PTX 常见函数

PTX（Parallel Thread Execution）是NVIDIA为CUDA编程模型设计的一种低级并行线程执行虚拟机和指令集架构。在PTX中，函数可以分为几类，每类函数都有其特定的用途和使用场景。以下是PTX函数的详细分类及其说明：

PTX 函数分类

1. 入口函数（Entry Function）

入口函数是GPU程序的起点，通常由主机代码调用，并且每个线程块的第一个线程会执行这个函数。

示例：

.visible .entry my_kernel(
    .param .u64 a,
    .param .u64 b,
    .param .u64 c
)
{
    // 函数体
}　

• .visible：表示该函数可以在其他模块中可见。
• .entry：表示这是一个入口函数，可以从主机代码调用。
• 参数列表：定义了传入的参数，通常使用.param关键字指定参数类型和大小。

2. 普通函数（Regular Function）

普通函数是可以在PTX代码内部调用的子程序，类似于C语言中的函数。它们可以被多次调用，用于实现代码重用和模块化。

示例：

.visible .func add_numbers(
    .param .u32 x,
    .param .u32 y
)
{
    .reg .s32 %r<2>;

    ld.param.u32 %r1, [x];
    ld.param.u32 %r2, [y];
    add.s32 %r1, %r1, %r2;
    ret;
}

• .func：表示这是一个普通函数。
• 参数列表：定义了传入的参数。
• ret：返回指令，用于从函数返回。

3. 内联函数（Inline Function）

内联函数是指那些在调用点展开的函数，避免了函数调用的开销。虽然PTX本身没有直接支持内联函数的关键字，但可以通过编译器优化选项来实现内联。

示例：

.visible .func __inline__ add_numbers(
    .param .u32 x,
    .param .u32 y
)
{
    .reg .s32 %r<2>;

    ld.param.u32 %r1, [x];
    ld.param.u32 %r2, [y];
    add.s32 %r1, %r1, %r2;
    ret;
}

• 虽然PTX没有直接支持内联函数的语法，但在高级语言如CUDA C++中，可以通过__forceinline__等关键字来提示编译器进行内联优化。

4. 设备函数（Device Function）

设备函数是只能在GPU上运行的函数，不能直接从主机代码调用。它们主要用于实现复杂的计算逻辑，并且可以在多个入口函数或其他设备函数之间共享。

示例：

.visible .func __device__ multiply_numbers(
    .param .u32 x,
    .param .u32 y
)
{
    .reg .s32 %r<2>;

    ld.param.u32 %r1, [x];
    ld.param.u32 %r2, [y];
    mul.s32 %r1, %r1, %r2;
    ret;
}

• .func __device__：表示这是一个设备函数，只能在GPU上执行。

5. 主机函数（Host Function）

主机函数是只能在CPU上运行的函数，不能在GPU上执行。这类函数通常用于初始化、资源管理等任务。

示例（CUDA C++代码）：

__host__ void initialize_arrays(float* a, float* b, int size) {
    for (int i = 0; i < size; ++i) {
        a[i] = 0.0f;
        b[i] = 1.0f;
    }
}

• 注意：PTX本身不支持主机函数，主机函数通常是通过CUDA C/C++等高级语言实现的。

6. 内核函数（Kernel Function）

内核函数是入口函数的一种特例，专门用于并行计算。它们通常在多个线程上并行执行，并且每个线程可以独立地处理一部分数据。

示例：

.visible .entry my_kernel(
    .param .u64 a,
    .param .u64 b,
    .param .u64 c,
    .param .u32 tid
)
{
    .reg .s32 %r<3>;

    ld.param.u64 %r1, [a];
    ld.param.u64 %r2, [b];
    ld.param.u64 %r3, [c];
    ld.param.u32 %r4, [tid];

    // 每个线程处理一个元素
    ld.global.f32 %f1, [%r1 + %r4 * 4];
    ld.global.f32 %f2, [%r2 + %r4 * 4];
    add.f32 %f1, %f1, %f2;
    st.global.f32 [%r3 + %r4 * 4], %f1;

    ret;
}

• .entry：表示这是一个内核函数，可以从主机代码调用并在多个线程上并行执行。

PTX 函数调用与返回

调用函数

在PTX中，使用 call 指令调用函数，并将结果存储到寄存器中。

示例：

.reg .s32 %r<3>;

mov.s32 %r1, 5;
mov.s32 %r2, 10;

call add_numbers, (%r1, %r2), %r3;  // 调用add_numbers函数并将结果存储到%r3

返回函数

在函数体内使用 ret 指令返回结果。

示例：

.visible .func add_numbers(
    .param .u32 x,
    .param .u32 y
)
{
    .reg .s32 %r<2>;

    ld.param.u32 %r1, [x];
    ld.param.u32 %r2, [y];
    add.s32 %r1, %r1, %r2;
    ret;
}

其他重要概念

寄存器声明

在PTX中，需要显式声明使用的寄存器类型和数量。

示例：

.reg .pred %p<1>;  // 预测寄存器
.reg .f32 %f<2>;   // 浮点数寄存器
.reg .s32 %r<3>;   // 整数寄存器　

参数加载

使用 ld.param 指令加载参数到寄存器中。

示例：

ld.param.u32 %r1, [x];  // 将参数x加载到寄存器r1

总结

PTX中的函数可以根据其用途和特性分为以下几类：

1. 入口函数：作为GPU程序的起点，从主机代码调用。
2. 普通函数：可在PTX代码内部调用的子程序，用于实现代码重用和模块化。
3. 内联函数：通过编译器优化选项展开的函数，避免函数调用开销。
4. 设备函数：只能在GPU上执行的函数，用于复杂计算逻辑。
5. 主机函数：只能在CPU上执行的函数，用于初始化和资源管理（主要在高级语言中实现）。
6. 内核函数：专门用于并行计算的入口函数，通常在多个线程上并行执行。

理解这些函数分类及其使用方法有助于编写高效且灵活的GPU代码。