Cell/B.E. プログラミング事始め

プログラミング事始め

公開版

わんくま同盟名古屋勉強会 #12

０．自己紹介
・読み：ユーアンドアイ
・出身生まれも育ちも名古屋市
・年齢３０代前半
・本職文系出身のプログラマ
・日記

わんくま勉強会への参加は今回で回目


１．とは
２．の歴史
３．の開発環境の選定
４．の開発環境の構築
５．のを覗いてみる
６．まとめ
※本資料に出てくる製品等に係わる商標は、それぞれの会社に帰属するものです。


１．とは
２．の歴史
３．の開発環境の選定
４．の開発環境の構築
５．のを覗いてみる
６．まとめ


1. Cell/B.E. とは
Cell/B.E.(Cell Broadband Engine)とは、Sony(SCE含む)・IBM・東芝によっ
て開発された、PowerPCアーキテクチャベースの64bit RISCマイクロプ
ロセッサ(ARM, MIPS, SPARC等)のこと。

Cellはマルチコア構成となっており、PPE(PowerPC Processor Element)と
呼ばれる制御を担う汎用プロセッサコアと、複数のSPE(Synergistic
Processor Element)と呼ばれる演算を担うコアで構成される。

PPE/SPEはPC向けのCPUとは異なり複雑な命令予測機構を搭載しない事
でコアを単純化して高クロック化を実現している。

SPEのエンディアン順序はビッグエンディアンとなる。PC向けのCPU(AMD
Phenom, Athlon, Intel Coreシリーズ)はリトルエンディアン。


2. Cell/B.E. の歴史(1/2)

1999年 SonyとIBM(International Business
Machines)との間でPS2後継のプロセッサ設
計のパートナーシップを結ぶ。
2001年 SCE(Sony Computer Entertainment), 東芝,
IBMがマルチメディア向けのプロセッサ開発で
提携を発表。
2004年 4GHz超で動作するプロセッサの製造に成
功。Cellの正式発表。
2005年 SCEがPS3(PlayStation3)を発表
2006年 SCEがPS3を発売。IBMはSDKを公開。
2008年アメリカ空軍が研究目的でPS3を300台購入


2. Cell/B.E. の歴史(2/2)

2008年 IBMのCellベースのスパコン(BladeCenter
QS)が世界最速となる。
2008年東芝がSpursEngine(CellベースのLSI)を出
荷。
2009年新型PS3 CECH-2000シリーズ発売。
2009年 IBMがサーバー向けプロセッサPowerXCell
8iの後継プロセッサの開発中止を発表。
2009年アメリカ空軍がスパコン用途でPS3
(CECHP01)を2,200台購入。
2009年東芝がCell REGZA 55X1を発売。
2010年旧型PS3で閏年の誤判定問題発生。


3. Cell/B.E. の開発環境の選定(1/6)

・PS3を用意する。
→CECH-2000以降のものは「Open Platform for
PLAYSTATION3」に未対応なのでNG。
"PS3"のモデル別の機能の違いは？
http://www.jp.playstation.com/support/qa-718.html
・PS3のHDDの空き領域を準備する。
・PS3にLinuxをインストールする。
・PS3のLinuxにCell SDKインストールする。
・PCにCell SDKをインストールする。



開発環境としてPS3以外に選択肢は無いのか？
→東芝のSpursEngine(スパーズエンジン)という
CellベースのLSIを搭載したノートPCやI/Fカード
が存在する。

※SpursEngineのネーミング(冊子より引用)
"spur"は英語で「拍車」を意味する。パソコン
のスピードに拍車をかけるエンジンだというこ
とで名付けられた。



SpursEngineの歴史
2005年技術検討
2006年試作設計を開始
2007年開発サンプルを公開
2008年 SpursEngine SE1000出荷開始



Cell/B.E. の構成の比較表
PS3 REGZA 55X1 SpursEngine

PPEの代わりと
1個 1個
PPE なるControl
(3.2 GHz動作) (動作クロック不明)
Processorを搭載

7個 7個 4個
SPE
(3.2 GHz動作) (動作クロック不明) (1.5 GHz動作)

H.264・
MPEG-2のハー
その他ーー
ドウェアエンコー
ダ・デコーダ搭載



Cell/B.E. 搭載製品(1/2)
・PC
[PowerXCell 8i]
IBM：IBM BladeCenter QSシリーズ
[SpursEngine]
東芝：Qosmioシリーズ
Leadtek：LR1A01-SpursEngine Barebone システム

・ExpressCard
[SpursEngine]
Leadtek：WinFast HPVC1100 (38K～)



Cell/B.E. 搭載製品(2/2)
・PCI-Express
[PowerXCell 8i]
FIXSTARS：GigaAccel 180 (920K～)
[SpursEngine]
Thomson Canopus：FIRECODER Blu (44K～)
Leadtek：WinFast PxVC1100 (20K～)
Leadtek：WinFast PxVC1100 for HP (10K～)


4. Cell/B.E.(SpursEngine) の開発環境の構築(1/8)
用意するもの
・PC
PCI-Express x1スロットを持つもの
・Cell/B.E.
Leadtek WinFast PxVC1100
・OS
Microsoft Windows XP以降
・コンパイラ
Microsoft VisualStudio 2008 SP1(Express Edition以上)
Cygwin
・SDK
Microsoft Windows SDK(DirectShow SDKが必要な為)
Leadtek SpursEngine SDK(Cell SDKも含まれる)


構築手順とか注意・補足事項とか基本は下記のサイトを参照。
Leadtek Research Inc. SpursEngine SDK クイックスタートガイド
http://www.leadtek.co.jp/SpursEngine_SDK-Quick_Start_Guide/

1.1 Microsoft VisualC++ 2008 Express Editionのインストール
http://www.microsoft.com/japan/msdn/vstudio/express/
インストール後にMicrosoftUpdateを実行して、ServicePack1他を入れる。

1.2 Microsoft Windows SDK for Windows 7 and .NET Framework 3.5
SP1
http://www.microsoft.com/downloads/details.
aspx?FamilyID=c17ba869-9671-4330-a63e-1fd44e0e2505&Display
Lang=en
クイックスタートガイドには記載がないけれど、VC++のパス設定が必要。


[ツール]→[オプション]→[プロジェクトおよびソリューション]の[VC++ ディレクト
リ]を選択する。
[ディレクトリを表示するプロジェクト]で[インクルードファイル]と[ライブラリファイ
ル]の先頭にWindows SDKのパスを追加する。


余談ですが、VisualC++ 2005 SP1とMicrosoft Windows SDK for
Windows 7 and .NET Framework 3.5 SP1を組み合わせて利用する場
合も注意が必要。

FIX: VisualC++ 2008を使用してビルドされた.libファイルまたは.objファイ
ルをVisualStudio 2005 SP1でリンクすると、エラーメッセージ:"致命的な
エラー LNK1103: デバッグ情報が壊れています"
http://support.microsoft.com/kb/949009/


1.3 Cygwin (シグウィン) をインストールする
http://cygwin.com/setup.exe

最新版の場合は、SpursEngine SDKのインストールでCygwinのインスト
ール先が見つけられないので、以下の処置を行う。
WinFast PxVC1100 特設サイト > Cygwin 1.7.1 について (2010.01.20)
http://www.leadtek.co.jp/SpursEngine_special.html

あと手順書だと、「Devel」ツリー配下を全部インストールするように指示さ
れていますけど、gcc, gcc-g++, make, expat辺りをインストール。
Cygwinの設定内容やインストールパッケージの一覧は以下のコマンドで。
$ cygcheck -srv > info.txt
$ more ./info.txt


2.1. SpursEngine SDK をダウンロードする
http://www.leadtek.com/spursengine/
「SDK1_5.rar」「SDK1_2.rar」「Linux_SDK_v1_5_3_2.rar」が入手可能。
RAR形式のアーカイブの解凍にはWinRARや7-Zipを利用する。

2.2. SpursEngine SDK をインストールする
・「SDK1_5.rar」を解凍する。
・「spe_sdk_1_1_0_2.rar」を解凍し「setup_spe_sdk_1.1.0.2.exe」をインス
トール。
・「lib_1_5_3_2.rar」を解凍し「setup_lib_1.5.3.2.exe」をインストール。
・「tutorial_1_5_1_2.rar」を解凍し「setup_tutorial_1_5_1_2.exe」をインスト
ール。
Windows環境向けは「%ProgramFiles%TOSHIBA」に、Cygwin環境向
けは「/opt/cell」「/opt/tsb」にSDKがインストールされる。


SpursEngine SDKに含まれるインクルードヘッダやリンクライブラリの入っ
たフォルダへのパスをVisualStudioに設定する必要があるが、これらは
Windows SDKの時のようにVisualStudioの環境設定で行うのではなく、
各VC++プロジェクト毎に行う。理由は、リンクライブラリ名が
Release/Debug版で同じで別フォルダに格納されている為。環境設定で
はビルド条件での切り替えが行えない。

%ProgramFiles%TOSHIBASpursEngineincludevc
%ProgramFiles%TOSHIBASpursEngineinclude
%ProgramFiles%TOSHIBASpursEnginelib
%ProgramFiles%TOSHIBASpursEnginelib_debug


2.3. 手順通り
2.4. 手順通り
2.5. 手順通り
2.6. SpursEninge SDK をビルドする
プロジェクトのSpursEngine SDKのフォルダ構成が変更になっていたりす
るので、インクルードヘッダやリンクライブラリへのパスの修正が必要。

以降はクイックスタートガイドの手順通り。


5. Cell/B.E.(SpursEngine) のSDKを＜●＞＜●＞(1/8)
ツール等
SPU GNU Toolchain ：SPE用 GNU ツールチェーン、
SPE プログラムデバッガ
Eclipse IDE ：SpursEngine対応統合開発環境
PMTOOL ：パフォーマンスモニタコマンドラインツール
PM GUI ：パフォーマンスモニタ設定・表示ツール
LDSG ：SPU オーバーレイリンカスクリプト生成支援ツ
ール


ライブラリ
SPHA ：SE1000ファームウエアライブラリ(for Windows)
SPSA ：SE1000ファームウエアライブラリ(for Cygwin)
SpursStream ：ストリーム型データ通信ライブラリ
CANDI ：SE1000ビデオコーデックミドルウエアライブラリ
CANDI ：SE1000ビデオ顔認識ミドルウエアライブラリ
SPADE ：SE1000ビデオエンコードミドルウエアライブラリ
CLUB/SUF ：SE1000ビデオコーデック及びSPEを用いたストリーム
処理、SPE上で動作するSUF(SPE User Filter)機能を
提供するCOM I/Fミドルウェア


ここでSDK付属のサンプルプログラム(SPHA/SPSA)を見てみる
「sample_program.rar」を解凍する。
「sample_programSpursInfo_1_0b」を開く。
ファイル構成(Windows側, ホスト側)
vs2005SpursInfo.sln ：VC++のソリューション
vs2005SpursInfo.vcproj ：VC++のプロジェクト(SpursInfo.exe)
main.cpp ：main関数
run_spe_simple.cpp ：各SPEへのプログラム転送及び実行
制御のI/F実装
run_spe_simple.h ：上記のI/F宣言
ファイル構成(Cygwin側, SPE側)
Makefile.spe ：Makefile(hello.elf)
hello.c ：main関数


基本的なSPHAのAPIの説明

ホスト側のセッション端点の確立/破棄
spha_create_session( ... );
spha_delete_session( ... );

SE1000側のセッション端点の確立/破棄
spha_connect_session( ... );
spha_close_session( ... );


SE1000のローカルメモリ構築・破棄
spha_create_memory( ... );
spha_map_memory( ... );
spha_unmap_memory( ... );

SE1000のローカルメモリへの転送
spha_data_transfer_to( ... );

SPE制御用のスレッド制御
spha_create_spe_thread( ... );
spha_resume_spe_thread( ... );
spha_wait_spe_thread( ... );


実行結果


Windows上は、PE形式(Portable Executable)で、
SPE上は、ELF形式(Executable and Linking Format)な
バイナリなのは分かったけど、デバッグはどうするのか？
SpursEngine SE1000チュートリアル全体概要
(SRK_Tutorial_intro_Rev_1_0_ja.pdf) - P.23
SpursEngine SE1000 リファレンスキット
SPE ソフトウェア開発ツールV1 ユーザーズガイド
(SRKj_SPESW_Dev_Tool10_UG_Rev1-0.pdf) - P.35


デバッグ中の画面


6. まとめ(1/2)

・Cell/B.E. は今後組み込み用途が中心となりそう
・Microsoft Windows上でCell/B.E.向け開発ができる
環境もある
・SpursEngine向けの開発では、Windows上のプログ
ラムと、SPE上のプログラムの2種類が必要


6. まとめ(2/2)

時代はGPGPUか？
General-Purpose computation
on Graphics Processing Units

・OpenCL(Open Computing Language)
・Microsoft DirectCompute
・ATI Stream
・NVIDIA PhysX
・NVIDIA CUDA


参考リンク・書籍
SCE > Cell Broadband Engine
http://cell.scei.co.jp/
IBM developerWorks > Cell Broadband Engine resouce center
http://www.ibm.com/developerworks/power/cell/
東芝セミコンダクター社 > メディアストリーミングプロセッサ:SpursEngine
http://www.semicon.toshiba.co.jp/product/assp/selection/spursengine/
Leadtek > SpursEngine
http://www.leadtek.com/spursengine/

Programming the Cell Processor
著者：Matthew Scarpino
ISBN ：978-0136008866


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