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  1.   

    使用CPU时间戳进行高精度计时
    2003-3-27 13:14:11   GAMERES   zhangyan_qd   阅读次数: 1283
      对关注性能的程序开发人员而言,一个好的计时部件既是益友,也是良师。计时器既可以作为程序组件帮助程序员精确的控制程序进程,又是一件有力的调试武器,在有经验的程序员手里可以尽快的确定程序的性能瓶颈,或者对不同的算法作出有说服力的性能比较。  在Windows平台下,常用的计时器有两种,一种是timeGetTime多媒体计时器,它可以提供毫秒级的计时。但这个精度对很多应用场合而言还是太粗糙了。另一种是QueryPerformanceCount计数器,随系统的不同可以提供微秒级的计数。对于实时图形处理、多媒体数据流处理、或者实时系统构造的程序员,善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一项基本功。  本文要介绍的,是另一种直接利用Pentium CPU内部时间戳进行计时的高精度计时手段。以下讨论主要得益于《Windows图形编程》一书,第 15页-17页,有兴趣的读者可以直接参考该书。关于RDTSC指令的详细讨论,可以参考Intel产品手册。本文仅仅作抛砖之用。
      在 Intel Pentium以上级别的CPU中,有一个称为“时间戳(Time Stamp)”的部件,它以64位无符号整型数的格式,记录了自CPU上电以来所经过的时钟周期数。由于目前的CPU主频都非常高,因此这个部件可以达到纳秒级的计时精度。这个精确性是上述两种方法所无法比拟的。  在Pentium以上的CPU中,提供了一条机器指令RDTSC(Read Time Stamp Counter)来读取这个时间戳的数字,并将其保存在EDX:EAX寄存器对中。由于EDX:EAX寄存器对恰好是Win32平台下C++语言保存函数返回值的寄存器,所以我们可以把这条指令看成是一个普通的函数调用。像这样:inline unsigned __int64 GetCycleCount()
    {
     __asm RDTSC
    }但是不行,因为RDTSC不被C++的内嵌汇编器直接支持,所以我们要用_emit伪指令直接嵌入该指令的机器码形式0X0F、0X31,如下:inline unsigned __int64 GetCycleCount()
    {
     __asm _emit 0x0F
     __asm _emit 0x31
    }以后在需要计数器的场合,可以像使用普通的Win32 API一样,调用两次GetCycleCount函数,比较两个返回值的差,像这样:unsigned long t;
    t = (unsigned long)GetCycleCount();
    //Do Something time-intensive ...
    t -= (unsigned long)GetCycleCount();  《Windows图形编程》第15页编写了一个类,把这个计数器封装起来。有兴趣的读者可以去参考那个类的代码。作者为了更精确的定时,做了一点小小的改进,把执行RDTSC指令的时间,通过连续两次调用GetCycleCount函数计算出来并保存了起来,以后每次计时结束后,都从实际得到的计数中减掉这一小段时间,以得到更准确的计时数字。但我个人觉得这一点点改进意义不大。在我的机器上实测,这条指令大概花掉了几十到100多个周期,在 Celeron 800MHz的机器上,这不过是十分之一微秒的时间。对大多数应用来说,这点时间完全可以忽略不计;而对那些确实要精确到纳秒数量级的应用来说,这个补偿也过于粗糙了。这个方法的优点是:1.高精度。可以直接达到纳秒级的计时精度(在1GHz的CPU上每个时钟周期就是一纳秒),这是其他计时方法所难以企及的。2. 成本低。timeGetTime 函数需要链接多媒体库winmm.lib,QueryPerformance* 函数根据MSDN的说明,需要硬件的支持(虽然我还没有见过不支持的机器)和KERNEL库的支持,所以二者都只能在Windows平台下使用(关于DOS平台下的高精度计时问题,可以参考《图形程序开发人员指南》,里面有关于控制定时器8253的详细说明)。但RDTSC指令是一条CPU指令,凡是i386平台下Pentium以上的机器均支持,甚至没有平台的限制(我相信i386版本UNIX和Linux下这个方法同样适用,但没有条件试验),而且函数调用的开销是最小的。3. 具有和CPU主频直接对应的速率关系。一个计数相当于1/(CPU主频Hz数)秒,这样只要知道了CPU的主频,可以直接计算出时间。这和 QueryPerformanceCount不同,后者需要通过QueryPerformanceFrequency获取当前计数器每秒的计数次数才能换算成时间。这个方法的缺点是:1.现有的C/C++编译器多数不直接支持使用RDTSC指令,需要用直接嵌入机器码的方式编程,比较麻烦。2.数据抖动比较厉害。其实对任何计量手段而言,精度和稳定性永远是一对矛盾。如果用低精度的timeGetTime来计时,基本上每次计时的结果都是相同的;而RDTSC指令每次结果都不一样,经常有几百甚至上千的差距。这是这种方法高精度本身固有的矛盾。关于这个方法计时的最大长度,我们可以简单的用下列公式计算:自CPU上电以来的秒数 = RDTSC读出的周期数 / CPU主频速率(Hz)64位无符号整数所能表达的最大数字是1.8×10^19,在我的Celeron 800上可以计时大约700年(书中说可以在200MHz的Pentium上计时117年,这个数字不知道是怎么得出来的,与我的计算有出入)。无论如何,我们大可不必关心溢出的问题。下面是几个小例子,简要比较了三种计时方法的用法与精度//Timer1.cpp 使用了RDTSC指令的Timer类//KTimer类的定义可以参见《Windows图形编程》P15
    //编译行:CL Timer1.cpp /link USER32.lib
    #include &ltstdio.h>
    #include "KTimer.h"
    main()
    {
     unsigned t;
     KTimer timer;
     timer.Start();
     Sleep(1000);
     t = timer.Stop();
     printf("Lasting Time: %d\n",t);
    }//Timer2.cpp 使用了timeGetTime函数
    //需包含&ltmmsys.h>,但由于Windows头文件错综复杂的关系
    //简单包含&ltwindows.h>比较偷懒:)
    //编译行:CL timer2.cpp /link winmm.lib 
    #include &ltwindows.h>
    #include &ltstdio.h>main()
    {
     DWORD t1, t2;
     t1 = timeGetTime();
     Sleep(1000);
     t2 = timeGetTime();
     printf("Begin Time: %u\n", t1);
     printf("End Time: %u\n", t2);
     printf("Lasting Time: %u\n",(t2-t1));
    }//Timer3.cpp 使用了QueryPerformanceCounter函数
    //编译行:CL timer3.cpp /link KERNEl32.lib
    #include &ltwindows.h>
    #include &ltstdio.h>main()
    {
     LARGE_INTEGER t1, t2, tc;
     QueryPerformanceFrequency(&tc);
     printf("Frequency: %u\n", tc.QuadPart);
     QueryPerformanceCounter(&t1);
     Sleep(1000);
     QueryPerformanceCounter(&t2);
     printf("Begin Time: %u\n", t1.QuadPart);
     printf("End Time: %u\n", t2.QuadPart);
     printf("Lasting Time: %u\n",( t2.QuadPart- t1.QuadPart));
    }////////////////////////////////////////////////
    //以上三个示例程序都是测试1秒钟休眠所耗费的时间
    file://测/试环境:Celeron 800MHz / 256M SDRAM  
    //          Windows 2000 Professional SP2
    //          Microsoft Visual C++ 6.0 SP5
    ////////////////////////////////////////////////以下是Timer1的运行结果,使用的是高精度的RDTSC指令
    Lasting Time: 804586872以下是Timer2的运行结果,使用的是最粗糙的timeGetTime API
    Begin Time: 20254254
    End Time: 20255255
    Lasting Time: 1001以下是Timer3的运行结果,使用的是QueryPerformanceCount API
    Frequency: 3579545
    Begin Time: 3804729124
    End Time: 3808298836
    Lasting Time: 3569712  古人说,触类旁通。从一本介绍图形编程的书上得到一个如此有用的实时处理知识,我感到非常高兴。有美不敢自专,希望大家和我一样喜欢这个轻便有效的计时器。
      

  2.   

    http://www.ccw.com.cn/htm/app/aprog/01_1_17_4.asp
    http://vchelp.net/cndevforum/subject_view.asp?subject_id=3905
      

  3.   

    SYSTEMTIME tm2;
    ::GetSystemTime(&tm2);
      

  4.   

    sorry,没注意到楼主要的是微秒数。上面的代码是取毫秒数的。
      

  5.   

    看看这个精华帖子:
    http://community.csdn.net/Expert/topic/2663/2663023.xml?temp=.3350489
      

  6.   

    That's not true.
    Each hardware has it's own supportted high-resolution counter maybe it is it's frequency.
    Anyway counter divide frequency which is returned by QueryPerformanceFrequency