Programmazione Funzionale e Parallela

Corso di Laurea in Ingegneria Informatica e Automatica - A.A. 2017-2018

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Esercizi di preparazione all'esame: programmazione parallela


Esercizio 1 (Somma array vettorizzata)

Riscrivere la funzione sum nel seguente programma in modo da usare vettorizzazione SSE o AVX:

#include <stdio.h>

void sum(int a[8], int b[8], int c[8]) {
	int i;
	for (i=0; i<8; i++) c[i] = a[i] + b[i];
}

int main() {
	int a[8] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
	int b[8] = { 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 };
	int c[8];
	sum(a, b, c);
	printf("%d %d %d %d %d %d %d %d\n", c[0], c[1], c[2], c[3], c[4], c[5], c[6], c[7]);
	return 0;
}


Includere la header immintrin.h e usare -mavx2 (per AVX2) o -msse4.2 (per SSE 4.2) sulla riga di comando gcc.

Esercizio 2 (Prodotto matrici ikj vettorizzato)

Scrivere una variante della seguente funzione C usando vettorizzazione SSE o AVX:

void matmul_ikj(const int** A, const int** B, int** C, size_t n) {
	int i,j,k;
	for (i=0; i<n; i++)
		for (j=0; j<n; j++) C[i][j] = 0;
	for (i=0; i<n; i++)
		for (k=0; k<n; k++)
			for (j=0; j<n; j++)
				C[i][j] += A[i][k]*B[k][j];
}


E' possibile assumere che i puntatori in A, B, e C siano tutti allineati a multipli di 16 (ma non 32) byte. Confrontare sperimentalmente le prestazioni della versione non vettorizzata con quella vettorizzata usando il comando time da shell.

Esercizio 3 (Filtri grafici vettorizzati)

Scrivere una funzione void pixelize_vect(const unsigned char* A, unsigned char* B, size_t w, size_t h) che, data un'immagine A a toni di grigio rappresentata in formato row-major (cioè le righe appaiono consecutivamente in memoria), crea un'altra immagine B delle stesse dimensioni e con la stessa rappresentazione dove il pixel di coordinate (i,j) in B è ottenuto come massimo dei valori dei pixel di A nella finestra di dimensioni 5x5 centrata in (i,j), dove i è l'indice di riga e j quello di colonna. Escludere dal calcolo del massimo i pixel che escono dai bordi. Realizzare la funzione usando vettorizzazione SSE.

Si parta dalla seguente funzione che realizza l'operazione in modo sequenziale:

#define M(mat,i,j,rows) ((mat)[(i)*(w)+(j)])
#define MIN5 2
#define MAX5 3

void pixelize(const unsigned char* A, unsigned char* B, size_t w, size_t h){
    int i, j, ii, jj;
    for (i=0; i<h; i++)
        for (j=0; j<w; j++) {
            unsigned m = 0;
            for (ii=i-MIN5; ii<i+MAX5; ii++)
                for (jj=j-MIN5; jj<j+MAX5; jj++) {
                    if (ii<0 || ii>=h || jj<0 || jj>=w) continue;
                    unsigned v = M(A,ii,jj,w);
                    if (v>m) m=x;
                }
            M(B,i,j,w) = m;
        }
}


Scaricare e completare il pacchetto software. Usare make per compilare e make run per eseguire.


Soluzione:

void pixelize_vect(const unsigned char* A, unsigned char* B, size_t w, size_t h){
    int i, j, ii, jj;
    for (i=0; i<h; i++)
        for (j=0; j<w; j++) {
            unsigned m = 0;
            // use sequential version near the border
            // j-MIN5+16 ensures there is room for loading 16 bytes,
            // and not just 5 in the current window centered in (i,j)
            if (j-MIN5 < 0 || j-MIN5+16 >= w || i-MIN5 <0 || i+MAX5 >= h)
                for (ii=i-MIN5; ii<i+MAX5; ii++)
                    for (jj=j-MIN5; jj<j+MAX5; jj++) {
                        if (ii<0 || ii>=h || jj<0 || jj>=w) continue;
                        unsigned v = M(A,ii,jj,w);
                        if (v>m) m=v;
                    }
            else {
                __m128i a, max = { 0 };
                unsigned char p[16] __attribute__((aligned(16)));
                a = _mm_loadu_si128 ((__m128i const*)&M(A,i-MIN5,  j-MIN5,w));
                max = _mm_max_epu8 (max, a);
                a = _mm_loadu_si128 ((__m128i const*)&M(A,i-MIN5+1,j-MIN5,w));
                max = _mm_max_epu8 (max, a);
                a = _mm_loadu_si128 ((__m128i const*)&M(A,i-MIN5+2,j-MIN5,w));
                max = _mm_max_epu8 (max, a);
                a = _mm_loadu_si128 ((__m128i const*)&M(A,i-MIN5+3,j-MIN5,w));
                max = _mm_max_epu8 (max, a);
                a = _mm_loadu_si128 ((__m128i const*)&M(A,i-MIN5+4,j-MIN5,w));
                max = _mm_max_epu8 (max, a);
                _mm_store_si128 ((__m128i*)p, max);
                if (p[0]>m) m = p[0];
                if (p[1]>m) m = p[1];
                if (p[2]>m) m = p[2];
                if (p[3]>m) m = p[3];
                if (p[4]>m) m = p[4]; // ignore p[5] through p[15]
            }
            M(B,i,j,w) = m;
        }
}


Esercizio 4 (Filtri grafici vettorizzati)

Migliorare ulteriormente la soluzione dell'esercizio 3 scrivendone una variante multi-core basata su POSIX thread. La soluzione deve utilizzare simultaneamente vettorizzazione e multi-threading.


Esercizio 5 (Raddoppiamento di immagini in OpenCL)

Lo scopo dell’esercizio è quella di scrivere un modulo C che, data in input una immagine a toni 256 di grigio di dimensione w×h, crei una nuova immagine allocata dinamicamente ottenuta da quella di input raddoppiandone altezza e larghezza. [Testo esercizio | Codice e soluzioni]
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