使用CPU时间戳进行高精度计时

使用CPU时间戳进行高精度计时

[转贴]使用CPU时间戳进行高精度计时    
               
     
      从一论坛看到的转贴，不知道作者名。  
   
   
  　　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。   

 

 

[zt]
在 C/C++ 程序中常用 time( ) 来获取系统时间，但它是以秒为单位的，一需要小于1秒的时间间隔或者精度高于1秒的时间时就不再适用。

此时可以利用一种直接利用Pentium CPU内部时间戳进行计时的高精度计时手段来实现，可以用RDTSC指令来得到这个时间戳，祥见Kacker的文章，在Programming版精华区X-4-11-8。

得到CPU内部时间戳的方法如下：

undefinedview plaincopy to clipboardprint?
inline unsigned __int64 GetCycleCount()  
{  
__asm _emit 0x0F 
__asm _emit 0x31 
}  
inline unsigned __int64 GetCycleCount()
{
__asm _emit 0x0F
__asm _emit 0x31
}

这里得到的是 CPU 自上电起经过的时钟周期数，假设 CPU 的时钟频率为 1G，则一秒钟内该数值的变化约为 2^30，CPU 内部是一个 64 位的计数器，那么在 2^34 秒（即 544.8 年）内不会回归零，就当前来说，一台机器的持续运行时间是不会超过这个的，因而不用考虑计数器溢出。

用上面的函数得到的只是CPU的经过的时钟周期数，并不是时间，得考虑用其他方法将它转化成时间。不知道有没有办法通过读取BIOS信息来得到CPU频率的方法，目前好多计算 CPU 频率的方法就是利用 RDTSC 指令来实现。其中会用到 sleep() 或 delay() 等方法来得到一段粗略的时间，然后根据这段时间内计数器的变化得到相应的计数器变化值对应的粗略时间。

在对时间精度要求不高的情况下，比如只要精确到几十毫秒，sleep() 或者 delay() 来对计数器进行标定的方法是可以满足要求的。

可以把计数器的标定等封装起来，便于使用，如下：

watch.h文件：

< undefinedview plaincopy to clipboardprint?
#ifndef __WATCH_H__  
#define __WATCH_H__  
 
#include "sys/types.h"  
 
typedef __int64 INT64;  
 
class CWatch  
{  
public:  
    static void init();  
    static double GetTime();  
protected:  
    static INT64 GetCycleCount();  
private:  
    static INT64 count_per_second;  
    static double startTime;  
};  
 
#endif  
#ifndef __WATCH_H__
#define __WATCH_H__

#include "sys/types.h"

typedef __int64 INT64;

class CWatch
{
public:
    static void init();
    static double GetTime();
protected:
    static INT64 GetCycleCount();
private:
    static INT64 count_per_second;
    static double startTime;
};

#endif

watch.cpp文件：

undefinedview plaincopy to clipboardprint?
#include "watch.h"  
#include <stdlib.h>  
#include <time.h>  
#include <windows.h>  
 
INT64 CWatch::count_per_second = 0;  
double CWatch::startTime = 0.0;  
 
inline INT64 CWatch::GetCycleCount()  
{  
__asm _emit 0x0F 
__asm _emit 0x31 
}  
 
void CWatch::init()  
{  
    INT64 start = GetCycleCount();  
    Sleep(1000); //等待1秒钟，提高等待的时间，可以提高标定的精度  
    INT64 end = GetCycleCount();  
    count_per_second = end - start;  
 
    double currTime = (double)GetCycleCount() / count_per_second;  
    time_t realTime = time( NULL ); //当前时间，精度只有1s  
    startTime = realTime - currTime; //CPU上电时的时间  
}  
 
inline double CWatch::GetTime()  
{  
    double currTime = (double)GetCycleCount() / count_per_second;  
    return currTime + startTime;  
}  
#include "watch.h"
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <windows.h>

INT64 CWatch::count_per_second = 0;
double CWatch::startTime = 0.0;

inline INT64 CWatch::GetCycleCount()
{
__asm _emit 0x0F
__asm _emit 0x31
}

void CWatch::init()
{
    INT64 start = GetCycleCount();
    Sleep(1000); //等待1秒钟，提高等待的时间，可以提高标定的精度
    INT64 end = GetCycleCount();
    count_per_second = end - start;

    double currTime = (double)GetCycleCount() / count_per_second;
    time_t realTime = time( NULL ); //当前时间，精度只有1s
    startTime = realTime - currTime; //CPU上电时的时间
}

inline double CWatch::GetTime()
{
    double currTime = (double)GetCycleCount() / count_per_second;
    return currTime + startTime;
}
 

由于对计数器进行时间标定时用到了 time() ，因而绝对时间的精度只有秒，而时间差的精度可以达到 1%（由Sleep的相对精度决定）。比如想得到 1ms 的时间差，其误差只有 0.01ms。

如果有了得到准确的 CPU 频率的方法，就比较完美了 :-)