CUDA和OpenCL

秒速五厘米 2022-08-08 04:30 230阅读 0赞

虽然我们可以使用已有的图形API来调用GPU，但是通过前文的分析，这个过程冗长且复杂。严重违反了程序员的优雅、和lazy原则。需要去学习图形学的一些知识，了解texture、shader等图形学专用概念，而且需要学习CGSL或者HLSL等shader着色语言。而且还要熟悉OpenGL和DirectX等图形学API，这一箩筐的知识没有一个一年半载是搞不定的。而且这样的方式不符合正常程序的编写习惯，所以难以优化。

最为3D程序员着想的Nvidia终于在07年搞出 CUDA ，这个架构的编程基于C 语言来进行，程序员只需要熟习CUDA的内存布局、线程层级，就能完成 CUDA 程序的开发，彻底跟那一箩筐图形学知识脱了干系，这个世界清静了。。。

CUDA 的推出是革命性的，而且OpenCL和M$的DirectX Computer GPGPU API 都基本上是采用了 CUDA 的架构和编程模型，可以说熟习 CUDA是OpenCL 的快速入门之道（Apple你肿了么？最新的mac为啥都用A卡了？）。CUDA的架构图（取自[这里][Link 1]）:

[![E5_B1_8F_E5_B9_95_E5_BF_AB_E7_85_A7-2011-07-14-_E4_B8_8A_E5_8D_8801.04.03.png][]][E5_B1_8F_E5_B9_95_E5_BF_AB_E7_85_A7-2011-07-14-_E4_B8_8A_E5_8D_8801.04.03.png 1]自下往上CUDA架构由四部分组成：

1.  显卡内部的GPU的并行计算引擎；
2.  OS内核态的硬件支持，包括初始化，配置等；
3.  用户级的驱动程序，为开发者提供的设备级的API接口；
4.  PTX指令集架构（ISA）的并行计算内核和功能.

对于开发者来说，CUDA提供了以下内容：

*  Libraries：高层次的为CUDA专门优化的BLAS, FFT等公用函数；
 *  C Runtime：CUDA C语言运行库提供了支持在GPU上执行标准C语言语法喝函数，并允许其他高级语言如Fortran，Java和Python的调用；
 *  Tools：NVIDIA C Compiler (nvcc), CUDA Debugger (cudagdb), CUDA Visual Profiler (cudaprof)

***CUDA对OpenCL和其他编程语言的支持***

由上图可知，Nvidia的OpenCL是基于CUDA Driver构建起来的，如果我们使用OpenCL那么就根据其规范编写类C语言的OpenCL内核，CUDA的Driver会接受这些计算请求并翻译给GPU运行当使用的设备级的编程接口。MS在Nvidia上的Direct Computer也是基于此，如果使用DirectX，那么需要用HLSL.编写DirectX的computer shaders，然后调CUDA Driver．

同时CUDA C Runtime的存在使我们方便的使用其他高级语言进行CUDA程序的编写，我目前常用Python就有[PyCUDA][]的包装。

下面的内容都以直接使用CUDA的标准kernels并调用CUDA Driver API进行，这也是最直接的方法。

***运算方式***  
CUDA支持大量的线程级并行（Thread Level Parallel），因为在GPU硬件中动态地创建、调度和执行这些线程是非常轻量的（而在CPU中，这些操作都是重量级的）。CUDA编程模型可以看作是将GPU做为协处理器的系统，CPU来控制程序整体的逻辑和调度，GPU来运行一些能够被高度线程化的数据并行部分。

CUDA程序包括串行计算部分和并行计算部分，并行计算部分称为Kernels，内核是一个可以在GPU执行的并行代码段。理想情况下，运行于CPU上的串行代码的只是清理上个内核函数，并启动下一个内核函数。

CUDA Kernels只对ANSI C进行了很小的扩展，以实现线程按照两个层次进行组织、共享存储器和栅栏同步。这些关键特性使得CUDA拥有了两个层次的并行：线程级并行实现的细粒度数据并行，和任务级并行实现的粗粒度并行。关于CUDA的线程模型需要单独拉出来说了（我看了半天文档确实没看明白，线程模型可能是CUDA最关键的一个部分，需要买块儿Geforce GTX 5xx的显卡做一个实际实验环境啊～）

***内存操作***

在 CUDA 中，GPU 不能直接存取主内存，只能存取显卡上的显存。因此，需要将数据从主内存先复制到显卡内存中，进行运算后，再将结果从显存中复制到主内存中。这些 复制的动作会受限于 PCI Express 的速度。使用 PCI Express x16 时，PCI Express 1.0 可以提供双向各 4GB/s 的带宽，而 PCI Express 2.0 则可提供 8GB/s 的带宽。当然这都是理论值。

但刚刚发布的CUDA 4.0对内存地址映射有了更好的支持：任意在CPU的malloc/new的内存，都可以通过调用cudaHostRegister注册给GPU，同样也有cudaHostUnregister来取消这个注册，而不需要cudaMemcpy。PCI-E本身就支持把一个host地址映射到device端，且DirectX和OpenGL均用这种方式来处理texture大数据。另外这个特性更方便我们编写代码：可以把一个大的CPU程序一点一点地改成GPU程序，并一步一步对比验证结果。以前这件事情需要前后都插入不少cudaMalloc和cudaMemcpy等代码，繁琐而且容易出错。

基于CUDA的复杂线程模型，内存管理的细节应该也是相当复杂，以后专文说吧。

***执行方式***

线程模型和内存管理没整懂，runtime时怎么做的就更不明白了，专文说把。

[Link 1]: http://developer.download.nvidia.com/compute/cuda/docs/CUDA_Architecture_Overview.pdf
[E5_B1_8F_E5_B9_95_E5_BF_AB_E7_85_A7-2011-07-14-_E4_B8_8A_E5_8D_8801.04.03.png]: http://photo.qingran.net/2011/07/%E5%B1%8F%E5%B9%95%E5%BF%AB%E7%85%A7-2011-07-14-%E4%B8%8A%E5%8D%8801.04.03.png
[E5_B1_8F_E5_B9_95_E5_BF_AB_E7_85_A7-2011-07-14-_E4_B8_8A_E5_8D_8801.04.03.png 1]: http://www.qingran.net/2011/07/cuda%e5%92%8copencl/%e5%b1%8f%e5%b9%95%e5%bf%ab%e7%85%a7-2011-07-14-%e4%b8%8a%e5%8d%8801-04-03/
[PyCUDA]: http://mathema.tician.de/software/pycuda