单片机整体CPU使用情况

出处:互联网 发布于:2020-06-02 14:23:33

  打开电脑的任务管理器,看着跳动的 CPU 使用率,发现很舒服。每一个线程占用了多少 CPU 清清楚楚,也就能针对性的确认为啥你的电脑跑的慢了。

  今天这篇笔记不讲每个任务(或线程)CPU 的使用情况,而是单片机整体的 CPU 使用情况,先易后难嘛。

  为什么要知道这个呢?知道这个有啥用呢?鱼鹰看的书少,就不写官方话了,只说说自己的理解。

  CPU 使用率越高,意味着系统越繁忙,对于一些事情的响应也就越慢。比如你的电脑 CPU 使用率占到 90%以上,你会发现打字变慢了,鼠标移动变慢了,这都是因为 CPU 占用过高,导致系统来不及处理你的键盘和鼠标数据,所以才会有慢悠悠的表现。

  电脑是非实时系统,要求不高,即使电脑变慢,电脑死机,后果都不是很严重,但是如果说你的嵌入式系统是国防、医疗领域的,如果也出现了这些情况,那后果不堪设想。

  比如呼吸机突然出问题了,那么对于病人来说,就是灾难,所以医疗行业的产品都会经过严格的测试,否则不允许上市。

  嵌入式系统使用的大部分应该都是实时操作系统,即所谓的 RTOS,它必须对外界的各种情况作出非常快的响应,如果不能,那你设计的系统就是有问题的。

  那么如何快速响应外界信息呢?就看 CPU 使用情况了,CPU 平时的使用率越低,越能快速响应。怎么理解这句话?

  比如一天时间里,你要上 8 个小时的班,其他时间才属于你自己,如果按一天来计算的话,你的 CPU 利用率是 8/24=33.3%,其他时间可以快速响应其他事情,比如别人叫你出去吃饭,如果是在下班时间,你随叫随到,如果是上班时间,那么叫了你也没用,只能等下班之后才行。

  所以虽然你的 CPU 利用率才 33.3%,但是上班的时候还是不能及时响应其他事情,因为上班是优先级最高的任务(假设上班是最高优先级任务)。

  这个例子可能不是很好,换成学生的例子可能更好一些。比如一个学生,每天上 7 节课,课间都有休息时间,假设还是要上 8 小时,但是因为中间不是连续的,所以虽然你的 CPU 利用率还是 33.3%,但是你在课间时总能对一些其他事情做出快速响应,所以整体性能可能比前一个例子好一些。

  所以设计系统时,千万别让一个高优先级任务持续占用 CPU 太长时间,如果可能的话,尽可能拆分长任务,否则低优先级的任务很可能无法及时运行,外在表现是,系统卡了。

  看完这个,很多人就会想了,我的系统该怎么计算 CPU 使用率呢?对了,我的系统是裸机的……

  不好意思,裸机系统 CPU 使用率 100%,算不了……

  那好,带操作系统的怎么算,比如 uCOS、FreeRTOS、RT-Thread?

  严格来说,如果不采用休眠等机制的话,不管是裸机还是操作系统,CPU 使用率都是 100%。

  为什么这么说呢?你看系统的 CPU 使用率的计算方法就知道了(这里说的是 RTOS 中简单的计算方式,而不是电脑那种,那种计算应该比较复杂,鱼鹰也不清楚)。

  简单的说,一个操作系统里有很多用户任务,还有一个特别的系统任务,就是空闲任务。这个任务平时啥也不敢,就在那里空跑,CPU 没有其他任务执行的时候,就会跑到空闲任务中执行。

  除了空跑,空闲任务还有什么特点?优先级最低,不允许挂起空闲任务,即该任务永远处于就绪状态。

  正因为这些特点,它变得非常特殊,也是我们能够计算 CPU 使用率的核心所在。

  说白了,所谓的 CPU 使用率计算,就是先计算空闲任务的运行时间,然后反推其他任务的运行时间。

  比如说,1 秒时间内,空闲任务运行了 700 毫秒,那么空闲任务的 CPU 使用率是 70%,反推一下,其他任务的使用率就是 30%。但是特别注意的是,这里说空闲任务运行 700 毫秒,不是说空闲任务持续不断的运行了 700 毫秒,而是中间穿插了其他任务的执行,中间穿插就是 300 毫秒执行其他任务的时间。

  看这个图就清楚了:

  事实上,1 秒时间内的任务切换远比上图显示的要多的多,只是为了更好的说明,才没画那么多切换过程。

  真正好的系统,一个任务不会长时间占用 CPU,而是会不停的主动交出使用权,像上图任务 2 有 100 毫秒的占用,如果这个是高优先级任务,那么低优先级的任务的响应肯定在 100 毫秒以上了。

  当然,如果说这个响应时间满足设计要求,那么在系统任务数比较少的情况下,倒是无所谓的事情。

  可能你还有疑惑,你怎么不说说空闲任务啊,空闲任务有长达 300 毫秒的 CPU 占用哩!

  不好意思,真不需要说它,因为它的优先级任务最低,所以如果说它能在 300 毫秒内持续运行,那肯定是因为没有其他任务需要处理才会让空闲任务一直运行的。

  为什么这么说呢?因为在操作系统中,除了主动切换任务外,还有被动切换一说。

  所谓主动切换任务,就是任务本身认为自己执行完了,然后自己主动调用系统函数进行切换,比如系统延时函数等;而被动切换有所不同,被动切换是时时刻刻都在发生的,只要满足条件,那么你的任务可能还没有完全执行完毕,就可能切换到其他任务先执行了。

  怎么理解呢?

  假如四个人组成一个小组讨论问题,其中一个是小组长(操作系统),小组长有绝对发言权,可以随时打断其他成员(任务)的发言。

  所以当组员发言时,他每隔几分钟都会检查一下,看看谁举手准备发言,一旦发现有等级高的成员举手,那么不管目前发言的组员是否发言完毕,小组长都会立刻让高等级的组员先发言,等他发言完毕,才会让之前未发言完成的组员继续发言。这样可能不是很人性,但是确实能保证高效!

  在上面这张图中,其实还有一个非常重要的东西没有画出来,那就是操作系统每隔一段时间对就绪任务的检查。在操作系统中,这种检查工作一般是由定时中断完成的(stm32 中有专门为操作系统准备的定时中断,即 SysTick)。

  中断是凌驾于所有任务(或线程)之上的超级任务。

  但是检查时间(即中断时间)也是有讲究的,如果检查时间过短,那么整个系统就会忙于切换任务,花费在任务切换的时间占比就会很大;而检查时间过长,那么高优先级任务就不能得到更快速的响应,所以这个时间一定要谨慎选择。

  一般来说,任务切换 CPU 占比在 1%以内应该是比较好的(这个没有理论依据哈,鱼鹰瞎写的),即如果各个任务只调用一个延时函数,如果你的 CPU 占用在这个范围,那么就是比较合适的。

  当你学会了 CPU 使用率计算,不如尝试着修改中断时间,你会发现不同的中断时间,CPU 使用情况是不同的,原因就在于操作系统本身的消耗!


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