高精度计时器控件

使用CPU时间戳进行高精度计时 zhangyan_qd（原作） 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 #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 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。 参考资料： [YUAN 2002]Feng Yuan 著，英宇工作室 译，Windows图形编程，机械工业出版社，2002.4.，P15-17 disney(2002-11-16 14:39:23) 在DELPHI下试了试，感觉不错。如果用鼠标触发，时间为46周期，用回车键的话，一般需要160个周期，看来回车过后，CPU更忙些 function cyclecount:int64; asm db $0f db $31 end; procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); begin caption:=inttostr(cyclecount-cyclecount); end; disney(2002-11-17 17:51:25) 我用的是INT64类型，64位整数，我看了一下编码出来的汇编，确实是用的DX：AX，64位的整数值，需要9223372036.854775808秒才能复位到零，在2GCPU上需要292天一个周期:)

利用delphi建立精确计数器在windows中的很多场合下编程（例如工业控制、游戏）中需要比较精确的记时器，本文讨论的是在delphi下实现记时器的若干方法以及它们的精度控制问题。 在delphi中最常用的是timer控件，它的设置和使用都非常方便，理论上它的记时精度可以达到1ms(毫秒)。但是众所周知的，实际上timer在记时间隔小于50ms之下是精度是十分差的。它只适用于对于精度要求不太高的场合。 这里作者要介绍的是两种利用windows api函数实现精确记时的方法。第一中方法是利用高性能频率记数（作者本人的称呼）法。利用这种方法要使用两个api函数queryperformancefrequency和queryperformancecounter。queryperformancefrequency函数获得高性能频率记数器的震荡频率。 调用该函数后，函数会将系统频率记数器的震荡频率（每毫秒）保存到一个largeinteger中。不过利用该函数在几台机器上做过试验，结果都是1193180。读者朋友可以在自己的机器上试一下 queryperformancecounter函数获得系统频率记数器的震荡次数，结果也保存到一个largenteger中。 很显然，如果在计时中首先使用queryperformancefrequency获得高性能频率记数器每毫秒的震荡次数，然后在计时开始时使用queryperformancecounter函数获得当前系统频率记数器的震荡次数。在计时结束时再调用queryperformancecounter函数获得系统频率记数器的震荡次数。将两者相减，再将结果除以频率记数器每毫秒的震荡次数，就可以获得某一事件经过的准确时间。(次数除以频率等于时间) 另外的一种精确记时器的功能是利用多媒体记时器函数（这也是作者的定义，因为这个系列的函数是在winmm.dll中定义并且是为媒体播放服务的）。 实现多媒体记时器首先要使用timesetevent函数建立计时事件。该函数在delphi中的mmsystem.pas中有定义，定义如下： function timesetevent(udelay, uresolution: uint; lpfunction: tfntimecallback; dwuser: dword; uflags: uint): mmresult; stdcall 函数定义中参数udelay定义延迟时间，以毫秒为单位，该参数相当于timer控件的interval属性。参数uresolution定义记时精度，如果要求尽可能高的精度，要将该参数设置为0；参数lpfunction定义了timesetevent函数的回调函数。该函数相当于一个定时中断处理函数，每当经过一个udelay长度的时间间隔，该函数就会被调用，编程者可以在该函数中加入相应的处理语句。参数dwuser定义用户自定义的回调值，该值将传递给回调函数。参数uflags定义定时类型，如果要不间断的记时，该值应设置为1。 如果函数调用成功，在系统中建立了一个多媒体记时器对象，每当经过一个udelay时间后lpfunction指定的函数都会被调用。同时函数返回一个对象标识，如果不再需要记时器则必须要使用timekillevent函数删除记时器对象。 由于windows是一个多任务的操作系统，因此基于api调用的记时器的精度都会受到其它很多因素的干扰。到底这两中记时器的精度如何，我们来使用以下的程序进行验证： 设置三种记时器（timer控件、高性能频率记数、多媒体记时器）。将它们的定时间隔设置为10毫秒，让它们不停工作直到达到一个比较长的时间（比如60秒），这样记时器的误差会被累计下来，然后同实际经过的时间相比较，就可以得到它们的精度。下面是具体的检测程序。 unit unit1; interface uses windows, messages, sysutils, classes, graphics, controls, forms, dialogs,stdctrls, extctrls,mmsystem; type tform1 = class(tform) edit1: tedit; edit2: tedit; edit3: tedit; button1: tbutton; button2: tbutton; timer1: ttimer; procedure formcreate(sender: tobject); procedure button1click(sender: tobject); procedure timer1timer(sender: tobject); procedure button2click(sender: tobject); private { private declarations } public { public declarations } end; var form1: tform1; acttime1,acttime2:cardinal; smmcount,stimercount,spcount:single; htimeid:integer; iten:integer; protimecallback:tfntimecallback; procedure timeproc(utimerid, umessage: uint; dwuser, dw1, dw2: dword) stdcall; procedure proendcount; implementation {$r *.dfm} //timesetevent的回调函数 procedure proendcount; begin acttime2:=gettickcount-acttime1; form1.button2.enabled :=false; form1.button1.enabled :=true; form1.timer1.enabled :=false; smmcount:=60; stimercount:=60; spcount:=-1; timekillevent(htimeid); end; procedure timeproc(utimerid, umessage: uint;dwuser, dw1, dw2: dword) stdcall; begin form1.edit2.text:=floattostr(smmcount); smmcount:=smmcount-0.01; end; procedure tform1.formcreate(sender: tobject); begin button1.caption :='开始倒计时'; button2.caption :='结束倒计时'; button2.enabled :=false; button1.enabled :=true; timer1.enabled :=false; smmcount:=60; stimercount:=60; spcount:=60; end; procedure tform1.button1click(sender: tobject); var lgtick1,lgtick2,lgper:tlargeinteger; ftemp:single; begin button2.enabled :=true; button1.enabled :=false; timer1.enabled :=true; timer1.interval :=10; protimecallback:=timeproc; htimeid:=timesetevent(10,0,protimecallback,1,1); acttime1:=gettickcount; //获得系统的高性能频率计数器在一毫秒内的震动次数 queryperformancefrequency(lgper); ftemp:=lgper/1000; iten:=trunc(ftemp*10); queryperformancecounter(lgtick1); lgtick2:=lgtick1; spcount:=60; while spcount>0 do begin queryperformancecounter(lgtick2); //如果时钟震动次数超过10毫秒的次数则刷新edit3的显示 if lgtick2 - lgtick1 > iten then begin lgtick1 := lgtick2; spcount := spcount - 0.01; edit3.text := floattostr(spcount); application.processmessages; end; end; end; procedure tform1.timer1timer(sender: tobject); begin edit1.text := floattostr(stimercount); stimercount:=stimercount-0.01; end; procedure tform1.button2click(sender: tobject); begin proendcount; //显示从开始记数到记数实际经过的时间 showmessage('实际经过时间'+inttostr(acttime2)+'毫秒'); end; end. 运行程序，点击“开始倒记时”按钮，程序开始60秒倒记时，由于上面的程序只涉及了记时器程序的原理而没有将错误处理加入其中，所以不要等60秒倒记时结束。点击“结束倒记时”按钮可以结束倒记时。这时在弹出对话框中会显示实际经过的时间（单位为毫秒），将三个文本框内的时间乘以1000再加上实际经过的时间，越接近60000，则记时精度越高。 下面是在我的机器上的执行结果。 从上面的结果看，由delphi的timer控件建立的记时器的精度十分差，无法在实际中使用，而利用高性能频率记数法和多媒体计数器法的误差都在1%以下。考虑到程序中在文本框中显示时间对程序所造成的影响，这个误差在应用中是完全可以忽略的。另外在运行程序时作者还发现一个问题，如果在倒记时时拖动窗口，文本框中的显示都会停止，而当停止窗口拖放后，多媒体记时器显示会跳过这段时间记时，而其它两种记时器显示倒记时却还是从原来的时间倒数。这说明多媒体记时器是在独立的线程中运行的，不会受到程序的影响。 综合上面的介绍和范例，我们可以看到，如果要建立高精度的记时器，使用多媒体记时器是比较好的选择。而高性能频率记数法比较适合计算某个耗时十分短的过程所消耗的时间（例如分析程序中某个被多次调用的程序段执行时间以优化程序），因为毕竟高性能频率记数的理论可以达到微秒级别。timer控件虽然精度比上面两者差很多，但是它使用方便，在要求不高的场合它还是最佳选择。 （最后要说的是，以上的结果都是在windows 9x下获得的，作者在windows 2000下运行该程序时发现，timer控件的精度比在windows 9x下要高出很多，一般误差在5%以下，这说明windows 2000是一个真正的多任务操作系统。再加上windows nt\2000的稳定性和易用性，在工业控制或实时检测等领域是一个比较完美的平台）

哎，为了这点RMB我都豁出去了~~ 斑竹真猛呀！！其实delphi超级猛料里都有了