OpenCL 2.0 规范 – SVM共享虚拟内存

OpenCL2.0规范相对于1.2版本做出了重大改进，使得一个异构系统中各个硬件之间增强了通信与协作能力。在接下来的系列文章中，将着重讲解OpenCL2.0的新特性，探究其重要性以及对开发、性能等方面会产生什么影响。

 

实践出真知，为了更好地理解以下内容，我们建议做好下面的准备工作：

 

l  参考注释，通读每篇博文的代码。

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范例代码将运行于不同的AMD平台，例如Radeon HD8000系列。驱动页面会列出完整的支持产品家族名单。

 

共享虚拟内存SVM

 

概述

 

OpenCL2.0新增了两个重要特性：共享虚拟内存和设备端的任务队列。下面会先讲述共享虚拟内存。   先回想下在OpenCL1.2中是如何访问内存的。由于主机和OpenCL设备间没有共享相同的虚拟地址空间，因此必须各自对主机内存，设备内存进行管理，然后再就两者间的通信进行处理。一个典型的例子：OpenCL设备端不能使用主机端的内存指针。   OpenCL2.0突破了这个限制：主机和OpenCL设备可以共享相同范围的虚拟地址，因此可以不必再在设备间进行buffer复制。换句话说，无需始终查看buffer状态，并在设备间进行复制，直接使用共享指针就可以了。   OpenCL2.0定义了两种SVM机制，通过区分SVM buffer的共享粒度，分为粗粒度（coarse-grain）和细粒度（fine-grain）SVM。对粗、细粒度SVM的更新对其它设备来说在下述同步点时可见：   ● 粗粒度(Coarse-grain)SVM:同步点包括：SVM内存的映射(mapping)和解除映射(unmapping)，kernel程序启动和结束。因此，对粗粒度SVM的更新放生在Kernel程序调用结束，或SVM buffer被解除映射时。。粗粒度缓存有一个固定的虚拟地址区，被分配给所有设备使用。   ● 细粒度(Fine-grain)SVM:同步点除了包括处理度SVM所定义的同步点外，还包括原子操作。因此，更新信息也会在下面两个原子操作级别中可见：        l  SVM缓存        l  SVM系统—系统内存的任何地方(在细粒度系统SVM中)   注意：细粒度SVM是OpenCL2.0的可选特性，目前的14.41驱动不支持细粒度SVM。我们将在今后提供对细粒度SVM的支持。   接下来会讲述如何使用粗粒度SVM。   使用粗粒度SVM内存   在OpenCL2.0中，通过调用clSVMAlloc来创建主机和OpenCL设备的共享SVM缓冲区。使用指向该buffer的指针以及所指向的数据结构，在异构编程系统中非常有用。例如以下一些的典型场合：   1.     主机透过clSVMAlloc来创建SVM缓冲区 2.     主机通过clEnqueueSVMMap来进行SVM缓冲区与指针的映射 3.     主机把数据结构，指针写入或更新SVM缓冲区 4.     主机使用clEnqueueSVMUnmap来解除SVM缓冲区映射 5.     主机调用clSetKernelArgSVMPointer和/或clSetKernelExecInfo来把SVM缓冲区作为参数传送至kernel程序 6.     OpenCL2.0设备处理SVM缓冲区中的结构，包括及后的/更新的指针 7.     如有需要，重复步骤2到6    让我们来思考一个在二分法搜索树中进行并行搜索的例子。(SVMBinarySearchTree示例代码可透过文末的链接进行下载。)   该示例在host程序上使用粗粒度SVM创建了二分法搜索树的根节点：

svmTreeBuf = clSVMAlloc(context, CL_MEM_READ_WRITE, numNodes*sizeof(node), 0);
svmSearchBuf = clSVMAlloc(context, CL_MEM_READ_WRITE, numKeys*sizeof(searchKey), 0);

host 程序创建了两个缓冲区 svmTreeBuf 和 svmSearchBuf ，分别用来存放指定的树和搜索 keys 值。填充该树后，这两个缓冲区会作为参数传入 kernel 程序中。

 

下一步是创建树和使用clSVMEnqueueMap以及clSVMEnqueueUnmap来填充svmTreeBuf。CPU端函数cpuCreateBinaryTree说明了这个机制；这里要注意相关映射/解除映射API的使用。

 

然后host程序创建了在svmSearchBuf中用于搜索的keys值，如cpuInitSearchKeys方法所展示的。接下来，host程序使kernel程序入队，然后根据给出的keys值在svmSearchBuf中进行二分法树搜索，同时使用clSetKernelArgSVMPointer为kernel程序参数进行赋值： 

int status = clSetKernelArgSVMPointer(sample_kernel, 0, (void *)(svmTreeBuf));
status = clSetKernelArgSVMPointer(sample_kernel, 1, (void *)(svmSearchBuf));

这里要注意的是程序会把svmTreeBuf以及svmSearchBuf作为参数传入kernel程序。下面的node结构体演示了如何在host程序中使用指针来创建左节点和右节点：

typedef struct nodeStruct
{
int value;
struct nodeStruct* left;
struct nodeStruct* right;
} node;

从这里开始SVM的优点得到显现。由于主结构及其子节点都属于SVM内存，所有这些节点的指针值在GPUs中也是有效的。

 

以下代码显示了OpenCL2.0设备上的kernel程序是如何直接搜索树的：

while(NULL != searchNode)
{
if(currKey->key == searchNode->value)
{
/* rejoice on finding key */
currKey->oclNode   = searchNode;
searchNode         = NULL;
}
else if(currKey->key < searchNode->value)
{
/* move left */
searchNode = searchNode->left;
}
else
{
/* move right */
searchNode = searchNode->right;
}
}

每个work item会并行地在svmSearchKeys中搜索元素，然后为节点在searchKey结构中对oclNode进行赋值。

 

对树的更新发生在主机(CPU)或GPU中，但不会同时进行。

 

由于树是在host程序中生成的，同时OpenCL1.2不支持SVM，刚才的示例很难在OpenCL1.2中实现。在OpenCL1.2中，必须以数组形式存储树，然后把数组复制到GPU内存(指定合适的偏移量)，而后再把数组复制回主机。

 

总的来说，2.0版本在性能和易用性方面都超越了上个版本，如下面表格所示。

OpenCL1.2中GPU运算时要耗费时间来复制和处理缓冲区，而在OpenCL2.0中GPUs只需单独地处理kernels程序。

 

注：上述数据来自的硬件配置是32GB RAM的Kaveri APU，操作系统是Windows 8.1。单位是毫秒(ms)。

 

如上表所示，OpenCL1.2所在列的运算时间包括了GPU运行时间，从主机到设备的缓冲区传递时间，把缓冲区传送至数组及偏移的时间，从设备传送回主机的时间。

 

综上所述，SVM简化了编程工作，提高了效率。不相信？赶快编写你的OpenCL2.0程序来一探究竟吧。

 

示例代码和自述文档

示例代码演示了如何使用OpenCL2.0的粗粒度SVM来执行二分法树搜索算法。

 

1.     示例代码和自述文档请点击这里进行查阅

2.     请点击这里下载AMD OpenCL2.0驱动

3.     根据指引和自述文档来运行示例

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外文链接：http://developer.amd.com/community/blog/2014/10/24/opencl-2-shared-virtual-memory/