Windows下的高精度计时和高频事件的产生

作者：戎亚新
南京航空航天大学仿真与控制实验室

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　　在开发 Windows 下的应用程序时，经常需要用的计时，尤其在一些对时间要求比较高的程序中，计时的精确性是很重要的，本文介绍了两种精确计时的方法，计时的精度可以达到ms级，而且可以认为它是精确的，可以在大多数情况下作为时间的基准。

1. 用API函数::timeGetTime()获取从开机到现在经过的ms数，它的返回类型为DWORD类型，因此它的最大计时长度为2^32ms,约等于49天，::timeGetTime()是一个多媒体函数，所以它的优先级是很高的，一般可以将它看成是精确的。
2. 用查询系统定时器的计数值的方法，用到的API函数是QueryPerformanceCounter、QueryPerformanceFrequency，方法是用当前计数值减去开始计时时刻的计数值，得到计数差值，再除以系统定时器的频率就是计的时间，通常系统定时器的频率非常高，我在 intel845e 的主板上达到了3579545hz，当然对于不同的主板，它的频率是不同的。程序运行的结果 如图一所示：
   
   
   图一

　　这种计时方法要用另外一个线程专门来查询系统定时器的计数值，这就用到了多线程的知识。由于线程的调用是需要处理器时间的，所以在本中，多线程定时器的时间总要落后于多媒体定时器时间。但在中间的任何一个读取时间的时刻都是非常精确的，只是从读取到显示有一个延迟过程。
　　下面讲一下Windows高频事件的产生，还是利用上面两种方法，Windows下有一个多媒体定时器，用法为一组API函数的调用，它们是：

MMRESULT timeBeginPeriod(  UINT uPeriod ) ;

MMRESULT timeSetEvent( UINT uDelay,
                       UINT uResolution,           
                       LPTIMECALLBACK lpTimeProc,  
                       DWORD dwUser,               
                       UINT fuEvent                
);

void CALLBACK TimeProc( UINT uID,      
                        UINT uMsg,     
                        DWORD dwUser,  
                        DWORD dw1,     
                        DWORD dw2      
);

MMRESULT timeKillEvent( UINT uTimerID );
MMRESULT timeEndPeriod( UINT uPeriod );

　　其中timeBeginPeriod是用来设置最高定时精度的，最高精度为1ms，如果要产生间隔为1ms的中断，必须调用timeBeginPeriod（1）；当定时器用完之后就要用timeEndPeriod(1);来恢复默认的精度。具体使用方法为在timeBeginPeriod（1）调用之后用timeSetEvent()注册一个回调函数，即一个中断处理过程。它还可以向回调函数传递一个参数，通常可以传送一个窗口句柄之类的东西。而回调函数TimeProc则从dwwUser参数中取出传递的参数使用。在Windows下，可以用这种方法进行1ms精度的定时数据采集，数据发送，但要保证1ms能完成所有的操作和运算。本人经过实践证明，用它来实现控制的精度是足够的。
　　第二种方法还是使用多线程查询系统定时器计数值，它与上面提到的方法相比有优点也有缺点，缺点是精度不够高，优点是产生的间隔能突破1ms的限制，可以达到更小的间隔，理论上事件产生的频率可以和系统定时器的频率一样。主要示例代码如下：

UINT Timer(LPVOID pParam) 
{
	QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER *)& gl_BeginTime );
	while(gl_bStart)
	{
		QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER *)&gl_CurrentTime );
		If(gl_CurrentTime - gl_BeginTime > 1.0/Interval )
		{
			//定时的事件，比如发送数据到端口，采集数据等
			gl_BeginTime = gl_CurrentTime；
		}
	}
	return 1;
}      

　　这是多线程中的一个线程函数，Interval是产生事件的间隔，如果为0.001则为1ms产生一次，理论上如果Interval为1，则以最大的频率产生事件。即可以用Windows产生很高频率的事件，但是由于线程的调用是要有时间的，有的时候可能会造成这个线程一直没有得到执行，从而造成有一段时间没有进行计数，这段时间的定时事件就没有产生了，如果定时的频率越高，丢失的可能性就越大。但如果用它来产生高频随时间变化的随机信号还是很有价值的。这在实时仿真中尤其如此。

具体的实现请参看详细的例子代码。

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//Timer   using   Performance   Counter  

#ifndef   TIMER_H
#define   TIMER_H

#include   <iostream>
#include   <windows.h>

class   Timer
{
    public:
        Timer();
        ~Timer()   {};
        void   start();
        void   end();
        float   getTime()   const;
        void   display()   const;
       
    private:
        __int64               frequency; //   Timer   Frequency
float                   resolution; //   Timer   Resolution
unsigned   long   mm_timer_start; //   Multimedia   Timer   Start   Value
unsigned   long   mm_timer_elapsed; //   Multimedia   Timer   Elapsed   Time
bool     performance_timer; //   Using   The   Performance   Timer?
__int64               performance_timer_start; //   Performance   Timer   Start   Value
__int64               performance_timer_elapsed; //   Performance   Timer   Elapsed   Time    
float                   startTime;
float                   endTime;
float                   passTime;
};

Timer::Timer()
{
        //   Check   To   See   If   A   Performance   Counter   Is   Available
//   If   One   Is   Available   The   Timer   Frequency   Will   Be   Updated
if   (!QueryPerformanceFrequency((LARGE_INTEGER   *)   &   frequency))
{
//   No   Performace   Counter   Available
performance_timer =   FALSE; //   Set   Performance   Timer   To   FALSE
//mm_timer_start =   timeGetTime(); //   Use   timeGetTime()   To   Get   Current   Time
resolution =   1.0f/1000.0f; //   Set   Our   Timer   Resolution   To   .001f
frequency =   1000; //   Set   Our   Timer   Frequency   To   1000
mm_timer_elapsed =   mm_timer_start; //   Set   The   Elapsed   Time   To   The   Current   Time
}
else
{
//   Performance   Counter   Is   Available,   Use   It   Instead   Of   The   Multimedia   Timer
//   Get   The   Current   Time   And   Store   It   In   performance_timer_start
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER   *)   &performance_timer_start);
performance_timer   =   TRUE; //   Set   Performance   Timer   To   TRUE
//   Calculate   The   Timer   Resolution   Using   The   Timer   Frequency
resolution   =   (float)   (((double)1.0f)/((double)frequency));
//   Set   The   Elapsed   Time   To   The   Current   Time
performance_timer_elapsed   =   performance_timer_start;
}
}

void   Timer::start()
{
        __int64   time; //   time   Will   Hold   A   64   Bit   Integer

if   (performance_timer) //   Are   We   Using   The   Performance   Timer?
{
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER   *)   &time); //   Grab   The   Current   Performance   Time
//   Return   The   Current   Time   Minus   The   Start   Time   Multiplied   By   The   Resolution   And   1000   (To   Get   MS)
startTime   =   (   (float)   (   time   -   performance_timer_start)   *   resolution)*1000.0f;
}
else
{
//   Return   The   Current   Time   Minus   The   Start   Time   Multiplied   By   The   Resolution   And   1000   (To   Get   MS)
//startTime   =   (   (float)   (   timeGetTime()   -   mm_timer_start)   *   resolution)*1000.0f;
}      
}

void   Timer::end()
{
        __int64   time; //   time   Will   Hold   A   64   Bit   Integer

if   (performance_timer) //   Are   We   Using   The   Performance   Timer?
{
QueryPerformanceCounter((LARGE_INTEGER   *)   &time); //   Grab   The   Current   Performance   Time
//   Return   The   Current   Time   Minus   The   Start   Time   Multiplied   By   The   Resolution   And   1000   (To   Get   MS)
endTime   =   (   (float)   (   time   -   performance_timer_start)   *   resolution)*1000.0f;
}
else
{
//   Return   The   Current   Time   Minus   The   Start   Time   Multiplied   By   The   Resolution   And   1000   (To   Get   MS)
//endTime   =   (   (float)   (   timeGetTime()   -   mm_timer_start)   *   resolution)*1000.0f;
}        

passTime   =   endTime   -   startTime;
}

float   Timer::getTime()   const
{
        return   passTime/1000;
}

void   Timer::display()   const
{
        std::cout   < <   "It   takes   "   < <   passTime/1000   < <   "   s. "   < <   std::endl;
}

#endif