Программирование вычислительного ядра

Всю совокупность операций, которые мы хотим применить к данным из входных массивов графического процессора в рамках одной программы, называют вычислительным ядром. Это название отражает тот факт, что вычислительное ядро не включает в себя вспомогательные операции, такие как операции управления циклами (поскольку вместо них осуществляется параллельная поточная обработка всех входных данных) или операции по подготовке данных, (которые необходимы, но исполняются центральным процессором вне GPU). Таким образом, программирование графического процессора заключается в реализации вычислительного ядра в виде шейдера.

Как уже обсуждалось, мы рассматриваем программирование графических процессоров 3-его поколения, называемых так потому, что в них реализована шейдерная модель 3-й версии (SM 3.0). В этой модели существует 2 типа шейдеров: пиксельные и вершинные. Для ресурсоемкого физического моделирования на GPU лучше использовать пиксельные шейдеры, поскольку соотношение соответствующих, пиксельных и вершинных, процессоров на GPU поколения SM 3.0 варьируется от 3: 1 до 6: 1.

Для написания шейдеров мы использовали язык высокого уровня HLSL, компилятор которого входит в DirectX и XNA (эти библиотеки процедур будут подробнее рассмотрены ниже). В DirectX и XNA шейдеры задаются в виде файлов, называемых эффектами. Эффект содержит одну или несколько техник (процедур), которые в свою очередь могут состоять из одного или нескольких проходов, а каждый проход включает в себя вызов функций вершинного и пиксельного шейдеров.

Рассмотрим подробно написание конкретного эффекта, на простом примере сложения двух матриц. Математическая задача имеет вид:

,

а вычислительное ядро здесь –

.

Ниже мы приводим текст программы на HLSL, складывающей матрицы, с комментариями. Отметим то, что синтаксис языка HLSL (см. Приложение 1) близок к синтаксису языка Си.

· Блок описания входных данных. Первая строка шейдера описывает объекты tex_matrix1 и tex_matrix2 типа texture (текстура). Эти объекты представляют собой массивы входных данных, т.е., содержат значения a _ij и b _ij:

texture tex_matrix1, tex_matrix2;

· Описание «избирателей». Для работы с текстурами в шейдере необходимо описать (и затем запустить в работу) избиратели (samplers) - процедуры, которые будут передавать входные данные из видеопамяти на графические конвейеры для обработки. Тексты этих процедур писать не нужно, поскольку они встроены в графический процессор, но описание требуется, поскольку для каждой из входных текстур избиратель имеет своё название и свои значения параметров, которые определяют способ адресации, интерполяции значений и другое. Мы оставляем настройки избирателей по умолчанию: кусочно-постоянная интерполяция (Point) и периодическая адресация при выходе за границы (Wrap). В нашей программе строки

sampler matrix1 = sampler_state { Texture = < tex_matrix1>; };

sampler matrix2 = sampler_state { Texture = < tex_matrix2>; };

описывают sampler’ы matrix1 и matrix2 для текстур tex_matrix1 и tex_matrix2, соответственно.

· Вершинный шейдер. Процедур, реализующих пиксельные и вершинные шейдеры, в файле может быть несколько, но в каждый момент исполнения эффекта активными могут быть только один вершинный и один пиксельный шейдер. В принципе, шейдеры имеют ту же структуру, что и процедуры на языке Си:

void transform(in float4 pos_in: POSITION, in float2 tex_in: TEXCOORD0, out float4 pos_out: POSITION, out float2 tex_out: TEXCOORD0)

{

tex_out = tex_in;

pos_out = pos_in;

}

Приведённый текст описывает процедуру transform, которую мы будем использовать в качестве вершинного шейдера. Вершинный шейдер – преобразование координат из трехмерного пространства вершин в пространство рендер-цели (прямоугольник на плоскости, рис. 4.1). Мы не задействуем вершинный шейдер в расчёте, поэтому сводим преобразование вершин к простому копированию. Для этого мы сразу задаём координаты вершин лежащими в плоскости прямоугольника рендер-цели (подробности приведены в следующем разделе).

Входные параметры процедуры – переменная одинарной точности (float4) pos_in, характеризующая начальную позицию обрабаты­ваемой вершины (POSITION) и переменная “половинной” точности (float2) tex_in, являющаяся координатой входной текстуры (TEXCOORD0). Выходные парамет­ры – соответствующие преобразованные значения pos_out и tex_out тех же типов.

· Пиксельный шейдер. В нашем примере имеет вид

float4 sum(float2 uv: TEXCOORD0): COLOR

{

return tex2D(matrix1, uv) + tex2D(matrix2, uv);

}

Этот шейдер реализован в виде функции sum, которая возвращает вектор из 4 чисел одинарной точности (float4). В данной задаче нам фактически нужны только первые компоненты этого вектора, хранящие нужный результат суммиро­вания очередных двух чисел из входных массивов. Результат описан как принадлежащий классу COLOR, поскольку в традиционных для GPU задачах определяет цвет пикселя на экране.

Оператор return возвращает сумму чисел a _ij и b _ij, расположенных в текстурах tex_matrix1 и tex_matrix2, которые берутся с помощью самплеров matrix1 и matrix2 из ячеек с координатами uv.

Функция sum будет автоматически, в параллельном режиме, исполнена для всех элементов складываемых матриц a _ij и b _ij. Каждой паре индексов ij соответствует своё значение параметра функции uv.

Параметр функции uv типа float2 – это вектор на плоскости (пара чисел), указывающий координаты (x, y) очередных двух чисел. Он представляет собой текстурные координаты (TEXCOORD0), т.е. координаты тех двух чисел (a _ij, b _ij) во входных матрицах (текстурах) tex_matrix1 и tex_matrix2 которые нужно сложить. Функции tex2D(matrix1, uv) и tex2D(matrix2, uv) берут элементы из текстур tex_matrix1 и tex_matrix2 по адресу uv, используя sampler’ы matrix1 и matrix2. Эти sampler’ы уже были связаны с текстурами tex_matrix1 и tex_matrix2 выше.

Отметим ещё раз, что в файле эффекта может быть описано несколько вершинных и пиксельных шейдеров. Поэтому должны быть описаны также дополнительные процедуры, – техники (technique), - которые запускают по одному вершинному и пиксельному шейдеру для осуществления конкретного этапа расчётов. В нашем примере нужна только одна техника:

//Декларация для внешних вызовов и параметры обработки

technique sum { pass sum {

ZEnable = false;

CullMode = none;

PixelShader = compile ps_3_0 sum();

VertexShader = compile vs_3_0 transform();

} }

Здесь слова pass sum означают, что данная процедура будет запускаться внешними по отношению к откомпилированному эффекту программами (см. ниже) под именем sum.

В примере видно, что в рамках техники можно задать значения некоторых параметров, определяющих режим работы графического процессора. В частности, строка ZEnable = false означает, что будет отключён Z-буфер, а строка CullMode = none – что отключается режим отсечения невидимых элементов изображения (потому что нам для расчётов они тоже нужны). Этот режим используется во всех наших программах физического моделирования.

Наконец, последние две строки запускают рассмотренные выше процедуры sum() и transform() в качестве пиксельного и вершинного шейдеров.

Текст эффекта должен храниться на каком-либо носителе информации (например, на жёстком диске компьютера) в виде текстового файла (например, sum.fx, .fx – традиционное расширение для файлов с эффектами).

Операторы и функции использованные в программе, дополнительно прокомментированы в прил. 1.