中國科學院光電技術研究所 游志宇

在工業生產控制系統中，有許多需要定時完成的操作，如定時顯示當前時間，定時刷新屏幕上的進度條，上位 機定時向下位機發送命令和傳送數據等。特別是在對控制性能要求較高的實時控制系統和數據采集系統中，就更需要精確定時操作。
　　眾所周知，Windows 是基于消息機制的系統，任何事件的執行都是通過發送和接收消息來完成的。 這樣就帶來了一些問題，如一旦計算機的CPU被某個進程占用，或系統資源緊張時，發送到消息隊列 中的消息就暫時被掛起，得不到實時處理。因此，不能簡單地通過Windows消息引發一個對定時要求 嚴格的事件。另外，由于在Windows中已經封裝了計算機底層硬件的訪問，所以，要想通過直接利用 訪問硬件來完成精確定時，也比較困難。所以在實際應用時，應針對具體定時精度的要求，采取相適 應的定時方法。
　　VC中提供了很多關于時間操作的函數，利用它們控制程序能夠精確地完成定時和計時操作。本文詳細介紹了 VC中基于Windows的精確定時的七種方式，如下圖所示：

圖一 圖像描述

　　方式一：VC中的WM_TIMER消息映射能進行簡單的時間控制。首先調用函數SetTimer()設置定時 間隔，如SetTimer(0,200,NULL)即為設置200ms的時間間隔。然后在應用程序中增加定時響應函數 OnTimer()，并在該函數中添加響應的處理語句，用來完成到達定時時間的操作。這種定時方法非常 簡單，可以實現一定的定時功能，但其定時功能如同Sleep()函數的延時功能一樣，精度非常低，最小 計時精度僅為30ms，CPU占用低，且定時器消息在多任務操作系統中的優先級很低，不能得到及時響 應，往往不能滿足實時控制環境下的應用。只可以用來實現諸如位圖的動態顯示等對定時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()函數實現延時，它的單位是ms，如延時2秒，用sleep(2000)。精度非常 低，最小計時精度僅為30ms，用sleep函數的不利處在于延時期間不能處理其他的消息，如果時間太 長，就好象死機一樣，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時程序中。如示例工程中的Timer2。
　　方式三：利用COleDateTime類和COleDateTimeSpan類結合WINDOWS的消息處理過程來實現秒級延時。如示例工程中的Timer3和Timer3_1。以下是實現2秒的延時代碼：
COleDateTime      start_time = COleDateTime::GetCurrentTime();
      COleDateTimeSpan  end_time= COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      while(end_time.GetTotalSeconds()< 2) //實現延時2秒
     {
              MSG   msg;
              GetMessage(&msg,NULL,0,0);
              TranslateMessage(&msg);
              DispatchMessage(&msg);
             
             //以上四行是實現在延時或定時期間能處理其他的消息，
　　　　　　 //雖然這樣可以降低CPU的占有率，
             //但降低了延時或定時精度，實際應用中可以去掉。
             end_time = COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      }//這樣在延時的時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，該函數的返回值是  DWORD型，表示以ms為單位的計算機啟動后經歷的時間間隔。精度比WM_TIMER消息映射高，在較 短的定時中其計時誤差為15ms，在較長的定時中其計時誤差較低，如果定時時間太長，就好象死機一樣，CPU占用率非常高，只能用于要求不高的延時程序中。如示例工程中的Timer4和Timer4_1。下列代碼可以實現50ms的精確定時：

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

為使GetTickCount()函數在延時或定時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，并在延時或定時期間也能處理其他的消息，但降低了延時或定時精度。
　　方式五：與GetTickCount()函數類似的多媒體定時器函數DWORD timeGetTime(void)，該函數定時精 度為ms級，返回從Windows啟動開始經過的毫秒數。微軟公司在其多媒體Windows中提供了精確定時器的底 層API持，利用多媒體定時器可以很精確地讀出系統的當前時間，并且能在非常精確的時間間隔內完成一 個事件、函數或過程的調用。不同之處在于調用DWORD timeGetTime(void) 函數之前必須將 Winmm.lib  和 Mmsystem.h 添加到工程中，否則在編譯時提示DWORD timeGetTime(void)函數未定義。由于使用該 函數是通過查詢的方式進行定時控制的，所以，應該建立定時循環來進行定時事件的控制。如示例工程中的Timer5和Timer5_1。
　　方式六：使用多媒體定時器timeSetEvent()函數，該函數定時精度為ms級。利用該函數可以實現周期性的函數調用。如示例工程中的Timer6和Timer6_1。函數的原型如下：

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

　　該函數設置一個定時回調事件，此事件可以是一個一次性事件或周期性事件。事件一旦被激活，便調用指定的回調函數， 成功后返回事件的標識符代碼，否則返回NULL。函數的參數說明如下：

       uDelay：以毫秒指定事件的周期。
Uresolution：以毫秒指定延時的精度，數值越小定時器事件分辨率越高。缺省值為1ms。
LpTimeProc：指向一個回調函數。
DwUser：存放用戶提供的回調數據。
FuEvent：指定定時器事件類型：
TIME_ONESHOT：uDelay毫秒后只產生一次事件
TIME_PERIODIC ：每隔uDelay毫秒周期性地產生事件。      

　　具體應用時，可以通過調用timeSetEvent()函數，將需要周期性執行的任務定義在LpTimeProc回調函數 中(如：定時采樣、控制等)，從而完成所需處理的事件。需要注意的是，任務處理的時間不能大于周期間隔時間。另外，在定時器使用完畢后， 應及時調用timeKillEvent()將之釋放。
　　方式七：對于精確度要求更高的定時操作，則應該使用QueryPerformanceFrequency()和 QueryPerformanceCounter()函數。這兩個函數是VC提供的僅供Windows 95及其后續版本使用的精確時間函數，并要求計算機從硬件上支持精確定時器。如示例工程中的Timer7、Timer7_1、Timer7_2、Timer7_3。
QueryPerformanceFrequency()函數和QueryPerformanceCounter()函數的原型如下：

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

　　數據類型ARGE_INTEGER既可以是一個8字節長的整型數，也可以是兩個4字節長的整型數的聯合結構， 其具體用法根據編譯器是否支持64位而定。該類型的定義如下：

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

　　在進行定時之前，先調用QueryPerformanceFrequency()函數獲得機器內部定時器的時鐘頻率， 然后在需要嚴格定時的事件發生之前和發生之后分別調用QueryPerformanceCounter()函數，利用兩次獲得的計數之差及時鐘頻率，計算出事件經 歷的精確時間。下列代碼實現1ms的精確定時：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計數器的時鐘頻率
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;// 獲得對應的時間值，單位為秒
}while(dfTim<0.001);

　　其定時誤差不超過1微秒，精度與CPU等機器配置有關。 下面的程序用來測試函數Sleep(100)的精確持續時間：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計數器的時鐘頻率
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;// 獲得對應的時間值，單位為秒     

　　由于Sleep()函數自身的誤差，上述程序每次執行的結果都會有微小誤差。下列代碼實現1微秒的精確定時：

       LARGE_INTEGER litmp;
LONGLONG QPart1,QPart2;
double dfMinus, dfFreq, dfTim;
QueryPerformanceFrequency(&litmp);
dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 獲得計數器的時鐘頻率
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;// 獲得對應的時間值，單位為秒
}while(dfTim<0.000001);

其定時誤差一般不超過0.5微秒，精度與CPU等機器配置有關。