【摘 要】
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上个世纪末到21世纪初,随着人类的基因组计划和各类基因工程的深入实施,生物信息数据正以指数级的速度增加。这些生物信息将影响着药学、医学、农业和环保等方面的研究与发展,还有助于人们提高生活质量。其民用的一种主要技术是基因测序。基因测序作为一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中提取基因全序列,对这些基因全序列进行测定,从而分析出基因数据中携带疾病的可能性,进而提出科学的指导,以使其得到正确地治疗。在
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上个世纪末到21世纪初,随着人类的基因组计划和各类基因工程的深入实施,生物信息数据正以指数级的速度增加。这些生物信息将影响着药学、医学、农业和环保等方面的研究与发展,还有助于人们提高生活质量。其民用的一种主要技术是基因测序。基因测序作为一种新型基因检测技术,能够从血液或唾液中提取基因全序列,对这些基因全序列进行测定,从而分析出基因数据中携带疾病的可能性,进而提出科学的指导,以使其得到正确地治疗。在应用价值上,基因测序速度的加快,能够更快地找出疾病,这样能获得充足的时间用于治疗阶段,最终提高癌症治愈率和出生儿缺陷,可提高人类健康水平。通过分析各个序列比对的计算原理和速度,本文提出Myers算法作为基因测序中的全局序列比对算法,并在FPGA平台上实现进行加速,从而加速基因测序速度。通过对Myers算法中的PE模块电路进行分析,对关键电路进行优化,减少电路延时,使得整个系统的时钟频率得以提升,用来提高系统的计算量。系统测试结果表明,本系统运行于基于KCU1500实验平台的时钟频率可以达到181MHz,且每秒可以处理7032万对基因序列,为在CPU平台上运行速度的56倍。本文主要的研究内容和完成的工作包括:1)了解了各个基因序列比对的研究现状,并分析出在原理和结构上Myers算法比Needleman-Wunsch算法的计算速度快。同时分析Myers算法在不同平台实现的优缺点。2)在FPGA KCU1500实验平台上用流水线和并行性的方式实现Myers算法,可以获得更快的速度。同时分析出PE模块电路中几个电路路径较长影响着整个系统的时钟频率。对这些电路使用寄存器进行合理优化,将整个电路分成四部分电路,从而减少电路延时,提高时钟频率。3)不同的PE模块数量,将影响本系统的性能。通过对测试的数据进行分析,从而选择适当的PE模块数量,使系统的使用资源更少及吞吐量更高。
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