學習Intel FPGA OpenCL程式設計

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歡迎來到Intel FPGA OpenCL 程式設計線上課程

1. OpenCL 簡介

2. OpenCL 平台模型

3. 在主機上設置 OpenCL

4. 撰寫 OpenCL 內核

5. 從主機啟動內核

6. N維範圍 (N-Dimensional Range) 內核

7. 單一工作項 (Single Work-Item) 內核

8. 通道和管道

9. 其他資源

1. OpenCL 簡介

OpenCL（Open Computing Language）是一個用於異構平台並行編程的框架。它由蘋果公司最初開發,並由包括AMD、IBM、Intel和Nvidia在內的技術團隊共同完善和標準化。

OpenCL 提供了以下關鍵功能:

• 可攜性：相同的 OpenCL 標準可以在不同平台上運行。
• 靈活性：可以從各個平台上獲得高性能。
• 並行計算：支持任務並行和數據並行。
• 標準 API：用於定義和控制設備平台。
• 基於 C99 的內核語言：用於在 OpenCL 設備上編寫函數。

OpenCL 標準分為兩部分:

1. 設備側語言（內核代碼）
2. 主機側 API

內核代碼基於 C99 標準,並遵循某些限制。內核通常用於計算密集型任務,這就是為什麼 OpenCL 設備常稱為加速器。主機側 API 支持有效管理複雜的並行程序,並具有較低的開銷。

2. OpenCL 平台模型

OpenCL 平台模型定義了系統的結構以及主機和設備之間的關係:

• 有一個主處理器（主機）協調執行。
• 有一個或多個設備（如 FPGA、GPU、DSP）能夠執行 OpenCL 內核代碼。

每個設備都有自己的計算單元陣列,這些單元是彼此獨立的。每個計算單元又由一個或多個處理元素組成。

OpenCL 還定義了一個抽象的記憶體層次結構,供內核使用。主機和設備之間的數據傳輸需要通過顯式指定。

3. 在主機上設置 OpenCL

在主機上設置 OpenCL 執行環境需要以下步驟:

1. 查詢和選擇 OpenCL 平台
2. 查詢和選擇 OpenCL 設備
3. 創建 OpenCL 上下文

主機使用平台層 API 來執行這些步驟。這些設置代碼通常只需編寫一次,就可以在多個項目中重複使用。

主機使用命令隊列來管理與設備的交互。命令隊列允許主機向設備提交各種操作,如內存傳輸和內核啟動。每個命令隊列都與一個特定的設備關聯。

4. 撰寫 OpenCL 內核

OpenCL 內核是在加速設備上執行的函數。內核函數的語法與標準 C 函數非常相似,但需要遵守一些限制:

• 必須以 __kernel 關鍵字開頭
• 必須返回 void 類型
• 不能使用函數指針
• 不能使用遞歸和可寫靜態變量

內核代碼可以使用標量、向量和結構體等數據類型。向量類型由基本類型和大小組成,如 cl_int4。

5. 從主機啟動內核

主機程序啟動內核需要經過以下步驟:

1. 創建包含內核的程序對象
2. 提取特定的內核
3. 設置內核參數
4. 將內核排入命令隊列進行執行

主機使用 cl_create_program_with_binary 函數從預編譯的二進制文件創建程序對象。由於 Intel FPGA 需要時間來編譯內核,因此只支持使用預編譯的二進制文件。

cl_create_kernel 函數用於從程序中提取特定的內核。cl_set_kernel_arg 函數用於將內存對象與內核參數相關聯。

最後,使用 cl_enqueue_task 或 cl_enqueue_nd_range_kernel 將內核排入命令隊列進行執行。

6. N維範圍 (N-Dimensional Range) 內核

N維範圍內核利用數據並行實現計算。內核函數被映射到許多並行執行的工作項上。

每個工作項都執行相同的內核函數,但使用不同的全局ID來處理不同的數據。全局尺寸定義了工作項的總數,而工作組尺寸定義了每個工作組中的工作項數量。

啟動N維範圍內核使用 cl_enqueue_nd_range_kernel 函數,需要指定全局尺寸和工作組尺寸。

7. 單一工作項 (Single Work-Item) 內核

單一工作項內核的執行方式與傳統 C 程序非常相似。它們通常用於具有數據依賴性或流式輸入數據的情況。

Intel FPGA 編譯器會自動分析單一工作項內核中的循環依賴性,並生成高效的流水線電路。這種方式可以獲得更好的性能,同時也能更好地利用 FPGA 資源。

啟動單一工作項內核可以使用 cl_enqueue_task 函數,它只需要一個全局尺寸為 1 的N維範圍。

8. 通道和管道

OpenCL 的默認執行模型要求主機控制所有的數據移動和內核啟動。但在某些情況下,數據直接進入 FPGA 的流式 I/O 接口,這會導致性能損失。

通道和管道是 Intel FPGA 的擴展功能,允許內核計算單元直接訪問數據,而無需通過主機。

管道是 OpenCL 標準的一部分,通道是管道的超集,提供了更多功能。它們都使用硬件 FIFO 實現。

通道可以是 I/O 通道（連接 FPGA 接口）、內核通道（在內核之間傳輸數據）或主機管道（允許主機直接向內核寫入數據）。

9. 其他資源

• Intel FPGA OpenCL 網站: link
• OpenCL 編程指南
• OpenCL 最佳實踐指南
• Khronos Group OpenCL 網站: link
• 相關的 Intel FPGA 在線培訓課程:
  • 在 Intel FPGA 上運行 OpenCL 程序
  • OpenCL 單線程與多線程內核
  • OpenCL 內存優化
  • 使用通道和管道的 OpenCL

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