DSP

OpenCL概述

2019-07-13 19:55发布

OpenCL是一个为异构平台编写程序的框架,此异构平台可由CPUGPU或其他类型的处理器组成。OpenCL由一门用于编写kernels (在OpenCL设备上运行的函数)的语言(基于C99)和一组用于定义并控制平台的API组成。OpenCL提供了基于任务分割和数据分割并行计算机制。 OpenCL类似于另外两个开放的工业标准OpenGLOpenAL,这两个标准分别用于三维图形和计算机音频方面。OpenCL扩展了GPU用于图形生成之外的能力。OpenCL由非盈利性技术组织Khronos Group掌管。 OpenCL最初苹果公司开发,拥有其商标权,并在与AMD,IBM,英特尔nVIDIA技术团队的合作之下初步完善。随后,苹果将这一草案提交至Khronos Group。 2008年6月的WWDC大会上,苹果提出了OpenCL规范,旨在提供一个通用的开放API,在此基础上开发GPU通用计算软件。随后,Khronos Group宣布成立GPU通用计算开放行业标准工作组,以苹果的提案为基础创立OpenCL行业规范。5个月后的2008年11月18日,该工作组完成了OpenCL 1.0规范的技术细节。2010年6月14日,OpenCL 1.1 发布。2011年11月15日,OpenCL 1.2 发布。2013年11月19日,OpenCL 2.0发布。 2009年6月NVIDIA首家发布了支持OpenCL 1.0通用计算规范的驱动程序,支持Windows和Linux操作系统。 2009年8月初AMD首次发布了可支持IA处理器(x86和amd64/x64)的OpenCL SDK——ATI Stream SDK v2.0Beta,立即交由业界标准组织KHRONOS进行审核。目前,该SDK更名为AMD APP SDK。 2012年2月,intel发布了The Intel® SDK for OpenCL* Applications 2012,支持OpenCL 1.1基于带HD4000/2500的显示核心的第三代酷睿CPU(i3,i5,i7).和GPU。 2013年6月,intel发布了第四代酷睿CPU haswell 其内置的HD4600/4400/4200 Iris(锐矩)5000/5100/pro 5200(自带eDRAM缓存)支持OpenCL 1.2(未来可能升级到OpenCL 2.0) NVIDIA显卡方面 Geforce 80009000100200300400500600700800900均支持OpenCL 1.0-1.2 AMD显卡方面 Radeon HD 4000500060007000Rx 200 均支持OpenCL 1.0-1.2,除Radeon HD4000系列外,其余均会支持OpenCL 2.0 移动平台方面目前高通adreno320/330提供了Android上的OpenCL1.1支持,NVIDIA的Tegra K1也提供了OpenCL 支持。
OpenCL工作组的成员包括:3Dlabs、AMD、苹果、ARM、Codeplay、爱立信、飞思卡尔、华为、HSA基金会、GraphicRemedy、IBM、Imagination Technologies、Intel、诺基亚、NVIDIA、摩托罗拉、QNX、高通,三星、Seaweed、德州仪器、布里斯托尔大学、瑞典Ume大学。[1]  像Intel、NVIDIA和AMD都是这个标准的支持者,不过微软并不在其列。
目前,NVIDIA显卡对OpenCL技术支持得比较到位,所以这里仅用NVIDIA的Geforce(精视)系列显卡作解释。 中国用户可以登录英伟达中文官方网站上下载到最新的驱动程序,只要您下载的驱动是195.62版本或更高,就可以在Geforce(精视)8系列或更高级的显卡中开启OpenCL,在安装好新版本的显卡驱动程序并重新启动后,OpenCL就自动开启了。当有需要使用CPU来完成的工作如转换视频时,GPU就会帮助CPU进行运算,以提高转换速度。但是在3D游戏中应该是不会调用OpenCL的,因为显卡有自己的硬件加速功能以及物理引擎,所以Geforce(精视)8系列及以上的显卡就不需要CPU辅助进行渲染了。这时候,您就可以一边玩游戏,一边进行消耗CPU的工作了。
当然同样,在NVIDIA的Quadro系列专业显卡中,同样能够使用OpenCL技术。只要您的显卡能够达到CUDA的要求,就能够正常使用OpenCL,以获得优异的CPU运算效率。 在AMD-ATI的Stream技术中(现已经改名为AMD APP并行加速技术),已经为日常使用、办公、游戏等提供物理加速。基于OpenCL标准开发,其中,ATI Radeon HD 4000-5000、AMD Radeon HD 6000系列同时支持ATI Stream和AMD APP(由于Stream基于CAL和Brook+语言开发,更适合VLIW5和VLIW4这样的SIMD架构),AMD Radeon HD7000和Radeon Rx 200系列支持AMD APP,运算效率较老架构提升十分明显。
OpenCL 1.0
OpenCL 1.0主要由一个并行计算API和一种针对此类计算的编程语言组成,此外还特别定义了: 1、C99编程语言并行扩展子集; 2、适用于各种类型异构处理器的坐标数据和基于任务并行计算API; 3、基于IEEE 754标准的数字条件; 4、与OpenGL、OpenGL ES和其他图形类API高效互通。 OpenCL 1.1 Khronos Group2010年6月15日宣布,OpenCL通用计算标准的1.1版本已经发放,开发者可以免费下载,并依照新标准开始进行编程。 OpenCL 1.1标准向下兼容1.0版,提供了更多的新功能,并对性能进行了改善。主要新特性包括: - 支持新数据类型,如3维矢量和新增图像格式。 - 支持处理多Host指令以及跨设备Buffer处理。 - Buffer区域操作,包括对1D、2D、3D三角形区域的读、写和拷贝操作。 - 改进驱动和控制指令执行的事件应用。 - 增加OpenCL内建C功能。 - 通过链接OpenCL和OpenGL事件,高效共享图像和Buffer,改进与OpenGL的互操作性。 OpenCL标准由Khronos Group的OpenCL工作组制定,完全开放,任何开发者都可免费使用。OpenCL工作组成员包括(英文首字母排序):3DLABS、动视暴雪、AMD、苹果、ARM、Broadcom、CodePlay、EA、爱立信、飞思卡尔、富士通、通用电气、GraphicRemedy、HI、IBM、Intel、Imagination Technologies、美国Los Alamos国家实验室、摩托罗拉、Movidia、诺基亚、NVIDIA、Petapath、QNX、高通、RapidMind、三星、Seaweed、S3、意法半导体、Takumi、德州仪器、东芝和Vivante。
OpenCL 2.0 Khronos Group2013年11月19日宣布了OpenCL通用计算标准的2.0版本特性,其中对共享虚拟内存的支持是一大亮点(此前NVIDIA发布了CUDA 6规范也同样支持共享虚拟内存,但目前仅限Kepler和Maxwell架构的N卡。此外,AMD的GCN架构显卡同样支持。AMD的Kaveri APU支持HSA异构计算和hUMA统一物理寻址,较虚拟共享更加先进。)[2]  1、共享虚拟内存 主机和设备内核可以直接共享复杂的、包含指针的数据结构,大大提高编程灵活性,避免冗余的数据转移。 2、动态并行 设备内核可以在无需主机交互的情况下进行内核排队,实现灵活的工作调度,避免数据转移,大大减轻主处理器的负担。 3、通用内存空间 无需指定地址空间名称即可为引数(argument)编写函数,不用再为程序里的每一个地址空间名称编写函数。 4、图像 改进图像支持,包括sRGB、3D,内核可以读写同一图像。 5、C11原子操作 新的C11原子和同步操作子集,分配在同一工作组内 6、Pipes 以FIFO格式组织数据的内存对象,可以直接读写,数据结构可简单编程、高度优化。 7、安卓可安装客户端驱动扩展 安卓系统上可将OpenCL作为共享对象进行载入
OpenCL平台API:平台API定义了宿主机程序发现OpenCL设备所用的函数以及这些函数的功能,另外还定义了为OpenCL应用创建上下文的函数。 OpenCL运行时API:这个API管理上下文来创建命令队列以及运行时发生的其他操作。例如,将命令提交到命令队列的函数就来自OpenCL运行时API。 OpenCL编程语言:这是用来编写内核代码的编程语言。它基于ISO C99标准的一个扩展子集,因此通常称为OpenCL C编程语言。[3]

首先是一个定义上下文的宿主机程序。如上图中中的上下文包含两个OpenCL设备、一个CPU和一个GPU。接下来定义了命令队列。这里有两个队列,一个是面向GPU的有序命令队列,另一个是面向CPU的乱序命令队列。然后宿主机程序定义一个程序对象,这个程序对象编译后将为两个OpenCL设备(CPU和GPU)生成内核。接下来宿主机程序定义程序所需的内存对象,并把它们映射到内核的参数。最后,宿主机程序将命令放入命令队列来执行这些内核。