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[转]VC中基于 Windows 的精确定时

Posted on 2007-12-04 20:56 neter 阅读(269) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 程序设计
中国科学院光电技术研究所 游志宇

在工业生产控制系统中,有许多需要定时完成的操作,如定时显示当前时间,定时刷新屏幕上的进度条,上位 机定时向下位机发送命令和传送数据等。特别是在对控制性能要求较高的实时控制系统和数据采集系统中,就更需要精确定时操作。
  众所周知,Windows 是基于消息机制的系统,任何事件的执行都是通过发送和接收消息来完成的。 这样就带来了一些问题,如一旦计算机的CPU被某个进程占用,或系统资源紧张时,发送到消息队列 中的消息就暂时被挂起,得不到实时处理。因此,不能简单地通过Windows消息引发一个对定时要求 严格的事件。另外,由于在Windows中已经封装了计算机底层硬件的访问,所以,要想通过直接利用 访问硬件来完成精确定时,也比较困难。所以在实际应用时,应针对具体定时精度的要求,采取相适 应的定时方法。
  VC中提供了很多关于时间操作的函数,利用它们控制程序能够精确地完成定时和计时操作。本文详细介绍了 VC中基于Windows的精确定时的七种方式,如下图所示:

图一 图像描述

  方式一:VC中的WM_TIMER消息映射能进行简单的时间控制。首先调用函数SetTimer()设置定时 间隔,如SetTimer(0,200,NULL)即为设置200ms的时间间隔。然后在应用程序中增加定时响应函数 OnTimer(),并在该函数中添加响应的处理语句,用来完成到达定时时间的操作。这种定时方法非常 简单,可以实现一定的定时功能,但其定时功能如同Sleep()函数的延时功能一样,精度非常低,最小 计时精度仅为30ms,CPU占用低,且定时器消息在多任务操作系统中的优先级很低,不能得到及时响 应,往往不能满足实时控制环境下的应用。只可以用来实现诸如位图的动态显示等对定时精度要求不高的情况。如示例工程中的Timer1。
  方式二:VC中使用sleep()函数实现延时,它的单位是ms,如延时2秒,用sleep(2000)。精度非常 低,最小计时精度仅为30ms,用sleep函数的不利处在于延时期间不能处理其他的消息,如果时间太 长,就好象死机一样,CPU占用率非常高,只能用于要求不高的延时程序中。如示例工程中的Timer2。
  方式三:利用COleDateTime类和COleDateTimeSpan类结合WINDOWS的消息处理过程来实现秒级延时。如示例工程中的Timer3和Timer3_1。以下是实现2秒的延时代码:
COleDateTime      start_time = COleDateTime::GetCurrentTime();
      COleDateTimeSpan  end_time= COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      while(end_time.GetTotalSeconds()< 2) //实现延时2秒
     {
              MSG   msg;
              GetMessage(&msg,NULL,0,0);
              TranslateMessage(&msg);
              DispatchMessage(&msg);
             
             //以上四行是实现在延时或定时期间能处理其他的消息,
       //虽然这样可以降低CPU的占有率,
             //但降低了延时或定时精度,实际应用中可以去掉。
             end_time = COleDateTime::GetCurrentTime()-start_time;
      }//这样在延时的时候我们也能够处理其他的消息。     
方式四:在精度要求较高的情况下,VC中可以利用GetTickCount()函数,该函数的返回值是  DWORD型,表示以ms为单位的计算机启动后经历的时间间隔。精度比WM_TIMER消息映射高,在较 短的定时中其计时误差为15ms,在较长的定时中其计时误差较低,如果定时时间太长,就好象死机一样,CPU占用率非常高,只能用于要求不高的延时程序中。如示例工程中的Timer4和Timer4_1。下列代码可以实现50ms的精确定时:
       DWORD dwStart = GetTickCount();
DWORD dwEnd   = dwStart;
do
{
dwEnd = GetTickCount()-dwStart;
}while(dwEnd <50);
为使GetTickCount()函数在延时或定时期间能处理其他的消息,可以把代码改为:
       DWORD dwStart = GetTickCount();
DWORD dwEnd   = dwStart;
do
{
MSG   msg;
GetMessage(&msg,NULL,0,0);
TranslateMessage(&msg);
DispatchMessage(&msg);
dwEnd = GetTickCount()-dwStart;
}while(dwEnd <50);
虽然这样可以降低CPU的占有率,并在延时或定时期间也能处理其他的消息,但降低了延时或定时精度。
  方式五:与GetTickCount()函数类似的多媒体定时器函数DWORD timeGetTime(void),该函数定时精 度为ms级,返回从Windows启动开始经过的毫秒数。微软公司在其多媒体Windows中提供了精确定时器的底 层API持,利用多媒体定时器可以很精确地读出系统的当前时间,并且能在非常精确的时间间隔内完成一 个事件、函数或过程的调用。不同之处在于调用DWORD timeGetTime(void) 函数之前必须将 Winmm.lib  和 Mmsystem.h 添加到工程中,否则在编译时提示DWORD timeGetTime(void)函数未定义。由于使用该 函数是通过查询的方式进行定时控制的,所以,应该建立定时循环来进行定时事件的控制。如示例工程中的Timer5和Timer5_1。
  方式六:使用多媒体定时器timeSetEvent()函数,该函数定时精度为ms级。利用该函数可以实现周期性的函数调用。如示例工程中的Timer6和Timer6_1。函数的原型如下:
       MMRESULT timeSetEvent( UINT uDelay,
UINT uResolution,
LPTIMECALLBACK lpTimeProc,
WORD dwUser,
UINT fuEvent )
  该函数设置一个定时回调事件,此事件可以是一个一次性事件或周期性事件。事件一旦被激活,便调用指定的回调函数, 成功后返回事件的标识符代码,否则返回NULL。函数的参数说明如下:
       uDelay:以毫秒指定事件的周期。
Uresolution:以毫秒指定延时的精度,数值越小定时器事件分辨率越高。缺省值为1ms。
LpTimeProc:指向一个回调函数。
DwUser:存放用户提供的回调数据。
FuEvent:指定定时器事件类型:
TIME_ONESHOT:uDelay毫秒后只产生一次事件
TIME_PERIODIC :每隔uDelay毫秒周期性地产生事件。      
  具体应用时,可以通过调用timeSetEvent()函数,将需要周期性执行的任务定义在LpTimeProc回调函数 中(如:定时采样、控制等),从而完成所需处理的事件。需要注意的是,任务处理的时间不能大于周期间隔时间。另外,在定时器使用完毕后, 应及时调用timeKillEvent()将之释放。
  方式七:对于精确度要求更高的定时操作,则应该使用QueryPerformanceFrequency()和 QueryPerformanceCounter()函数。这两个函数是VC提供的仅供Windows 95及其后续版本使用的精确时间函数,并要求计算机从硬件上支持精确定时器。如示例工程中的Timer7、Timer7_1、Timer7_2、Timer7_3。
QueryPerformanceFrequency()函数和QueryPerformanceCounter()函数的原型如下:
       BOOL  QueryPerformanceFrequency(LARGE_INTEGER *lpFrequency);
BOOL  QueryPerformanceCounter(LARGE_INTEGER *lpCount);
  数据类型ARGE_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
};
LONGLONG QuadPart ;// 8字节整型数
}LARGE_INTEGER ;
  在进行定时之前,先调用QueryPerformanceFrequency()函数获得机器内部定时器的时钟频率, 然后在需要严格定时的事件发生之前和发生之后分别调用QueryPerformanceCounter()函数,利用两次获得的计数之差及时钟频率,计算出事件经 历的精确时间。下列代码实现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);
  其定时误差不超过1微秒,精度与CPU等机器配置有关。 下面的程序用来测试函数Sleep(100)的精确持续时间:
       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
Sleep(100);
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     
  由于Sleep()函数自身的误差,上述程序每次执行的结果都会有微小误差。下列代码实现1微秒的精确定时:
       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<0.000001);
其定时误差一般不超过0.5微秒,精度与CPU等机器配置有关。

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