CUDA编程之快速入门

CUDA（Compute Unified Device Architecture）的中文全称为计算统一设备架构。做图像视觉领域的同学多多少少都会接触到CUDA，毕竟要做性能速度优化，CUDA是个很重要的工具，CUDA是做视觉的同学难以绕过的一个坑，必须踩一踩才踏实。CUDA编程真的是入门容易精通难，具有计算机体系结构和C语言编程知识储备的同学上手CUDA编程应该难度不会很大。本文章将通过以下五个方面帮助大家比较全面地了解CUDA编程最重要的知识点，做到快速入门：

GPU架构特点CUDA线程模型CUDA内存模型CUDA编程模型CUDA应用小例子 GPU架构特点

首先我们先谈一谈串行计算和并行计算。我们知道，高性能计算的关键利用多核处理器进行并行计算。

当我们求解一个计算机程序任务时，我们很自然的想法就是将该任务分解成一系列小任务，把这些小任务一一完成。在串行计算时，我们的想法就是让我们的处理器每次处理一个计算任务，处理完一个计算任务后再计算下一个任务，直到所有小任务都完成了，那么这个大的程序任务也就完成了。如下图所示，就是我们怎么用串行编程思想求解问题的步骤。 但是串行计算的缺点非常明显，如果我们拥有多核处理器，我们可以利用多核处理器同时处理多个任务时，而且这些小任务并没有关联关系（不需要相互依赖，比如我的计算任务不需要用到你的计算结果），那我们为什么还要使用串行编程呢？为了进一步加快大任务的计算速度，我们可以把一些独立的模块分配到不同的处理器上进行同时计算（这就是并行），最后再将这些结果进行整合，完成一次任务计算。下图就是将一个大的计算任务分解为小任务，然后将独立的小任务分配到不同处理器进行并行计算，最后再通过串行程序把结果汇总完成这次的总的计算任务。 所以，一个程序可不可以进行并行计算，关键就在于我们要分析出该程序可以拆分出哪几个执行模块，这些执行模块哪些是独立的，哪些又是强依赖强耦合的，独立的模块我们可以试着设计并行计算，充分利用多核处理器的优势进一步加速我们的计算任务，强耦合模块我们就使用串行编程，利用串行+并行的编程思路完成一次高性能计算。

接下来我们谈谈CPU和GPU有什么区别，他们俩各自有什么特点，我们在谈并行、串行计算时多次谈到“多核”的概念，现在我们先从“核”的角度开始这个话题。首先CPU是专为顺序串行处理而优化的几个核心组成。而GPU则由数以千计的更小、更高效的核心组成，这些核心专门为同时处理多任务而设计，可高效地处理并行任务。也就是，CPU虽然每个核心自身能力极强，处理任务上非常强悍，无奈他核心少，在并行计算上表现不佳；反观GPU，虽然他的每个核心的计算能力不算强，但他胜在核心非常多，可以同时处理多个计算任务，在并行计算的支持上做得很好。

GPU和CPU的不同硬件特点决定了他们的应用场景，CPU是计算机的运算和控制的核心，GPU主要用作图形图像处理。图像在计算机呈现的形式就是矩阵，我们对图像的处理其实就是操作各种矩阵进行计算，而很多矩阵的运算其实可以做并行化，这使得图像处理可以做得很快，因此GPU在图形图像领域也有了大展拳脚的机会。下图表示的就是一个多GPU计算机硬件系统，可以看出，一个GPU内存就有很多个SP和各类内存，这些硬件都是GPU进行高效并行计算的基础。 现在再从数据处理的角度来对比CPU和GPU的特点。CPU需要很强的通用性来处理各种不同的数据类型，比如整型、浮点数等，同时它又必须擅长处理逻辑判断所导致的大量分支跳转和中断处理，所以CPU其实就是一个能力很强的伙计，他能把很多事处理得妥妥当当，当然啦我们需要给他很多资源供他使用（各种硬件），这也导致了CPU不可能有太多核心（核心总数不超过16）。而GPU面对的则是类型高度统一的、相互无依赖的大规模数据和不需要被打断的纯净的计算环境，GPU有非常多核心（费米架构就有512核），虽然其核心的能力远没有CPU的核心强，但是胜在多， 在处理简单计算任务时呈现出“人多力量大”的优势，这就是并行计算的魅力。

整理一下两者特点就是：

CPU：擅长流程控制和逻辑处理，不规则数据结构，不可预测存储结构，单线程程序，分支密集型算法GPU：擅长数据并行计算，规则数据结构，可预测存储模式

现在的计算机体系架构中，要完成CUDA并行计算，单靠GPU一人之力是不能完成计算任务的，必须借助CPU来协同配合完成一次高性能的并行计算任务。

一般而言，并行部分在GPU上运行，串行部分在CPU运行，这就是异构计算。具体一点，异构计算的意思就是不同体系结构的处理器相互协作完成计算任务。CPU负责总体的程序流程，而GPU负责具体的计算任务，当GPU各个线程完成计算任务后，我们就将GPU那边计算得到的结果拷贝到CPU端，完成一次计算任务。 所以应用程序利用GPU实现加速的总体分工就是：密集计算代码（约占5%的代码量）由GPU负责完成，剩余串行代码由CPU负责执行。 2. CUDA线程模型 CUDA软件层次结构 下面我们介绍CUDA的线程组织结构。首先我们都知道，线程是程序执行的最基本单元，CUDA的并行计算就是通过成千上万个线程的并行执行来实现的。下面的机构图说明了GPU的不同层次的结构。 CUDA的线程模型从小往大来总结就是：

Thread：线程，并行的基本单位Thread Block：线程块，互相合作的线程组，线程块有如下几个特点：允许彼此同步可以通过共享内存快速交换数据以1维、2维或3维组织Grid：一组线程块以1维、2维组织共享全局内存

Kernel：在GPU上执行的核心程序，这个kernel函数是运行在某个Grid上的。

One kernel One Grid

每一个block和每个thread都有自己的ID，我们通过相应的索引找到相应的线程和线程块。

threadIdx，blockIdxBlock ID: 1D or 2DThread ID: 1D, 2D or 3D

理解kernel，必须要对kernel的线程层次结构有一个清晰的认识。首先GPU上很多并行化的轻量级线程。kernel在device上执行时实际上是启动很多线程，一个kernel所启动的所有线程称为一个网格（grid），同一个网格上的线程共享相同的全局内存空间，grid是线程结构的第一层次，而网格又可以分为很多线程块（block），一个线程块里面包含很多线程，这是第二个层次。线程两层组织结构如上图所示，这是一个gird和block均为2-dim的线程组织。grid和block都是定义为dim3类型的变量，dim3可以看成是包含三个无符号整数（x，y，z）成员的结构体变量，在定义时，缺省值初始化为1。因此grid和block可以灵活地定义为1-dim，2-dim以及3-dim结构，kernel调用时也必须通过执行配置来指定kernel所使用的网格维度和线程块维度。举个例子，我们以上图为例，分析怎么通过>这种标记方式索引到我们想要的那个线程。CUDA的这种其实就是一个多级索引的方法，第一级索引是(grid.xIdx, grid.yIdy)，对应上图例子就是(1, 1)，通过它我们就能找到了这个线程块的位置，然后我们启动二级索引(block.xIdx, block.yIdx, block.zIdx)来定位到指定的线程。这就是我们CUDA的线程组织结构。

这里想谈谈SP和SM（流处理器），很多人会被这两个专业名词搞得晕头转向。

SP：最基本的处理单元，streaming processor，也称为CUDA core。最后具体的指令和任务都是在SP上处理的。GPU进行并行计算，也就是很多个SP同时做处理。SM：多个SP加上其他的一些资源组成一个streaming multiprocessor。也叫GPU大核，其他资源如：warp scheduler，register，shared memory等。SM可以看做GPU的心脏（对比CPU核心），register和shared memory是SM的稀缺资源。CUDA将这些资源分配给所有驻留在SM中的threads。因此，这些有限的资源就使每个SM中active warps有非常严格的限制，也就限制了并行能力。

需要指出，每个SM包含的SP数量依据GPU架构而不同，Fermi架构GF100是32个，GF10X是48个，Kepler架构都是192个，Maxwell都是128个。

简而言之，SP是线程执行的硬件单位，SM中包含多个SP，一个GPU可以有多个SM（比如16个），最终一个GPU可能包含有上千个SP。这么多核心“同时运行”，速度可想而知，这个引号只是想表明实际上，软件逻辑上是所有SP是并行的，但是物理上并不是所有SP都能同时执行计算（比如我们只有8个SM却有1024个线程块需要调度处理），因为有些会处于挂起，就绪等其他状态，这有关GPU的线程调度。

下面这个图将从硬件角度和软件角度解释CUDA的线程模型。 每个线程由每个线程处理器（SP）执行 线程块由多核处理器（SM）执行 一个kernel其实由一个grid来执行，一个kernel一次只能在一个GPU上执行 cuda异构编程模型 block是软件概念，一个block只会由一个sm调度，程序员在开发时，通过设定block的属性，告诉GPU硬件，我有多少个线程，线程怎么组织。而具体怎么调度由sm的warps scheduler负责，block一旦被分配好SM，该block就会一直驻留在该SM中，直到执行结束。一个SM可以同时拥有多个blocks，但需要序列执行。下图显示了GPU内部的硬件架构： 3. CUDA内存模型

CUDA中的内存模型分为以下几个层次：

每个线程都用自己的registers（寄存器）每个线程都有自己的local memory（局部内存）每个线程块内都有自己的shared memory（共享内存），所有线程块内的所有线程共享这段内存资源每个grid都有自己的global memory（全局内存），不同线程块的线程都可使用每个grid都有自己的constant memory（常量内存）和texture memory（纹理内存），），不同线程块的线程都可使用

线程访问这几类存储器的速度是register > local memory >shared memory > global memory

下面这幅图表示就是这些内存在计算机架构中的所在层次。 4. CUDA编程模型

上面讲了这么多硬件相关的知识点，现在终于可以开始说说CUDA是怎么写程序的了。 在CUDA程序构架中，主程序还是由 CPU 来执行，而当遇到数据并行处理的部分，CUDA 就会将程序编译成 GPU 能执行的程序，并传送到GPU。而这个程序在CUDA里称做核（kernel）。CUDA允许程序员定义称为核的C语言函数，从而扩展了 C 语言，在调用此类函数时，它将由N个不同的CUDA线程并行执行N次，这与普通的C语言函数只执行一次的方式不同。执行核的每个线程都会被分配一个独特的线程ID，可通过内置的threadIdx变量在内核中访问此ID。

在 CUDA 程序中，主程序在调用任何 GPU 内核之前，必须对核进行执行配置，即确定线程块数和每个线程块中的线程数以及共享内存大小。

CUDA编程模型是一个异构模型，需要CPU和GPU协同工作。在CUDA中，host和device是两个重要的概念，我们用host指代CPU及其内存，而用device指代GPU及其内存。CUDA程序中既包含host程序，又包含device程序，它们分别在CPU和GPU上运行。同时，host与device之间可以进行通信，这样它们之间可以进行数据拷贝。典型的CUDA程序的执行流程如下：

分配host内存，并进行数据初始化；分配device内存，并从host将数据拷贝到device上；调用CUDA的核函数在device上完成指定的运算；将device上的运算结果拷贝到host上；释放device和host上分配的内存。

上面流程中最重要的一个过程是调用CUDA的核函数来执行并行计算，kernel是CUDA中一个重要的概念，kernel是在device上线程中并行执行的函数，核函数用__global__符号