纳秒级的计时精度

文章出处：http://www.diybl.com/course/3_program/c++/cppjs/200847/108545.html

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Query-

PerformanceCounter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。