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  • windows系统时间精度
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    2017-05-21 13:09:11

    背景

      在实际工作过程中,比如与硬件交互、媒体视频播放、性能分析以及多线程任务同步时,可能需要在windows平台下实现ms级别精度的定时器。然而,这种需求虽然存在,但是由于windows系统并不是一个实时操作系统,实现这种精度的定时器,并不是一件容易的事情。

    Windows 不是实时操作系统,所以任何方案都无法绝对保证定时器的精度,只是能尽量减少误差。所以,系统的稳定性不能完全依赖于定时器,必须考虑失去同步时的处理。

    等待策略

      要想实现高精度定时器,必须需要等待和计时两种基础功能,等待用来跳过一定时间间隔,计时可以进行时间检查,用以调整等待事件。
    等待策略实际就是两种:
    1. 自旋等待:让CPU空转消耗时间,占用大量CPU时间,但是时间高度可控。
    2. 阻塞等待:线程进入阻塞状态,让出CPU时间片,在等待一定时间后再由操作系统调度回到运行状态。阻塞时不占用CPU,然而需要操作系统调度,时间难以控制。
      可以看到二者各有优劣,应该按照不同需求进行不同的实现。
    所以难点在于等待策略,下面先分析简单的自旋等待。

    自旋等待

    伪代码如下:

    
    等待开始时间=当前计时
    while((当前计时-等待开始时间)<需要等待的时间)    
    {
        自旋;
    }

    阻塞等待

      阻塞等待会把控制权交给操作系统,这样就必须确保操作系统能够及时的将定时器线程调度回运行状态。默认情况下,Windows的系统定时器精度为15.625ms,也就是说时间切片是这个尺寸。如果线程阻塞,出让其时间片进行等待,再被调度运行的时间至少是一个切片15.625ms。那么必须减少时间切片的长度,才能实现更高的精度。
     一般实现阻塞等待都用的是thread库的sleep函数,实测sleep函数的精度不高,估计也就ms级的,也就是可能会产生+1ms的误差。
     sleep会出让剩余的cpu时间片给优先级相同的线程,而yield则是出让剩余的cpu时间片给运行在同一核心上的线程。在出让的时间片结束后,其会被重新调度。一般情况下,整个过程可以在1ms内完成。

    另外,sleep或者yield在CPU高负载情况下非常不稳定,实测可能会阻塞高达几ms的时间,所以可能会产生更多的误差,因此误差修正最好采用自旋方式实现。

    定时器实现

      需要注意的是,无论自选还是阻塞,显然定时器都应该运行在独立的线程,不能干扰使用方线程工作。而对于高精度定时器而言,触发事件以执行任务的线程一般都在定时器线程内,而不是再使用独立的任务线程。
      这是因为在高精度定时场景下,任何任务的时间开销很可能大于定时器的时间间隔,如果默认就在其他线程执行任务,可能导致占用大量线程。所以应该把控制权交给用户,让用户在需要的时候自行调度任务执行的线程。

    触发模式

      由于在定时器线程执行任务,所以定时器的触发就产生了三种模式。以下是三种模式的伪代码:

    1. 固定时间框架
      比如间隔10ms,任务 7-12ms,则会按照等待 10ms 、任务 7ms、等待 3ms、任务 12ms(超时 2ms 失去同步)、任务 7ms、等待 1ms(回到同步)、任务 7ms、等待 3ms、… 进行。就是尽量按照设定好的时间框架来执行任务,只要任务不是始终超时,就可以回到原本的时间框架上。
    var 下一帧时间=0
    while(定时器开始)
    {
        下一帧时间+=间隔时间
        while(当前时间<下一帧时间)
        {
        等待;
        }
        触发任务;
    }

    2.可推迟时间框架
    上面的例子会按照等待 10ms 、任务 7ms、等待 3ms、任务 12ms(超时,推迟时间框架 2ms)、任务 7ms、等待 3ms、… 进行。超时的任务会推迟时间框架。

    var 下一帧时间 = 0;
    while(定时器开启)
    {
        下一帧时间 += 间隔时间;
        if (下一帧时间 < 当前计时)
            下一帧时间 = 当前计时
        while (当前计时 < 下一帧时间)
        {
            等待;
        }
        触发任务;
    }

    3.固定等待框架
    上面的例子会按照等待 10ms、任务 7ms、等待 10ms、任务 12ms、等待 10ms、任务 7ms… 进行。等待时间始终不变。

    while(定时器开启)
    {
        var 等待开始时间 = 当前计时;
        while ((当前计时 - 等待开始时间) < 间隔时间)
        {
            等待;
        }
        触发任务;
    }
    // 或者:
    var 下一帧时间 = 0;
    while(定时器开启)
    {
        下一帧时间 += 间隔时间;
        while (当前计时 < 下一帧时间)
        {
            等待;
        }
        触发任务;
        下一帧时间 = 当前计时;
    }

      在while循环中的等待可以使用自旋或阻塞,也可以结合它们来达到精度、稳定性和 CPU 开销的平衡。
      另外,由上面的伪代码可以看出,这三种模式的实现可以统一,能够做到根据情况切换。

    实现

      为了实现高精度的定时器,我们不采用阻塞模式(sleep函数和yield函数),而是采用QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函数。这两个函数是Visual C++提供并且仅供Windows 95及其后续版本使用,其精度与CPU的时钟频率有关,它们要求计算机从硬件上支持精确定时器。。QueryPerformanceFrequency()函数和QueryPerformanceCounter()函数的原型如下:

    BOOL QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTEGER *lpFrequency);
    BOOL QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER *lpCount);

    上述两个函数的参数的数据类型LARGE_INTEGER既可以是一个8字节长的整型数,也可以是两个4字节长的整型数的联合结构,其具体用法根据编译器是否支持64位而定。该类型的定义如下:

    typedef union _LARGE_INTEGER
    {
        struct
        {
            DWORD LowPart; // 4字节整型数
            LONG HighPart; // 4字节整型数
        };
        LONG QuadPart; // 8字节整型数
    }LARGE_INTEGER;

    使用QueryPerformanceFrequency()和QueryPerformanceCounter()函数进行精确定时的步骤如下:

    1. 首先调用QueryPerformanceFrequency()函数取得高精度运行计数器的频率f,单位是每秒多少次(n/s),此数一般很大;
    2. 在需要定时的代码的两端分别调用QueryPerformanceCounter()以取得高精度运行计数器的数值n1、n2,两次数值的差值通过f换算成时间间隔,t=(n2-n1)/f,当t大于或等于定时时间长度时,启动定时器;
      下面给出一个简单的计算时间的例子:
    LARGE_INTEGER m_liPerfFreq={0};
     //获取每秒多少CPU Performance Tick
     QueryPerformanceFrequency(&m_liPerfFreq); 
     LARGE_INTEGER m_liPerfStart={0};
     QueryPerformanceCounter(&m_liPerfStart);
     for(int i=0; i< 100; i++)
      cout << i << endl;
     LARGE_INTEGER liPerfNow={0};
     // 计算CPU运行到现在的时间
     QueryPerformanceCounter(&liPerfNow);
     int time=( ((liPerfNow.QuadPart - m_liPerfStart.QuadPart) * 1000)/m_liPerfFreq.QuadPart);
     char buffer[100];
     sprintf(buffer,"執行時間 %d millisecond ",time);
     cout<<buffer<<endl;
    

    下列再由此实现1ms的精确定时:

      LARGE_INTEGER litmp; 
           LONGLONG QPart1,QPart2;
           double dfMinus, dfFreq, dfTim; 
           QueryPerformanceFrequency(&litmp);
           dfFreq = (double)litmp.QuadPart;// 获得计数器的时钟频率
           QueryPerformanceCounter(&litmp);
           QPart1 = litmp.QuadPart;// 获得初始值
           do
           {
              QueryPerformanceCounter(&litmp);
              QPart2 = litmp.QuadPart;//获得中止值
              dfMinus = (double)(QPart2-QPart1);
              dfTim = dfMinus / dfFreq;// 获得对应的时间值,单位为秒
           }while(dfTim<0.001);

      根据上述定时器,再结合之前的定时与任务的框架,就可以实现高精度的定时器,精度可以达到us级别。基本上可以满足大部分的对实时要求很高任务了。

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  • windows 的时钟精度是多少?怎么提高

    千次阅读 2021-11-26 15:21:03
    还是太年轻,太相信windows 了 哈哈哈啊哈, 其实根本到不了这么高的精度 正常的一个sleep 的精度准确率在 10-15ms . 也就是说你想精准到 1毫秒 都办不到. 首先来了解下windows操作系统类型 操作系统分为 实时操作系统...

    如题

    这个问题呢 之前被问到过
    我当时也是猜的认为可以到纳秒 ,比如sleep(1) 可以到微秒 通过特殊的手段到纳秒

    还是太年轻,太相信windows 了 哈哈哈啊哈, 其实根本到不了这么高的精度

    正常的一个sleep 的精度准确率在 10-15ms .

    也就是说你想精准到 1毫秒 都办不到.

    首先来了解下windows操作系统类型

    操作系统分为 实时操作系统与非实时操作系统

    常见的实时操作系统

    freeRTOS 嵌入式的一些系统

    常见的非实时操作系统

    windows linux android

    主要的区别是任务调度的处理方式不同, 实时操作系统一般都是 基于任务优先级的调度方式(一旦内核把资源分配给某个进程,直到该进程完成或发生某事件而被阻塞(常见的方式主动调用delay),才再把处理机分配给其他进程,否则高优先级的任务会一直运行。所以这种情况下,如果某个高优先级的任务运行时间过长最好有阻塞机制,来让出CPU使其他低优先级的任务也有机会运行。)

    非实时操作系统是基于时间片的调度方式:这种方式下,所有任务的优先级相同,当内核给该进程分配的时间片结束后,内核会停止正在执行的这个进程,下一个时间片分配给其他进程执行,即便这个任务没有执行完也没有主动delay自己。

    这里有人会问了 windows 也能设置线程和进程的优先级啊 , 这里不展开描述 这个话题了(因为我也没有深入研究 ).

    看到这里 大家也基本能想到 为啥windows 的时钟精度不高了,那么怎么加高精度呢?

    msdn 有一篇文章说了一下这个

    https://docs.microsoft.com/en-us/archive/msdn-magazine/2004/march/implementing-a-high-resolution-time-provider-for-windows

    通过 QueryPerformanceCounter 这个玩意 高精度计时器 精度可以到1~100微秒

    21:23:22.296 
    21:23:22.297 
    21:23:22.297 
    21:23:22.298 
    21:23:22.298 
    21:23:22.299 
    

    那怎么到微秒和纳秒呢?

    下面的我也是在网上看到了 我发一下 ,也就知道个概念就好了 没真正测试过

    1. RDTSC - 粒度: 纳秒级 不推荐
      优势: 几乎是能够获得最细粒度的计数器
      抛弃理由:
      A) 定义模糊
    • 曾经据说是处理器的cycle counter,但是后来似乎又不是了。
      有的机器上每秒的TSC增长值等于CPU频率,有的却是一个不对应任何配置的数。到底是什么,Intel也没解释清楚。
      B) 不准确
    • 这是最重大的缺陷。再细的粒度,不准的话也没用,至少不能当时间用。
      在有的CPU上,特别是支持变频技术的笔记本CPU上,TSC增长值会随着CPU的频率改变。忙的时候跑得快,闲得时候跑得慢。
    1. QueryPerformanceCounter - 粒度: 1~100微秒级 不推荐
      优势: 尽管比RDTSC粒度稍低,但是不存在RDTSC在变频CPU上的问题。
      知道这个API的人估计都倾向于用这个,因为M 对 这 个 A P I 给 出 了 比 较 明 确 的 定 义 , 就 是 每 秒 钟 某 个 计 数 器 增 长 的 数 值 。 抛 弃 理 由 : 还 是 不 准 确 尽 管 没 有 源 代 码 , 但 是 从 M 对这个API给出了比较明确的定义,就是每秒钟某个计数器增长的数值。 抛弃理由: 还是不准确 尽管没有源代码,但是从M API:M的帮助文档和知识库可以了解到,PerformanceCounter是依赖于主板上与PCI设备有关联的硬件。这就意味着,PerformanceCounter的结果还是会受到硬件频率,特别是总线频率的影响。
      事实上,我在EeePC上测试的时候就发现,系统采用节能模式的时候PerformanceCounter出来的结果老是偏慢很多,超频模式的时候又偏快,而且用电池和接电源的时候效果还不一样!
    2. timeGetTime - 粒度: 毫秒级 推荐
      尽管粒度进一步降低,但是其无与伦比的优势就是,准确。
      在任何机器上返回的都是当前系统的启动时间,精确到1毫秒。
      使用注意事项:
      A) 在NT系统上(据说)默认精度为10ms,但是可以用timeBeginPeriod来降低到1ms
      B) 返回的是一个32位整数,所以要注意大约每49.71天会出现归零(不像前两个是64位数,要几百年才会归零)。

    参考:https://zhidao.baidu.com/question/2141227584775324308.html

    展开全文
  • Windows精度时钟

    2021-08-02 11:24:00
    Windows精度时钟 精度:<1us 微秒 1.1Function 1统计一段代码的CPU时间 LARGE_INTEGER freq; LARGE_INTEGER beginTime; LARGE_INTEGER endTime; QueryPerformanceFrequency(&freq); ...

    封装几个代码,方便以后查询和使用

    Windows高精度时钟 精度:<1us 微秒

    1.1Function 1统计一段代码的CPU时间

    	LARGE_INTEGER freq;
    	LARGE_INTEGER beginTime;
    	LARGE_INTEGER endTime;
    
    	QueryPerformanceFrequency(&freq);
    	QueryPerformanceCounter(&beginTime);
    	//测试代码块时间 Begin
    	
        //测试代码块时间 End
        QueryPerformanceCounter(&endTime);
        double second = (double)(endTime.QuadPart - beginTime.QuadPart) / (double)freq.QuadPart;
    

    1.2更方便的宏定义

    #define COUNT_BEGIN  LARGE_INTEGER freq,beginTime,LARGE_INTEGER endTime;\
    QueryPerformanceFrequency(&freq);\
    QueryPerformanceCounter(&beginTime);
    
    #define COUNT_END QueryPerformanceCounter(&endTime);
    #define SHOW_TIME_COUNT printf("%llf second passed\n",(double)(endTime.QuadPart - beginTime.QuadPart) / (double)freq.QuadPart;);
    

    2.1Function 2高精度Sleep()

    LARGE_INTEGER freq;  
    LARGE_INTEGER start, end;  
    QueryPerformanceFrequency(&freq);  
    unsigned int s = 0; //此处填入延时的秒数
    unsigned int ms = 0; //此处填入延时的毫秒数
    unsigned int us = 100000; //此处填入需要延时的微秒数  
    us += ms*1000+s*1000*1000;
    LONGLONG count = (us * freq.QuadPart) / (1000 * 1000);  
    QueryPerformanceCounter(&start);  
    count = count + startQuadPart ;  
    do  
    {  
       QueryPerformanceCounter(&end);  
    }while(end.QuadPart< count);  
    

    2.2 更方便的宏定义

    #define SLEEP_S(S)
    LARGE_INTEGER freq;  \
    LARGE_INTEGER start, end;  \
    QueryPerformanceFrequency(&freq);  \
    LONGLONG count = (S*1000*1000 * freq.QuadPart) / (1000 * 1000);  \
    QueryPerformanceCounter(&start);  \
    count = count + startQuadPart ;  \
    do  \
    {  \
       QueryPerformanceCounter(&end);  \
    }while(end.QuadPart< count);  
    
    #define SLEEP_MS(MS)
    LARGE_INTEGER freq;  \
    LARGE_INTEGER start, end;  \
    QueryPerformanceFrequency(&freq);  \
    LONGLONG count = (S*1000 * freq.QuadPart) / (1000 * 1000);  \
    QueryPerformanceCounter(&start);  \
    count = count + startQuadPart ;  \
    do  \
    {  \
       QueryPerformanceCounter(&end);  \
    }while(end.QuadPart< count);  
    
    #define SLEEP_US(US)
    LARGE_INTEGER freq;  \
    LARGE_INTEGER start, end;  \
    QueryPerformanceFrequency(&freq);  \
    LONGLONG count = (US * freq.QuadPart) / (1000 * 1000);  \
    QueryPerformanceCounter(&start);  \
    count = count + startQuadPart ;  \
    do  \
    {  \
       QueryPerformanceCounter(&end);  \
    }while(end.QuadPart< count);  
    
    展开全文
  • NTP是一种常用的时间同步方式,同步精度可以达到毫秒级,能够满足绝大多数的应用场景,对于能够连接互联网的系统,设置windows系统自动的NTP时间同步,连接互联网上的时间服务器即可。对于局域网环境,则需要在该...

    提示:文章写完后,目录可以自动生成,如何生成可参考右边的帮助文档


    前言

    NTP是一种常用的时间同步方式,同步精度可以达到毫秒级,能够满足绝大多数的应用场景,对于能够连接互联网的系统,设置windows系统自动的NTP时间同步,连接互联网上的时间服务器即可。对于局域网环境,则需要在该网络系统中设置时间服务器,客户端访问时间服务器进行NTP时间同步。本文实现了局域网环境下的时间同步,重点在于客户端系统开机后自动进行NTP时间同步,并根据时间同步结果对系统的时间进行调整。

    一、环境介绍

    NTP时间服务器,IP地址假设为192.168.0.12
    客户端,windows10操作系统,安装了NTP时间同步软件:“SymmTime”

    二、使用步骤

    1.SymmTime配置

    在客户端计算机上安装SymmTime软件之后,需对该软件进行配置,包括配置时间服务器,见下图,在主界面(黄色钟表)上任意位置右键,选择“Sync Servers”,弹出的窗口中点击“add server”可增加时间服务器,输入IP地址即可,可以通过点击上下箭头选择的优先的服务器。
    在这里插入图片描述
    之后进行实际同步设置,下图,依次设置
    (1)同步的时机,三种方式:从不,程序启动时修正1次,周期性启动修正
    (2)修正门限,单位为分钟,软件会对比当前系统时间和NTP同步后的时间,当二者之差的绝对值小于蛇者的门限时,才对系统时间进行修改
    (3)异常处理,包括重试的时间,总共重试的时间
    在这里插入图片描述
    最后是要设置开机自动启动SymmTime软件,需要注意的是,即使是手动启动SymmTime软件,如果需要对系统时间自动更改的话,需要以管理员身份运行SymmTime软件。所以在开机自动启动时,需要设置以管理员身份运行才能达到目的。实现该功能用到的是windows系统的“任务计划程序”功能,在某度上能够查到很多如何使用的教程,这里只说如何实现管理员身份运行的注意事项。
    在配置到任务的属性时,有安全选项,需要点击“更改用户或组”按钮,之后在弹出的“选择用户或组”窗口中点击“高级”,之后在弹出的窗口点击“立即查找”,在下方会弹出搜索结果,选择“Administrators”(一定要选择后面又s的这个)点“确定”。此时如果windows系统已经设置了管理员身份登录系统,则配置到此就可以了。如果之前没有添加过管理员身份登录windows系统的话,则需要再加一步,右键点击屏幕左下角的窗口按钮,选择“windows powershell”,之后输入“net user Administrator /active:yes”,之后在控制面板中,设置管理员账户的密码。
    在这里插入图片描述

    运行情况

    先把windows系统时钟设置为非当前时间,之后计算机重启,重启后自动运行SymmTime软件,并与时间服务器进行NTP时间同步,并更改windows系统时间。
    在这里插入图片描述

    展开全文
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    千次阅读 2014-07-25 17:17:59
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空空如也

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