cuda学习笔记(3)


上篇笔记中记录了cuda共享内存及线程同步的方法。本篇将介 cuda 常量内存( __ constant __ ) 的特点及使用方法。

1. cuda 常量内存

cuda编程中,如果核函数要用到的数据从开始到结束一直不需要变化,我们可以把这些数据放到cuda常量内存中,以提升读取数据的速度(有些程序运行速度的瓶颈在内存读取与交换上)。常量内存有以下特点:

  • 对常量内存的单次读操作可以广播到其他的“邻近(nearby)”线程,这将节约15次读取操作;
  • 常量内存的数据将缓存起来,因此对于相同地址的连续操作将不会产生额外的内存通信量。
  • 常量内存大小是64k

下面进行解释:
第一条:首先,我们需要来看看到底什么是 线程束 ( warp ),在CUDA架构中,线程束是指一个包含32个线程的集合,这个线程集合被“编织在一起”并且以“步调一致(Lockstep)”的形式执行。在程序中的每一行,线程束中的每个线程都将在不同的数据上执行相同的指令。

当处理常量内存时,NVIDIA硬件将把单次内存读取操作广播到每个半线程束(Half-Warp)。在半线程束中包含16个线程,即线程束中线程数量的一半。如果在半线程束中的每个线程从常量内存的相同地址上读取数据,那么GPU只会产生一次读取请求并在随后将数据广播到每个线程。如果从常量内存中读取大量数据,那么这种方式产生的内存流量只是使用全局内存时的1/16。

第二条:不止第一条所述节省读取数据的内存带宽。还由于这块内存的内容是不发生变化的,因此硬件将主动把这个常量数据缓存在GPU上。在第一次从常量内存的某个地址上读取后,当其他半线程束请求同一个地址时,那么将命中缓存,这同样减少了额外的内存流量。

不过常量内存也不能乱用。使用不当可能会对性能产生负面的影响。半线程束广播功能实际上是一把双刃剑。虽然当所有16个线程都读取相同地址时,这个功能可以极大提升性能,但当所有16个线程分别读取不同的地址时,它实际上会降低性能。因为这16次不同的读取操作会被串行化,从而需要16倍的时间来发出请求。但如果从全局内存中读取,那么这些请求会同时发出。

2. 常量内存的声明与使用

定义普通变量时,需要先声明一个指针,然后通过cudaMalloc()来为指针分配GPU内存。而当我们声明常量内存时,需要静态地指定空间大小:

__constant__ int s[100];

在编译时要提交固定的大小(如一个数组,提供固定的数组大小)。为常量赋值时不是再使用cudaMemcpy(),而是使用 cudaMemcpyToSymbol()把数据从主机拷贝到设备GPU中。并且由于没使用cudaMalloc,所以不需要使用cudaFree()释放。

下面通过 ray tracing 示例来展示 常量内存的使用:

#include "cuda.h"
#include "../common/book.h"
#include "../common/cpu_bitmap.h"

#define DIM 1024

#define rnd( x ) (x * rand() / RAND_MAX)
#define INF     2e10f

struct Sphere {
    float   r,b,g;
    float   radius;
    float   x,y,z;
    __device__ float hit( float ox, float oy, float *n ) {
        float dx = ox - x;
        float dy = oy - y;
        if (dx*dx + dy*dy < radius*radius) {
            float dz = sqrtf( radius*radius - dx*dx - dy*dy );
            *n = dz / sqrtf( radius * radius );
            return dz + z;
        }
        return -INF;
    }
};
#define SPHERES 20

// !!!!!!!!!!!!!!!
__constant__ Sphere s[SPHERES];

__global__ void kernel( unsigned char *ptr ) {
    // map from threadIdx/BlockIdx to pixel position
    int x = threadIdx.x + blockIdx.x * blockDim.x;
    int y = threadIdx.y + blockIdx.y * blockDim.y;
    int offset = x + y * blockDim.x * gridDim.x;
    float   ox = (x - DIM/2);
    float   oy = (y - DIM/2);

    float   r=0, g=0, b=0;
    float   maxz = -INF;
    for(int i=0; i<SPHERES; i++) {
        float   n;
        float   t = s[i].hit( ox, oy, &n );
        if (t > maxz) {
            float fscale = n;
            r = s[i].r * fscale;
            g = s[i].g * fscale;
            b = s[i].b * fscale;
            maxz = t;
        }
    } 

    ptr[offset*4 + 0] = (int)(r * 255);
    ptr[offset*4 + 1] = (int)(g * 255);
    ptr[offset*4 + 2] = (int)(b * 255);
    ptr[offset*4 + 3] = 255;
}

// globals needed by the update routine
struct DataBlock {
    unsigned char   *dev_bitmap;
};

int main( void ) {
    DataBlock   data;
    // capture the start time
    cudaEvent_t     start, stop;
    HANDLE_ERROR( cudaEventCreate( &start ) );
    HANDLE_ERROR( cudaEventCreate( &stop ) );
    HANDLE_ERROR( cudaEventRecord( start, 0 ) );

    CPUBitmap bitmap( DIM, DIM, &data );
    unsigned char   *dev_bitmap;

    // allocate memory on the GPU for the output bitmap
    HANDLE_ERROR( cudaMalloc( (void**)&dev_bitmap,
                              bitmap.image_size() ) );

    // allocate temp memory, initialize it, copy to constant
    // memory on the GPU, then free our temp memory
    Sphere *temp_s = (Sphere*)malloc( sizeof(Sphere) * SPHERES );
    for (int i=0; i<SPHERES; i++) {
        temp_s[i].r = rnd( 1.0f );
        temp_s[i].g = rnd( 1.0f );
        temp_s[i].b = rnd( 1.0f );
        temp_s[i].x = rnd( 1000.0f ) - 500;
        temp_s[i].y = rnd( 1000.0f ) - 500;
        temp_s[i].z = rnd( 1000.0f ) - 500;
        temp_s[i].radius = rnd( 100.0f ) + 20;
    }
	//!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
    HANDLE_ERROR( cudaMemcpyToSymbol( s, temp_s, 
                                sizeof(Sphere) * SPHERES) );
    free( temp_s );

    // generate a bitmap from our sphere data
    dim3    grids(DIM/16,DIM/16);
    dim3    threads(16,16);
    kernel<<<grids,threads>>>( dev_bitmap );

    // copy our bitmap back from the GPU for display
    HANDLE_ERROR( cudaMemcpy( bitmap.get_ptr(), dev_bitmap,
                              bitmap.image_size(),
                              cudaMemcpyDeviceToHost ) );

    // get stop time, and display the timing results
    HANDLE_ERROR( cudaEventRecord( stop, 0 ) );
    HANDLE_ERROR( cudaEventSynchronize( stop ) );
    float   elapsedTime;
    HANDLE_ERROR( cudaEventElapsedTime( &elapsedTime,
                                        start, stop ) );
    printf( "Time to generate:  %3.1f ms\n", elapsedTime );

    HANDLE_ERROR( cudaEventDestroy( start ) );
    HANDLE_ERROR( cudaEventDestroy( stop ) );

    HANDLE_ERROR( cudaFree( dev_bitmap ) );

    // display
    bitmap.display_and_exit();
}
发布了27 篇原创文章 · 获赞 2 · 访问量 1万+
發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章