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【CUDA】CUDA 基本概念和 Hierarchy

CUDA 编程基础：Host 和 Device 工作流程

首先简单介绍CUDA 编程的基本概念：讲解 Host（CPU）与 Device（GPU）的区别、内存管理以及 CUDA 运行时的工作机制。

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Host（主机） vs. Device（设备）

• Host（CPU）：
  • 执行通用代码（无需 CUDA 扩展）。
  • 使用主板上的 RAM 作为内存。
  • 运行标记为 __host__ 的函数。
• Device（GPU）：
  • 进行高效并行计算。
  • 使用 GPU 自带的 VRAM（视频内存、显存）。
  • 运行标记为 __global__ 或 __device__ 的函数。

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CUDA 程序运行流程

1. 将数据从 Host 复制到 Device：使用 cudaMemcpy 传输输入数据到 GPU 的显存。
2. 加载并执行 CUDA 内核：
   • 使用 GPU 并行执行内核函数（__global__）。
   • 内核函数处理传入的变量并完成计算。
3. 将结果从 Device 复制回 Host：将处理后的数据从显存复制回主机内存。

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CUDA 命名约定

• 变量命名：
  • h_A：Host（CPU）上的变量，例如 A。
  • d_A：Device（GPU）上的变量，例如 A。
• 函数修饰符：
  • __global__：GPU 上的内核函数，可以由 CPU 调用。它通常不返回值，而是通过修改传入的变量完成操作，例如矩阵乘法。
  • __device__：只能由 GPU 调用，用于在内核函数中执行特定任务。它类似于调用库函数，但只能在 GPU 内部执行。
  • __host__：只能在 CPU 上执行，与普通的 C/C++ 函数相似。

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CUDA 内存管理

• 显存分配： 使用 cudaMalloc 在显存中分配内存。

  float *d_a, *d_b, *d_c;
  cudaMalloc(&d_a, N * N * sizeof(float));
  cudaMalloc(&d_b, N * N * sizeof(float));
  cudaMalloc(&d_c, N * N * sizeof(float));
  

• 内存拷贝： 使用 cudaMemcpy 在 Host 和 Device 间传输数据：

  • Host → Device（CPU → GPU）：cudaMemcpyHostToDevice
  • Device → Host（GPU → CPU）：cudaMemcpyDeviceToHost
  • Device → Device（GPU 内部或不同 GPU 之间）：cudaMemcpyDeviceToDevice

• 释放显存： 使用 cudaFree 释放分配的显存。

  cudaFree(d_a);
  cudaFree(d_b);
  cudaFree(d_c);
  

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CUDA 编译器（nvcc）

• Host 代码：
  • 被修改以支持 CUDA 内核。
  • 编译为普通的 x86 二进制。
• Device 代码：
  • 编译为 PTX（并行线程执行）代码。
  • PTX 是跨 GPU 代的稳定中间表示，通过 JIT（即时编译）转为本地 GPU 指令，实现向前兼容。

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CUDA 的并行计算模型是基于层次化的线程结构设计的，这种设计为大规模并行计算提供了高效管理线程的方式。以下是 CUDA 的核心层次结构：

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层次结构概览

1. Kernel:
   • 定义：CUDA 程序的核心计算函数，运行在 GPU 上。
   • 工作方式：通过网格 (Grid) 和块 (Block) 的组织方式来并行化任务。
2. Thread:
   • 定义：GPU 的基本执行单元，每个线程独立运行。
   • 特性：每个线程有自己的寄存器和局部内存空间。
3. Thread Block (Block):
   • 定义：线程的逻辑分组，一个 Block 包含若干个线程。
   • 重要性：Block 是 CUDA 的调度单元，提供线程间共享的共享内存。
   • 限制：每个 Block 中的线程数量有上限，通常是 1024 个线程（具体依赖于 GPU 架构）。
4. Grid (网格):
   • 定义：Block 的逻辑分组，一个 Grid 包含若干个 Block。
   • 重要性：通过组织多个 Block 实现大规模并行任务。

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CUDA 的工作流

1. 用户定义一个 Kernel 函数，用于描述 GPU 上的计算。
2. 调用时通过 <<<Grid, Block>>> 来指定 Grid 和 Block 的规模。
3. GPU 硬件会为每个线程分配一个唯一的索引，这些索引用于访问内存和分配任务。

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4 个核心术语

这4个变量都是内置变量，由编译器自动提供，供核函数使用。

1. gridDim ⇒ 网格的维度

• 定义：gridDim 定义了 Grid 在每个维度上的 Block 数量。

• 类型：3D 变量，gridDim.x, gridDim.y, gridDim.z。

• 用途：决定网格规模，帮助计算全局索引。

• 示例：

  dim3 grid(4, 3);  // 4 个 Block 在 X 方向，3 个 Block 在 Y 方向
  printf("Grid dimensions: %d x %d\n", gridDim.x, gridDim.y);
  

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2. blockIdx ⇒ Block 的索引

• 定义：blockIdx 标识当前线程所属 Block 在 Grid 中的索引。

• 类型：3D 变量，blockIdx.x, blockIdx.y, blockIdx.z。

• 用途：结合线程索引计算全局索引。

• 范围：[0, gridDim.{x|y|z} - 1]。

• 示例：

  int block_index = blockIdx.x;  // 当前 Block 在 X 方向的索引
  

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3. blockDim ⇒ Block 的维度

• 定义：blockDim 表示每个 Block 在每个维度上的线程数量。

• 类型：3D 变量，blockDim.x, blockDim.y, blockDim.z。

• 用途：用于定义 Block 内线程的局部索引范围。

• 范围：由 Kernel 配置时的第二个参数决定。

• 示例：

  dim3 block(16, 16);  // 每个 Block 包含 16x16 个线程
  printf("Block dimensions: %d x %d\n", blockDim.x, blockDim.y);
  

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4. threadIdx ⇒ 线程的索引

• 定义：threadIdx 表示当前线程在所在 Block 中的索引。

• 类型：3D 变量，threadIdx.x, threadIdx.y, threadIdx.z。

• 用途：配合 blockIdx 和 blockDim 计算全局线程索引。

• 范围：[0, blockDim.{x|y|z} - 1]。

• 示例：

  int thread_index = threadIdx.x;  // 当前线程在 X 方向的索引
  

可以网格是由多个小长方体(block)组成的一个大长方体（grid），其中小长方体又是由多个更小的长方体（thread)组成。

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线程束 (Warp)

定义

• 线程束（Warp） 是 CUDA 调度的基本单元，每个 Warp 包含 32 个线程。
• Warp 内的线程以 SIMD（单指令多数据） 模式运行：所有线程执行相同指令，但操作的数据可以不同。

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线程束的特性

1. 执行同步：
   • 一个 Warp 内的所有线程在同一个时钟周期内执行同一条指令。
2. 线程束分歧 (Warp Divergence)：
   • 如果 Warp 内的线程需要执行不同的分支（例如 if/else），Warp 会被拆分成多个子任务，依次完成分支，导致性能下降。
3. 调度单位：
   • Warp 是 CUDA 的硬件调度单位。一个 Block 中的线程数量如果不是 32 的倍数，会浪费部分调度资源。完整代码示例

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实例

#include <stdio.h>__global__ void Whoami(void){int block_id = blockIdx.x + blockIdx.y * gridDim.x +blockIdx.z * gridDim.x * gridDim.y;int block_offset = block_id * blockDim.x * blockDim.y * blockDim.z;int thread_offset = threadIdx.x + threadIdx.y * blockDim.x +threadIdx.z * blockDim.x * blockDim.y;int id = block_offset + thread_offset;printf("%04d | Block(%d %d %d) = %3d | Thread(%d %d %d) = %3d\n",id, blockIdx.x, blockIdx.y, blockIdx.z, block_id,threadIdx.x, threadIdx.y, threadIdx.z, thread_offset);
}int main(int argc,char** argv){const int b_x = 2, b_y = 3, b_z = 4;const int t_x = 4, t_y = 4, t_z = 4;int blocks_per_grid = b_x * b_y * b_z;int threads_per_block = t_x * t_y * t_z;printf("%d block/grid\n", blocks_per_grid);printf("%d threads/block\n", threads_per_block);printf("%d total threads\n", blocks_per_grid * threads_per_block);dim3 blocksPerGrid(b_x, b_y, b_z);dim3 threadsPerBlock(t_x, t_y, t_z);Whoami<<<blocksPerGrid, threadsPerBlock>>>();cudaDeviceSynchronize();return 0;
}

这段代码展示了如何使用 gridDim、blockIdx、blockDim 和 threadIdx 来理解grid，block，thread的层级结构。通过输出你也会看到线程束 (Warp)的表现，block中的线程按32分为了两部分，所以同一个block的输出被分为了两部分。

参考：https://github.com/Infatoshi/cuda-course/tree/master/05_Writing_your_First_Kernels