使用CPU时间戳进行高精度计时

1、使用CPU时间戳进行高精度计时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 QueryPe

2、rformanceCount/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页一17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

3、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

4、 unsigned _int64 GetCycleCount()_asm _emit 0 x0F_asm _emit 0 x31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

5、。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：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）

6、，这是其他 计时方法所难以企及的。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。

7、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：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。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

8、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1.8X10J9，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

9、/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: %dn”,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

10、;t1 = timeGetTime();Sleep(1000);t2 = timeGetTime();printf(Begin Time: %un”, t1);printf(End Time: %un”, t2);printf(Lasting Time: %un”,(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);

11、printf(Frequency: %un”, tc.QuadPart);QueryPerformanceCounter(&t1);Sleep(1000);QueryPerformanceCounter(&t2);printf(Begin Time: %un”, t1.QuadPart);printf(End Time: %un”, t2.QuadPart);printf(Lasting Time: %un”,( 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Timer 1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