第十二章　計時器

民國 70 年，國際商業機器公司（IBM）開始出產 IBM PC 個人電腦時，那時在 IBM PC 硬體內部就有一個編號是 8253 的晶片，專門負責計時。這個晶片以頻率 18.2Hz 的方式產生第 8 號中斷（18.2Hz 的意思就是說每秒觸發第 8 號中斷 18.2 次），換句話說每隔 55 毫秒（1÷18.2≑0.0549）就執行一次第 8 號中斷。IBM PC 共有 256 個中斷，編號由零開始到十六進位的 0FFH，我們可以把中斷想成是某種副程式。

到了現在，8253 晶片已經被高精度事件計時器（high precision event timer，縮寫 HPET）取代，並整合到了南橋晶片中，但南橋晶片也保留了 8253 的功能。因此現在的電腦，仍然能執行以前的作業系統，例如 MS－DOS，只要你能找到開機時啟動的方法。

在大部分的情形下，我們不需要精密度很高的計時器，每 55 毫秒觸發一次的精密度已經足夠了。這一章要介紹在 Windows 作業系統中的計時器，並說明如何應用。

計時器

在 Windows 作業系統中，計時器可以看做是一種輸入設備，我們可以指定它每隔一段固定的時間間隔，對應用程式發出 WM_TIMER 訊息。乍看之下，計時器似乎不像鍵盤、滑鼠那麼重要，但是它也有一些不可磨滅的貢獻，例如：

  1. 自動儲存：指定一段時間後，例如五分鐘，應用程式可以自動儲存資料到硬碟上。
  2. 多工：雖然自 Windows 95 之後的 Windwos 作業系統是優先權式的多工（註一），但是如果應用程式要處理大量資料時，可將這些工作切割成許多部份，利用定時器傳來訊息時處理一部份。
  3. 播放音樂：利用定時器在背景播放音樂。
  4. 自動結束的試用版軟體或試玩版電腦遊戲：設定只能讓使用者試用或試玩一段固定時間，就結束程式。
  5. 調整速度：可以利用定時器消除因為 CPU 快慢而造成的速度差異。

以上是計時器的應用，那麼要如何使用計時器呢？首先，我們必須先建立計時器。

SetTimer API

在 Windows 作業系統中，應用程式無法直接讀取第 8 號中斷，這些硬體資源都由 Windows 統籌運用。應用程式必須透過 Windows 來使用這些硬體資源，可以呼叫 SetTimer，建立計時器。Windows 會為此計時器建立一個計數器並初始它，然後每隔 55 毫秒計數器便減一，直到減至零，便對應用程式發出 WM_TIMER 訊息。應用程式收到 WM_TIMER 訊息後，便能在處理此訊息做一些工作。底下是 SetTimer 的用法：

invoke  SetTimer,\
        hWnd,\      ; handle of window for timer messages
        nIDEvent,\  ; timer identifier
        uElapse,\   ; time-out value
        lpTimerFunc ; address of timer procedure

大部分的情形下，lpTimerFunc 為零，那麼 Windows 每隔一段時間間隔（此時間間隔由第三個參數 uElapse 指定）就會把 WM_TIMER 發送給呼叫 SetTimer 時第一個參數所指定的視窗。發送的 WM_TIMER 訊息裏的 wParam 等於計時器識別碼，也就是呼叫 SetTimer 時的第二個參數；而lParam 等於零。因為可以在同個應用程式中用多個不同的 nIDEvent 來多次呼叫 SetTimer，如此就建立多個計時器，這樣就要用 wParam 分辨不同的計時器。其格式如下：

        invoke  SetTimer,hwnd,TIMER_SEC,1000,0  ;建立每秒送出 WM_TIMER 的計時器
        invoke  SetTimer,hwnd,TIMER_MIN,60000,0 ;建立每分送出 WM_TIMER 的計時器
        ⁝
case WM_TIMER:
    switch wParam
    case TIMER_SEC:
        ;每秒一次的處理

    case TIMER_MIN:
        ;每分鐘一次的處理
    endsw
        ⁝

假如第四個參數 lpTimerFunc 不是零，而是某個副程式位址的話，那麼 Windows 每隔一個時間間隔，不再是發送 WM_TIMER 訊息給呼叫 SetTimer 時第一個參數所指定的視窗，而是呼叫該副程式一次。由此看來，此副程式其實是一種呼回函式。假設此呼回函式名稱是 TimerProc，其原型為：

TimerProc   PROC    hwnd:HWND, message:UNIT, iTimerID:UNIT, dwTime:DWORD
            ; 這兒是每隔一個時間間隔要處理的工作
TimerProc   ENDP

Windows 傳給 TimerProc 的第一個參數 hwnd，其實就是呼叫 SetTimer 時的視窗代碼，message 始終是 WM_TIMER，iTimerID 是呼叫 SetTimer 時的回傳值，dwTimer 是啟動 Windows 時已經過多少毫秒。

如果計時器建立失敗，回傳值為零。如果成功建立計時器，其回傳值又分兩種情形：

  1. 如果第一個參數 hWnd 為視窗代碼，那麼回傳值為非零值。
  2. 如果第一個參數 hWnd 為零，那麼 SetTimer 會忽略 nIDEvent 參數，而回傳值為計時器識別碼。爾後要銷毀計時器時，呼叫 KillTimer 時，第一個參數 hWnd 設為零，第二個參數就是此回傳值。

第三個參數是時間間隔，雖然單位是毫秒，但是由於許多因素，無法精確到一毫秒，因此如果真要精確計時，最好不要使用 SetTimes 計時器。如果 uElapse 小於 USER_TIMER_MINIMUM（USER_TIMER_MINIMUM＝0AH），則 uElapse 會設為 USER_TIMER_MINIMUM；如果 uElapse 大於 USER_TIMER_MAXIMUM（USER_TIMER_MINIMUM＝07FFFFFFFH），則 uElapse 會設為 USER_TIMER_MAXIMUM。

KillTimer API

當用不著計時器時，或是程式結束時，必須將計時器銷毀。銷毀計時器的方法是呼叫 KillTimer，其語法如下：

invoke  KillTimer,\
        hWnd,\      ; handle of window that installed timer
        uIDEvent    ; timer identifier

如果 KillTimer 成功銷毀計時器，回傳值為非零；失敗，回傳值為零。

計時器的應用：RNDLINE1.ASM

底下實作一個例子，說明計時器的用法。這個例子是 RNDLINE1.ASM，它會在視窗的工作區內以左上角為起點，隨機取一點為終點繪出一個隨機顏色的線段，而後把該線段的終點作為另一線段的起點，再隨機取一點為終點繪出第二個隨機顏色的線段，如此一直重複直到使用者關閉 RNDLINE1 為止。

RNDLINE1.ASM 牽涉到當前像素、繪製線段及彩色文字，因此先補充有關這方面的知識。底下所要談論的是 GDI 物件之一，畫筆。畫筆與畫刷相似，要先建立後才能使用，畫筆是用來畫出線段、曲線或是圖形（例如矩形、橢圓等）。

CreatePen API

CreatePen 能用指定的風格、寬度以及顏色建立邏輯畫筆。CreatePen 的原型是：

invoke  CreatePen,\
        fnPenStyle,\    ; pen style
        nWidth,\        ; pen width
        crColor         ; pen color

如果成功建立邏輯畫筆，回傳值是此邏輯畫筆的代碼，那麼可以用此邏輯畫筆代碼為參數，呼叫 SelectObject 將此邏輯畫筆選入裝置內容。爾後畫出的線段、曲線都是用這個邏輯畫筆繪製。與前一章畫刷一樣，當所建立的畫筆不用時，必須呼叫 DeleteObject 刪除，以節省資源。如果建立邏輯畫筆失敗，CreatePen 的回傳值是 0。

SelectObject API

SelectObject 使裝置內容內的 GDI 物件設定為新指定的 GDI 物件。例如可以呼叫 SelectObject 將裝置內容中舊有的畫筆，以新建立好的畫筆取代。SelectObject 的原型是：

invoke  SelectObject,\
        hdc,\       ; handle to DC
        hgdiobj     ; handle to object

能夠被 SelectObject 選入的 GDI 物件有下面幾種類型：①位元圖（bitmap）、②畫刷（brush）、③字形（font）、④畫筆（pen）、⑤區域（region）。

如果 SelectObject 的第二個參數不是區域，而 SelectObject 又執行失敗，那麼回傳值為零；如果執行成功，回傳值是原先 GDI 物件代碼。如果 SelectObject 的第二個參數是區域，而 SelectObject 又執行失敗，那摩回傳值是 HGDI_ERROR；如果執行成功，那麼回傳值是下列之一：

  1. SIMPLEREGION：區域僅包含一個矩形。
  2. COMPLEXREGION：區域包含兩個或兩個以上的矩形。
  3. NULLREGION：區域是空的。

MoveToEx API

當程式呼叫 BeginPaint 或 GetDC 以獲得視窗工作區的裝置內容代碼時，會將工作區左上角當做當前的像素（像素英文是 pixel，可以看成是螢幕上的點），而 MoveToEx 可以把當前像素移到指定的像素上。MoveToEx 的原型是：

invoke  MoveToEx,\
        hdc,\       ; handle of device context
        X,\         ; x-coordinate of new current position
        Y,\         ; y-coordinate of new current position
        lpPoint     ; address of old current position

如果 MoveToEx 成功設定當前像素，回傳值為非零；如果失敗，回傳值為零。

LineTo API

LineTo 可以把當前像素與指定的終點像素兩點連接起來，繪出一線段來。LineTo 的原型是：

invoke  LineTo,\
        hdc,\       ; device context handle
        nXEnd,\     ; x-coordinate of line's ending point
        nYEnd       ; y-coordinate of line's ending point

LineTo 會用當前的畫筆繪出線段，當前畫筆可以用呼叫 CreatePen、CreatePenIndirect 等 API 建立，然後以 SelectObject 選入到裝置內容中。LineTo 如果成功繪出線段，那麼回傳值為非零，同時當前像素設定為 nXEnd、nYEnd 所指的像素；如果失敗，回傳值為零。

SetTextColor API

SetTextColor 將指定的裝置內容的文字設定為某種顏色。其原型為：

invoke  SetTextColor,\
        hdc,\       ; handle of device context
        crColor     ; text color

如果成功設定文字顏色，回傳值為原來的文字顏色；如果失敗，回傳值為 CLR_INVALID，可以呼叫 GetLastError 得到更進一步的錯誤原因。

RNDLINE1.ASM 原始程式

底下是 RNDLINE1.ASM 原始程式的完整列表。

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;RNDLINE1.ASM：在螢幕上顯示視窗，利用計時器每隔一段時間，在視窗內隨機繪製線段
;組譯方式：
;SET INCLUDE=C:\UASM\Include
;SET LIB=C:\UASM\lib64
;SET PATH=C:\UASM;C:\UASM\bin64;
;SET LINK=/SUBSYSTEM:WINDOWS
;UASM64 -win64 RNDLINE1.ASM
;LINK RNDLINE1.OBJ
        OPTION  CASEMAP:NONE
        OPTION  WIN64:3

INCLUDE         WINDOWS.INC
INCLUDELIB      GDI32.LIB
INCLUDELIB      KERNEL32.LIB
INCLUDELIB      USER32.LIB

TIMER_ID        EQU     1000            ;計時器識別碼
;*******************************************************************************
.CONST
szClassName     DB      "RndLine1",0     ;視窗類別名稱
szAppName       DB      "線段",0
szErr           DB      "錯誤",0
szFmt           DB      "%d Lines",0
szErrMsg0       DB      "CPU不支援。",0
szErrMsg1       DB      "註冊視窗類別失敗。",0
;*******************************************************************************
.DATA
hInstance       HINSTANCE   ?   ;模組代碼
hWnd            HWND        ?   ;視窗代碼
iWidth          DD          ?   ;工作區寬度
iHeight         DD          ?   ;工作區高度
cLines          DD          ?
pnt             POINT       <0,0>
;*******************************************************************************
.CODE
;-------------------------------------------------------------------------------
;製造一亂數，且小於range，然後存於EAX後返回
get_rnd PROC    range:DWORD
        mov     ecx,30
        bsr     eax,range       ;以二進位表示range，最高位元為1的在第EAX位元
        mov     r11d,7fffffffh  ;使符號位元為0
        sub     ecx,eax         ;ECX＝R11D的符號位元要右移多少次
        sar     r11d,cl         ;執行右移CL次
retry:  rdrand  eax
        and     eax,r11d
        cmp     eax,range
        ja      retry
        ret
get_rnd ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
DrawLine PROC   hwnd:HWND
         LOCAL  hdc:HDC,hPen:HPEN,buffer[16]:BYTE,text_color:DWORD
     ;獲得視窗的裝置內容
         invoke GetDC,hwnd
         mov    hdc,rax
     ;建立隨機的顏色，以此顏色建立畫筆，並設定文字顏色
         invoke get_rnd,0ffffffh
         mov    text_color,eax
         invoke CreatePen,PS_SOLID,3,eax
         mov    hPen,rax
         invoke SetTextColor,hdc,text_color
     ;把新建立的畫筆選入裝置內容中
         invoke SelectObject,hdc,hPen  
     ;把當前像素設為上次線段終點
         invoke MoveToEx,hdc,pnt.x,pnt.y,0
     ;在工作區內隨機選擇一點，並存入pnt，以作為下次的起點
         invoke get_rnd,iWidth
         mov    edx,eax
         mov    pnt.x,eax
         invoke get_rnd,iHeight
         mov    pnt.y,eax
     ;把當前的點（上次線段終點）與隨機選擇的點連接起來，形成線段
         invoke LineTo,hdc,edx,eax
         inc    cLines
     ;在工作區右下角顯示已畫出的線段個數
         invoke SetTextAlign,hdc,TA_BOTTOM or TA_RIGHT
         invoke wsprintf,ADDR buffer,OFFSET szFmt,cLines
         invoke TextOut,hdc,iWidth,iHeight,ADDR buffer,eax
         invoke DeleteObject,hPen
         invoke ReleaseDC,hwnd,hdc
         ret
DrawLine ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
WndProc PROC    hwnd:HWND, uMsg:UINT, wParam:WPARAM, lParam:LPARAM
.switch uMsg
.case WM_CREATE
        invoke  SetTimer,hwnd,TIMER_ID,330,0

.case WM_TIMER
        invoke  DrawLine,hwnd

.case WM_SIZE
        mov     r10,lParam
        mov     r11,lParam
        and     r10,0ffffh
        shr     r11,10h
        mov     iWidth,r10d
        mov     iHeight,r11d
        mov     cLines,0

.case WM_DESTROY
        invoke  KillTimer,hwnd,TIMER_ID
        invoke  PostQuitMessage,0
.default
        invoke  DefWindowProc,hwnd,uMsg,wParam,lParam
        ret
.endsw
        xor     rax,rax
        ret
WndProc ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
;check_rdrand用來檢查CPU是否支援RDRAND，如果支援回傳值為1；不支援回傳值為0
check_rdrand    PROC
;並不是所有的CPU都支援RDRAND指令，所以在使用前要先進行檢測：把EAX暫存器置1並執行
;CPUID指令，如果支援RDRAND的話，ECX暫存器的第30位元位會被置為1。
                mov     rax,1
                cpuid
                test    ecx,40000000h
                jnz     support_rdrand
                xor     rax,rax
support_rdrand: ret
check_rdrand    ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
main    PROC
        LOCAL   wc:WNDCLASSEX,msg:MSG
        call    check_rdrand            ;檢查CPU是否支援RDRAND
        lea     rdx,szErrMsg0
        or      rax,rax                 ;若RAX＝0，不支援，跳至error:處
        jz      error
        invoke  GetModuleHandle,0       ;取得模組代碼
        mov     hInstance,rax
        mov     wc.cbSize,SIZEOF WNDCLASSEX
        mov     wc.style,CS_HREDRAW or CS_VREDRAW
        lea     rdx,WndProc
        mov     wc.lpfnWndProc,rdx
        mov     wc.cbClsExtra,0
        mov     wc.cbWndExtra,0
        mov     wc.hInstance,rax
        invoke  LoadIcon,NULL,IDI_APPLICATION   ;取得圖示代碼
        mov     wc.hIcon,rax                    ;存入圖示代碼
        mov     wc.hIconSm,rax                  ;存入小圖示代碼
        invoke  LoadCursor,NULL,IDC_ARROW       ;取得游標代碼
        mov     wc.hCursor,rax                  ;存入游標代碼
        mov     wc.hbrBackground,COLOR_WINDOW+1
        mov     wc.lpszMenuName,0
        lea     rdx,szClassName
        mov     wc.lpszClassName,rdx
        invoke  RegisterClassEx,ADDR wc         ;註冊視窗類別
        lea     edx,szErrMsg1
.if rax==0
error:  invoke  MessageBox,0,rdx,OFFSET szErr,MB_ICONERROR or MB_OK
        jmp     quit
.endif
        invoke  CreateWindowEx,0,ADDR szClassName,ADDR szAppName,WS_OVERLAPPEDWINDOW,\
                CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,CW_USEDEFAULT,0,0,hInstance,0
        mov     hWnd,rax
        invoke  ShowWindow,hWnd,SW_SHOWNORMAL
        invoke  UpdateWindow,hWnd
.while TRUE
        invoke  GetMessage,ADDR msg,0,0,0
.break .if rax==0
        invoke  TranslateMessage,ADDR msg
        invoke  DispatchMessage,ADDR msg
.endw
quit:   invoke  ExitProcess,0                   ;程式結束
main    ENDP
;*******************************************************************************
END     main

RNDLINE1.ASM 第 81 行，在處理 WM_CREATE 訊息時，建立了每隔 330 毫秒發送 WM_TIMER 訊息給視窗函式的計時器。在處理 WM_DESTROY 訊息時，呼叫 KillTimer 刪除此計時器，因為此刻即將退出程式，計時器也就沒用了。

在 RNDLINE1 執行過程中，Windows 會每隔 330 毫秒，發出 WM_TIMER 訊息給視窗函式。視窗函式在處理這則訊息時，呼叫 DrawLine 副程式。在 DrawLine 副程式中，先獲得裝置內容代碼（第 53∼55 行），然後以亂數製造任意一種顏色，等會兒會用這種顏色畫線並顯示已畫出幾條線的文字。所以緊接著第 56∼63 行就是呼叫 CreatePen 建立邏輯畫筆與呼叫 SetTextColor 設定文字顏色，然後是呼叫 SelectObject 將裝置內容的畫筆設定為剛才建立的畫筆。

本來接下來就是要呼叫 LineTo 畫出線段，LineTo 所畫出的線段是把當前像素與由亂數形成的 X、Y 座標所代表的像素連接起來。但是因為每次呼叫 GetDC 後，Windows 都會把當前像素設為左上角，如果直接呼叫 LineTo 畫線段的話，那麼每次的線段起點都是左上角，這並不符合原來的想法。解決的方法就是把前次的終點保存起來，在呼叫 LineTo 之前，先呼叫 MoveToEx 將當前像素設為前次終點，這樣畫出來的線段就能首尾相連。

前次終點保存在 pnt 變數裏，這個變數其實是一個 POINT 結構體。程式一開始時，為工作區的左上角，其座標是 ( 0, 0 )，見第 33 行。每次呼叫 DrawLine 時，都會隨機指定一個像素，作為線段的終點，RNDLINE1 也必須將這個像素的座標保存下來，以作為下次線段的起點。

計時器的另一種用法

RNDLINE1.ASM 中的計時器是把 WM_TIMER 訊息發送給視窗函式，但是也可以讓 Windows 將 WM_TIMER 訊息發送給某個呼回函式。底下的 RNDLINE2.ASM 就是這樣的例子。不過小木偶不打算把它完整的列出來，只列出重要的部分。

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;RNDLINE2.ASM：在螢幕上顯示視窗，利用計時器每隔一段時間，在視窗內隨機繪製線段
;組譯方式：
;SET INCLUDE=C:\UASM\Include
;SET LIB=C:\UASM\lib64
;SET PATH=C:\UASM;C:\UASM\bin64;
;SET LINK=/SUBSYSTEM:WINDOWS
;UASM64 -win64 RNDLINE2.ASM
;LINK RNDLINE2.OBJ
        OPTION  CASEMAP:NONE
        OPTION  WIN64:3
        ⁝
;-------------------------------------------------------------------------------
DrawLine PROC   hwnd:HWND, uMsg:UINT, iTimerID:WPARAM, dwTime:LPARAM
         LOCAL  hPen:HPEN,hdc:HDC,buffer[16]:BYTE,text_color:DWORD
        ⁝
DrawLine ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
WndProc PROC    hwnd:HWND, uMsg:UINT, wParam:WPARAM, lParam:LPARAM
.switch uMsg
.case WM_CREATE
        invoke  SetTimer,hwnd,TIMER_ID,330,OFFSET DrawLine

.case WM_SIZE
        mov     r10,lParam
        mov     r11,lParam
        and     r10,0ffffh
        shr     r11,10h
        mov     iWidth,r10d
        mov     iHeight,r11d
        mov     cLines,0

.case WM_DESTROY
        invoke  KillTimer,hwnd,TIMER_ID
        invoke  PostQuitMessage,0
.default
        invoke  DefWindowProc,hwnd,uMsg,wParam,lParam
        ret
.endsw
        xor     rax,rax
        ret
WndProc ENDP
;-------------------------------------------------------------------------------
        ⁝
;*******************************************************************************
END     main

最重要不同是第 87 行，SetTimer 的最後一個參數改成「OFFSET DrawLine」，這樣就會使 Windows 將 WM_TIMER 訊息發送給 DrawLine 副程式。正因為如此，整個視窗函式，從第 83∼108 行，都不需處理 WM_TIMER。而 DrawLine 是被 Windows 作業系統所呼叫，因此是呼回函式。Windows 傳來的參數有四個，雖然只有第一個參數 hwnd 用得著，第二個參數 uMsg 必定是 WM_TIMER，其他兩個參數在這個程式中用不到，但還是將其全部列出來，見 RNDLINE2.ASM 第 51 行。

註釋

註一：多工（multitasking）

多工是在一段時間內同時執行多個程式（精確的講法是行程，process）。某個程式可以在正在執行的程式還沒結束之前，就執行而後者會中斷但不一定是結束。因此，多工可看成電腦以交錯的方式執行多個程式片段，但因為電腦執行速度很快，以人類的角度看來似乎是同時執行許多程式，而實際上是這些程式共享 CPU 和記憶體。當然中斷的程式必須保存其狀態（例如記憶體內容和暫存器內容），然後才能載入另一個程式並將控制權轉移給它。

多工分為兩種：①協調式多工（cooperative multi-tasking）與②優先權式多工（preemptive multi-tasking）。

協調式多工是指正在執行的程式主動交出控制權，然後作業系統再將其交給其他程式。這種多工多半是由於 CPU 未能有效支援或效能不夠而發展出來的多工。如果有一個程式不交回控制權或者當掉了，那麼整個作業系統就當掉了，只有重新啟動一途。例如建構在 MS－DOS 下的 Windows 3.1 就屬於協調式多工。

優先權式多工也叫先佔式多工，在這種多工之下，每個程式的執行時間由作業系統來分配，一個程式的時間使用完之後，系統就會將 CPU 分配給下一個程式（這種動作稱為context switching），沒有一個程式能獨佔 CPU。這種多工之下，一個程式當掉，不會影響另一個程式。OS/2、Windows NT/2000/XP/Vista/7/8.x/10/11、UNIX/Linux/Solaris/Mac-OS 都屬於這種多工方式。