注：本文的代碼圖片資料選自NVIDIA CUDAProgramming Guide，原作者保留所有著作權(quán)。

　　NVIDIA近日終于發(fā)布了CUDA，有可能作為下一代SDK10的一部分奉送給樂于發(fā)掘GPU計(jì)算能力的專業(yè)人員。感興趣的朋友可以去這里一探究竟，下載嘗鮮，提供了大量的范例。
　　我們都知道，GPU的并行運(yùn)算性能是極為強(qiáng)悍的，如此豐富的計(jì)算資源如果浪費(fèi)著不用，就用來跑跑游戲是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不行的。而傳統(tǒng)的圖形API又單單的只提供了圖形操作的功能，沒有提供類似于CPU那樣通用計(jì)算的接口，所以說以往的方法都是很麻煩而且需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)的　——　比如用HDR圖片作Cube Map的時(shí)候，如果使用的是Paul提供的那種類似于經(jīng)緯圖的紋理，就需要大量的反三角函數(shù)的計(jì)算，而用Vertex Shader作反三角又太浪費(fèi)時(shí)間，于是人們用1D紋理作線性插值查找表進(jìn)行快速計(jì)算（訪問數(shù)據(jù)紋理）。這個(gè)例子也可以看作是最基本的GPU計(jì)算。


CUDA的誕生
　　使用傳統(tǒng)API進(jìn)行計(jì)算是個(gè)不可挽回的錯(cuò)誤，CUDA的出現(xiàn)將改變這一狀況。CUDA主要在驅(qū)動(dòng)程序方面和函數(shù)庫方面進(jìn)行了擴(kuò)充。在CUDA庫中提供了標(biāo)準(zhǔn)的FFT與BLAS庫，一個(gè)為NVDIA GPU設(shè)計(jì)的C編譯器。CUDA的特色如下，引自NVIDIA的官方說明：
　　　　1、為并行計(jì)算設(shè)計(jì)的統(tǒng)一硬件軟件架構(gòu)。有可能在G80系列上得到發(fā)揮。
　　　　2、在GPU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存和多線程管理。這個(gè)強(qiáng)，思路有些類似于XB360 PS3上的CPU編程。
　　　　3、在GPU上可以使用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行編寫。
　　　　4、標(biāo)準(zhǔn)離散FFT庫和BLAS基本線性代數(shù)計(jì)算庫。
　　　　5、一套CUDA計(jì)算驅(qū)動(dòng)。
　　　　6、提供從CPU到GPU的加速數(shù)據(jù)上傳性能。瓶頸就在于此。
　　　　7、CUDA驅(qū)動(dòng)可以和OpenGL DirectX驅(qū)動(dòng)交互操作。這強(qiáng)，估計(jì)也可以直接操作渲染管線。
　　　　8、與SLI配合實(shí)現(xiàn)多硬件核心并行計(jì)算。
　　　　9、同時(shí)支持Linux和Windows。這個(gè)就是噱頭了。
　　看過了宣傳，您可以看一下CUDA提供的Programming Guide和其他的文檔。NVIDIA我覺得有些類似圖形界的Microsoft，提供精良的裝備諸如SDK和開發(fā)文檔等等，比ATi好多了。

CUDA本質(zhì)
　　CUDA的本質(zhì)是，NVIDIA為自家的GPU編寫了一套編譯器NVCC極其相關(guān)的庫文件。CUDA的應(yīng)用程序擴(kuò)展名可以選擇是.cu，而不是.cpp等。NVCC是一個(gè)預(yù)處理器和編譯器的混合體。當(dāng)遇到CUDA代碼的時(shí)候，自動(dòng)編譯為GPU執(zhí)行的代碼，也就是生成調(diào)用CUDA Driver的代碼。如果碰到Host C++代碼，則調(diào)用平臺自己的C++編譯器進(jìn)行編譯，比如Visual Studio C++自己的Microsoft C++ Compiler。然后調(diào)用Linker把編譯好的模塊組合在一起，和CUDA庫與標(biāo)準(zhǔn)C\C++庫鏈接成為最終的CUDA Application。由此可見，NVCC模仿了類似于GCC一樣的通用編譯器的工作原理（GCC編譯C\C++代碼本質(zhì)上就是調(diào)用cc和g++）。NVCC有著復(fù)雜的選項(xiàng)，詳情參閱CUDA SDK中的NVCC相關(guān)文檔。

CUDA編程概念
Device
　　CUDA API提供接口枚舉出系統(tǒng)中可以作為計(jì)算設(shè)備使用的硬件為計(jì)算進(jìn)行初始化等操作。類似于DX編程中的初始化COM接口。

Texture
　　線性內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和數(shù)組中的數(shù)據(jù)都可以作為紋理使用。不過數(shù)組在緩存層面上更適合優(yōu)化。紋理的概念類似于傳統(tǒng)的圖像紋理，可以以8 16 32位的整數(shù)儲(chǔ)存，也可以用fp16格式進(jìn)行儲(chǔ)存。而且當(dāng)把數(shù)組轉(zhuǎn)換為紋理的時(shí)候，還有一些有點(diǎn)，比如整數(shù)與fp16數(shù)字可以選擇統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換到32bit浮點(diǎn)數(shù)，還可以使用數(shù)組邊界這個(gè)特性，還可以進(jìn)行過濾操作。

OpenGL/DirectX Interoperability
　　OpenGL的幀緩沖與DirectX9的頂點(diǎn)緩沖可以被映射到CUDA可操作的地址空間中，讓CUDA讀寫幀緩沖里面的數(shù)據(jù)。不過CUDA Context一次只能操作一個(gè)Direct3D設(shè)備。當(dāng)前CUDA還不支持對DX10進(jìn)行類似的操作，除了DX9頂點(diǎn)緩沖也不允許進(jìn)行映射，而且一次只能映射一次。（這個(gè)地方NVIDIA沒有說清楚，我估計(jì)是指只有一個(gè)Mapping Slot）

Thread Block
A thread block is a batch of threads that can cooperate together by efficiently sharing data through some fast shared memory and synchronizing their execution to coordinate memory accesses.
　　ThreadBlock由一系列線程組成，這些線程可以快速共享內(nèi)存，同步內(nèi)存訪問。每個(gè)線程都有個(gè)ID，這個(gè)ID好像平面坐標(biāo)一般。線程組成Grid。示意圖如下：

#include?<stdio.h>
#include?<stdlib.h>
#include?<string.h>

/**//*?Includes,?cuda?*/
#include?"cublas.h"

/**//*?Matrix?size?*/
#define?N??(275)

/**//*?Host?implementation?of?a?simple?version?of?sgemm?*///使用CPU進(jìn)行Matrix乘法計(jì)算的算式
static?void?simple_sgemm(int?n,?float?alpha,?const?float?*A,?const?float?*B,
?????????????????????????float?beta,?float?*C)
{
????int?i;
????int?j;
????int?k;
????for?(i?=?0;?i?<?n;?++i)?{
????????for?(j?=?0;?j?<?n;?++j)?{
????????????float?prod?=?0;
????????????for?(k?=?0;?k?<?n;?++k)?{
????????????????prod?+=?A[k?*?n?+?i]?*?B[j?*?n?+?k];
????????????}
????????????C[j?*?n?+?i]?=?alpha?*?prod?+?beta?*?C[j?*?n?+?i];
????????}
????}
}

/**//*?Main?*/
int?main(int?argc,?char**?argv)
{????
????cublasStatus?status;
????float*?h_A;
????float*?h_B;
????float*?h_C;
????float*?h_C_ref;
????float*?d_A?=?0;
????float*?d_B?=?0;
????float*?d_C?=?0;
????float?alpha?=?1.0f;
????float?beta?=?0.0f;
????int?n2?=?N?*?N;
????int?i;
????float?error_norm;
????float?ref_norm;
????float?diff;

????/**//*?Initialize?CUBLAS?*///初始化CUBLAS庫
????status?=?cublasInit();
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?CUBLAS?initialization?error\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Allocate?host?memory?for?the?matrices?*///分配內(nèi)存，這3個(gè)是257*257的大矩陣
????h_A?=?(float*)malloc(n2?*?sizeof(h_A[0]));
????if?(h_A?==?0)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?host?memory?allocation?error?(A)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????h_B?=?(float*)malloc(n2?*?sizeof(h_B[0]));
????if?(h_B?==?0)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?host?memory?allocation?error?(B)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????h_C?=?(float*)malloc(n2?*?sizeof(h_C[0]));
????if?(h_C?==?0)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?host?memory?allocation?error?(C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Fill?the?matrices?with?test?data?*/
????for?(i?=?0;?i?<?n2;?i++)?{
????????h_A[i]?=?rand()?/?(float)RAND_MAX;
????????h_B[i]?=?rand()?/?(float)RAND_MAX;
????????h_C[i]?=?rand()?/?(float)RAND_MAX;
????}

????/**//*?Allocate?device?memory?for?the?matrices?*/ //在GPU設(shè)備上分配內(nèi)存
????status?=?cublasAlloc(n2,?sizeof(d_A[0]),?(void**)&d_A);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?memory?allocation?error?(A)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasAlloc(n2,?sizeof(d_B[0]),?(void**)&d_B);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?memory?allocation?error?(B)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasAlloc(n2,?sizeof(d_C[0]),?(void**)&d_C);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?memory?allocation?error?(C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Initialize?the?device?matrices?with?the?host?matrices?*/ //把HOST內(nèi)的矩陣上傳到GPU去
????status?=?cublasSetVector(n2,?sizeof(h_A[0]),?h_A,?1,?d_A,?1);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?access?error?(write?A)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasSetVector(n2,?sizeof(h_B[0]),?h_B,?1,?d_B,?1);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?access?error?(write?B)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasSetVector(n2,?sizeof(h_C[0]),?h_C,?1,?d_C,?1);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?access?error?(write?C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????
????/**//*?Performs?operation?using?plain?C?code?*/ //使用CPU進(jìn)行矩陣乘法計(jì)算
????simple_sgemm(N,?alpha,?h_A,?h_B,?beta,?h_C);
????h_C_ref?=?h_C;

????/**//*?Clear?last?error?*/
????cublasGetError();

????/**//*?Performs?operation?using?cublas?*/ //Wow !使用GPU計(jì)算
????cublasSgemm('n',?'n',?N,?N,?N,?alpha,?d_A,?N,?d_B,?N,?beta,?d_C,?N);
????status?=?cublasGetError();
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?kernel?execution?error.\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????
????/**//*?Allocate?host?memory?for?reading?back?the?result?from?device?memory?*/ //分配HOST內(nèi)存準(zhǔn)備存放結(jié)果
????h_C?=?(float*)malloc(n2?*?sizeof(h_C[0]));
????if?(h_C?==?0)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?host?memory?allocation?error?(C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Read?the?result?back?*/ //回讀
????status?=?cublasGetVector(n2,?sizeof(h_C[0]),?d_C,?1,?h_C,?1);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?device?access?error?(read?C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Check?result?against?reference?*/
????error_norm?=?0;
????ref_norm?=?0;
????for?(i?=?0;?i?<?n2;?++i)?{
????????diff?=?h_C_ref[i]?-?h_C[i];
????????error_norm?+=?diff?*?diff;
????????ref_norm?+=?h_C_ref[i]?*?h_C_ref[i];
????}
????error_norm?=?(float)sqrt((double)error_norm);
????ref_norm?=?(float)sqrt((double)ref_norm);
????if?(fabs(ref_norm)?<?1e-7)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?reference?norm?is?0\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????printf(?"Test?%s\n",?(error_norm?/?ref_norm?<?1e-6f)???"PASSED"?:?"FAILED");

????/**//*?Memory?clean?up?*/
????free(h_A);
????free(h_B);
????free(h_C);
????free(h_C_ref);
????status?=?cublasFree(d_A);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?memory?free?error?(A)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasFree(d_B);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?memory?free?error?(B)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}
????status?=?cublasFree(d_C);
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?memory?free?error?(C)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????/**//*?Shutdown?*///關(guān)閉CUBLAS卸載資源
????status?=?cublasShutdown();
????if?(status?!=?CUBLAS_STATUS_SUCCESS)?{
????????fprintf?(stderr,?"!!!!?shutdown?error?(A)\n");
????????return?EXIT_FAILURE;
????}

????if?(argc?<=?1?||?strcmp(argv[1],?"-noprompt"))?{
????????printf("\nPress?ENTER?to?exit\n");
????????getchar();
????}
????return?EXIT_SUCCESS;
}