cuda共享内存，全局内存，纹理等的解释

      开始阅读cuda资料感觉文献1的描述讲得明白，摘录到这里方便他人了解。

近期修改，发现转载需要给定来源链接。问题是，从书本中摘录，经过自己理解后，书写。无法设定转载方式发表，顾设定为“原创”发布。特此说明！

增加简单排版后，摘录

1.共享内存

目前 CUDA 装置中，每个 multiprocessor 有 16KB 的 shared memory。 Shared memory 分成
16 个 bank。如果同时每个 thread 是存取不同的 bank，就不会产生任何问题，存取 shared
memory 的速度和存取寄存器相同。不过，如果同时有两个（或更多个） threads 存取同一个
bank 的数据，就会发生 bank conflict，这些 threads 就必须照顺序去存取，而无法同时存取
shared memory 了。
Shared memory 是以 4 bytes 为单位分成 banks。因此，假设以下的数据：
__shared__ int data[128];
那么， data[0] 是 bank 0、 data[1] 是 bank 1、 data[2] 是 bank 2、 …、 data[15] 是 bank 15，
而 data[16] 又回到 bank 0。由于 warp 在执行时是以 half-warp 的方式执行，因此分属于不
同的 half warp 的 threads，不会造成 bank conflict。
因此，如果程序在存取 shared memory 的时候，使用以下的方式：
int number = data[base + tid];
那就不会有任何 bank conflict，可以达到最高的效率。但是，如果是以下的方式：
int number = data[base + 4 * tid];
那么， thread 0 和 thread 4 就会存取到同一个 bank， thread 1 和 thread 5 也是同样，这样就
会造成 bank conflict。在这个例子中，一个 half warp 的 16 个 threads 会有四个 threads 存
取同一个 bank，因此存取 share memory 的速度会变成原来的 1/4。
一个重要的例外是，当多个 thread 存取到同一个 shared memory 的地址时， shared memory 可
以将这个地址的 32 bits 数据「广播」到所有读取的 threads，因此不会造成 bank conflict。例
如：
int number = data[3];
这样不会造成 bank conflict，因为所有的 thread 都读取同一个地址的数据。
很多时候 shared memory 的 bank conflict 可以透过修改数据存放的方式来解决。例如，以下
的程序：
data[tid] = global_data[tid];
...
int number = data[16 * tid];
会造成严重的 bank conflict，为了避免这个问题，可以把数据的排列方式稍加修改，把存取方

data[row * 17 + column] = global_data[tid];
...
int number = data[17 * tid];
这样就不会造成 bank conflict 了。
编者注：share memory在NVIDIA的文档中其实还有不同的叫法，例如PDC（Parallel Data
Cache）、PBSM（per-block share memory）。

2.全局内存

由于 multiprocessor 并没有对 global memory 做 cache（如果每个 multiprocessor 都有自己的
global memory cache，将会需要 cache coherence protocol，会大幅增加 cache 的复杂度），所
以 global memory 存取的 latency 非常的长。除此之外，前面的文章中也提到过 global
memory 的存取，要尽可能的连续。这是因为 DRAM 存取的特性所造成的结果。
更精确的说， global memory 的存取，需要是 "coalesced"。所谓的 coalesced，是表示除了连
续之外，而且它开始的地址，必须是每个 thread 所存取的大小的 16 倍。例如，如果每个
thread 都读取 32 bits 的数据，那么第一个 thread 读取的地址，必须是 16*4 = 64 bytes 的倍
数。
如果有一部份的 thread 没有读取内存，并不会影响到其它的 thread 速行 coalesced 的存取。
例如：
if(tid != 3) {
int number = data[tid];
}
虽然 thread 3 并没有读取数据，但是由于其它的 thread 仍符合 coalesced 的条件（假设 data
的地址是 64 bytes 的倍数），这样的内存读取仍会符合 coalesced 的条件。
在目前的 CUDA 1.1 装置中，每个 thread 一次读取的内存数据量，可以是 32 bits、 64 bits、
或 128 bits。不过， 32 bits 的效率是最好的。 64 bits 的效率会稍差，而一次读取 128 bits 的
效率则比一次读取 32 bits 要显著来得低（但仍比 non-coalesced 的存取要好）。
如果每个 thread 一次存取的数据并不是 32 bits、 64 bits、或 128 bits，那就无法符合 coalesced
的条件。例如，以下的程序：
struct vec3d { float x, y, z; };
...
__global__ void func(struct vec3d* data, float* output)
{
output[tid] = data[tid].x * data[tid].x +
data[tid].y * data[tid].y +

data[tid].z * data[tid].z;
}
并不是 coalesced 的读取，因为 vec3d 的大小是 12 bytes，而非 4 bytes、 8 bytes、或 16 bytes。
要解决这个问题，可以使用 __align(n)__ 的指示，例如：
struct __align__(16) vec3d { float x, y, z; };
这会让 compiler 在 vec3d 后面加上一个空的 4 bytes，以补齐 16 bytes。另一个方法，是把
数据结构转换成三个连续的数组，例如：
__global__ void func(float* x, float* y, float* z, float* output)
{
output[tid] = x[tid] * x[tid] + y[tid] * y[tid] +
z[tid] * z[tid];
}
如果因为其它原因使数据结构无法这样调整，也可以考虑利用 shared memory 在 GPU 上做
结构的调整。例如：
__global__ void func(struct vec3d* data, float* output)
{
__shared__ float temp[THREAD_NUM * 3];
const float* fdata = (float*) data;
temp[tid] = fdata[tid];
temp[tid + THREAD_NUM] = fdata[tid + THREAD_NUM];
temp[tid + THREAD_NUM*2] = fdata[tid + THREAD_NUM*2];
__syncthreads();
output[tid] = temp[tid*3] * temp[tid*3] +
temp[tid*3+1] * temp[tid*3+1] +
temp[tid*3+2] * temp[tid*3+2];
}
在上面的例子中，我们先用连续的方式，把数据从 global memory 读到 shared memory。由于
shared memory 不需要担心存取顺序（但要注意 bank conflict 问题，参照前一节），所以可以
避开 non-coalesced 读取的问题。

3.纹理

CUDA 支援 texture。在 CUDA 的 kernel 程序中，可以利用显示芯片的 texture 单元，读取
texture 的数据。使用 texture 和 global memory 最大的差别在于 texture 只能读取，不能写入，
而且显示芯片上有一定大小的 texture cache。因此，读取 texture 的时候，不需要符合 coalesced
的规则，也可以达到不错的效率。此外，读取 texture 时，也可以利用显示芯片中的 texture
filtering 功能（例如 bilinear filtering），也可以快速转换数据型态，例如可以直接将 32 bits
RGBA 的数据转换成四个 32 bits 浮点数。
显示芯片上的 texture cache 是针对一般绘图应用所设计，因此它仍最适合有区块性质的存取
动作，而非随机的存取。因此，同一个 warp 中的各个 thread 最好是读取地址相近的数据，

对于已经能符合 coalesced 规则的数据，使用 global memory 通常会比使用 texture 要来得
快。

4. 运算单元

Stream processor 里的运算单元，基本上是一个浮点数的 fused multiply-add 单元，也就是说
它可以进行一次乘法和一次加法，如下所示：
a = b * c + d;
compiler 会自动把适当的加法和乘法运算，结合成一个 fmad 指令。
除了浮点数的加法及乘法之外，整数的加法、位运算、比较、取最小值、取最大值、及以型
态的转换（浮点数转整数或整数转浮点数）都是可以全速进行的。整数的乘法则无法全速进
行，但 24 bits 的乘法则可以。在 CUDA 中可以利用内建的 __mul24 和 __umul24 函式来
进行 24 bits 的整数乘法。
浮点数的除法是利用先取倒数，再相乘的方式计算，因此精确度并不能达到 IEEE 754 的规范
（最大误差为 2 ulp）。内建的 __fdividef(x,y) 提供更快速的除法，和一般的除法有相同的精
确度，但是在 2216< y < 2218时会得到错误的结果。
此外 CUDA 还提供了一些精确度较低的内部函数，包括 __expf、__logf、__sinf、__cosf、__powf
等等。

5.和主内存之间数据传输

在 CUDA 中， GPU 不能直接存取主内存，只能存取显卡上的显示内存。因此，会需要将数
据从主内存先复制到显卡内存中，进行运算后，再将结果从显卡内存中复制到主内存中。这
些复制的动作会限于 PCI Express 的速度。使用 PCI Express x16 时， PCI Express 1.0 可以提
供双向各 4GB/s 的带宽，而 PCI Express 2.0 则可提供 8GB/s 的带宽。当然这都是理论值。
从一般的内存复制数据到显卡内存的时候，由于一般的内存可能随时会被操作系统搬动，因
此 CUDA 会先将数据复制到一块内部的内存中，才能利用 DMA 将数据复制到显卡内存中。
如果想要避免这个重复的复制动作，可以使用 cudaMallocHost 函式，在主内存中取得一块
page locked 的内存。不过，如果要求太大量的 page locked 的内存，将会影响到

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2016-03-10新增

最近看资料， 在 计算能力1.0 ，1.2 的时代，全局内存(8个指令周期)和缓存读取(2个还是多少，但是不超过8个。)读取时间其实差距不是非常大。之所以有很大差异是，在另一部分延迟开销。全局内存还有一部分400~600指令周期的开销。这部分开销从哪里来的还不清楚。后续阅读深入再补充。

参考文献：

1.《深入浅出谈CUDA》