timegettime 与高精度计时

ゝ一纸荒年。 2022-05-31 04:16 187阅读 0赞

呵呵 随手记一下，大家不要骂我  
  
\#include

\#pragma comment(lib,"winmm.lib")  
  
timegettime的标称是毫秒级别  
但是实际 上只能精确到50毫秒

<table style="word-wrap:break-word; color:rgb(102,102,102); font-family:宋体,Arial; font-size:16px"> 
 <tbody style="word-wrap:break-word"> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; font-size:20px"> 使用CPU时间戳进行高精度计时 </td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td align="middle" style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px; font-size:12px"> 2003-3-27 13:14:11&nbsp;&nbsp; GAMERES&nbsp;&nbsp; zhangyan_qd&nbsp;&nbsp; 阅读次数:&nbsp;6609</td> 
 </tr> 
 <tr style="word-wrap:break-word"> 
 <td style="word-wrap:break-word; margin:0px; padding:0px">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&nbsp;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&nbsp;Pentium 以上级别的CPU中，有一个称为“时间戳（Time&nbsp;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&nbsp;Time&nbsp;Stamp&nbsp;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&nbsp;unsigned&nbsp;__int64&nbsp;GetCycleCount() { &nbsp;__asm&nbsp;RDTSC } </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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   
\#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，但由于Windows头文件错综复杂的关系  
//简单包 含比较偷懒：）  
//编译行：CL timer2.cpp /link winmm.lib  
\#include  
\#include  
  
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  
\#include  
  
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  
  
参 考资料：  
\[YUAN 2002\]Feng Yuan 著，英宇工作室 译，Windows图形编程，机械工业出版 社，2002.4.，P15-17  
  
转自：http://blog.chinaunix.net/uid-16936786-id-2841741.html