Esercitazione del 23 dicembre 2021

Istruzioni per l’esercitazione:

• Aprite il form di consegna in un browser e loggatevi con le vostre credenziali uniroma1.
• Scaricate e decomprimete sulla scrivania il codice dell’esercitazione. Vi sarà una sotto-directory separata per ogni esercizio. Non modificate in alcun modo i programmi di test *Main.scala e *main.c.
• Rinominare la directory chiamandola cognome.nome.
• Finiti gli esercizi, e non più tardi della fine della giornata:
  • zippate la directory di lavoro in cognome.nome.zip (zip -r cognome.nome.zip cognome.nome/).
• Per consegnare:
  • inserite nel form di consegna come autovalutazione il punteggio di ciascuno dei test forniti (inserite zero se l’esercizio non è stato svolto, non compila, o dà errore di esecuzione)
  • fate upload del file cognome.nome.zip.

Per maggiori informazioni fate riferimento al regolamento delle esercitazioni.

Esercizio 1 (shear orizzontale di 45 gradi di un’immagine - OpenCL)

Il seguente esempio illustra l’applicazione di uno shear orizzontale con angolo di shear pari a 45° a un’immagine a 256 toni di grigio (0=nero, 255=bianco):

Immagine di input	Immagine di output

Scrivere nel file shear45.c una versione OpenCL shear45 della seguente funzione shear45_host che converte un’immagine di input in una di output ottenuta mediante uno shear di 45 gradi:

void shear45_host(unsigned char* in, unsigned char** out, 
                  int h, int w, int* oh, int* ow, 
                  unsigned char gray, double* t) {

    int x, y;

    // set size of output matrix
    *ow = w+h;
    *oh = h;

    // allocate output matrix
    *out = malloc((*oh)*(*ow)*sizeof(unsigned char));
    if (*out == NULL)
        clut_panic("failed to allocate output matrix on host");

    // get initial time
    double start = clut_get_real_time();

    // set pixels of output image
    for (y=0; y < *oh; ++y)
        for (x=0; x < *ow; ++x)
            (*out)[IDX(x, y, w+h)] = (x < y || x >= w+y) ? gray : in[IDX(x-y, y, w)];

    // get elapsed time
    *t = clut_get_real_time() - start;
}

La funzione shear45_host ha i seguenti parametri:

• in: puntatore all’immagine di input rappresentata in formato row-majow (cioè con le righe disposte consecutivamente in memoria)
• out: indirizzo di una variabile che conterrà il puntatore all’immagine di output rappresentata in formato row-major
• h e w: altezza e larghezza in pixel dell’immagine di input
• oh e ow: indirizzi di variabili che conterranno l’altezza e la larghezza in pixel dell’immagine di output
• gray: colore dello sfondo nell’immagine di output
• t: indirizzo di una variabile che conterrà il tempo richiesto per inizializzare l’immagine di output

La funzione shear45 da realizzare ha gli stessi parametri di shear45_host, con l’aggiunta di:

• dev: ambiente di esecuzione OpenCL di tipo clut_device* da usare per il calcolo

Il tempo di esecuzione della versione parallela deve essere quello richiesto dall’operazione clEnqueueNDRangeKernel.

Usare il main di prova nella directory di lavoro digitando make per compilare e ./shear45 per eseguire il programma. Il risultato sarà presente nella directory results, ottenuto a partire dall’immagine di input nella directory images.

Inserire nel form di consegna 1 (test passato) se il risultato è corretto e 0 altrimenti.

Suggerimento: ispirarsi all’esempio di codice OpenCL su immagini contenuto nella directory esempio.

Esercizio 2 (verifica se un albero binario è di ricerca)

Un albero binario è di ricerca se il valore contenuto in ogni nodo è compreso tra il massimo del suo sottoalbero sinistro e il minimo del suo sottoalbero destro. Usare <= e >= per fare il test. Si richiede di implementare un metodo Scala treeTest che restituisce true se e solo se l’albero su cui viene applicato è di ricerca:

E2.scala

sealed abstract class Tree {
    def treeTest:Boolean = ??? // completare il metodo
}

// albero non vuoto
case class T(l:Tree, e:Int, r:Tree) extends Tree 

// albero vuoto
case class E() extends Tree

Compilare con scalac E2.scala E2Main.scala ed eseguire il programma di prova con scala E2Main.

Domande

Rispondere alle seguenti domande con vero=V o falso=F.

Domanda 1

Il seguente frammento di codice Scala genera errori di compilazione:

def f(x:Int) = x
val v = f

Domanda 2

Il seguente frammento di codice Scala genera errori di compilazione:

def f[T](l:List[T]):List[T] = {
    l.sorted
}

Domanda 3

Dimezzare il tempo di esecuzione di una porzione di codice che richiede la metà del tempo di esecuzione di un programma porta a uno speedup complessivo pari a 2x per quel programma.

Domanda 4

Il tipo vettoriale __m128i permette di fare 16 operazioni in parallelo su valori di 8 bit.

Domanda 5

La vettorizzazione è un tipo di computazione MIMD secondo la tassonomia di Flynn.

Domanda 6

Uno dei problemi principali nella manutenzione di un data center è tenerne bassa la temperatura con un opportuno sistema di raffreddamento.

Domanda 7

In Scala il concetto di metodo e quello di funzione sono equivalenti.

Domanda 8

Il seguente metodo Scala viene compilato correttamente e calcola una copia della lista in ingresso:

def f[T](l:List[T]) = l match {
    case Nil => Nil
    case h::Nil => List(h)
    case h::t => h::f(t)
}

Domanda 9

La seguente funzione SSE calcola la somma dei numeri di un vettore di int di lunghezza arbitraria:

#include <immintrin.h>

int array_sum(int *v, int n) {
    int i, res[4];
    __m128i s = _mm_set_epi32(0,0,0,0);
    for (i=0; i+3<n; i+=4) {
        __m128i vv = _mm_load_si128((const __m128i*)(v+i));
        s = _mm_add_epi32(s, vv);
    }
    _mm_store_si128((__m128i*)res, s);
    return res[0]+res[1]+res[2]+res[3];
}

Domanda 10

In OpenCL la memoria host e quella device risiedono sempre in memorie fisiche distinte.

Soluzioni

Esercizio 1 (shear orizzontale di 45 gradi di un’immagine - OpenCL)

shear45.c:

#include "shear45.h"

#define LOCAL_SIZE  8
#define KERNEL_NAME "shear45"

void shear45(unsigned char* in, unsigned char** out, 
             int h, int w, int* oh, int* ow,
             unsigned char gray,
             double* t, clut_device* dev) {

    int       err;      // error code
    cl_kernel kernel;   // execution kernel
    cl_mem    din;      // input matrix on device
    cl_mem    dout;     // output matrix on device
    cl_event  evt;      // performance measurement event

    // set output matrix size
    *oh = h;
    *ow = w+h;

    // allocate output matrix
    *out = malloc((*oh)*(*ow)*sizeof(unsigned char));
    if (!*out) clut_panic("failed to allocate output matrix on host memory");

    // create the compute kernel
    kernel = clCreateKernel(dev->program, KERNEL_NAME, &err);
    clut_check_err(err, "failed to create kernel");

    // allocate input matrix on device as a copy of input matrix on host
    din = clCreateBuffer(dev->context, 
                         CL_MEM_READ_ONLY | CL_MEM_COPY_HOST_PTR, 
                         h*w*sizeof(unsigned char), in, NULL);
    if (!din) clut_panic("failed to allocate input matrix on device memory");

    // allocate output matrix on device
    dout = clCreateBuffer(dev->context, 
                          CL_MEM_WRITE_ONLY, 
                          (*oh)*(*ow)*sizeof(unsigned char), NULL, NULL);
    if (!dout) clut_panic("failed to allocate output matrix on device memory");

    // set the arguments to our compute kernel
    err  = clSetKernelArg(kernel, 0, sizeof(cl_mem), &din);
    err |= clSetKernelArg(kernel, 1, sizeof(cl_mem), &dout);
    err |= clSetKernelArg(kernel, 2, sizeof(int), &h);
    err |= clSetKernelArg(kernel, 3, sizeof(int), &w);
    err |= clSetKernelArg(kernel, 4, sizeof(unsigned char), &gray);
    clut_check_err(err, "failed to set kernel arguments");

    // execute the kernel over the range of our output matrix
    size_t local_dim[]  = { LOCAL_SIZE, LOCAL_SIZE };
    size_t global_dim[] = { *ow, *oh };
    global_dim[0] = ((global_dim[0]+LOCAL_SIZE-1)/LOCAL_SIZE)*LOCAL_SIZE; // round up
    global_dim[1] = ((global_dim[1]+LOCAL_SIZE-1)/LOCAL_SIZE)*LOCAL_SIZE; // round up

    err = clEnqueueNDRangeKernel(dev->queue, kernel, 2, 
                                 NULL, global_dim, local_dim, 0, NULL, &evt);
    clut_check_err(err, "failed to execute kernel");

    // copy result from device to host
    err = clEnqueueReadBuffer(dev->queue, dout, CL_TRUE, 0, 
                              (*oh)*(*ow)*sizeof(unsigned char), *out, 0, NULL, NULL);
    clut_check_err(err, "failed to read output result");

    // return kernel execution time
    *t = clut_get_duration(evt);

    // cleanup
    clReleaseMemObject(din);
    clReleaseMemObject(dout);
    clReleaseKernel(kernel);
}

shear45.cl:

#define IDX(x,y,w) ((y)*(w)+(x))

__kernel void shear45(__global unsigned char* in,
                      __global unsigned char* out,
                      int h, int w, unsigned char gray) {

    int x = get_global_id(0);
    int y = get_global_id(1);

    if (x >= w+h || y >= h) return;

    out[IDX(x, y, w+h)] = (x < y || x >= w+y) ? gray : in[IDX(x-y, y, w)];
}

Esercizio 2 (verifica se un albero binario è di ricerca)

E2.scala

sealed abstract class Tree {
	private def test:(Int,Boolean,Int) = this match {
		case E() => (Int.MaxValue, true, Int.MinValue)
		case T(l,e,r) => {
			val lt = l.test
			val rt = r.test
			(e min rt._1, lt._2 && rt._2 && lt._3 <= e && e <= rt._1, lt._3 max e)
		}
	}

	def treeTest:Boolean = {
		this.test._2
	}
}

// albero non vuoto
case class T(l:Tree, e:Int, r:Tree) extends Tree 

// albero vuoto
case class E() extends Tree

Domande

Domanda 1: V

Domanda 2: V

Domanda 3: F

Domanda 4: V

Domanda 5: F

Domanda 6: V

Domanda 7: F

Domanda 8: F

Domanda 9: F

Domanda 10: F