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日志

 
 

使用CPU时间戳进行高精度计时&&精确定时循环  

2010-07-16 19:38:28|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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。

精确定时循环

问题原本是这个样子的,就是说,在一个循环中执行一些操作后,需要用Sleep这个函数,延迟一定时间后,在执行下一轮循环,伪代码如下:

for(int i = 0; i < MaxCount;i++)

{

     dosomething();

     Sleep(SleepTime);

}

基于Sleep延时的不稳定,不精确性,这个循环延时,效果非常的糟糕,我想到的改进办法就是使用Waitable Timer内核对象来精确延时改造循环,因为这个内核对象可以精确定时到1ms这个量级,当然改造后,可以精确定时到100纳秒这么水平,首先我们来看看,如何改造成精确1ms一次的循环:

    HANDLE hTimer = NULL;

    LARGE_INTEGER liDueTime;

    liDueTime.QuadPart = -1;

    hTimer = CreateWaitableTimer(NULL, FALSE, NULL);

    if (NULL == hTimer)

    {

        //错误处理

    }

    LONG lCycle = 1;  //1毫秒触发一次

    if (!SetWaitableTimer(hTimer, &liDueTime, lCycle, NULL, NULL, 0))

    {

        //错误处理

    }

    int i = MaxCount;

    while( (i > 0) && WaitForSingleObject(hTimer, INFINITE) != WAIT_OBJECT_0)

    {//循环

        dosomething();

        --i;

    }

像上面这样我们就得到一个1ms执行一次的循环,当然看似程序有点复杂,但是这个复杂性只是一种表面的,实际上我们得到了一个1毫秒循环一次的循环,当然这个需要你确定你的dosomething这样的循环体函数的执行时间是1毫秒以内的,否则这个延时就没有意义了。

接着我们再来考虑如何得到一个精确到100纳秒一次的循环,这个就需要一点技巧了,首先我们不能再创建自动重置的计时器对象,而要改为手工,因为100纳秒这个精度只有再次调用SetWaitableTimer才能得到,所以必须要手工重置,每次都调用一下这个函数,重置等待100纳秒,不啰嗦了,上代码:

    HANDLE hTimer = NULL;

    LARGE_INTEGER liDueTime;

    liDueTime.QuadPart = 1;

    hTimer = CreateWaitableTimer(NULL, TRUE, NULL);

    if (NULL == hTimer)

    {

        //出错处理

    }

   

    if (!SetWaitableTimer(hTimer, &liDueTime, 0, NULL, NULL, 0))

    {

        //出错处理

    }

    int i = MaxCount;

    while( (i > 0) && WaitForSingleObject(hTimer, INFINITE) != WAIT_OBJECT_0)

    {

        dosomething();

        if (!SetWaitableTimer(hTimer, &liDueTime, 0, NULL, NULL, 0))

        {

            //出错处理

            break;

        }

        --i;

    }

这段代码和前段代码,有些细节方面的差异,仔细看代码就知道了,不再赘述。而需要提醒注意的就是,这个实际上是使每次dosomething都间隔100纳秒调用,与前一个循环逻辑上是不同的,所以这个要特别注意,当然通过把SetWaitableTimer函数调整到dosomething之前,就可以得到与前一个循环逻辑一致的循环了,这不是什么难事,当然这个就需要你的函数一定要在100纳秒以内干完活,否则,延时就没有什么意义了。

最后,还是提醒下吧,liDueTime本质是个64位的变量,在作为SetWaitableTimer函数的参数时,它的最小时间单位就是100纳秒,这样你赋值1就表示1*100纳秒,2就表示200纳秒,以此类推,但是你没法指定小数来得到1.5*100纳秒这样的数,这就是100纳秒为单位的确切含义,100纳秒就成了不可逾越的鸿沟。当然对于一般目的的程序来说,这足够了。同样的那个lCycle参数的含义也是一样的,只是单位是1毫秒最小,无法再小了,同时第二个定时循环中没有用这个参数,在这种情况下用它也是没有什么意义的。

至此精确延时循环的编写方法就介绍完了,他可以用于不用消息循环,而需要周期性操作的场合,比如周期性的发送一个数据包,周期性的轮询一个设备的状态等。

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