基于FPGA的HMMer加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、HMMer是廣泛應(yīng)用的生物信息學(xué)開(kāi)源軟件工具包，它提供了對(duì)基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)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(shí)現(xiàn)了計(jì)算密集型算法Plan7 HMM。雖然算法具有很強(qiáng)的并行潛力，但受限于CPU的串行本質(zhì)，HMMer在常規(guī)平臺(tái)上運(yùn)行十分耗時(shí)。
　　 FPGA技術(shù)近年來(lái)有了巨大的發(fā)展，基于FPGA和CPU的異構(gòu)系統(tǒng)得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，大量的學(xué)者正在對(duì)其計(jì)算能力、適用范圍、開(kāi)發(fā)流程、耦

2、合方式、應(yīng)用前景進(jìn)行廣泛的研究。FPGA-CPU異構(gòu)系統(tǒng)可以發(fā)掘Plan7HMM算法的并行性，目前主要有兩類(lèi)：（1）并行執(zhí)行多個(gè)核心函數(shù)，（2）簡(jiǎn)化運(yùn)算以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)核心函數(shù)的并行運(yùn)算。后者對(duì)單個(gè)函數(shù)進(jìn)行并行運(yùn)算，但運(yùn)算的簡(jiǎn)化導(dǎo)致精度的下降。因此，本文在不簡(jiǎn)化運(yùn)算的前提下提出了一種可以適應(yīng)Plan7 HMM的數(shù)據(jù)依賴(lài)特性的基于脈動(dòng)陣列的并行運(yùn)算結(jié)構(gòu)，并且使用PCI Express總線(xiàn)以松耦合方式實(shí)現(xiàn)了加速系統(tǒng)。
　　 本文首先總結(jié)

3、了對(duì)HMMer進(jìn)行加速的常用方法并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算的可行性和CPU-FPGA耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇外部總線(xiàn)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(duì)HMMer進(jìn)行性能分析，從而確定對(duì)Plan7 HMM進(jìn)行實(shí)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(lài)特性的并行運(yùn)算的脈動(dòng)結(jié)構(gòu)

4、，提出了并行數(shù)據(jù)提供方案來(lái)解決數(shù)據(jù)的并行訪(fǎng)問(wèn)，提出了運(yùn)算切分機(jī)制來(lái)解決運(yùn)算單元規(guī)模與計(jì)算規(guī)模不匹配的問(wèn)題，提出了“自動(dòng)重算”機(jī)制來(lái)解決阻礙計(jì)算并行的“回邊”問(wèn)題。再次，在FPGA實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，應(yīng)用并行化、流水化和參數(shù)化技術(shù)提高了系統(tǒng)的吞吐率和可移植性。最后，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析并提出本文存在的不足與改進(jìn)的方向。
　　 實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有很高的效率和很好的可移植性。當(dāng)采用Virtex5110T芯片時(shí)，每個(gè)運(yùn)算單元的平均