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
,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 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。 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 //GCC版 根据MSDN的资料http://support.microsoft.com/default.aspx?scid=kb;en-us;172338,api提供的计时器最精确的就是使用QueryPerformanceCounter了,在我公司celeron2.4g的机器上通过QueryPerformanceFrequency再计算得到的计时单位大约是2.79e-7,如果需要再精确一点的计时,就需要采用获取CPU时钟周期的方式了,2.4g的话,时钟周期就是4.16e-10左右,可以满足更高的
。 网上找到的那篇文章是vc版的,现在将其改成gcc版。 gcc内嵌asm可以采用如下格式: __asm__ (instruction :output :input :clobbed) 使用rdtsc获取Time-Stamp Counter计数值的代码如下: unsigned long high32, low32 __asm__ (“rdtsc” :”=a”(low32),”=d”(high32) ) unsigned long long counter = high32; counter = (counter<<32) + low32 counter就是当前的Time-Stamp Counter计数值,计时单位就是CPU时钟周期。 获取CPU时钟周期的办法一个是根据CPU频率 可以算出,2.4G的CPU的话,就是1/2.4e+9秒。问题就是获取当前CPU的频率,据我所知,p4系列CPU的频率可以通过cpuid指令读取cpu信息取得Processor Brand String,而Processor Brand String中包含了cpu的频率信息,代码如下: // 0x80000002, 0x80000003, 0x80000004可以获取完整的Processor Brand String而0x80000004所取得的Processor Brand String中包含的是频率 long op = 0x80000004; long eax, ebx, ecx, edx; __asm__(“mov %%eax,%0\n\t” “cpuid” :“=a”(eax),”=b”(ebx),”=c”(ecx),”=d”(edx) :”r”(op) ) 将eax, ebx, ecx, edx依次反序按照ascii码 读出来,就是cpu的信息 例如 char ch; for(int i=0;i<4;i++){ ch = eax>>(i*8); cout<
O<,相比之下,eclipse开发java真是超棒的,不过这也有语言本身以及gcc的原因吧 api级高精度计时 C++: #include #include using namespace std; int main(int argc, char* argv[]) { LARGE_INTEGER frequency, start, end; double timeElapsedTotal; if(!QueryPerformanceFrequency( &frequency )) { cout<<"not supported"<建议先看这篇。不过当时代码是作为一个VC++动态链接库实现的,一直想把它改写为一个C++类。今天终于动手了,起因源于wxWidgets论坛上有一个人在问这个问题,终于引起了我的兴趣,于是克服了惰性,动了一把手。设计目标:在VC++和gcc下都能够编译。为了达到这个目标,首先要解决两个问题:1、vc++和gcc对64位整形的声明方法不一样,vc++是__int64,gcc是long long 。2、VC++和gcc嵌入汇编的方法不一样,gcc使用AT&T汇编,vc++使用intel汇编。为了解决这两个问题,决定条件编译,用 _MSC_VER 这个宏来判断编译环境是VC++还是gcc,如果有 _MSC_VER 宏,说明是VC++环境。 代码如下: asmdelay.h ---------------------------------------------------- //精确定时类。//功能1:获取CPU主频(MHz)//功能2:精确延时(毫秒级)//功能3:精确计时(毫秒级)//编译: VC++ / gcc//注意: VC++下编译,需要进入当前
的Settings,选中asmdelay.cpp,选择C/C++选项卡,从Category组合框中选中Precompiled Headers,选择Not Using Precompiled headers。 #ifndef __ASMDELAY_h__24687444848486484894589754#define __ASMDELAY_h__24687444848486484894589754 #ifdef _MSC_VER typedef unsigned __int64 __UINT64;#else typedef unsigned long long __UINT64;#endif class CAsmDelay{private: unsigned long m_Freq; //CPU主频 __UINT64 m_TimeStamp; //计时器开启时的CPU时间戳 int GetFrequency(void) ; //计算CPU主频的函数 __UINT64 GetCycleCount(); //读取CPU的指令周期寄存器public: unsigned long GetCPUFreq(); //查看CPU主频 CAsmDelay(); ~CAsmDelay(); void msDelay(long ms); //毫秒级延时 void StartCalculagraph(); //启动计时器 long StopCalculagraph(); //结束计时器,并返回从启动到关闭经过了多少毫秒。}; #endif ---------------------------------------------------- asmdelay.cpp ---------------------------------------------------- #include "asmdelay.h"#include "windows.h" CAsmDelay::CAsmDelay(){ m_Freq = GetFrequency();} CAsmDelay::~CAsmDelay(){} unsigned long CAsmDelay::GetCPUFreq(){ return m_Freq;} __UINT64 CAsmDelay::GetCycleCount()//读取CPU的指令周期寄存器{ volatile __UINT64 CycleCount; #ifdef _MSC_VER __asm RDTSC __asm mov DWORD PTR CycleCount, EAX __asm mov DWORD PTR (CycleCount+4), EDX return CycleCount;#else volatile unsigned long lo=0,hi=0, *phi=((unsigned long *)(&CycleCount)) + 1, *plo=(unsigned long *)&CycleCount; __asm__ ("RDTSC"); __asm__ __volatile__ ("movl %%eax,%0; movl %%edx,%1;" :"=r"(lo),"=r"(hi)::"%eax","%edx"); *phi=hi; *plo=lo; return CycleCount;#endif } //获取CPU频率的内部函数 //MHzint CAsmDelay::GetFrequency(void){ _LARGE_INTEGER CurrTicks, TicksCount; __UINT64 iStartCounter, iStopCounter; unsigned long dwOldProcessP = GetPriorityClass(GetCurrentProcess()); unsigned long dwOldThreadP = GetThreadPriority(GetCurrentThread()); SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), REALTIME_PRIORITY_CLASS); SetThreadPriority(GetCurrentThread(), THREAD_PRIORITY_TIME_CRITICAL); QueryPerformanceFrequency(&TicksCount); QueryPerformanceCounter(&CurrTicks); TicksCount.QuadPart /= 16; TicksCount.QuadPart += CurrTicks.QuadPart; iStartCounter=GetCycleCount(); while(CurrTicks.QuadPart