Пример программы

Ниже мы подробно рассмотрим программу, запускающую сложение матриц на графическом процессоре. Текст программы написан на языке C#. Мы не будем исчерпывающе комментировать синтаксис этого языка, но детально прокомментируем операции, исполняемые над данными для видеокарты.

· Подключение необходимых библиотек. Используется стандартная библиотека System, а кроме того – библиотека Microsoft.Xna.Framework, упрощающая подготовку данных для графического процессора. Раздел этой библиотеки Microsoft.Xna.Framework.Graphics подключаем отдель­но, чтобы сократить в тексте программы описание доступа к ресурсам этого раздела.

using System;

using Microsoft.Xna.Framework;

using Microsoft.Xna.Framework.Graphics;

 

public class GPGPU: Microsoft.Xna.Framework.Game

{

· Описание переменных, используемых программой

/* Задаётся размер матрицы, количество элементов в строке/столбце */

int size = 3;

/* Описываем переменную graphics класса GraphicsDeviceManager и затем инициализируем эту переменную операцией graphics = new GraphicsDeviceManager(this). Эта переменная будет обеспечивать доступ к процедурам для управления графическим процессором из библиотеки Microsoft.Xna.Framework */

GraphicsDeviceManager graphics;

· Стандартные процедуры, реализующие исполнение программы на C#

/* Ниже описаны процедуры, которые будут последовательно испол­нены сразу после запуска программы. Процедуры Main и Initialize являются стандартными для проектов на C#. Внутри процедуры Initialize находится вызов процедуры MatrixSum(), которая и осуществляет суммирование матриц на графическом процессоре. */

static void Main(string[] args) { using (GPGPU game = new GPGPU()) game.Run(); }

public GPGPU() { graphics = new GraphicsDeviceManager(this); }

protected override void Initialize()

{

base.Initialize();

MatrixSum();

Exit();

}

 

· Процедура, суммирующая матрицы с использованием GPU

private void MatrixSum()

{

/* Выше была введена переменная graphics класса GraphicsDevice­Manager. В этом классе есть нужный нам подкласс GraphicsDevice. Создаём переменную gpu этого подкласса */

GraphicsDevice gpu = graphics.GraphicsDevice;

· Выделение памяти для рендер-цели

/* Созданная в начале программы переменная size = 3 задаёт размеры матриц (3´ 3), которые мы будем складывать. Теперь создается рендер-цель – массив 3´ 3, в который будет выво­диться результат расчетов. Соответствующая переменная называется tex_target. Она является не простым массивом 3´ 3, а принадлежит к классу RenderTarget2D из библиотеки Microsoft.­Xna.­Framework. Кроме самого массива, в объектах этого класса хранятся некоторые дополнительные параметры, в частности – указатель на переменную gpu, который задаёт конкретную видеокарту, для которой создаётся рендер-цель. */

RenderTarget2D tex_target = new RenderTarget2D(gpu, size, size, 1, SurfaceFormat.Single);

· Выделение памяти для текстур с исходными данными

/* Создаются текстуры, – массивы размера size*size, - в которых будут храниться исходные матрицы. Как и рендер-цель, соответст­вующие переменные являются не простыми массивами, а принад­лежат к более сложному классу Texture2D, в объектах которого, кроме самих массивов, хранятся дополнительные параметры. Как и выше, значения этих параметров устанавливаются при создании новой переменной класса, строкой new Texture2D(gpu, size, size, 1, ResourceUsage.­Dynamic, SurfaceFormat.Single, ResourceManage­ment­Mode.Manual), значениями внутри скобок. */

Texture2D tex_matrix1 = new Texture2D(gpu, size, size, 1, ResourceUsage.Dynamic, SurfaceFormat.Single, ResourceManagement­Mode.Manual);

Texture2D tex_matrix2 = new Texture2D(gpu, size, size, 1, Resource­Usage.Dynamic, SurfaceFormat.Single, ResourceManagement­Mode.­Manual);

· Заполнение массивов исходных данных конкретными значениями

/* Теперь, задаём конкретные значения элементов исходных матриц. Сначала эти значения записываются в одномерные массивы matrix1 и matrix2 размеров size * size. Элементы a _ij и b _ij после преобразования матриц к одномерным массивам будут иметь номера j * size + i. Затем, мы копируем созданные массивы в текстуры класса Texture2D tex_matrix1 и tex_matrix2 операциями tex_matrix1.­SetData< float> (matrix1) и tex_matrix2.SetData< float> ­(matrix2). */

float[] matrix1 = new float[size * size], matrix2 = new float[size * size];

for (int j = 0; j < size; j++)

for (int i = 0; i < size; i++)

{

matrix1[j * size + i] = j * size + i;

matrix2[j * size + i] = i * size + j;

}

tex_matrix1.SetData< float> (matrix1);

tex_matrix2.SetData< float> (matrix2);

· Установление соответствия между целочисленными индексами элементов матриц и текстурными координатами этих элементов

/*Следующая задача – установление соответствия между целочисленными индексами элементов матриц 3´ 3 и текстурными координатами этих же элементов внутри квадрата (-1; -1)-(1; 1), или quad’а, которыми будет оперировать графический процессор, а также внутри квадрата (0; 0)-(1; 1), в который отображается массив результатов (рендер-цель). Для этого достаточно задать соответствие между индексами «крайних» элементов матриц и координатами вершин квадрата. Соответствие это показано в таблице 5.1. При необходимости рассмотрения матриц других размеров, знаменатель 6 нужно заменить на значение 2*size.

Таблица 5.1

Соответствие между координатами вершин quad’а (-1; -1)-(1; 1) и координатами элементов складываемых матриц

Вершины quad’а	Координаты элементов рендер-цели
(-1; 1)	(1/6; 1/6)
(-1; -1)	(1/6; 1+1/6)
(1; 1)	(1+1/6; 1/6)
(1; -1)	(1+1/6; 1+1/6)

 

Метод определения координат элементов проиллюстрирован также на рис. 5.2. Видно, что приведённые формулы действительно обеспечивают попадание эле­ментов массива 3´ 3 в необходимые области. Учтён также тот факт, что ось Y на экране (и в рендер цели) направлена сверху вниз.

Третья пространстваенная координата во входных данных у нас не используется, поэтому в конструкторах вида Vector3(-1, 1, 0) третья координата равна нулю, тогда как первые два значения задают координаты вершин quad’а */

float dx = 0.5f / size, dy = 0.5f / size; // смещения для адресации центров текселей

VertexPositionTexture[] v = new VertexPositionTexture[] {

new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, 1, 0), new Vector2(0 + dx, 0 + dy)),

new VertexPositionTexture(new Vector3(-1, -1, 0), new Vector2(0 + dx, 1 + dy)),

new VertexPositionTexture(new Vector3(1, 1, 0), new Vector2(1 + dx, 0 + dy)),

new VertexPositionTexture(new Vector3(1, -1, 0), new Vector2(1 + dx, 1 + dy))

};

/* Следующей, стандартной, строкой выделяется область памяти для хранения координат вешин quad’а. Этих вершин 4, чем и обусловлен размер 4 * VertexPositionTexture.SizeInBytes */

VertexBuffer quad = new VertexBuffer(gpu, 4 * VertexPosition­Texture.SizeInBytes, ResourceUsage.None, ResourceManagementMode.­Automatic);

quad.SetData< VertexPositionTexture> (v);

VertexDeclaration quadVertexDeclaration = new VertexDeclaration­(gpu, VertexPositionTexture.VertexElements);

· Компилирование эффектов, содержащих шейдеры

/* В библиотеку Microsoft.Xna.Framework встроен компилятор текстовых файлов, содержащих шейдеры для графического процессора, таких как sum.fx (начало примера и Приложение 1). Следующая строка компилирует файл sum.fx и запи­сывает полученную программу (в машинных кодах) в область оперативной памяти, на которую указывает переменная e типа CompiledEffect. */

CompiledEffect e = Effect.CompileEffectFromFile(" sum.fx", null, null, CompilerOptions.None, TargetPlatform.Windows);

/* Проверка успешности компиляции */

if (! e.Success) throw new Exception(e.ErrorsAndWarnings);

· Выбор шейдера, который будет исполняться

/* Создаётся новая переменная, описывающая эффект, который будет исполняться на графическом процессоре. В качестве кода эффекта выбирается откомпилированная программа, на которую указывает переменная e. */

Effect fx = new Effect(gpu, e.GetEffectCode(), CompilerOptions.None, null);

/* В качестве запускаемой на видеокарте процедуры выбирается техника sum из файла sum.fx (описана выше) */

fx.CurrentTechnique = fx.Techniques[" sum" ];

· Копирование исходных данных в видеопамять, доступную графическому процессору

/* В качестве исходных данных передаём эффекту fx текстуры с исходными данными tex_matrix1 и tex_matrix2, которые мы уже создали в начале программы: */

fx.Parameters[" tex_matrix1" ].SetValue(tex_matrix1);

fx.Parameters[" tex_matrix2" ].SetValue(tex_matrix2);

/* Задаем выходные параметры: quad и рендер-цель: */

gpu.Vertices[0].SetSource(quad, 0, VertexPositionTexture.SizeInBytes);

gpu.VertexDeclaration = quadVertexDeclaration;

gpu.SetRenderTarget(0, tex_target);

· Исполнение шейдера на графическом процессоре

fx.Begin();

fx.CurrentTechnique.Passes[" sum" ].Begin();

gpu.DrawPrimitives(PrimitiveType.TriangleStrip, 0, 2);

fx.CurrentTechnique.Passes[" sum" ].End();

fx.End();

· Получение результата из рендер-цели и сохранение его в текстовом файле

/* Копирование массива результатов из видеопамяти в оперативную память, доступную центральному процессору */

gpu.ResolveRenderTarget(0);

/* Создаём текстовый файл для записи результата */

using (System.IO.StreamWriter w = new System.IO.StreamWriter­(" results.txt"))

{

/* Создаём одномерный массив, в который будут скопированы данные из рендер-цели, для дальнейшей обработки центральным процессором */

float[] matrix3 = new float[size * size];

/* Копирование данных из рендер цели в массив matrix3. Аргумент < float> означает, что данные будут скопированы в виде скалярных чисел одинарной точности */

tex_target.GetTexture().GetData< float> (matrix3);

/* Запись данных из массива matrix3 в текстовый файл */

for (int j = 0; j < size; j++)

{

for (int i = 0; i < size; i++) w.Write(" \t{0}", matrix3[j * size + i]);

w.WriteLine();

}

}}}