Rdtsc

rdtsc (англ. Read Time Stamp Counter) — ассемблерная инструкция для платформы x86, читающая счётчик TSC (Time Stamp Counter) и возвращающая его в регистрах EDX:EAX 64-битное количество тактов с момента последнего сброса процессора.

rdtsc поддерживается в процессорах Pentium (и совместимых с ними) и более новых. Опкод: 0F 31.

rdtscp^[1] поддерживается начиная с Intel Nehalem и AMD Family 0x0F^[2]. Опкод: 0F 01 F9.^[3]

Использование

rdtsc чаще всего используется:

• для измерения времени;
• для точного измерения временных интервалов;
• при оптимизации — для измерения времени, необходимого для выполнения конкретных инструкций или их набора;
• в антиотладочных целях;^[4][5]
• как источник энтропии для генераторов псевдослучайных чисел.^[6]

Преимущества

В сравнении с предоставляемыми операционными системами API (при условии отсутствия перечисленных ниже проблем) вроде WINAPI::QueryPerformanceCounter() или gettimeofday() инструкция rdtsc предоставляет следующие преимущества.

• Точность почти до тика, что особенно критично для архитектур и операционных систем, полноценно не поддерживающих HPET, то есть всех сколько-нибудь устаревших ПК и ОС (для win32 начиная только с Windows Vista, требуется включение опции BIOS «HPET Support»), где используется системный таймер (его точность не чаще OsTimeSlice — 10-15ms). Для win 2k и младше используется параметр /usepmtimer в boot.ini. см. NTLDR)
• Скорость, обычно в десятки-сотни тысяч раз быстрее (в зависимости от множества факторов). Это очень важно, например, при измерении времени исполнения интенсивных операций, таких, как вызовы функций.
• Не требует переключения в Ring0 в большинстве систем (если команда разрешена в данной ОС).

Проблемы использования

• QueryPerformanceCounter может работать неправильно в Windows Server 2000, Windows Server 2003 и Windows XP.^[7]

• При создании коммерческих программ RDTSC потенциально может быть недоступна на конечной системе, поэтому должны быть предусмотрены режимы функционирования, не требующие данной команды.

• Точные замеры:
  • невозможность получения точного значения из-за влияния кэшей процессора при обращении к памяти, да и просто исполнение команд требует предвыборки оттуда же. Традиционно решается многократным измерением фрагмента программы.
  • возможность переупорядочивания с замеряемыми командами на Out-of-Order процессорах. Решается добавлением сериализующих команд (например, CLD/CLC для Pentium моделей P5, P54^[8] или cpuid для более новых) или использованием rdtscp.

• возможная недоступность:
  • на старых процессорах (например, 80486) либо на процессорах, реализующих архитектуру x86 не в полном объеме.
  • инструкция может быть потенциально превращена в привилегированную (операционной системой установлен 3-й бит в управляющем регистре CR4), и её использование приведет к генерации исключения в программе.

• режим энергосбережения:
  • В современных процессорах Intel счетчик TSC не зависит от использования технологий энергосбережения и увеличивается на 1 каждый такт, вне зависимости от того, работал ли процессор или находился в состоянии сна.
  • Существует также вопрос периодического динамического автоснижения и автоповышения частот технологиями Cool&Quiet и аналогов от других производителей процессоров, а также технологий псевдоразгона — Intel® Turbo Boost Technology. Для не сильно критических к таймингам систем это обычно обходится периодическим пересчётом частоты, например, в играх (особенно в однопользовательском режиме) и подобных 3D-эмуляторах, а также в реалтайм-счётчиках времени исполнения тех или иных блоков программы.

• псевдовсплески в системах с многопоточным ядром (ядрами) или HyperThreading для случаев очень точных замеров блока команд из-за неучёта загруженности общих процессорных блоков а также кэша и памяти, что верно и для просто мультипроцессорных систем. Простейшее решение — отключить на время тестов HyperThreading в BIOS, при наличии более одного ядра — в BIOS или программно в ОС ограничить число ядер до одного (для win32 — параметр /numproc=1 в c:\boot.ini).

• рассинхронизация в многоядерных системах:
  • При инициализации процессоров. В некоторых реализациях счетчики TSC могут иметь синхронные значения на многоядерной системе, в том числе временно, что может ввести программиста в заблуждение о таком же поведение и на других системах.
  • Рассинхронизация самих счётчиков в первых многоядерных системах из-за неверно-синхронной инициализации процессоров некоторыми BIOS. Исправляется обновлением BIOS или обновлением операционной системы. Существуют программы для проверки на наличие этой ошибки.^[9]
  • Порча оперируемого программой значения счётчика в многоядерных системах, когда частота разная или программа не рассчитана на исполнение на многопроцессорной системе, при периодическом автопереключении потока или процесса с одного процессора на другой системой.
  • Основной проблемой для применения инструкции rdtsc на многоядерных системах (особенно критично это в случае, когда она используется для измерения временных интервалов) является то, что значения счетчика команд на разных процессорных ядрах могут быть разными (не синхронизированными).
  • Для того, чтобы на прикладном уровне можно было отследить факт смены ядра на многоядерных системах, введена инструкция rdtscp, которая, работая аналогично rdtsc, возвращает в регистре ecx дополнительно id процессорного ядра.

Для решения многих проблем рекомендуется фиксирование потока на конкретном процессоре (cpu affinity) и отключение технологий автоматического изменения частоты (в целях энергосбережения или повышения производительности).

Примечания

1. ↑ Сериализующий вариант инструкции rdtsc, также читающий IA32_TSC_AUX MSR, в котором часто хранится номер ядра.
2. ↑ rdtscp
3. ↑ x86/x64 Instruction Set Reference
4. ↑ Windows Anti-Debug Reference | Symantec Connect Community
5. ↑ Слайд 58 Timing Based Anti-Debugging
6. ↑ Tom St. Denis, Simon Johnson, Cryptography for developers.
7. ↑ Programs that use the QueryPerformanceCounter function may perform poorly in Windows Server 2000, in Windows Server 2003, and in Windows XP
8. ↑ How to optimize for the Pentium family of microprocessors // 1996—2000 by Agner Fog. Chapter «30. Testing speed», перевод
9. ↑ ICE Affinity

Ссылки

Имеется викиучебник по теме
«Примеры использования rdtsc в языках высокого уровня»

• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual. Volume 2B: Instruction Set Reference, N-Z, стр. 355—356