RDTSC指令实现纳秒级计时器

X86 platform

从pentium开始，很多80x86微处理器都引入TSC，一个用于时间戳计数器的64位的寄存器，它在每个时钟信号(CLK, CLK是微处理器中一条用于接收外部振荡器的时钟信号输入引线）到来时加一。
通过它可以计算CPU的主频，比如：如果微处理器的主频是1MHZ的话，那么TSC就会在1秒内增加1000000。除了计算CPU的主频外，还可以通过TSC来测试微处理器其他处理单元的运算速度，资料[2]介绍了这个内容。
那么如何获取TSC的值呢？rdtsc，一条读取TSC的指令，它把TSC的低32位存放在eax寄存器中，把TSC的高32位存放在edx中，更详细的描述见资料[1]。
下面来看看rdtsc的具体用法，在linux源代码include/asm-i386/msr.h中，可以找到这么三个关于rdtsc的宏定义：

#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))

第三个正是我们需要的，为了方便在我们自己的应用程序中使用，通过资料[3]我们把它简单的封装一下：

typedef unsigned long long cycles_t;
inline cycles_t currentcycles() {
cycles_t result;
__asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=A" (result));
return result;
}

下面来介绍一个实例，用rdtsc来计算CPU的主频。计算方法就是根据TSC的工作原理来的。我们在时间间隔1秒的前后分别记下TSC的值，然后求差并除以1000000。这样就可以计算出以MHZ为单位的主频了。大概的算法如下：

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

不过考虑到sleep是基于alarm和pause实现的，我们这里直接通过alarm来产生1秒的时间间隔了。

/**
* readTSC.c -- read the time stamp counter using the rdtsc instruction *
* falcon <[e-mail]> * 2008-04-07 *
* ref: 1. [url]http://z.cs.utexas.edu/users/habals/blog/index.php/linux/70[/url]
* 2. [url]http://www.e7188.com/Article/safe/300/878/2007/2007022852353.html[/url] *
*/
#include <stdio.h> /* printf */
#include <unistd.h> /* alarm, pause */
#include <sys/types.h>
#include <signal.h> /* signal,kill */

typedef unsigned long long cycles_t;

inline cycles_t currentcycles()
{
cycles_t result;
__asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=A" (result));

return result;
}

cycles_t t1, t2;

void handler(int signo)
{
t2 = currentcycles();
printf("cpu MHz : %lld\n", (t2-t1)/1000000);
kill(getpid(), SIGINT);
}

int main(void)
{
signal(SIGALRM, handler);
t1 = currentcycles();
alarm(1);
while(1)
pause();

return 0;
}



这里是执行情况：

$ make readTSC
cc readTSC.c -o readTSC
$ ./readTSC
cpu MHz : 2199

$ cat /proc/cpuinfo | grep MHz
cpu MHz : 2200.103

我们算出来的主频跟内核proc文件系统中记录的值差不多，不过内核里头计算的要大一些，可能内核在计算主频时用了浮点运算的缘故。实际上我们计算的值也比真实的要大，因为在t1和t2之间，除了1s外，我们调用了alarm，而且进行了除法运算，因此实际时间要大于1秒，所以实际主频就会更小一些。

参考资料：

[1] RDTSC instruction
http://www.h52617221.de/dictionary.php?id=278
[2] Using the RDTSC Instruction for Performance Monitoring
http://cs.smu.ca/~jamuir/rdtscpm1.pdf
[3] Use RDTSC instruction to measure time on x86 architecture
http://z.cs.utexas.edu/users/habals/blog/index.php/linux/70

end of X86 platform

-------------------------------------------------------------------------

从别人文章中摘出来的关于MIPS记时相关的部分。

********* 描述1 ***********

在mips平台上，可以通过读取coprocessor 0中的寄存器9来获取time stamp，

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

********* 描述2 ***********

除了这个与体系结构无关的函数外，我们还将示例使用一段内嵌的汇编代码。为此，我们来给 MIPS 处理器实现一个 rdtscl 函数，功能就象 x86 的一样。

这个例子之所以基于 MIPS，是因为大多数 MIPS 处理器都有一个 32 位的计数器，在它们的内部“coprocessor 0”中命名为 register 9 寄存器。为了从内核空间读取该寄存器，可以定义下面的宏，它执行“从 coprocessor 0 读取”的汇编指令：*

#define rdtscl(dest) \
_ _asm_ _ _ _volatile_ _("mfc0 %0,$9; nop" : "=r" (dest))

注：nop 指令是必需的，防止了编译器在指令mfc0之后立刻访问目标寄存器。这种互锁（interlock）在 RISC处理器中是很典型的，在延迟期间编译器仍然可以调度其它指令执行。我们在这里使用nop，是因为内嵌汇编指令对编译器来说是个黑盒，不能进行优化。

通过使用这个宏，MIPS 处理器就可以执行和前面所示用于 x86 的相同的代码了。

gcc 内嵌汇编的有趣之处在于通用寄存器的分配使用是由编译器完成的。这个宏中使用的 %0 只是“参数 0”的占位符，参数 0 由随后的“作为输出（=）使用的任意寄存器（r）”定义。该宏还说明了输出寄存器要对应于 C 表达式 dest。内嵌汇编的语法功能强大但也比较复杂，特别是在对各寄存器使用有限制的平台上更是如此，如 x86 系列。完整的语法描述在 gcc 文档中提供，一般在 info 中就可找到。