cuda二进制文件中到底有些什么

大家好。今天我们来讨论一下，相比gcc编译器编译的二进制elf文件，包含有 cuda kernel 的源文件编译出来的 elf 文件有什么不同呢？

之前研究过一点 tvm。从 BYOC 的框架中可以得知，前端将模型 partition 成 host 和 accel(accel 表示后端，比如加速卡，NPU或者其他AI加速模块) 两部分，对 accel 部分，会切分成多个 regions，对应到多个子图，这部分每一个 regions 会被封装成一个独立的 function 进行处理，这些 function 都带有 annotation，附带硬件相关的标签信息，能知道由哪个 accel 后端来处理，在 host 侧对这些函数的处理，仅仅是简单的封装成对一个外部函数的调用，而实际的编译是由 accel-specific 的编译器来编译和 codegen 的。而每一个 sub-graph 会编译成一个 sub-module，最终与 host sub-module 一起封装成一个 heterogenous blob。

而 nvcc 应该也是类似的道理。

在 《Cuda Compiler Driver NVCC.pdf》中，有这么一段介绍

Dispatching GPU jobs by the host process is supported by the CUDA Toolkit in the form of remote procedure calling. The GPU code is implemented as a collection of functions in a language that is essentially C, but with some annotations for distinguishing them from the host code, plus annotations for distinguishing different types of data memory that exists on the GPU. Such functions may have parameters, and they can be called using a syntax that is very similar to regular C function calling, but slightly extended for being able to specify the matrix of GPU threads that must execute the called function. During its life time, the host process may dispatch many parallel GPU tasks.

大致意思就是说，CUDA ToolKit 可以支持主机端程序通过 RPC 的方式调度 GPU 任务。GPU 代码与 C 代码类似，但是带有一些额外的 annotations 信息来做区分。而GPU 代码实现的函数的调用也与传统 c 函数调用相同。

直接来编译一个 helloword 程序

/*
*hello_world.cu
*/
#include<stdio.h>
__global__ void hello_world(void)
{
  printf("GPU: Hello world!
");
}
int main(int argc,char **argv)
{
  printf("CPU: Hello world!
");
  hello_world<<<1,10>>>();
  cudaDeviceReset();//if no this line ,it can not output hello world from gpu
  return 0;
}

编译

nvcc --cudart shared -o device helloworld.cu --verbose

使用 --cudart shared 而不使用静态链接的方式，是为了不将 libcudart.a 链接到二进制文件中，使得目标程序大小偏大。

objdump -ds device

观察 hello_world 函数
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可以看到，本质上是一个函数调用，对 _Z30__device_stub__Z11hello_worldvv 函数的一个调用。

推测： 对 device 设备端的函数，也是封装成一个 external function 的函数调用，而该函数实际是通过 device设备端(也就是GPU) 的code gen 来生成的，最终会将其合并成一个二进制文件。而在编写 cuda 代码的过程中，所使用的这些 c++ 扩展，就类似于 annotation 的作用，注明了这属于 device 设备端的代码。

compile process

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a CUDA executable can exist in two forms:

  • a binary one that can only target specific devices and an intermediate assembly one that can target any device by JIT compilation.
  • a PTX Assembler (ptxas) performs the compilation during execution time, adding a start-up overhead, at least during the first invocation of a kernel.

cuda 可执行文件可以有两种形式，一种是针对特定设备的二进制文件和一种中间表示的汇编形式，可以通过 JIT 的方式运行与任何设备上。JIT 也就是 Just In Time，java 虚拟机，python，v8 都有 JIT 机制。而另一种，就是 PTX 汇编，这种形式是通过 cuda runtime 在运行时加载编译然后执行的，第一次加载编译时会比较耗时。

A CUDA program can still target different devices by embedding multiple cubins into a single file (called a fat binary ). The appropriate cubin is selected at run-time.

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从上面可以发现，使用nvcc进行编译，将包含有cuda kernel 的 c++ 代码，分成了 device 的代码和 host 的代码，host 代码通过 clang/gcc 以传统 c++ 代码的方式进行编译，而 device 代码以 nvcc cuda 编译的流程进行编译。我们使用 --verbose 的方式来观察一下具体的编译流程。

$ nvcc --cudart shared -o device helloworld.cu --verbose ---keep

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helloworld.cu 编译后生成了 hellworld.cpp1.ii 和 helloworld.ptx，ptx 也就是 cuda 汇编代码。然后 helloworld.ptx 编译成了 cubin 二进制文件，而 fatbinary 最终会被嵌入到最终的 elf 二进制文件 devicde 中。

elf 二进制文件分析

使用 readelf 观察一下 device 这个文件

readelf -a device

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在该 elf 文件中，多了两个段 .nv_fatbin 和 .nvFatBinSegment
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从 Program Headers 中可以发现，这两个段分别位于代码段和数据段中。

第一个 LOAD 属性为 RE，表示可读可执行表示代码段，而第二个 LOAD 属性为 RW，表示可读可写，为数据段。从上往下索引分别是 02 和 03，所以 .nv_fatbin 位于代码段，而 .nvFatBinSegment 位于数据段中。

.nv_fatbin

It is split into an arbitrary number of distinct regions, each of which contains one or more GPU ELF files, PTX code files, and/or cubin files .

该段中保存的通常是 PTX 汇编代码或者 cubin 二进制代码，正好与上面的分析相符，位于代码段中。

.nvFatBinSegment

It contains metadata about the .nv_fatbin section , such as the starting addresses of its regions. Its size is a multiple of six words (24 bytes), where the third word in each group of six is an address inside of the .nv_fatbin section. If we modify the .nv_fatbin, then these addresses need to be changed to match it.

该段保存的是 .nv_fatbin 的一些 metadata。

文件分析

先来看下 device 文件头的信息，可以通过 readelf -h 的方式查看
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文件头是 64 个字节，program headers 是 56 个字节，共有 9 个 program headers，每一个 section header 是 64 字节。

先看下 elf.h 中 Elf64_Ehdr 文件的数据结构
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e_ident 就是上面 readelf -h 结果中的 Magic，也就是 elf 格式的魔数。

文件头大小是 64 字节，使用 od 来分析一下。

od -Ax -tx1 -N 64 device?

解释一下这里的参数

  • -Ax: 显示地址的时候，用十六进制来表示。如果使用 -Ad，意思就是用十进制来显示地址;
  • -t -x1: 显示字节码内容的时候，使用十六进制(x)，每次显示一个字节(1);
  • -N 64：只需要读取 64 个字节;

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e_type 为 0x0003(小端)，e_type 的取值可以在 elf.h 中查看
在这里插入图片描述
3 表示该文件是 shared object file。
而 e_machine 为 0x003e，
在这里插入图片描述
从 elf.h 中可以看出，0x3e 的 10 进制为 62，也就是 ADM x86_64架构。而 cuda 的 e_machine 应该是 190，也就是 0xbe。
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也就是说如果是 cuda bin，Elf64_Ehdr 中 e_machine 成员的值，应该是 190，16 进制就是 0xbe。

我们在最上面分析 device 文件时，使用 readelf -a 查看，发现 .nv_fatbin 在 Section Header 中的索引是 17，section header 的起始偏移是 0x42f8 = 17144，从 elf 文件中获取 nv_fatbin 这个 section 的信息，计算偏移为 0x42f8 + 17 * 64，64 就是 e_shentsize 的大小，为 0x40，即每一个 section header item 的大小为 64 字节

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而 section header 的数据结构为
在这里插入图片描述
该 section 的大小和偏移与在 readelf -S 中看到的一致，看下内容 .nvfatbin 段的内容
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nvcc 编译时，–keep 将临时文件保存下来，device_dlink.fatbin 与上面的内容一致
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fatbin 是 device-only 的代码

上面这个 fatbin 文件其实是一个包裹着 elf 文件的二进制文件，
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文件 e_machine 为 0xbe，就是 cuda elf 格式的文件。

总结

cuda 二进制文件，分成两部分，一个是 host 部分的代码，一个是 device 段的代码。device 段的代码，作为一个 section 的方式，以 fatbin 的方式或者 ptx 汇编代码的方式嵌入到了最终的 elf 文件中。这部分代码，有 cuda runtime 来负责编译运行。

reference

  1. PCI BARs and other means of accessing the GPU
  2. https://www.ofweek.com/ai/2021-05/ART-201721-11000-30500304_3.html