李帥的博客

在Pentium以上的CPU中，提供了一條機器指令RDTSC（Read Time Stamp Counter）來讀取這個時間戳的數(shù)字，并將其保存在EDX:EAX寄存器對中。由于EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平臺下C++語言保存函數(shù)返回值的寄存器，所以我們可以把這條指令看成是一個普通的函數(shù)調(diào)用。vc2003像這樣：
inline unsigned __int64 GetTimeStampCount()
{
__asm RDTSC
}
對于vc6或者其他編譯器可能不行，因為RDTSC不被C++的內(nèi)嵌匯編器直接支持，所以我們要用_emit偽指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31，如下：
inline unsigned __int64 GetTimeStampCount()
{
__asm _emit 0x0F
__asm _emit 0x31
}

對關(guān)注性能的程序開發(fā)人員而言，一個好的計時部件既是益友，也是良師。計時器既可以作為程序組件幫助程序員精確的控制程序進程，又是一件有力的調(diào)試武器，在有經(jīng)驗的程序員手里可以盡快的確定程序的性能瓶頸，或者對不同的算法作出有說服力的性能比較。  
   
  　　在Windows平臺下，常用的計時器有兩種，一種是timeGetTime多媒體計時器，它可以提供毫秒級的計時。但這個精度對很多應(yīng)用場合而言還是太粗糙了。另一種是QueryPerformanceCount計數(shù)器，隨系統(tǒng)的不同可以提供微秒級的計數(shù)。對于實時圖形處理、多媒體數(shù)據(jù)流處理、或者實時系統(tǒng)構(gòu)造的程序員，善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一項基本功。  
   
  　　本文要介紹的，是另一種直接利用Pentium   CPU內(nèi)部時間戳進行計時的高精度計時手段。以下討論主要得益于《Windows圖形編程》一書，第   15頁－17頁，有興趣的讀者可以直接參考該書。關(guān)于RDTSC指令的詳細討論，可以參考Intel產(chǎn)品手冊。本文僅僅作拋磚之用。  
  　　在   Intel   Pentium以上級別的CPU中，有一個稱為“時間戳（Time   Stamp）”的部件，它以64位無符號整型數(shù)的格式，記錄了自CPU上電以來所經(jīng)過的時鐘周期數(shù)。由于目前的CPU主頻都非常高，因此這個部件可以達到納秒級的計時精度。這個精確性是上述兩種方法所無法比擬的。  
   
  　　在Pentium以上的CPU中，提供了一條機器指令RDTSC（Read   Time   Stamp   Counter）來讀取這個時間戳的數(shù)字，并將其保存在EDX:EAX寄存器對中。由于EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平臺下C++語言保存函數(shù)返回值的寄存器，所以我們可以把這條指令看成是一個普通的函數(shù)調(diào)用。像這樣：  
   
  inline   unsigned   __int64   GetCycleCount()  
  {  
    __asm   RDTSC  
  }  
   
  但是不行，因為RDTSC不被C++的內(nèi)嵌匯編器直接支持，所以我們要用_emit偽指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31，如下：  
   
  inline   unsigned   __int64   GetCycleCount()  
  {  
    __asm   _emit   0x0F  
    __asm   _emit   0x31  
  }  
   
  以后在需要計數(shù)器的場合，可以像使用普通的Win32   API一樣，調(diào)用兩次GetCycleCount函數(shù)，比較兩個返回值的差，像這樣：  
   
  unsigned   long   t;  
  t   =   (unsigned   long)GetCycleCount();  
  //Do   Something   time-intensive   ...  
  t   -=   (unsigned   long)GetCycleCount();  
   
  　　《Windows圖形編程》第15頁編寫了一個類，把這個計數(shù)器封裝起來。有興趣的讀者可以去參考那個類的代碼。作者為了更精確的定時，做了一點小小的改進，把執(zhí)行RDTSC指令的時間，通過連續(xù)兩次調(diào)用GetCycleCount函數(shù)計算出來并保存了起來，以后每次計時結(jié)束后，都從實際得到的計數(shù)中減掉這一小段時間，以得到更準確的計時數(shù)字。但我個人覺得這一點點改進意義不大。在我的機器上實測，這條指令大概花掉了幾十到100多個周期，在   Celeron   800MHz的機器上，這不過是十分之一微秒的時間。對大多數(shù)應(yīng)用來說，這點時間完全可以忽略不計；而對那些確實要精確到納秒數(shù)量級的應(yīng)用來說，這個補償也過于粗糙了。  
   
  這個方法的優(yōu)點是：  
   
  1.高精度。可以直接達到納秒級的計時精度（在1GHz的CPU上每個時鐘周期就是一納秒），這是其他計時方法所難以企及的。  
   
  2.   成本低。timeGetTime   函數(shù)需要鏈接多媒體庫winmm.lib，QueryPerformance*   函數(shù)根據(jù)MSDN的說明，需要硬件的支持（雖然我還沒有見過不支持的機器）和KERNEL庫的支持，所以二者都只能在Windows平臺下使用（關(guān)于DOS平臺下的高精度計時問題，可以參考《圖形程序開發(fā)人員指南》，里面有關(guān)于控制定時器8253的詳細說明）。但RDTSC指令是一條CPU指令，凡是i386平臺下Pentium以上的機器均支持，甚至沒有平臺的限制（我相信i386版本UNIX和Linux下這個方法同樣適用，但沒有條件試驗），而且函數(shù)調(diào)用的開銷是最小的。  
   
  3.   具有和CPU主頻直接對應(yīng)的速率關(guān)系。一個計數(shù)相當于1/(CPU主頻Hz數(shù))秒，這樣只要知道了CPU的主頻，可以直接計算出時間。這和   QueryPerformanceCount不同，后者需要通過QueryPerformanceFrequency獲取當前計數(shù)器每秒的計數(shù)次數(shù)才能換算成時間。  
   
  這個方法的缺點是：  
   
  1.現(xiàn)有的C/C++編譯器多數(shù)不直接支持使用RDTSC指令，需要用直接嵌入機器碼的方式編程，比較麻煩。  
   
  2.數(shù)據(jù)抖動比較厲害。其實對任何計量手段而言，精度和穩(wěn)定性永遠是一對矛盾。如果用低精度的timeGetTime來計時，基本上每次計時的結(jié)果都是相同的；而RDTSC指令每次結(jié)果都不一樣，經(jīng)常有幾百甚至上千的差距。這是這種方法高精度本身固有的矛盾。  
   
  關(guān)于這個方法計時的最大長度，我們可以簡單的用下列公式計算：  
   
  自CPU上電以來的秒數(shù)   =   RDTSC讀出的周期數(shù)   /   CPU主頻速率（Hz）  
   
  64位無符號整數(shù)所能表達的最大數(shù)字是1.8×10^19，在我的Celeron   800上可以計時大約700年（書中說可以在200MHz的Pentium上計時117年，這個數(shù)字不知道是怎么得出來的，與我的計算有出入）。無論如何，我們大可不必關(guān)心溢出的問題。  
   
  下面是幾個小例子，簡要比較了三種計時方法的用法與精度  
   
  //Timer1.cpp   使用了RDTSC指令的Timer類//KTimer類的定義可以參見《Windows圖形編程》P15  
  //編譯行：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函數(shù)  
  //需包含&ltmmsys.h>，但由于Windows頭文件錯綜復(fù)雜的關(guān)系  
  //簡單包含&ltwindows.h>比較偷懶：）  
  //編譯行：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函數(shù)  
  //編譯行：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));  
  }  
   
  ////////////////////////////////////////////////  
  //以上三個示例程序都是測試1秒鐘休眠所耗費的時間  
  file://測/試環(huán)境：Celeron   800MHz   /   256M   SDRAM      
  //                     Windows   2000   Professional   SP2  
  //                     Microsoft   Visual   C++   6.0   SP5  
  ////////////////////////////////////////////////  
   
  以下是Timer1的運行結(jié)果，使用的是高精度的RDTSC指令  
  Lasting   Time:   804586872  
   
  以下是Timer2的運行結(jié)果，使用的是最粗糙的timeGetTime   API  
  Begin   Time:   20254254  
  End   Time:   20255255  
  Lasting   Time:   1001  
   
  以下是Timer3的運行結(jié)果，使用的是QueryPerformanceCount   API  
  Frequency:   3579545  
  Begin   Time:   3804729124  
  End   Time:   3808298836  
  Lasting   Time:   3569712  

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