呵呵 隨手記一下，大家不要罵我
#include? <mmsystem.h>
#pragma comment(lib,"winmm.lib")
timegettime的標稱是毫秒級別
但是實際上只能精確到50毫秒
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使用CPU時間戳進行高精度計時
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| 2003-3-27 13:14:11?? GAMERES?? zhangyan_qd?? 閱讀次數:?6609 |
對關注性能的程序開發人員而言，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，又是一件有力的調試武器，在有經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用場合而言還是太粗糙了。另一種是QueryPerformanceCount計數器，隨系統的不同可以提供微秒級的計數。對于實時圖形處理、多媒體數據流處理、或者實時系統構造的程序員，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。關于RDTSC指令的詳細討論，可以參考Intel產品手冊。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位無符號整型數的格式，記錄了自CPU上電以來所經過的時鐘周期數。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調用。像這樣：
inline?unsigned?__int64?GetCycleCount()
{
?__asm?RDTSC
}
但是不行，因為RDTSC不被C++的內嵌匯編器直接支持，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
}
以后在需要計數器的場合，可以像使用普通的Win32?API一樣，調用兩次GetCycleCount函數，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，把執行RDTSC指令的時間，通過連續兩次調用GetCycleCount函數計算出來并保存了起來，以后每次計時結束后，都從實際得到的計數中減掉這一小段時間，以得到更準確的計時數字。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。對大多數應用來說，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量級的應用來說，這個補償也過于粗糙了。
這個方法的優點是：
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?函數需要鏈接多媒體庫winmm.lib，QueryPerformance*?函數根據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（關于DOS平臺下的高精度計時問題，可以參考《圖形程序開發人員指南》，里面有關于控制定時器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），而且函數調用的開銷是最小的。
3.具有和CPU主頻直接對應的速率關系。一個計數相當于1/(CPU主頻Hz數)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獲取當前計數器每秒的計數次數才能換算成時間。
這個方法的缺點是：
1.現有的C/C++編譯器多數不直接支持使用RDTSC指令，需要用直接嵌入機器碼的方式編程，比較麻煩。
2.數據抖動比較厲害。其實對任何計量手段而言，精度和穩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果都是相同的；而RDTSC指令每次結果都不一樣，經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?=?RDTSC讀出的周期數?/?CPU主頻速率（Hz）
64位無符號整數所能表達的最大數字是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?<stdio.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
//需包含<mmsys.h>，但由于Windows頭文件錯綜復雜的關系
//簡單包含<windows.h>比較偷懶：）
//編譯行：CL?timer2.cpp?/link?winmm.lib?
#include?<windows.h>
#include?<stdio.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
//編譯行：CL?timer3.cpp?/link?KERNEl32.lib
#include?<windows.h>
#include?<stdio.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/試環境：Celeron?800MHz?/?256M?SDRAM??
//??????????Windows?2000?Professional?SP2
//??????????Microsoft?Visual?C++?6.0?SP5
////////////////////////////////////////////////
以下是Timer1的運行結果，使用的是高精度的RDTSC指令
Lasting?Time:?804586872
以下是Timer2的運行結果，使用的是最粗糙的timeGetTime?API
Begin?Time:?20254254
End?Time:?20255255
Lasting?Time:?1001
以下是Timer3的運行結果，使用的是QueryPerformanceCount?API
Frequency:?3579545
Begin?Time:?3804729124
End?Time:?3808298836
Lasting?Time:?3569712
參考資料：
[YUAN?2002]Feng?Yuan?著，英宇工作室?譯，Windows圖形編程，機械工業出版社，2002.4.，P15-17
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