windows下实现微秒级的延时

windows下实现微秒级的延时
2010年11月17日
　　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 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 
　　http://blog.csdn.net/lhsxsh/archive/2009/05/05/415 1393.aspx