STM32CubeMX学习笔记32---FreeRTOS资源管理

2024-05-08 20:24:36

一、CPU利用率简介

1 基本概念

CPU 使用率其实就是系统运行的程序占用的 CPU 资源，表示机器在某段时间程序运行的情况，如果这段时间中，程序一直在占用 CPU 的使用权，那么可以人为 CPU 的利用率是 100%。CPU 的利用率越高，说明机器在这个时间上运行了很多程序，反之较少。利用率的高低与 CPU 强弱有直接关系，就像一段一模一样的程序，如果使用运算速度很慢的 CPU，它可能要运行 1000ms，而使用很运算速度很快的 CPU 可能只需要 10ms，那么在 1000ms 这段时间中，前者的 CPU 利用率就是 100%，而后者的 CPU 利用率只有 1%，因为 1000ms 内前者都在使用 CPU 做运算，而后者只使用 10ms 的时间做运算，剩下的时间 CPU 可以做其他事情。

FreeRTOS 是多任务操作系统，对 CPU 都是分时使用的：比如 A 任务占用 10ms，然后 B 任务占用 30ms，然后空闲 60ms，再又是 A 任务占 10ms，B 任务占 30ms，空闲 60ms;

2 FreeRTOS进行CPU利用率统计

在调试的时候很有必要得到当前系统的 CPU 利用率相关信息，但是在产品发布的时候，就可以把 CPU 利用率统计这个功能去掉，因为使用任何功能的时候，都是需要消耗系统资源的，FreeRTOS 是使用一个外部的变量进行统计时间的，并且消耗一个高精度的定时器，其用于定时的精度是系统时钟节拍的 10-20 倍，比如当前系统时钟节拍是 1000HZ，那么定时器的计数节拍就要是 10000-20000HZ。而且 FreeRTOS 进行 CPU 利用率统计的时候，也有一定缺陷，因为它没有对进行 CPU 利用率统计时间的变量做溢出保护，我们使用的是 32 位变量来系统运行的时间计数值，而按 20000HZ 的中断频率计算，每进入一中断就是 50us，变量加一，最大支持计数时间：2^32 * 50us / 3600s = 59.6 分钟，运行时间超过了 59.6 分钟后统计的结果将不准确，除此之外整个系统一直响应定时器 50us 一次的中断会比较影响系统的性能。

二、STM32CubeMX设置

1、配置RCC、USART1、时钟72M

2、配置SYS，将Timebase Source修改为除滴答定时器外的其他定时器。

3、初始化LED的两个引脚

4、开启FreeRTOS，v1与v2版本不同，一般选用v1即可

5、创建三个线程LED1，LED2，task3。

以上步骤可参考：STM32CubeMX学习笔记22---FreeRTOS（任务创建和删除）-****博客

6、打开相关配置

要想获得CPU使用率必须在 Config parameters 中把 GENERATE_RUN_TIME_STATS、USE_TRACE_FACILITY、USE_STATS_FORMATTING_FUNCTIONS 选择 Enabled 来使能。

7、创建一个定时器，分频72，定时50us ，优先级为6

Prescaler（时钟预分频数）：72-1 则驱动计数器的时钟 CK_CNT = CK_INT(即72MHz)/(71+1) = 1MHz
Counter Mode（计数模式）：Up（向上计数模式）基本定时器只能是向上计数
Counter Period（自动重装载值）：50-1 则定时时间 1/CK_CLK*(49+1) = 50us
auto-reload-preload（自动重装载）：Enable（使能）
TRGO Parameters（触发输出）：不使能在定时器的定时时间到达的时候输出一个信号(如：定时器更新产生TRGO信号来触发ADC的同步转换)

配置nvic

8、生成代码

三、程序编程

要计算cup的利用率还需要实现一个中断频率为 20000HZ 定时器，用于系统运行时间统计，可以通过自定义 g_osRuntimeCounter 变量自加即可，这个变量是用于记录系统运行时间。其自加程序可以在定时器回调函数（main.c）中实现：

uint32_t g_osRuntimeCounter;
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  /* USER CODE BEGIN Callback 0 */

  /* USER CODE END Callback 0 */
  if (htim->Instance == TIM1) {
    HAL_IncTick();
  }
  /* USER CODE BEGIN Callback 1 */

	 if(htim->Instance == TIM6)
  {
      g_osRuntimeCounter++;   //添加g_osRuntimeCounter自加
  }
  /* USER CODE END Callback 1 */
}

/*
注：使用前需在main函数中先开启定时器中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);    // 开启定时器中断
*/

打开configGENERATE_RUN_TIME_STATS时所需的函数，freertos.c文件中带有configGENERATE_RUN_TIME_STATS的函数，需要将我们定义的变量放置在其中。

extern uint32_t g_osRuntimeCounter;
__weak void configureTimerForRunTimeStats(void)
{
g_osRuntimeCounter = 0;
}

__weak unsigned long getRunTimeCounterValue(void)
{
//return 0;
	return g_osRuntimeCounter;
}

编写LED1正常运行的程序

void LED1_Task1(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED1_Task1 */
  /* Infinite loop */
int i=0;
  for(;;)
  {
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOE,GPIO_PIN_5);   //LED1状态每500s翻转一次
		printf("led1 run ..%d\n",i++);	
		
    osDelay(500);
  }
  /* USER CODE END LED1_Task1 */
}

编写 LED2正常运行程序

void LED2_Task03(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN LED2_Task03 */
  /* Infinite loop */
	int i=0;
  for(;;)
  { 
		HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_5);   //LED1状态每500s翻转一次
		printf("led run..%d\n",i++);
	osDelay(1000);
    
  }
  /* USER CODE END LED2_Task03 */
}

编写任务3程序，通过 osThreadList() 和 vTaskGetRunTimeStats() 获取 CPU 利用率与任务相关信息并通过串口打印出来

void StartTask3(void const * argument)
{
  /* USER CODE BEGIN StartTask3 */
  /* Infinite loop */
	uint8_t CPU_RunInfo[250]="123";		            //保存任务运行时间信息
  for(;;)
  {
    memset(CPU_RunInfo,0,strlen((const char *)CPU_RunInfo));				//信息缓冲区清零

    osThreadList(CPU_RunInfo);              //获取任务运行时间信息
    
    printf("---------------------------------------------\r\n");
    printf("Task      Task_Status Priority  Remaining_Stack Task_No\r\n");
    printf("%s", CPU_RunInfo);
    printf("---------------------------------------------\r\n");
    

		 memset(CPU_RunInfo,0,strlen((const char *)CPU_RunInfo));				//信息缓冲区清零
    
    vTaskGetRunTimeStats((char *)&CPU_RunInfo);
    
    printf("Task       Running_Count        Utilization\r\n");
    printf("%s", CPU_RunInfo);
    printf("---------------------------------------------\r\n\n");
    osDelay(1000);
  }

  /* USER CODE END StartTask3 */
}

四、下载验证

程序编译无误后下载到板子上

五、参考文献

STM32CubeMX学习笔记（37）——FreeRTOS实时操作系统使用（CPU使用率统计）_单片机freertos操作系统cpu占用率测试-****博客

码农公寓