RDTSC指令實現納秒級計時器

原文:

x86 platform

從pentium開始，很多80x86微處理器都引入tsc，乙個用於時間戳計數器的64位的暫存器，它在每個時鐘訊號(clk, clk是微處理器中一條用於接收外部振盪器的時鐘訊號輸入引線）到來時加一。

通過它可以計算cpu的主頻，比如：如果微處理器的主頻是1mhz的話，那麼tsc就會在1秒內增加1000000。除了計算cpu的主頻外，還可以通過tsc來測試微處理器其他處理單元的運算速度，資料[2]介紹了這個內容。

那麼如何獲取tsc的值呢？rdtsc，一條讀取tsc的指令，它把tsc的低32位存放在eax暫存器中，把tsc的高32位存放在edx中，更詳細的描述見資料[1]。

下面來看看rdtsc的具體用法，在linux源**include/asm-i386/msr.h中，可以找到這麼三個關於rdtsc的巨集定義：

#define rdtsc(low,high) \
__asm__ __volatile__("rdtsc" : "=a" (low), "=d" (high))
#define rdtscl(low) \
__asm__ __volatile__("rdtsc" : "=a" (low) : : "edx")
#define rdtscll(val) \
__asm__ __volatile__("rdtsc" : "=a" (val))

第三個正是我們需要的，為了方便在我們自己的應用程式中使用，通過資料[3]我們把它簡單的封裝一下：

typedef unsigned long long cycles_t;
inline cycles_t currentcycles()

下面來介紹乙個例項，用rdtsc來計算cpu的主頻。計算方法就是根據tsc的工作原理來的。我們在時間間隔1秒的前後分別記下tsc的值，然後求差並除以1000000。這樣就可以計算出以mhz為單位的主頻了。大概的演算法如下：

t1 = currentcycles();
sleep(1);
t2 = currentcycles();
printf("cpu mhz        : %lld\n", (t2-t1)/1000000);

不過考慮到sleep是基於alarm和pause實現的，我們這裡直接通過alarm來產生1秒的時間間隔了。

/**
* readtsc.c -- read the time stamp counter using the rdtsc instruction *
* falcon * 2008-04-07 *
* ref: 1. [url]
* 2. [url] *
*/#include /* printf */
#include /* alarm, pause */
#include #include /* signal,kill */
typedef unsigned long long cycles_t;
inline cycles_t currentcycles()
cycles_t t1, t2;
void handler(int signo)
int main(void)

這裡是執**況：

$ make readtsc cc readtsc.c -o readtsc $ ./readtsc cpu mhz : 2199 $ cat /proc/cpuinfo | grep mhz

cpu mhz : 2200.103

我們算出來的主頻跟核心proc檔案系統中記錄的值差不多，不過核心裡頭計算的要大一些，可能核心在計算主頻時用了浮點運算的緣故。實際上我們計算的值也比真實的要大，因為在t1和t2之間，除了1s外，我們呼叫了alarm，而且進行了除法運算，因此實際時間要大於1秒，所以實際主頻就會更小一些。

參考資料：

[1] rdtsc instruction

[2] using the rdtsc instruction for performance monitoring

[3] use rdtsc instruction to measure time on x86 architecture

end of x86 platform

********* 描述1 ***********

在mips平台上，可以通過讀取coprocessor 0中的暫存器9來獲取time stamp，

#define rdtscl(dest)\ __asm__ __volatile__("mfc0 %0, $9; nop":"=r"(dest));

注：nop 指令是必需的，防止了編譯器在指令mfc0之後立刻訪問目標暫存器。這種互鎖（interlock）在 risc處理器中是很典型的，在延遲期間編譯器仍然可以排程其它指令執行。我們在這裡使用nop，是因為內嵌彙編指令對編譯器來說是個黑盒，不能進行優化。

通過使用這個巨集，mips 處理器就可以執行和前面所示用於 x86 的相同的**了。

gcc 內嵌彙編的有趣之處在於通用暫存器的分配使用是由編譯器完成的。這個巨集中使用的 %0 只是「引數 0」的佔位符，引數 0 由隨後的「作為輸出（=）使用的任意暫存器（r）」定義。該巨集還說明了輸出暫存器要對應於 c 表示式 dest。內嵌彙編的語法功能強大但也比較複雜，特別是在對各暫存器使用有限制的平台上更是如此，如 x86 系列。完整的語法描述在 gcc 文件中提供，一般在 info 中就可找到。

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