基于FPGA的HMMer加速系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).pdf

1、HMMer是廣泛應用的生物信息學開源軟件工具包，它提供了對基因和蛋白質進行分類與匹配的一系列工具集。P7Viterbi是HMMer的核心函數(shù)，由兩層嵌套循環(huán)實現(xiàn)了計算密集型算法Plan7 HMM。雖然算法具有很強的并行潛力，但受限于CPU的串行本質，HMMer在常規(guī)平臺上運行十分耗時。
　　 FPGA技術近年來有了巨大的發(fā)展，基于FPGA和CPU的異構系統(tǒng)得到了學術界的廣泛關注，大量的學者正在對其計算能力、適用范圍、開發(fā)流程、耦

2、合方式、應用前景進行廣泛的研究。FPGA-CPU異構系統(tǒng)可以發(fā)掘Plan7HMM算法的并行性，目前主要有兩類：（1）并行執(zhí)行多個核心函數(shù)，（2）簡化運算以實現(xiàn)對單個核心函數(shù)的并行運算。后者對單個函數(shù)進行并行運算，但運算的簡化導致精度的下降。因此，本文在不簡化運算的前提下提出了一種可以適應Plan7 HMM的數(shù)據(jù)依賴特性的基于脈動陣列的并行運算結構，并且使用PCI Express總線以松耦合方式實現(xiàn)了加速系統(tǒng)。
　　 本文首先總結

3、了對HMMer進行加速的常用方法并分析其優(yōu)缺點，并選擇并行度較高、加速潛力較大的CPU-FPGA協(xié)同工作方式作為加速方式；分析了FPGA實現(xiàn)高性能計算的可行性和CPU-FPGA耦合方式的優(yōu)缺點，并選擇外部總線方式作為本文的耦合方式。其次，介紹了HMMer采用的Plan7HMM的基本原理；對HMMer進行性能分析，從而確定對Plan7 HMM進行實現(xiàn)的P7Viterbi函數(shù)為系統(tǒng)的核心函數(shù)。然后，提出了適合數(shù)據(jù)依賴特性的并行運算的脈動結構

4、，提出了并行數(shù)據(jù)提供方案來解決數(shù)據(jù)的并行訪問，提出了運算切分機制來解決運算單元規(guī)模與計算規(guī)模不匹配的問題，提出了“自動重算”機制來解決阻礙計算并行的“回邊”問題。再次，在FPGA實現(xiàn)過程中，應用并行化、流水化和參數(shù)化技術提高了系統(tǒng)的吞吐率和可移植性。最后，對系統(tǒng)的性能進行了分析并提出本文存在的不足與改進的方向。
　　 實驗表明，本文所設計的系統(tǒng)具有很高的效率和很好的可移植性。當采用Virtex5110T芯片時，每個運算單元的平均