eCos系统CPU负载测量

cpuload组件包提供了一种估算CPU负载的方式。它可以估算最近0.1秒、1秒和10秒内的CPU负载百分比。

负载测量API

首先，必须在被测目标机上对测量算法进行校准，一旦校准完成后就可以开始测量。测量是一个连续过程，因此总是提供最近的测量数据，测量过程可以根据需要随时停止。一旦开始测量过程，就可以获取测量结果。

需要注意的是：如果目标机或CPU执行任何节能措施，例如降低时钟频率或者挂起CPU等，这些节能措施将干扰CPU负载测量，在这种情况下，测量结果是未定义的。Synthetic Target就是这样的情况之一。阅读本文后续实现细节章节可以了解更多。

『译注』Cortex-M架构的默认实现会在执行空闲任务时挂起CPU，因此默认情况下，测量结果并非是实际的CPU负载，需要重定义HAL_IDLE_THREAD_ACTION宏取消空闲时挂起，HAL_IDLE_THREAD_ACTION宏的默认实现位于hal/cortexm/arch/<version>/include/hal_arch.h:336。

负载测量不支持SMP系统，仅支持单CPU系统。

负载测量API可以在cyg/cpuload/cpuload.h中找到。

『译注』源代码位于services/cpuload/。

cyg_cpuload_calibrate

这个函数用来校准CPU负载测量算法。它执行一次特别的测量过程确定空闲时的CPU性能。

void cyg_cpuload_calibrate(cyg_uint32* calibration);

该函数通过calibration指针返回校准值。

这个函数是非常特别的，为了获得正确的校准结果需要满足若干条件。该函数使用了2个最高线程优先级，当该函数被使用时，其它线程不能使用这两个优先级。调用该函数时，内核调度器必须已经启动而且调度器未加锁。该函数将花费0.1秒的时间完成校准操作，在这0.1秒校准期间不能有任何其它线程执行。

『译注』这个函数使用了线程优先级1和2，为了获得正确的测量结果，其它线程不能使用优先级1和2。eCos的最高线程优先级是0，如果有优先级为0的线程，必须保证在校准过程该线程处于挂起状态，否则校准过程可能被优先级为0的线程抢占而导致错误的校准结果。

『译注』该函数将会创建一个线程，线程堆栈大小为CYGNUM_HAL_STACK_SIZE_MINIMUM，在Cortex-M架构下约1.5KB，该线程仅在校准过程执行一次，随后被删除永远都不会再执行，如果目标机内存非常有限，应当知晓CPU负载测量校准时使用了1.5KB的堆栈空间。

cyg_cpuload_create

这个函数启动CPU负载测量。

void cyg_cpuload_create(cyg_cpuload_t* cpuload,
                        cyg_uint32 calibrate,
                        cyg_handle_t* handle);

调用该函数启动测量过程，handle返回操作句柄，通过该句柄可以读取测量结果以及停止测量过程。

cyg_cpuload_delete

这个函数停止CPU负载测量。

void cyg_cpuload_delete(cyg_handle_t handle);

handle必须是cyg_cpuload_create函数返回的操作句柄。

cyg_cpuload_get

这个函数返回最近的测量结果。

void cyg_cpuload_get(cyg_handle_t handle,
                     cyg_uint32* average_point1s,
                     cyg_uint32* average_1s,
                     cyg_uint32* average_10s);

handle必须是cyg_cpuload_create函数返回的操作句柄。最近0.1秒、1秒和10秒的负载测量结果通过average_point1s、average_1s和average_10s返回。

实现细节

这一节给出一些测量过程的实现细节，这些细节可以帮助我们理解测量结果的意义。

当没有其它线程可以执行时，eCos将执行空闲线程，空闲线程总是可执行的而且使用最低线程优先级。空闲线程只做一点点事情，它有一个永远都不会退出的循环，每次循环将idle_thread_loops变量加1，然后调用HAL_IDLE_THREAD_ACTION宏。CPU负载测量算法就是使用了idle_thread_loops变量，测量算法周期性地检查idle_thread_loops变量，并记录前后两次检查的差值，系统越空这个差值就越大，通过这个简单的手段就可以确定系统的负载。

cyg_cpuload_calibrate函数执行空闲任务0.1秒，从而确定系统空闲0.1秒的时间内idle_thread_loops会被累加多少次。cyg_cpuload_create函数启动一个闹钟，这个闹钟每隔0.1秒调用回调函数，回调函数计算idle_thread_loops从上次检查到本次检查的差值，然后根据这个差值以及校准值计算出CPU负载。回调函数用新的计算结果更新cyg_cpuload结构，0.1秒负载只是简单地复制最近的测量结果，然后通过一个简单的滤波计算1秒和10秒负载。由于舍入误差的存在，即使系统满负载，1秒和10秒测量值也永远都不会达到100%，通常看到的是99%。

如前所述，电源管理代码将干扰上述测量结果。CPU负载测量的基本假设是：空闲线程可以无障碍地运行，而且运行条件与校准时的运行条件保持一致。如果降低CPU时钟频率，那么空闲线程的计数器累加速率将变慢，因此CPU负载测量结果值将偏高，如果CPU被完全挂起，那么CPU负载测量结果将是100%。