Programowanie Równoległe wykład, CUDA, przykłady praktyczne 1. Maciej Matyka Instytut Fizyki Teoretycznej

Transkrypt

1 Programowanie Równoległe wykład, CUDA, przykłady praktyczne 1 Maciej Matyka Instytut Fizyki Teoretycznej

2 Motywacja l CPU vs GPU (anims)

3

4 Plan CUDA w praktyce Wykład 1: CUDA w praktyce l aplikacja Wykład 2: Algorytmy n ciał Wykład 3: Thrust CUDA

5 CUDA pod Windows Microsoft Visual C++ (2008, 2010) można użyć darmowej wersji Express Sterownik (ze strony Parallel NSIGHT): _desktop_win7_winvista_64bit_international_whql.exe CUDA Toolkit 3.2 CUDA SDK 3.2 nvidia Parallel NSIGHT HOST/MONITOR Uwaga: może sygnalizować problem z SP1 i.net, ale nas interesuje na razie tylko konfiguracja do projektów, a nie debugowanie więc nie przejmujemy się.

6 Parallel NSIGHT - projekty Pozycja w menu START: (przykład na żywo kompilacja - Windows)

7 Uwaga: Visual 2010 W menu Project->Properties wybieramy Platform Toolset v90!

8 Kompilacja LINUX Korzystamy z pracowni 426 Komputery mają zainstalowane karty nvidia GeForce Środowisko CUDA jest zainstalowane Kompilacja (plik program.cu) > nvcc program.cu >./a.out Kompilacja CUDA + GLUT (OpenGL) > nvcc main.cpp kernels.cu -lglut lglu >./a.out

9 Hello World Pierwszy prosty program w CUDA 1. CPU wywołuje funkcję na GPU Funkcja wstawia do pamięci GPU ciąg Hello world! 2. Kopiujemy dane z GPU do pamięci CPU 3. Dane wypisujemy przy pomocy funkcji i/o (cout etc.)

10 Hello World Pierwszy prosty program w CUDA 1. CPU wywołuje funkcję na GPU Funkcja wstawia do pamięci GPU ciąg Hello world! 2. Kopiujemy dane z GPU do pamięci CPU 3. Dane wypisujemy przy pomocy funkcji i/o (cout etc.)

11 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

12 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

13 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

14 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

15 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); (dla CUDA > 4.1 nie trzeba przekazywać nazwy, wystarczy symbol) char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

16 Hello World #include <stdio.h> #include <cuda.h> device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; int main(void) helloworldondevice <<< 1, 1 >>> (); (dla CUDA > 4.1 nie trzeba przekazywać nazwy, wystarczy symbol) char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*13, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s",napis_host);

17 Deklaracja funkcji na GPU Funkcja uruchamiana na GPU to kernel (jądro) Zmienne na GPU przedrostek device Preambuła jądra - przedrostek global char napis_device[14]; void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; CPU device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) napis_device[0] = 'H'; napis_device[1] = 'e'; napis_device[11] = '!'; napis_device[12] = '\n'; napis_device[13] = 0; GPU

18 Wywołanie funkcji na GPU Wywołanie funkcji GPU: funkcja <<< numblocks, threadsperblock >>> ( parametry ); numblocks liczba bloków w macierzy wątków threadsperblock liczba wątków na blok W naszym przykładzie <<<1,1>>> oznaczało uruchomienie jądra na jednym wątku który zawierał się w jednym jedynym bloku macierzy wątków.

19 numblocks, threadsperblock <<< 1, 1 >>> <<< 1, 4 >>> <<< 4, 1 >>> <<< dim3(3,2,1), 4 >>>

20 A tak to widzi nvidia CUDA Programming Guide 3.2 <<< dim3(3,2,1), dim3(4,3,1) >>>

21 Hello World wielowątkowo 1. CPU wywołuje funkcję na GPU Funkcja wstawia do pamięci GPU ciąg Hello world! jedna litera na jeden wątek!

22 Hello World wielowątkowo jedna litera na jeden wątek stwórzmy 14 bloków po 1 wątku Każdy wątek widzi swój numer i numer bloku Numer bloku -> miejsce w tablicy do skopiowania

23 Hello World wielowątkowo Jądro dla hello world w wersji wielowątkowej: constant device char hw[] = "Hello World!\n"; device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) int idx = blockidx.x; napis_device[idx] = hw[idx]; helloworldondevice <<< 14, 1 >>> (); idx zawiera numer bloku w którym znajduje się wątek mapowanie blok/wątek -> fragment problemu wątek z idx-ego bloku kopiuje idx-ą literę napisu Kopiowanie GPU-GPU (bez sensu, ale chodzi nam o najprostszy problem)

24 Hello World wielowątkowo Jądro dla hello world w wersji wielowątkowej: constant device char hw[] = "Hello World!\n"; device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) int idx = blockidx.x; napis_device[idx] = hw[idx]; helloworldondevice <<< 14, 1 >>> (); idx zawiera numer bloku w którym znajduje się wątek mapowanie blok/wątek -> fragment problemu wątek z idx-ego bloku kopiuje idx-ą literę napisu Kopiowanie GPU-GPU (bez sensu, ale chodzi nam o najprostszy problem)

25 Hello World wielowątkowo Jądro dla hello world w wersji wielowątkowej: constant device char hw[] = "Hello World!\n"; device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) int idx = blockidx.x; napis_device[idx] = hw[idx]; helloworldondevice <<< 14, 1 >>> (); idx zawiera numer bloku w którym znajduje się wątek mapowanie blok/wątek -> fragment problemu wątek z idx-ego bloku kopiuje idx-ą literę napisu Kopiowanie GPU-GPU (bez sensu, ale chodzi nam o najprostszy problem)

26 Hello World wielowątkowo Jądro dla hello world w wersji wielowątkowej: constant device char hw[] = "Hello World!\n"; device char napis_device[14]; global void helloworldondevice(void) int idx = blockidx.x; napis_device[idx] = hw[idx]; helloworldondevice <<< 14, 1 >>> (); idx zawiera numer bloku w którym znajduje się wątek mapowanie blok/wątek -> fragment problemu wątek z idx-ego bloku kopiuje idx-ą literę napisu Kopiowanie GPU-GPU (bez sensu, ale chodzi nam o najprostszy problem)

27 Hello World wielowątkowo Jedno z zadań na ćwiczenia to napisanie programu helloworld_parallel.cu tak, by wykonywany był przez 14 wątków w jednym bloku.

28 Projekt wieloplikowy w CUDA Kernele GPU trzymam w *.cu Interfejsy C++ do kerneli GPU w *.cu Deklaracje interfejsów trzymam w *.h W plikach C++ ładuję ww deklaracje interfejsów A w praktyce?

29 Projekt wieloplikowy CUDA main.cpp #include <cuda.h> #include <cuda_runtime.h> #include <stdio.h> #include "kernels.h" int main(void) call_helloworld(); cudathreadsynchronize(); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*14, 0, cudamemcpydevicetohost); printf("%s\n",napis_host); (dla CUDA > 4.1 nie trzeba przekazywać nazwy, wystarczy symbol)

30 Projekt wieloplikowy CUDA main.cpp #include <cuda.h> #include <cuda_runtime.h> #include <stdio.h> #include "kernels.h" int main(void) call_helloworld(); cudathreadsynchronize(); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*14, 0, cudamemcpydevicetohost); kernels.h void call_helloworld(void); printf("%s\n",napis_host);

31 Projekt wieloplikowy CUDA kernels.cu #include <cuda.h> device char napis_device[14]; constant device char hw[] = "Hello World!\n\0"; main.cpp #include <cuda.h> #include <cuda_runtime.h> #include <stdio.h> #include "kernels.h" global void helloworldondevice(void) int idx = threadidx.x; napis_device[idx] = hw[idx]; void call_helloworld(void) helloworldondevice <<< 1, 15 >>> (); int main(void) call_helloworld(); cudathreadsynchronize(); char napis_host[14]; const char *symbol="napis_device"; cudamemcpyfromsymbol (napis_host, symbol, sizeof(char)*14, 0, cudamemcpydevicetohost); kernels.h void call_helloworld(void); printf("%s\n",napis_host);

32 Graficzne hello world Punkt materialny na ekranie (OpenGL) Jego pozycja odczytywana z pamięci GPU Kernel zmienia pozycję punktu np. ruch jednostajny x = x + vdt warunki cykliczne: x = x-l, gdy x > L

33 Otwarcie okna OpenGL Minimalny kod w GLUT (GL Utility Toolkit) Schemat: int main(int argc, char **argv) glutinit(&argc, argv); glutinitdisplaymode(glut_depth GLUT_DOUBLE GLUT_RGBA); glutinitwindowposition(100,100); glutinitwindowsize(320,320); glutcreatewindow("cuda Hello World GFX"); C1 void changesize(int w, int h) float ratio = 1.0 * w / h; glmatrixmode(gl_projection); glloadidentity(); glviewport(0, 0, w, h); gluortho2d(-1,1,-1,1); glmatrixmode(gl_modelview); void idlefunction(void) C2 C3 // register callbacks glutdisplayfunc(renderscene); glutreshapefunc(changesize); glutidlefunc(idlefunction); // enter GLUT event processing cycle glutmainloop(); void renderscene(void) C4 glutpostredisplay(); glutswapbuffers(); Więcej:

34 C1 ustawienie współrzędnych w pamięci GPU C2 przesunięcie punktu (GPU) C3 skopiowanie x,y GPU->CPU C4 narysowanie punktu na ekranie (CPU)

35 Współrzędne punktu Deklaracja zmiennych w pamięci GPU Słowo kluczowe device device float px_gpu; device float py_gpu; Proste jądro ustawiające wartości px/py: global void setpardevice(float x, float y) px_gpu = x; py_gpu = y; void call_setpardevice (float x, float y) setpardevice <<< 1, 1 >>> (x, y); Ustawienie punktu: call_setpardevice(0,0); C1

36 Przesunięcie punktu Przesuwamy składową x wg wzoru: x = x + dx * dt; global void movepardevice(float dxdt) px_gpu = px_gpu + dxdt; if(px_gpu>1) px_gpu = px_gpu - 2; void call_movepar(float dxdt) movepardevice <<< 1, 1 >>> (dxdt); Wywołanie funkcji: call_movepar(0.04); C2

37 Ustawienie punktu - cudamemcpy CUDA Reference Manual: cudaerror_t cudamemcpyfromsymbol( const void *dst, const char *symbol, size_t count, size_t offset, src enum cudamemcpykind kind) adres docelowy do skopiowania symbol zmienna źródłowa w pamięci globalnej lub stałej jako adres lub ciąg znaków z nazwą zmiennej count rozmiar danych w bajtach offset przesunięcie względem adresu symbol kind - typ transferu (np. cudamemcpydevicetohost )

38 Pobieranie pozycji punktu Tablice symbol_px(y)_gpu zawierają nazwy zmiennych w pamięci GPU float px_cpu, py_cpu; const char *symbol_px_gpu="px_gpu"; const char *symbol_py_gpu="py_gpu"; C3 cudamemcpyfromsymbol (&px_cpu, symbol_px_gpu, sizeof(float), 0, cudamemcpydevicetohost); cudamemcpyfromsymbol (&py_cpu, symbol_py_gpu, sizeof(float), 0, cudamemcpydevicetohost); Podobnej funkcji można też użyć do transferu CPU->GPU (np. ustawianie pozycji punktu) cudamemcpytosymbol( )

39 Narysowanie punktu na ekranie Kod OpenGL void renderscene(void) glclear(gl_color_buffer_bit GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glloadidentity(); glcolor3f(1,1,1); glpointsize(5.0); C4 glbegin(gl_points) glvertex3f(px_cpu, py_cpu,0); glend(); glutswapbuffers(); Efektywność? GPU -> CPU -> OpenGL -> GPU

40 W działaniu Jak to działa? Do sprawdzenia w ramach ćwiczeń.

41 Ćwiczenia Kodem można się trochę pobawić: Więcej punktów (tablica px[], py[]) Przesunięcie punktów w pętli Wielowątkowe przesunięcie punktów Oddziaływanie grawitacyjne z centrum przyciągania (liczenie pierwiastka na punkt) Porównanie wydajności CPU->GPU

42 Za tydzień Następny wykład: środa Wstępny plan: Algorytm n ciał dla CUDA pokażemy jak potężnym narzędziem może być GPU! Lepsza współpraca z API OpenGL (pozbędziemy się kopiowania GPU->CPU)

43 Literatura

44

45 ODRZUCONE

46 Ustawienie punktu - cudamemcpy Za CUDA Reference Manual: cudaerror_t cudamemcpytosymbol ( const char symbol, const void src, size_t count, size_t offset, symbol enum cudamemcpykind kind) zmienna docelowa w pamięci globalnej lub stałej jako adres lub ciąg znaków z nazwą zmiennej src adres danych do skopiowania count rozmiar danych w bajtach offset przesunięcie względem adresu symbol kind - typ transferu (np. cudamemcpyhosttodevice )

47 Przykład: Ustawienie punktu - cudamemcpy device float px; device float py; void call_setpardevice2(float x, float y) // px <- x // py <- y const char *symbol_px="px_gpu"; const char *symbol_py="py_gpu"; cudamemcpytosymbol(symbol_px, &x, sizeof(float), 0, cudamemcpyhosttodevice); cudamemcpytosymbol(symbol_py, &y, sizeof(float), 0, cudamemcpyhosttodevice);