Heterogeneous Parallel Programming 异构并行编程 - UIUC伊利诺伊大学（持续更新）

Heterogeneous Programming是采用不同类型的计算节点协同进行计算。而Heterogeneous Parallel Programming则是建立在这种机制上的并行计算。这里使用的是的CUDA。CUDA是NVIDIA推出的建立在C语言和GPU基础上的计算框架。

Lecture 1

1.2 Introduction to Heterogeneous异构

GPU与CPU的设计理念不同：GPU旨在提供高吞吐量throughput，而CPU旨在提供低延迟latency，CPU需要降低指令的执行时间，所以有很大的缓存，而GPU则不然。单一的GPU线程执行时间相当长，因此总是多线程并行，这样提高了吞吐量。所以在串行逻辑计算部分应该使用CPU，而并行数据计算部分则应使用GPU。

1.3 Portability and Scalability

降低软件开发成本的关键：
可扩展性Scalability：细粒度编程风格，只需调整参数，便可扩展到更多相同的硬件上运行。

可移植性Portability： 可扩展到更多不同的硬件上运行

1.4 Introduction to CUDA 数据并行化 and 执行模型

数据并行化Data Parallelism：将向量或矩阵对应位置的数据分别交给不同的线程并行处理。
CUDA/OpenCL执行模型：分为两部分，Host 和 Device，串行部分在Host(CPU)上执行，而并行部分在Device(GPU)上执行。相比传统的C语言，CUDA增加了一些扩展，包括了库和关键字。CUDA代码提交给NVCC编译器，该编译器将代码分为Host代码和Device代码两部分。Host代码即为原本的C语言，交由GCC或其他的编译器处理；Device代码部分交给一个称为实时（Just in time）编译器的组件，在给代码运行之前编译。

CUDA架构执行程序时在CPU和GPU上来回切换，CPU程序穿行执行，GPU程序使用核函数Kernel，每个核函数被大量(一组grid)CUDA线程并行执行，Kernel可以使用<<< >>>接受配置参数,也可以使用( )接受调用参数。
CUDA线程： 每个CUDA线程实际上都是一个虚拟的处理器，去执行核函数，CUDA kernel函数被一网格Gird的线程并行执行，每个网格里有很多块Block，每个块里有很多线程Thread。

如下为单Block线程执行核函数:
在Block中，每个Thread都去执行核函数，去承担运算中的不同部分，但每个Thread都有一个唯一的threadidx。

如下为多Block线程执行核函数:
在Grid中，每个Block都去执行核函数，去承担运算中的不同部分，但每个Block都有一个唯一的blockIdx。

并行线程阵列由Grid——Block——Thread三级结构组成，每个Thread有唯一定位ID。
其中DimGrid是Grid的形状和DimBlock三Block的形状 ，它们都是调用核函数的配置参数，用<<>>设置。

gridDim.x/y/z为每个Grid在x/y/z维度上的大小，blockDim.x/y/z为每个Block在x/y/z维度上的大小。blockIdx标识Grid中的Block，threadIdx标识Block中的Thread。

CUDA Thread 定位公式：
1.先找到当前线程位于Grid中的哪一个Block线程块的blockId:

blockId = blockIdx.x + blockIdx.y*gridDim.x + blockIdx.z*gridDim.x*gridDim.y;
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2.找到当前线程位于Block中的哪一个线程threadId:

threadId = threadIdx.x + threadIdx.y*blockDim.x + threadIdx.z*blockDim.x*blockDim.y;
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3.计算一个Block中一共有多少个线程M:

M = blockDim.x*blockDim.y*blockDim.z
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4.求得当前的线程序列号idx:

idx = M*blockId +  threadId ;
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blockIdx 和 threadIdx 和 gridDim 和 blockDim都是Dim3类型(x,y,z)的变量，每个xyz默认值为1，因此它们可以是1D、2D、3D的。因此每个i也可以是1D、2D、3D的。

同一Block的Thread通过shared memory 和 atomic operations 和 barrier synchronization进行合作，而不同Block的Thread无法合作。

1.5 Introduction to CUDA 内存模型 and 基本函数API

CUDA程序执行流程： 使用host的数据在device上进行运算，再送回host：

#include 
void vecAdd(float* A, float* B, float* C, int n)
{
   int size = n* sizeof(float); 
   float* A_d, B_d, C_d;
   …
1. // Allocate device memory for A, B, and C
   // copy A and B to device memory 
    
2. // Kernel launch code – to have the device
   // to perform the actual vector addition

3. // copy C from the device memory to host memory
   // Free device vectors
}
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CUDA 内存模型:每个Grid有一个共享的Global Memory，用于Host和Device交互，其中每个线程有自己私有的寄存器。Host代码负责分配Grid中的共享内存空间，以及数据在Host、Device之间的传输。Device代码则只与共享内存、本地寄存器交互。

CUDA 内存分配 和 数据传输 API：与C语言中的函数想对应，CUDA有以下几个基本函数：
cudaMalloc()、cudaFree()、cudaMemcpy()，其作用等同于C中的对应函数，不同之处在于这些函数操作的是Device中的共享内存。

• cudaMalloc(Pointer , Size of bytes ): 给一个Pointer指针 在device上分配global memory。
• cudaFree(Pointer )：释放这个Pointer指针的global memory
• cudaMemcpy(目的Pointer, 源Pointer, 要Copy的bytes数, 传输的类型/方向): 则用于Host内存与Device内存异步传输数据。

CUDA程序执行流程： 使用host的数据在device上进行运算，再送回host：

//host函数
void vecAdd(float* A, float* B, float* C, int n)//传入host指针，向量长度为n
{
   int size = n * sizeof(float); 
    float* A_d, B_d, C_d;//定义device指针

1. // Transfer A and B to device memory 
    cudaMalloc((void **) &A_d, size);//申请全局device memory 
    cudaMemcpy(A_d, A, size, cudaMemcpyHostToDevice);//转移host数据到device
    cudaMalloc((void **) &B_d, size);//申请全局device memory 
    cudaMemcpy(B_d, B, size, cudaMemcpyHostToDevice);//转移host数据到device

   // Allocate device memory for C
    cudaMalloc((void **) &C_d, size);//申请全局device memory 

2. // Kernel invocation code – to be shown later
     …
3. // Transfer C from device to host
    cudaMemcpy(C, C_d, size, cudaMemcpyDeviceToHost); //转移device数据到host
   // Free device memory for A, B, C
    cudaFree(A_d); cudaFree(B_d); cudaFree (C_d);//释放device memory 
}
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1.6 Introduction to CUDA Kernel-based SPMD

SPMD：即Single Program Multiple Data，指相同的程序处理不同的数据。在Device端执行的Threads即属于此类型，每个Grid中的所有线程执行相同的Kernel函数（共享PC和IR指针），但是这些Threads需要从共享的Global Memory中取得自身的数据，这样就需要一种数据定位机制。

CUDA的函数分类：

注意都是双下划线。其中的__global__函数即为C代码中调用Device上计算的入口，必须返回void类型；__host__ 函数为传统的C函数，也是默认类型。之所以增加这一标识的原因是有时候可能__device__和__host__共同使用，这时可以让编译器知道，需要编译两个版本的函数。而__device__函数只能由__global__函数或__device__函数调用。

如计算向量加法：

// Compute vector sum C = A+B
// Each thread performs one pair-wise addition

//device code
__global__ void vecAddkernel(float* A_d, float* B_d, float* C_d, int n)
{
    int i = threadIdx.x + blockDim.x * blockIdx.x;//device函数要计算thread的索引，以便分配各自的数据
    if(i<n) C_d[i] = A_d[i] + B_d[i];//if做boundry check
}

// host code 
__host__ int vecAdd(float* A, float* B, float* C, int n)
{
 //此处省略了 A_d, B_d, C_d allocations and copies
 // Run ceil(n/256) blocks of 256 threads each
  dim3 DimGrid(n/256, 1, 1);
  if (n%256) DimGrid.x++;
  dim3 DimBlock(256, 1, 1);

  vecAddKernel<<<DimGrid,DimBlock>>>(A_d, B_d, C_d, n);//host函数中调用device函数执行
}

Any call to a kernel function is asynchronous from CUDA 1.0 on, explicit synch needed for blocking
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CUDA程序工作流程：host函数 -> device函数(__global __) -> host函数

CUDA程序异构编译过程：编译器nvcc识别Host函数和Device函数，分别让它们与各自的编译器进一步编译，如gcc和intel icc，最后在异构计算平台上运行。

1.7 更高维的Grid的Kernel-based SPMD例子

前面我们讨论了向量的加法，这是一维数据的计算，下面我们讲讲二维数据和内存模型。

• 一维数据：向量。
• 二维数据：矩阵/图片。对于二维数据，C/C++是行为主，Fortran以列为主。

__global__ void PictureKernel(float* Pin, float* Pout, int n, int m) 
{

  // Calculate the row # of the Pin and Pout element to process
  int Row = blockIdx.y*blockDim.y + threadIdx.y;
  
  // Calculate the column # of the Pin and Pout element to process
  int Col = blockIdx.x*blockDim.x + threadIdx.x;

  // each thread computes one element of Pout if in range
  if ((Row < m) && (Col < n)) {
    Pout[Row*n+Col] = 2*Pin[Row*n+Col];
  }
  
}
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假定需要处理一张76x62像素的图片，采用16x16的Block，如图：
为什么要边界查询，判断(Row < m) && (Col < n)：
因为Threads数量>矩阵单元数，并不是所有的Thread都要参与运算。其中1区域的Block每一个Thread都对应有像素，而2、3、4则没有。

1.8 Matrix Multiplication矩阵乘法

矩阵乘法规则：前行成后列，在实际使用中，我们常常用行主导的一维数组代替二维数组，即，twoDim[2, 3] = oneDim[2 * numCol + 3]。

CPU的Host代码： 两个循环遍历整个将结果矩阵

// Matrix multiplication on the (CPU) host in double precision
void MatrixMulOnHost(float* M, float* N, float* P, int Width)
{   
    for (int i = 0; i < Width; ++i)
        for (int j = 0; j < Width; ++j) {
            double sum = 0;
            for (int k = 0; k < Width; ++k) {
                double a = M[i * Width + k];
                double b = N[k * Width + j];
                sum += a * b;
            }
            P[i * Width + j] = sum;
        }
}
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GPU的Device代码： 每个Thread有Row和Col两个量来索引

__global__ void MatrixMulKernel(float* M, float* N, float* P, int Width)
{
 // Calculate the row index of the P element and M
 int Row = blockIdx.y * blockDim.y + threadIdx.y;
 // Calculate the column index of P and N
 int Col = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;

 if ((Row < Width) && (Col < Width)) {
	float Pvalue = 0;
    
    // each thread computes one element of the block sub-matrix
	for (int k = 0; k < Width; ++k)
      Pvalue += M[Row*Width+k] * N[k*Width+Col];
   
    P[Row*Width+Col] = Pvalue;
  }
}
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Host代码调用核函数：

    // Setup the execution configuration
  // TILE_WIDTH is a #define constant
     dim3 dimGrid(Width/TILE_WIDTH, Width/TILE_WIDTH, 1);
     dim3 dimBlock(TILE_WIDTH, TILE_WIDTH, 1);


  // Launch the device computation threads!
     MatrixMulKernel<<<dimGrid, dimBlock>>>(Md, Nd, Pd, Width);
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Lecture 2

2.1 Kernel-Based Parallel Programming

线程调度