单片机里面的CPU使用率

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2024年6月25日发(作者：)

单片机里面的CPU使用率

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。

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！

本文标签： 任务时间系统空闲切换