"

• #include "task.h"

• #include "cmsis_os.h"

•  

• /* USER CODE BEGIN Includes */     

• #include "gpio.h"

• #include "string.h"

• #include "usart.h"

• #include "cpu_utils.h"

• /* USER CODE END Includes */

•  

• /* Variables -----------------------------------------------------------------*/

• osThreadId defaultTaskHandle;

•  

• /* USER CODE BEGIN Variables */

•  

• #define START_TASK_PRIO           1

• #define START_STK_SIZE            64

• TaskHandle_t xHandleTaskStart;

• void StartTask(void const * argument);

•  

• #define LED1_TASK_PRIO            5

• #define LED1_STK_SIZE             128

• TaskHandle_t xHandleTaskLED1;

• void TaskLED1(void const * argument);

•  

• #define LED2_TASK_PRIO            6

• #define LED2_STK_SIZE             128

• TaskHandle_t xHandleTaskLED2;

• void TaskLED2(void const * argument);

•  

• void MX_FREERTOS_Init(void) {

• //系统自建的任务，不去动它，屏蔽了也没关系。

•   osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);

•   defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);

•  

•   /* USER CODE BEGIN RTOS_QUEUES */

•   /* add queues, ... */

•   //创建开始任务

•   xTaskCreate((TaskFunction_t )StartTask,

•         (const char *  )"Start Task",

•         (uint16_t       )START_STK_SIZE,

•         (void *         )NULL,

•         (UBaseType_t    )START_TASK_PRIO,

•         (TaskHandle_t * )&xHandleTaskStart);       

•   /* USER CODE END RTOS_QUEUES */

• }

•  

• //开始任务，用于创建两个新的测试任务

• void StartTask(void const * argument)

• {

•   taskENTER_CRITICAL();

•   xTaskCreate((TaskFunction_t )TaskLED1,

•               (const char *  )"LED1 Task",

•               (uint16_t       )LED1_STK_SIZE,

•               (void *         )str1,

•               (UBaseType_t    )LED1_TASK_PRIO,

•               (TaskHandle_t * )&xHandleTaskLED1);

•  

•   xTaskCreate((TaskFunction_t )TaskLED2,

•               (const char *  )"LED2 Task",

•               (uint16_t       )LED2_STK_SIZE,

•               (void *         )str2,

•               (UBaseType_t    )LED2_TASK_PRIO,

•               (TaskHandle_t * )&xHandleTaskLED2);

•  

•   vTaskDelete(xHandleTaskStart);

•   taskEXIT_CRITICAL();

• }

•  

• //LED1任务

• void TaskLED1(void const * argument)

• {

•   char str1[] = "TASK LED1 is Running!\r\n";

•   portTickType xLastWakeTime;

•   static uint16_t usage = 0;

•   uint32_t num  = 0;

•   char buffer[100];

•   //延时时间单元初始值记录

•   xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

•   while(1)

•   {

•     //串口1发送提示字符串

•     HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)str1,strlen(str1),0xFFFF);

•     while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET);

•  

•     //获取CPU使用率并串口打印

•     usage = osGetCPUUsage();

•     num = sprintf(buffer,"1---CPU 使用率为：%d%%\r\n",usage);

•  

•     HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)buffer,num,0xFFFF);

•     while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET);

•  

•     //LED闪烁

•     HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_5);

•     vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,(1000/portTICK_RATE_MS));

•   }

• }

•  

• //LED2任务

• void TaskLED2(void const * argument)

• {

•   char str2[] = "TASK LED2 is Running!\r\n";

•   portTickType xLastWakeTime;

•  

•   static  uint16_t usage = 0;

•   uint32_t num  = 0;

•   char buffer[100];

•  

•   //延时时间单元初始值记录

•   xLastWakeTime = xTaskGetTickCount();

•   while(1)

•   {

•     //串口1发送提示字符串

•     HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)str2,strlen(str2),0xFFFF);

•     while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET);

•  

•     //获取CPU使用率并串口打印

•     usage = osGetCPUUsage();

•     num = sprintf(buffer,"2---CPU 使用率为：%d%%\r\n",usage);

•  

•     HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)buffer,num,0xFFFF);

•     while(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_TC)!=SET);

•  

•     //LED闪烁

•     HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);

•     vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,(300/portTICK_RATE_MS));

•     HAL_GPIO_WritePin(GPIOE,GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_SET);

•     vTaskDelayUntil(&xLastWakeTime,(1200/portTICK_RATE_MS));

•   }

• }

• /* USER CODE END Application */

5.测试源码分析：

在嵌入式系统中，如果当前没有任何计划的任务运行，则系统会自动切换到空闲任务当中去。当一个系统中空闲任务占用一段时间的比值越大，对应硬件CPU对于工程所留的计算余量也就越大，则这个系统的CPU使用率越低。 
实际算法可简化为以下公式：

系统使用率 = 1 - 空闲任务占用时间/总测算时间

下图中箭头指向的位置是CPU使用率计算的算法核心，它是在Tick中断发生1000次时进行一次计算处理。也就是总测算时间为1000个心跳时钟。其中计算部分对原公式右边乘上了100倍，实际计算出来的osCPU_Usage为百分数。

以下两个函数是在FreeRTOSConfig.h宏定义中提到的函数，红色数字标注的是要重点关注的地方。这两个函数就是用来测算进入空闲函数的时间。

以上两个函数通过宏定义的方式，实际调用在系统任务切换函数里。也就是在这两个位置进行处理，进而得到需要的空闲任务占用时间。

6.测试结果：

在IAR的Live Watch窗口监测的系统使用率的值、系统心跳时基和空闲任务总占用时间。

下面是串口的输出，看出系统在刚开始时使用率有一段波动，后面趋于平稳，一直处于1%。