打開電腦的任務(wù)管理器，看著跳動(dòng)的CPU使用率，發(fā)現(xiàn)很舒服。每一個(gè)線程占用了多少CPU清清楚楚，也就能針對(duì)性的確認(rèn)為啥你的電腦跑的慢了。

今天這篇筆記不講每個(gè)任務(wù)(或線程)CPU的使用情況，而是單片機(jī)整體的CPU使用情況，先易后難嘛。

為什么要知道這個(gè)呢?知道這個(gè)有啥用呢?魚鷹看的書少，就不寫官方話了，只說說自己的理解。

CPU使用率越高，意味著系統(tǒng)越繁忙，對(duì)于一些事情的響應(yīng)也就越慢。比如你的電腦CPU使用率占到90%以上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)打字變慢了，鼠標(biāo)移動(dòng)變慢了，這都是因?yàn)镃PU占用過高，導(dǎo)致系統(tǒng)來不及處理你的鍵盤和鼠標(biāo)數(shù)據(jù)，所以才會(huì)有慢悠悠的表現(xiàn)。

電腦是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要求不高，即使電腦變慢，電腦死機(jī)，后果都不是很嚴(yán)重，但是如果說你的嵌入式系統(tǒng)是國防、醫(yī)療領(lǐng)域的，如果也出現(xiàn)了這些情況，那后果不堪設(shè)想。比如呼吸機(jī)突然出問題了，那么對(duì)于病人來說，就是災(zāi)難，所以醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品都會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的測試，否則不允許上市。

嵌入式系統(tǒng)使用的大部分應(yīng)該都是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，即所謂的RTOS，它必須對(duì)外界的各種情況作出非?？斓捻憫?yīng)，如果不能，那你設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是有問題的。

那么如何快速響應(yīng)外界信息呢?就看CPU使用情況了，CPU平時(shí)的使用率越低，越能快速響應(yīng)。怎么理解這句話?

比如一天時(shí)間里，你要上8個(gè)小時(shí)的班，其他時(shí)間才屬于你自己，如果按一天來計(jì)算的話，你的CPU利用率是8/24=33.3%，其他時(shí)間可以快速響應(yīng)其他事情，比如別人叫你出去吃飯，如果是在下班時(shí)間，你隨叫隨到，如果是上班時(shí)間，那么叫了你也沒用，只能等下班之后才行。所以雖然你的CPU利用率才33.3%，但是上班的時(shí)候還是不能及時(shí)響應(yīng)其他事情，因?yàn)樯习嗍莾?yōu)先級(jí)最高的任務(wù)(假設(shè)上班是最高優(yōu)先級(jí)任務(wù))。

這個(gè)例子可能不是很好，換成學(xué)生的例子可能更好一些。比如一個(gè)學(xué)生，每天上7節(jié)課，課間都有休息時(shí)間，假設(shè)還是要上8小時(shí)，但是因?yàn)橹虚g不是連續(xù)的，所以雖然你的CPU利用率還是33.3%，但是你在課間時(shí)總能對(duì)一些其他事情做出快速響應(yīng)，所以整體性能可能比前一個(gè)例子好一些。

所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，千萬別讓一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)持續(xù)占用CPU太長時(shí)間，如果可能的話，盡可能拆分長任務(wù)，否則低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)很可能無法及時(shí)運(yùn)行，外在表現(xiàn)是，系統(tǒng)卡了。

看完這個(gè)，很多人就會(huì)想了，我的系統(tǒng)該怎么計(jì)算CPU使用率呢?對(duì)了，我的系統(tǒng)是裸機(jī)的……

不好意思，裸機(jī)系統(tǒng)CPU使用率100%，算不了……

那好，帶操作系統(tǒng)的怎么算，比如uCOS、FreeRTOS、RT-Thread?

嚴(yán)格來說，如果不采用休眠等機(jī)制的話，不管是裸機(jī)還是操作系統(tǒng)，CPU使用率都是100%。

為什么這么說呢?你看系統(tǒng)的CPU使用率的計(jì)算方法就知道了(這里說的是RTOS中簡單的計(jì)算方式，而不是電腦那種，那種計(jì)算應(yīng)該比較復(fù)雜，魚鷹也不清楚)。

簡單的說，一個(gè)操作系統(tǒng)里有很多用戶任務(wù)，還有一個(gè)特別的系統(tǒng)任務(wù)，就是空閑任務(wù)。這個(gè)任務(wù)平時(shí)啥也不敢，就在那里空跑，CPU沒有其他任務(wù)執(zhí)行的時(shí)候，就會(huì)跑到空閑任務(wù)中執(zhí)行。

除了空跑，空閑任務(wù)還有什么特點(diǎn)?優(yōu)先級(jí)最低，不允許掛起空閑任務(wù)，即該任務(wù)永遠(yuǎn)處于就緒狀態(tài)。

正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，它變得非常特殊，也是我們能夠計(jì)算CPU使用率的核心所在。

說白了，所謂的CPU使用率計(jì)算，就是先計(jì)算空閑任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間，然后反推其他任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間。

比如說，1秒時(shí)間內(nèi)，空閑任務(wù)運(yùn)行了700毫秒，那么空閑任務(wù)的CPU使用率是70%，反推一下，其他任務(wù)的使用率就是30%。但是特別注意的是，這里說空閑任務(wù)運(yùn)行700毫秒，不是說空閑任務(wù)持續(xù)不斷的運(yùn)行了700毫秒，而是中間穿插了其他任務(wù)的執(zhí)行，中間穿插就是300毫秒執(zhí)行其他任務(wù)的時(shí)間。

看這個(gè)圖就清楚了：

事實(shí)上，1秒時(shí)間內(nèi)的任務(wù)切換遠(yuǎn)比上圖顯示的要多的多，只是為了更好的說明，才沒畫那么多切換過程。

真正好的系統(tǒng)，一個(gè)任務(wù)不會(huì)長時(shí)間占用CPU，而是會(huì)不停的主動(dòng)交出使用權(quán)，像上圖任務(wù)2有100毫秒的占用，如果這個(gè)是高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，那么低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)的響應(yīng)肯定在100毫秒以上了。

當(dāng)然，如果說這個(gè)響應(yīng)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，那么在系統(tǒng)任務(wù)數(shù)比較少的情況下，倒是無所謂的事情。

可能你還有疑惑，你怎么不說說空閑任務(wù)啊，空閑任務(wù)有長達(dá)300毫秒的CPU占用哩!

不好意思，真不需要說它，因?yàn)樗膬?yōu)先級(jí)任務(wù)最低，所以如果說它能在300毫秒內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，那肯定是因?yàn)闆]有其他任務(wù)需要處理才會(huì)讓空閑任務(wù)一直運(yùn)行的。

為什么這么說呢?因?yàn)樵诓僮飨到y(tǒng)中，除了主動(dòng)切換任務(wù)外，還有被動(dòng)切換一說。

所謂主動(dòng)切換任務(wù)，就是任務(wù)本身認(rèn)為自己執(zhí)行完了，然后自己主動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)進(jìn)行切換，比如系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)等;而被動(dòng)切換有所不同，被動(dòng)切換是時(shí)時(shí)刻刻都在發(fā)生的，只要滿足條件，那么你的任務(wù)可能還沒有完全執(zhí)行完畢，就可能切換到其他任務(wù)先執(zhí)行了。

怎么理解呢?假如四個(gè)人組成一個(gè)小組討論問題，其中一個(gè)是小組長(操作系統(tǒng))，小組長有絕對(duì)發(fā)言權(quán)，可以隨時(shí)打斷其他成員(任務(wù))的發(fā)言，所以當(dāng)組員發(fā)言時(shí)，他每隔幾分鐘都會(huì)檢查一下，看看誰舉手準(zhǔn)備發(fā)言，一旦發(fā)現(xiàn)有等級(jí)高的成員舉手，那么不管目前發(fā)言的組員是否發(fā)言完畢，小組長都會(huì)立刻讓高等級(jí)的組員先發(fā)言，等他發(fā)言完畢，才會(huì)讓之前未發(fā)言完成的組員繼續(xù)發(fā)言。這樣可能不是很人性，但是確實(shí)能保證高效!

在上面這張圖中，其實(shí)還有一個(gè)非常重要的東西沒有畫出來，那就是操作系統(tǒng)每隔一段時(shí)間對(duì)就緒任務(wù)的檢查。在操作系統(tǒng)中，這種檢查工作一般是由定時(shí)中斷完成的(stm32中有專門為操作系統(tǒng)準(zhǔn)備的定時(shí)中斷，即SysTick)。

中斷是凌駕于所有任務(wù)(或線程)之上的超級(jí)任務(wù)。

但是檢查時(shí)間(即中斷時(shí)間)也是有講究的，如果檢查時(shí)間過短，那么整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)忙于切換任務(wù)，花費(fèi)在任務(wù)切換的時(shí)間占比就會(huì)很大;而檢查時(shí)間過長，那么高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就不能得到更快速的響應(yīng)，所以這個(gè)時(shí)間一定要謹(jǐn)慎選擇。

一般來說，任務(wù)切換CPU占比在1%以內(nèi)應(yīng)該是比較好的(這個(gè)沒有理論依據(jù)哈，魚鷹瞎寫的)，即如果各個(gè)任務(wù)只調(diào)用一個(gè)延時(shí)函數(shù)，如果你的CPU占用在這個(gè)范圍，那么就是比較合適的。

當(dāng)你學(xué)會(huì)了CPU使用率計(jì)算，不如嘗試著修改中斷時(shí)間，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的中斷時(shí)間，CPU使用情況是不同的，原因就在于操作系統(tǒng)本身的消耗!

原文標(biāo)題：單片機(jī)里面的CPU使用率是什么鬼?

文章出處：【微信公眾號(hào)：FPGA之家】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

審核編輯：湯梓紅