獲取CPU時間戳代碼 使用CPU時間戳進行高精度計時

在Pentium以上的CPU中,提供了一條機器指令RDTSC(Read Time Stamp Counter)來讀取這個時間戳的數字,並將其保存在EDX:EAX寄存器對中。由於EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平臺下C++語言保存函數返回值的寄存器,所以我們可以把這條指令看成是一個普通的函數調用。vc2003像這樣:
inline unsigned __int64 GetTimeStampCount()
{
__asm RDTSC
}
對於vc6或者其他編譯器可能不行,因爲RDTSC不被C++的內嵌彙編器直接支持,所以我們要用_emit僞指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31,如下:
inline unsigned __int64 GetTimeStampCount()
{
__asm _emit 0x0F
__asm _emit 0x31
}

 

 

對關注性能的程序開發人員而言,一個好的計時部件既是益友,也是良師。計時器既可以作爲程序組件幫助程序員精確的控制程序進程,又是一件有力的調試武器,在有經驗的程序員手裏可以儘快的確定程序的性能瓶頸,或者對不同的算法作出有說服力的性能比較。  
   
    在Windows平臺下,常用的計時器有兩種,一種是timeGetTime多媒體計時器,它可以提供毫秒級的計時。但這個精度對很多應用場合而言還是太粗糙了。另一種是QueryPerformanceCount計數器,隨系統的不同可以提供微秒級的計數。對於實時圖形處理、多媒體數據流處理、或者實時系統構造的程序員,善用QueryPerformanceCount/QueryPerformanceFrequency是一項基本功。  
   
    本文要介紹的,是另一種直接利用Pentium   CPU內部時間戳進行計時的高精度計時手段。以下討論主要得益於《Windows圖形編程》一書,第   15頁-17頁,有興趣的讀者可以直接參考該書。關於RDTSC指令的詳細討論,可以參考Intel產品手冊。本文僅僅作拋磚之用。  
    在   Intel   Pentium以上級別的CPU中,有一個稱爲“時間戳(Time   Stamp)”的部件,它以64位無符號整型數的格式,記錄了自CPU上電以來所經過的時鐘週期數。由於目前的CPU主頻都非常高,因此這個部件可以達到納秒級的計時精度。這個精確性是上述兩種方法所無法比擬的。  
   
    在Pentium以上的CPU中,提供了一條機器指令RDTSC(Read   Time   Stamp   Counter)來讀取這個時間戳的數字,並將其保存在EDX:EAX寄存器對中。由於EDX:EAX寄存器對恰好是Win32平臺下C++語言保存函數返回值的寄存器,所以我們可以把這條指令看成是一個普通的函數調用。像這樣:  
   
  inline   unsigned   __int64   GetCycleCount()  
  {  
    __asm   RDTSC  
  }  
   
  但是不行,因爲RDTSC不被C++的內嵌彙編器直接支持,所以我們要用_emit僞指令直接嵌入該指令的機器碼形式0X0F、0X31,如下:  
   
  inline   unsigned   __int64   GetCycleCount()  
  {  
    __asm   _emit   0x0F  
    __asm   _emit   0x31  
  }  
   
  以後在需要計數器的場合,可以像使用普通的Win32   API一樣,調用兩次GetCycleCount函數,比較兩個返回值的差,像這樣:  
   
  unsigned   long   t;  
  t   =   (unsigned   long)GetCycleCount();  
  //Do   Something   time-intensive   ...  
  t   -=   (unsigned   long)GetCycleCount();  
   
    《Windows圖形編程》第15頁編寫了一個類,把這個計數器封裝起來。有興趣的讀者可以去參考那個類的代碼。作者爲了更精確的定時,做了一點小小的改進,把執行RDTSC指令的時間,通過連續兩次調用GetCycleCount函數計算出來並保存了起來,以後每次計時結束後,都從實際得到的計數中減掉這一小段時間,以得到更準確的計時數字。但我個人覺得這一點點改進意義不大。在我的機器上實測,這條指令大概花掉了幾十到100多個週期,在   Celeron   800MHz的機器上,這不過是十分之一微秒的時間。對大多數應用來說,這點時間完全可以忽略不計;而對那些確實要精確到納秒數量級的應用來說,這個補償也過於粗糙了。  
   
  這個方法的優點是:  
   
  1.高精度。可以直接達到納秒級的計時精度(在1GHz的CPU上每個時鐘週期就是一納秒),這是其他計時方法所難以企及的。  
   
  2.   成本低。timeGetTime   函數需要鏈接多媒體庫winmm.lib,QueryPerformance*   函數根據MSDN的說明,需要硬件的支持(雖然我還沒有見過不支持的機器)和KERNEL庫的支持,所以二者都只能在Windows平臺下使用(關於DOS平臺下的高精度計時問題,可以參考《圖形程序開發人員指南》,裏面有關於控制定時器8253的詳細說明)。但RDTSC指令是一條CPU指令,凡是i386平臺下Pentium以上的機器均支持,甚至沒有平臺的限制(我相信i386版本UNIX和Linux下這個方法同樣適用,但沒有條件試驗),而且函數調用的開銷是最小的。  
   
  3.   具有和CPU主頻直接對應的速率關係。一個計數相當於1/(CPU主頻Hz數)秒,這樣只要知道了CPU的主頻,可以直接計算出時間。這和   QueryPerformanceCount不同,後者需要通過QueryPerformanceFrequency獲取當前計數器每秒的計數次數才能換算成時間。  
   
  這個方法的缺點是:  
   
  1.現有的C/C++編譯器多數不直接支持使用RDTSC指令,需要用直接嵌入機器碼的方式編程,比較麻煩。  
   
  2.數據抖動比較厲害。其實對任何計量手段而言,精度和穩定性永遠是一對矛盾。如果用低精度的timeGetTime來計時,基本上每次計時的結果都是相同的;而RDTSC指令每次結果都不一樣,經常有幾百甚至上千的差距。這是這種方法高精度本身固有的矛盾。  
   
  關於這個方法計時的最大長度,我們可以簡單的用下列公式計算:  
   
  自CPU上電以來的秒數   =   RDTSC讀出的週期數   /   CPU主頻速率(Hz)  
   
  64位無符號整數所能表達的最大數字是1.8×10^19,在我的Celeron   800上可以計時大約700年(書中說可以在200MHz的Pentium上計時117年,這個數字不知道是怎麼得出來的,與我的計算有出入)。無論如何,我們大可不必關心溢出的問題。  
   
  下面是幾個小例子,簡要比較了三種計時方法的用法與精度  
   
  //Timer1.cpp   使用了RDTSC指令的Timer類//KTimer類的定義可以參見《Windows圖形編程》P15  
  //編譯行:CL   Timer1.cpp   /link   USER32.lib  
  #include   &ltstdio.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函數  
  //需包含&ltmmsys.h>,但由於Windows頭文件錯綜複雜的關係  
  //簡單包含&ltwindows.h>比較偷懶:)  
  //編譯行:CL   timer2.cpp   /link   winmm.lib    
  #include   &ltwindows.h>  
  #include   &ltstdio.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函數  
  //編譯行:CL   timer3.cpp   /link   KERNEl32.lib  
  #include   &ltwindows.h>  
  #include   &ltstdio.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));  
  }  
   
  ////////////////////////////////////////////////  
  //以上三個示例程序都是測試1秒鐘休眠所耗費的時間  
  file://測/試環境:Celeron   800MHz   /   256M   SDRAM      
  //                     Windows   2000   Professional   SP2  
  //                     Microsoft   Visual   C++   6.0   SP5  
  ////////////////////////////////////////////////  
   
  以下是Timer1的運行結果,使用的是高精度的RDTSC指令  
  Lasting   Time:   804586872  
   
  以下是Timer2的運行結果,使用的是最粗糙的timeGetTime   API  
  Begin   Time:   20254254  
  End   Time:   20255255  
  Lasting   Time:   1001  
   
  以下是Timer3的運行結果,使用的是QueryPerformanceCount   API  
  Frequency:   3579545  
  Begin   Time:   3804729124  
  End   Time:   3808298836  
  Lasting   Time:   3569712  

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