二月 3, 2012

windows下实现微秒级的延时

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1.微秒级的延时肯定不能基于消息(SetTimer函数),因为一出现消息堵塞等就会影响精
度,而且setTimer单位才是毫秒.实际响应时间可能要到55毫秒左右.

2.微秒级的延时也不能不能基于中断,VxD最快的时钟服务程序Set_Global_Time_Out函数
才能保证1毫秒的精度.其他挂接int 8H中断处理函数等,只能保证55ms的精度.(有时还不
能)

3.因此可以想到汇编下的那种基于循环执行语句的那种延时.但汇编那种代码不通用,跟
cpu的频率有关.

所以可以用windows下的几个函数来写出通用代
码.GetTickCout,timeGetTime,QueryPerformanceCounter.
1)GetTickCout响应只能保证55ms的精度
2)timeGetTime只能保证1ms的精度
3)而QueryPerformanceCounter函数不依赖计算中断的次数,而是靠读取别的硬件时钟来
实现的,可以有0.8微秒的精度.这个系统不支持windows 95以下的系统,不过这些系统应
该没人用了吧.呵呵.

下面是示例代码:
//LARGE_INTEGER类型类似一个64位的整型,是一个union,里面是LongLong类型和两个
long组成的结构体的union.
//QueryPerformanceFrequency函数得到你的计算机里高精度计时器每秒计时多少次,
//参数LARGE_INTEGER,返回false表示你的当前计算机硬件不支持高精度计时器.
//QueryPerformanceCounter函数得到当前计时器记了多少次.类似与GetTickCout.
#include
#include
using namespace std;

void main(){

int delayTime = 20; //微秒级的延时.

LARGE_INTEGER m_liPerfFreq={0};

if (!QueryPerformanceFrequency(&m_liPerfFreq))
{
cout <= delayTime)
break;

}
cout.precision(40);
cout << “开始” < cout << “结束” < cout< cout << “延时” <*1000000)/(double)m_liPerfFreq.QuadPart)<

}

因为windows是多任务系统,只要保证windows执行这段代码时不被其他进程打断,就可以
保证延时微秒级成功.出现打断的几率很小.一般可以不考虑.如果代码执行时间低于一
个时间片,那就100%不会被打断了.

在SDK中,可以用DWORD timeGetTime(VOID)函数获取系统时间,其返回值是毫秒单位的。可以用其实现延时功能的函数。
void Delay(DWORD delayTime)
{
DWORD delayTimeBegin;
DWORD delayTimeEnd;
delayTimeBegin=timeGetTime();
do
{
delayTimeEnd=timeGetTime();
}while(delayTimeEnd-delayTimeBegin }
注:在使用timeGetTime之前应先包含头文件#i nclude 或#i nclude 并在project->settings->link->Object/library modules中添加winmm.lib
也可以在文件头部添加 #pragma comment( lib,”winmm.lib” )
命令行:#pragma comment( lib,”xxx.lib” )时预编译处理指令,让vc将winmm.lib添加到工程中去进行编译。

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
#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,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;
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
#include

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

 

本文转自:http://blog.csdn.net/lhsxsh/article/details/4151393

 

Category : C/C++Window$

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