GPU编程和流式多处理器(五)
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4. 条件代码
硬件实现了“条件代码”或CC寄存器,其中包含用于整数比较的常用4位状态向量(符号,进位,零,溢出)。可以使用比较指令(例如ISET)来设置这些CC寄存器,并且它们可以通过谓词或发散来指导执行流程。预测允许(或禁止)在warp内基于每个线程执行指令,而分歧则是较长指令序列的条件执行。因为SM内的处理器以warp粒度(一次32个线程)以SIMD方式执行指令,所以如果warp内的所有线程都采用相同的代码路径,则差异会导致执行的指令更少。
4.1. 谓词
由于管理发散和收敛的额外开销,编译器对短指令序列使用了谓词。多数指令的效果可以根据条件确定。如果条件不为TRUE,则禁止该指令。这种抑制发生得足够早,以至于预先确定的指令执行(例如加载/存储)和TEX会抑制该指令原本会生成的内存流量。请注意,谓词对内存流量是否适合全局加载/存储合并没有影响。在warp中为所有加载/存储指令指定的地址,必须引用连续的存储位置,即使它们是有条件的。
当根据条件而变化的指令数量较少时,可以使用谓词。编译器使用的启发式方法,支持最多7条指令的谓词。除了避免如下所述的管理分支同步堆栈的开销外,谓词在发出微代码时还为编译器提供了更多的优化机会(例如指令调度)。C (? :)中的三元运算符,被视为有利于谓词的编译器提示。
清单2提供了一个很好的谓词示例,以微码表示。在共享内存位置执行原子操作时,编译器将发出在共享内存位置循环的代码,直到成功执行原子操作为止。所述LDSLK(负载共享和锁定)指令返回一个条件码,判断锁是否被获取。然后根据该条件代码确定执行操作的指令。
/ * 0058 * / LDSLK P0,R2,[R3];
/ * 0060 * / @ P0 IADD R2,R2,R0;
/ * 0068 * / @ P0 STSUL [R3],R2;
/ * 0070 * / @!P0 BRA 0x58;
该代码片段还强调了,谓词和分支如何协同工作。确定了最后一条指令,即在必要时尝试重新获取锁的条件分支。
4.2. 发散与收敛
谓词适用于条件代码的小片段,尤其是在没有相应else的语句中。对于大量的条件代码,由于每条指令都会执行,不管是否会影响计算,谓词的效率都会降低。当大量指令导致预测成本超过收益时,编译器将使用条件分支。当warp中的执行流程,根据条件采用不同的路径时,该代码称为divergent。
NVIDIA对其硬件如何支持不同的代码路径的细节一无所知,并且保留在两代之间更改硬件实现的权利。硬件在每个warp中维护活动线程的位向量。对于标记为非活动的线程,以类似于谓词的方式抑制执行。在执行分支之前,编译器执行一条特殊指令,将该活动线程位向量压入堆栈。然后,该代码执行两次,一次是针对条件为TRUE的线程,另外是谓词为FALSE的线程。如Lindholm等人所述,此两阶段执行由分支同步堆栈管理。15
- 如果warp的线程通过依赖于数据的条件分支发散,则warp会串行执行所采用的每个分支路径,从而禁用不在该路径上的线程,并且当所有路径完成时,这些线程将重新收敛到原始执行路径。SM使用分支同步堆栈,来管理发散和收敛的独立线程。分支发散仅在warp内发生;不管执行的是通用,还是不相交的代码路径,不同的warp都将独立执行。
PTX规范没有提及分支同步堆栈,公开存在的唯一证据是cuobjdump的反汇编输出。SSY指令推的状态下,如程序计数器和活动线程掩模压入堆栈; 该.S指令前缀突然发出这样的状态,如果任何活动线程没有采取分支,使这些线程执行的代码路径,其状态是由快照SSY。
仅当执行线程可能分歧时,才需要SSY / .S。如果编译器可以保证线程在代码路径中保持一致,会出现SSY / .S不在括号内的分支。关于在CUDA中进行分支,在所有情况下,warp中的所有线程遵循相同的执行路径是最有效的。
清单2中的循环,包括一个很好的独立实例,说明了差异和收敛。所述SSY指令(偏移0x40的)和NOP.S指令(偏移0x78)分别括号发散和会聚的点。代码遍历LDSLK和随后的谓词指令,退出活动线程,直到编译器发现所有线程都将收敛,并且可以使用NOP.S指令,退出分支同步堆栈。
/ * 0040 * / SSY 0x80;
/ * 0048 * / BAR.RED.POPC RZ,RZ;
/ * 0050 * / LD R0,[R0];
/ * 0058 * / LDSLK P0,R2,[R3];
/ * 0060 * / @ P0 IADD R2,R2,R0;
/ * 0068 * / @ P0 STSUL [R3],R2;
/ * 0070 * / @!P0 BRA 0x58;
/ * 0078 * / NOP.S CC.T;
4.3. 特殊情况:最小值,最大值和绝对值
一些条件操作是如此普遍,以至于硬件会对其本身提供支持。整数和浮点算子均支持最小和最大运算,并将它们转换为单个指令。此外,浮点指令包括,否定或取源算子的绝对值的修饰符。
编译器可以很好地检测何时,表达了最小/最大运算,但是如果不希望碰碰运气,请为整数调用min()/ max()内部函数,或者为float调用fmin()/ fmax()价值观。
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