单片机整体CPU使用情况

　　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！