[程式之美]1.1 CPU 使用率曲線(高精度計時器延伸探討)－Edison.X. Blog

關於讓 CPU 使用率曲線聽你指揮之相關文章中，已對原作之解法提出分析與實做，接下來繼續討論相關之議題。原作提出之議題吾人大致分成以下四部份：

1. 取得 CPU 核心週期數
2. 取得 CPU 使用率之方法
3. 高精度計時器
* 4. 取得 CPU 時脈率

由於原作只有提到可用 1. 之方法取得 CPU 時脈率，但實做時容易遇到問題，於是吾人於第四部份予以探討與實做。

1 . 取得 CPU 時脈核心週期數

原作程式碼，加以修改後如下所示

__int64 GetCPUTickCount()
{
    __asm
    {
       rdtsc;
    }
}

// x64
#if defined(_M_X64)
#define GetCPUTickCount() __rdtsc()
#endif

重點是這要怎麼用？原作只有提到可用 CallNTPowerInformation 得到頻率，將週期數化為毫秒數，程式碼如下所述

_PROCESSOR_POWER_INFORMATION info;

CallNTPowerInformation(11,
    NULL,
    0,
    &info,
    sizeof(info) );

__int64 t_begin = GetCPUTickCount();

// do something

__int64 t_end = GetCPUTickCount();
double millisec = \
((double)t_end-(double)t_begin)/info.CurrentMhz;

但實做上將遇到不少困難，這裡放到第四部份再詳細說明。

2. 取得 CPU 使用率之方法

這裡已於另一文說明，請參照這篇文章，裡面 [解法三實測與評論] 已提供 cpu.h 取得。

3. 高精度計時器

對於計時器之精度等測試問題，可詳見計時器整理之文章，裡面提出了五種方式之實做與說明。這裡再做的是另一項補充。

在做計時動作時，常是這麼做 (以 clock() 為例)

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <time.h>

int main()
{
    clock_t t1, t2;
    t1 = clock();
    Sleep(1234);
    t2 = clock();
    printf("%lf\n", (double)(t2-t1)/CLK_TCK);
    return 0;
}

這裡有個地方要修正

clock_t t0, t1, t2;
    t0 = clock();
    while( (t1 = clock())<=t0);
    Sleep(1234);
    t2 = clock();

會這麼做是為了希望起始之 clock 為在時間之頭，而不是在尾，盡可能減少計時上之誤差。

* 4. 取得 CPU 時脈率

方法一：使用 CallNTPowerInformation

這方法為作者所提出，由於實作上不少人都遇到問題，吾人亦摸索了一段時間，這裡將實作過程放上來。

首先在 MSDN 上註明了，使用這 API 必須有 PowrProf.h、PowerProf.lib、PowrProf.dll，程式碼中直接只寫這段看看

#pragma comment(lib, "pwrprof.lib")
#include <windows.h>
#include <powrprof.h>

int main()
{
    _PROCESSOR_POWER_INFORMATION info; 
    return 0;
}

很遺憾的是，compiler 竟出現了錯誤訊息：無法開啟檔案 'pwrprof.lib'；
#pragma 拿掉，則又會出現了另一錯誤訊息：'PROCESSOR_POWER_INFORMATION' : 未宣告的識別項

這問題應是 compiler 環境操作不熟導致，首先，這部份不適合用 #pragma 去連結 lib，直接用 IDE 方式去連結，連結方式：

[專案]->[屬性]->[組態屬性]->[連結器]->[命令列]-> 右邊下面輸入 Powrprof.lib

好了之後再 compiler 一次，又發現還是沒辦法解決 'PROCESSOR_POWER_INFORMATION' : 未宣告的識別項之錯誤訊息，原因在於吾人環境並沒對 PROCESSOR_POWER_INFORMATION 進行宣告(定義)，於是只好自己加進去。

考慮了以上之情形，實做後完成之程式碼如下所示

#include <windows.h>
#include <powrprof.h>
#include <stdio.h>

typedef struct _PROCESSOR_POWER_INFORMATION {
    ULONG Number;
    ULONG MaxMhz;
    ULONG CurrentMhz;
    ULONG MhzLimit;
    ULONG MaxIdleState;
    ULONG CurrentIdleState;
} PROCESSOR_POWER_INFORMATION , *PPROCESSOR_POWER_INFORMATION;

// main function
int main()
{
    PROCESSOR_POWER_INFORMATION info;
    CallNtPowerInformation(ProcessorInformation, NULL, 0, &info, sizeof(info));
    printf("MaxMhz:%lu\n", info.MaxMhz);
    printf("currentMhz:%lu\n", info.CurrentMhz);
    printf("MhzLimit:%lu\n", info.MhzLimit);
    return 0;
}

執行結果 (吾人 cpu 為 2.91 GHz 雙核 )
MaxMhz: 2913
currentMhz：2913
MhzLimit：2913

方法二： rdtsc 算時脈率

考慮下面程式碼

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

// main function
int main()
{
    unsigned __int64 t0, t1, t2, td;
    double clk_t=0.0; // sec per clock
    t0 = __rdtsc();
    while( (t1=__rdtsc()) <= t0);
    Sleep(1000);
    t2 = __rdtsc();

    td = t2-t1;
    clk_t = 1.0 / td;

    printf("clock cycle freq: %lld hz\n", td);
    printf("clock cycle freq: %lf  Ghz\n", 1E-9*td);
    printf("clock cycle time: %E   sec\n", clk_t);
    return 0;
}

執行結果
clock cycle freq: 2912869852 hz
clock cycle freq: 2.912870 Ghz
clock cycle time: 3.433040E-010 sec

這結果與調用 CallNtPowerInformation 相似，但 CallNtPowerInformation 所得到之時脈率是以 Mhz 為單位，而使用此方法是以 hz 為單位。用此法知道時脈後，要進行計時的話就方便多了

#include <windows.h>
#include <stdio.h>

// main function
int main()
{
    // freopen("out.txt", "w", stdout);
    unsigned __int64 t0, t1, t2, td;
    double clk_t=0.0; // sec per clock

    /* 計算時脈 */
    t0 = __rdtsc();
    while( (t1=__rdtsc()) <= t0);
    Sleep(1000);
    t2 = __rdtsc();

    td = t2-t1;
    clk_t = 1.0 / td;

    /* 計時 1sec */
    t0 = __rdtsc();
    while( (t1=__rdtsc()) <= t0);
    Sleep(1234);
    t2 = __rdtsc();

    printf("%lf \n", (double)(t2-t1)/td);
    return 0;
}

執行結果
1.235506

上面的計時結果並不是非常準，因在計算時脈率時，使用的是 Sleep 函式，但 Sleep 誤差為數十個 ms ，就使用 __rdtsc 系列要精準到奈秒(10^-9) 級而言，似乎不恰當。有個簡單的方法可以改善，即為在測時偵測時脈率時，將 Sleep 時間拉長，即從原本的 1000 整個拉長，至於要拉長多久，乃視想達到多少精度為主。假定 Sleep 誤差為 40ms，上面是 Sleep(1000)，誤差即為 4%；若為 Sleep(40000)，誤差則降為 0.1 %，但相對的，要得到精準之時脈率，就要有愈長時間測時。

※ 少用 __rdtsc()

這點有爭議。

MSDN 上有對此方式提出三大點問題，這裡摘要說明約如下述敘

1. 所取之值不連續：直接使用 RDTSC 乃假設執行緒是在同一個 processor 下執行不進行轉移，但多核系統並不保證 processor 間之計時器為同步。

2. 相依於硬體：雖 RDTSC 長期為高精度計時之方法，但較新的主機版已不用 RDTSC 計時，而是用其他之高精度方式計時。

3. CPU 頻率之變異：使用此方式計時之前題為，在此程式之生命週期期間， CPU 頻率為固定不變。但實際上並非如此，CPU 頻率可能會因系統供電及負荷情況有所調整。

鑑於上述 3 點，於是 MSDN 上建議使用的高精度計時器為 QueryPerformanceFrequency、QueryPerformanceCounter 方式。

以 QueryPerformanceFrequency、QueryPerformanceCounter 或用 RDTSC 方式測時之好壞，上述已有初步之討論，至於再深入之應用可再進修；吾人暫不於此進行此二方法優劣之評論。

# E.N.D #