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(发表是最好的回忆)
使用CPU时间戳进行高精度计时
http://www.3800hk.com/Article/cxsj/vc/zhlbcvc/2005-08-06/Article_32674.html
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
<
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QueryPerformanceCounter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。
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
