高精度计数器

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   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   Pentium以上级别的CPU中，有一个称为“时间戳（Time   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   Time   Stamp   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   unsigned   __int64   GetCycleCount()  
  {  
    __asm   RDTSC  
  }  
   
  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   <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函数  
  //需包含<mmsys.h>，但由于Windows头文件错综复杂的关系  
  //简单包含<windows.h>比较偷懒：）  
  //编译行：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函数  
  //编译行：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  
   
    古人说，触类旁通。从一本介绍图形编程的书上得到一个如此有用的实时处理知识，我感到非常高兴。有美不敢自专，希望大家和我一样喜欢这个轻便有效的计时器。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// KTimer.h
//
//       Windows Graphics Programming Win32 GDI and DirectDraw?
//       Feng Yuan
//       Publisher: Prentice Hall PTR
//       First Edition December 01, 2000
//
//   高精度纳秒计时器, 最后修改:
//       2008-12   by [e-mail]
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
/* Usage:

     int main()
     {
         KTimer   kt;
         unsigned int cpu_speed = kt.CPUSpeedMHz();

         kt.Start();

         Sleep(1234);

         unsigned int elapsed_cyc = (unsigned int) kt.Stop();

         printf("CPU Speed: %.2f Ghz. Elapsed %ld CPU Cycles ( %ld Nanosecond)/n",
             cpu_speed/1000.f,
             elapsed_cyc,
             KTimer::CyclesToNanos(elapsed_cyc, cpu_speed));
     }
*/
#pragma once

#ifndef STRICT
#   define STRICT
#endif

#ifndef WIN32_LEAN_AND_MEAN
#   define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#endif

#include <windows.h>

inline unsigned __int64 GetCycleCount(void)
{
     _asm     _emit 0x0F
     _asm     _emit 0x31
}

class KTimer
{
     unsigned __int64   m_startcycle;

public:

     unsigned __int64   m_overhead;   // Clock Cycles

     KTimer(void)
     {
         m_overhead = 0;
         Start();
         m_overhead = Stop();
     }

    // 启动CPU时钟
    void Start(void)
     {
         m_startcycle = GetCycleCount();
     }

    // 停止CPU时钟, 返回自上一次启动的时钟周期数
     unsigned __int64 Stop(void)
     {
        return GetCycleCount()-m_startcycle-m_overhead;
     }

    // 把以CPU周期数转为纳秒
     unsigned __int64 static CyclesToNanos(unsigned __int64 time_cycles, unsigned int speed_mhz)
     {
        return time_cycles*1000 / speed_mhz;
     }
    
    // 把以CPU周期数转为毫秒
     unsigned __int64 static CyclesToMillis(unsigned __int64 time_cycles, unsigned int speed_mhz)
     {
        return time_cycles / speed_mhz / 1000;
     }

    // 1GHz = 1000MHz
     unsigned int CPUSpeedMHz()
     {
         Start();
         Sleep(1000);
         unsigned __int64 cputime = Stop();
        
        return (unsigned int)(cputime/1000000);
     }   
};