计算CPU使用率的核心所在的内容

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！
责任编辑:pj