中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所 游志宇

在工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，有許多需要定時(shí)完成的操作，如定時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間，定時(shí)刷新屏幕上的進(jìn)度條，上位 機(jī)定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送命令和傳送數(shù)據(jù)等。特別是在對(duì)控制性能要求較高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，就更需要精確定時(shí)操作。
　　眾所周知，Windows 是基于消息機(jī)制的系統(tǒng)，任何事件的執(zhí)行都是通過(guò)發(fā)送和接收消息來(lái)完成的。 這樣就帶來(lái)了一些問(wèn)題，如一旦計(jì)算機(jī)的CPU被某個(gè)進(jìn)程占用，或系統(tǒng)資源緊張時(shí)，發(fā)送到消息隊(duì)列 中的消息就暫時(shí)被掛起，得不到實(shí)時(shí)處理。因此，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)Windows消息引發(fā)一個(gè)對(duì)定時(shí)要求 嚴(yán)格的事件。另外，由于在Windows中已經(jīng)封裝了計(jì)算機(jī)底層硬件的訪問(wèn)，所以，要想通過(guò)直接利用 訪問(wèn)硬件來(lái)完成精確定時(shí)，也比較困難。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)針對(duì)具體定時(shí)精度的要求，采取相適 應(yīng)的定時(shí)方法。
　　VC中提供了很多關(guān)于時(shí)間操作的函數(shù)，利用它們控制程序能夠精確地完成定時(shí)和計(jì)時(shí)操作。本文詳細(xì)介紹了 VC中基于Windows的精確定時(shí)的七種方式，如下圖所示：

圖一 圖像描述

　　方式一：VC中的WM_TIMER消息映射能進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)間控制。首先調(diào)用函數(shù)SetTimer()設(shè)置定時(shí) 間隔，如SetTimer(0,200,NULL)即為設(shè)置200ms的時(shí)間間隔。然后在應(yīng)用程序中增加定時(shí)響應(yīng)函數(shù) OnTimer()，并在該函數(shù)中添加響應(yīng)的處理語(yǔ)句，用來(lái)完成到達(dá)定時(shí)時(shí)間的操作。這種定時(shí)方法非常 簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)一定的定時(shí)功能，但其定時(shí)功能如同Sleep()函數(shù)的延時(shí)功能一樣，精度非常低，最小 計(jì)時(shí)精度僅為30ms，CPU占用低，且定時(shí)器消息在多任務(wù)操作系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)很低，不能得到及時(shí)響 應(yīng)，往往不能滿足實(shí)時(shí)控制環(huán)境下的應(yīng)用。只可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如位圖的動(dòng)態(tài)顯示等對(duì)定時(shí)精度要求不高的情況。如示例工程中的Timer1。
　　方式二：VC中使用sleep()函數(shù)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，它的單位是ms，如延時(shí)2秒，用sleep(2000)。精度非常 低，最小計(jì)時(shí)精度僅為30ms，用sleep函數(shù)的不利處在于延時(shí)期間不能處理其他的消息，如果時(shí)間太 長(zhǎng)，就好象死機(jī)一樣，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時(shí)程序中。如示例工程中的Timer2。
　　方式三：利用COleDateTime類和COleDateTimeSpan類結(jié)合WINDOWS的消息處理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)秒級(jí)延時(shí)。如示例工程中的Timer3和Timer3_1。以下是實(shí)現(xiàn)2秒的延時(shí)代碼：
COleDateTime      start_time = COleDateTime::GetCurrentTime();
      COleDateTimeSpan  end_time= COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      while(end_time.GetTotalSeconds()< 2) //實(shí)現(xiàn)延時(shí)2秒
     {
              MSG   msg;
              GetMessage(&msg,NULL,0,0);
              TranslateMessage(&msg);
              DispatchMessage(&msg);
             
             //以上四行是實(shí)現(xiàn)在延時(shí)或定時(shí)期間能處理其他的消息，
　　　　　　 //雖然這樣可以降低CPU的占有率，
             //但降低了延時(shí)或定時(shí)精度，實(shí)際應(yīng)用中可以去掉。
             end_time = COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      }//這樣在延時(shí)的時(shí)候我們也能夠處理其他的消息。     
方式四：在精度要求較高的情況下，VC中可以利用GetTickCount()函數(shù)，該函數(shù)的返回值是  DWORD型，表示以ms為單位的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)歷的時(shí)間間隔。精度比WM_TIMER消息映射高，在較 短的定時(shí)中其計(jì)時(shí)誤差為15ms，在較長(zhǎng)的定時(shí)中其計(jì)時(shí)誤差較低，如果定時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)，就好象死機(jī)一樣，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時(shí)程序中。如示例工程中的Timer4和Timer4_1。下列代碼可以實(shí)現(xiàn)50ms的精確定時(shí)：

       DWORD dwStart = GetTickCount();
DWORD dwEnd   = dwStart;
do
{
dwEnd = GetTickCount()-dwStart;
}while(dwEnd <50);

為使GetTickCount()函數(shù)在延時(shí)或定時(shí)期間能處理其他的消息，可以把代碼改為：

       DWORD dwStart = GetTickCount();
DWORD dwEnd   = dwStart;
do
{
MSG   msg;
GetMessage(&msg,NULL,0,0);
TranslateMessage(&msg);
DispatchMessage(&msg);
dwEnd = GetTickCount()-dwStart;
}while(dwEnd <50);

雖然這樣可以降低CPU的占有率，并在延時(shí)或定時(shí)期間也能處理其他的消息，但降低了延時(shí)或定時(shí)精度。
　　方式五：與GetTickCount()函數(shù)類似的多媒體定時(shí)器函數(shù)DWORD timeGetTime(void)，該函數(shù)定時(shí)精 度為ms級(jí)，返回從Windows啟動(dòng)開(kāi)始經(jīng)過(guò)的毫秒數(shù)。微軟公司在其多媒體Windows中提供了精確定時(shí)器的底 層API持，利用多媒體定時(shí)器可以很精確地讀出系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間，并且能在非常精確的時(shí)間間隔內(nèi)完成一 個(gè)事件、函數(shù)或過(guò)程的調(diào)用。不同之處在于調(diào)用DWORD timeGetTime(void) 函數(shù)之前必須將 Winmm.lib  和 Mmsystem.h 添加到工程中，否則在編譯時(shí)提示DWORD timeGetTime(void)函數(shù)未定義。由于使用該 函數(shù)是通過(guò)查詢的方式進(jìn)行定時(shí)控制的，所以，應(yīng)該建立定時(shí)循環(huán)來(lái)進(jìn)行定時(shí)事件的控制。如示例工程中的Timer5和Timer5_1。
　　方式六：使用多媒體定時(shí)器timeSetEvent()函數(shù)，該函數(shù)定時(shí)精度為ms級(jí)。利用該函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)周期性的函數(shù)調(diào)用。如示例工程中的Timer6和Timer6_1。函數(shù)的原型如下：

       MMRESULT timeSetEvent（ UINT uDelay,
UINT uResolution,
LPTIMECALLBACK lpTimeProc,
WORD dwUser,
UINT fuEvent ）

　　該函數(shù)設(shè)置一個(gè)定時(shí)回調(diào)事件，此事件可以是一個(gè)一次性事件或周期性事件。事件一旦被激活，便調(diào)用指定的回調(diào)函數(shù)， 成功后返回事件的標(biāo)識(shí)符代碼，否則返回NULL。函數(shù)的參數(shù)說(shuō)明如下：

       uDelay：以毫秒指定事件的周期。
Uresolution：以毫秒指定延時(shí)的精度，數(shù)值越小定時(shí)器事件分辨率越高。缺省值為1ms。
LpTimeProc：指向一個(gè)回調(diào)函數(shù)。
DwUser：存放用戶提供的回調(diào)數(shù)據(jù)。
FuEvent：指定定時(shí)器事件類型：
TIME_ONESHOT：uDelay毫秒后只產(chǎn)生一次事件
TIME_PERIODIC ：每隔uDelay毫秒周期性地產(chǎn)生事件。      

　　具體應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)調(diào)用timeSetEvent()函數(shù)，將需要周期性執(zhí)行的任務(wù)定義在LpTimeProc回調(diào)函數(shù) 中(如：定時(shí)采樣、控制等)，從而完成所需處理的事件。需要注意的是，任務(wù)處理的時(shí)間不能大于周期間隔時(shí)間。另外，在定時(shí)器使用完畢后， 應(yīng)及時(shí)調(diào)用timeKillEvent()將之釋放。
　　方式七：對(duì)于精確度要求更高的定時(shí)操作，則應(yīng)該使用QueryPerformanceFrequency()和 QueryPerformanceCounter()函數(shù)。這兩個(gè)函數(shù)是VC提供的僅供Windows 95及其后續(xù)版本使用的精確時(shí)間函數(shù)，并要求計(jì)算機(jī)從硬件上支持精確定時(shí)器。如示例工程中的Timer7、Timer7_1、Timer7_2、Timer7_3。
QueryPerformanceFrequency()函數(shù)和QueryPerformanceCounter()函數(shù)的原型如下：

       BOOL  QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTEGER ＊lpFrequency);
BOOL  QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER ＊lpCount);

　　數(shù)據(jù)類型ARGE_INTEGER既可以是一個(gè)8字節(jié)長(zhǎng)的整型數(shù)，也可以是兩個(gè)4字節(jié)長(zhǎng)的整型數(shù)的聯(lián)合結(jié)構(gòu)， 其具體用法根據(jù)編譯器是否支持64位而定。該類型的定義如下：

       typedef union _LARGE_INTEGER
{
struct
{
DWORD LowPart ;// 4字節(jié)整型數(shù)
LONG  HighPart;// 4字節(jié)整型數(shù)
};
LONGLONG QuadPart ;// 8字節(jié)整型數(shù)
}LARGE_INTEGER ;

　　在進(jìn)行定時(shí)之前，先調(diào)用QueryPerformanceFrequency()函數(shù)獲得機(jī)器內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘頻率， 然后在需要嚴(yán)格定時(shí)的事件發(fā)生之前和發(fā)生之后分別調(diào)用QueryPerformanceCounter()函數(shù)，利用兩次獲得的計(jì)數(shù)之差及時(shí)鐘頻率，計(jì)算出事件經(jīng) 歷的精確時(shí)間。下列代碼實(shí)現(xiàn)1ms的精確定時(shí)：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart1 = litmp.QuadPart;// 獲得初始值
do
{
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart2 = litmp.QuadPart;//獲得中止值
dfMinus = (double)(QPart2-QPart1);
dfTim = dfMinus / dfFreq;// 獲得對(duì)應(yīng)的時(shí)間值，單位為秒
}while(dfTim<0.001);

　　其定時(shí)誤差不超過(guò)1微秒，精度與CPU等機(jī)器配置有關(guān)。 下面的程序用來(lái)測(cè)試函數(shù)Sleep(100)的精確持續(xù)時(shí)間：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart1 = litmp.QuadPart;// 獲得初始值
Sleep(100);
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart2 = litmp.QuadPart;//獲得中止值
dfMinus = (double)(QPart2-QPart1);
dfTim = dfMinus / dfFreq;// 獲得對(duì)應(yīng)的時(shí)間值，單位為秒     

　　由于Sleep()函數(shù)自身的誤差，上述程序每次執(zhí)行的結(jié)果都會(huì)有微小誤差。下列代碼實(shí)現(xiàn)1微秒的精確定時(shí)：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart1 = litmp.QuadPart;// 獲得初始值
do
{
QueryPerformanceCounter(&litmp);
QPart2 = litmp.QuadPart;//獲得中止值
dfMinus = (double)(QPart2-QPart1);
dfTim = dfMinus / dfFreq;// 獲得對(duì)應(yīng)的時(shí)間值，單位為秒
}while(dfTim<0.000001);

其定時(shí)誤差一般不超過(guò)0.5微秒，精度與CPU等機(jī)器配置有關(guān)。