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【6h】

基于CPU-GPU异构并行系统的Smith Waterman及HEVC加速技术研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 研究目的与意义

1.1.2 国内外研究现状

1.2 本文的研究内容及主要成果

1.3 论文的结构安排

第二章 GPU架构与CUDA模型

2.1 GPU架构

2.1.1 GPU简介

2.1.2 GPU的组成

2.1.3 CPU与GPU的区别与协作

2.2 CUDA编程模型

2.2.1 CUDA简介

2.2.2 线程管理

2.2.3 核函数

2.2.4 内存管理

2.3 程序移植过程

2.3.1 程序移植方法简介

2.3.2 第一代程序移植方法RPA

2.3.3 第二代程序移植方法MOL

2.3.4 第三代程序移植方法ISC

2.4 本章小结

第三章 生物序列比对软件

3.1 生物序列比对软件简介

3.2 Smith Waterman

3.3 BLAST

第四章 GPU加速生物序列比对工具

4.1 GPU加速Smith Waterman算法

4.1.1 频率距离

4.1.2 CUDA-SWfr算法介绍

4.1.3 实验平台及测试序列

4.1.4 实验结果与分析

4.2 GPU加速BLAST算法

4.2.1 CUDA-BLASTN算法介绍

4.2.2 实验平台及测试序列

4.2.3 实验结果及分析

第五章 基于GPU的HEVC视频编码技术

5.1 HEVC简介

5.2 HEVC关键技术介绍

5.2.1 四叉树编码结构

5.2.2 帧内编码

5.2.3 帧间编码

5.2.4 环路滤波

5.2.5 熵编码

5.3 热点函数分析结果

5.4 基于GPU加速帧内编码技术

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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摘要

近年来,随着GPU的不断更新发展,CPU-GPU异构系统逐渐为人们所使用,其中CPU主要负责高复杂度的逻辑运算,GPU则负责计算密集型的大规模数据并行工作,二者相辅相成,将系统整体计算能力最大化的利用。基于CPU-GPU异构系统加速的应用研究也越来越多,但是其程序移植过程较为复杂且结果不够准确,距离真正的将CPU-GPU异构系统应用于大规模程序加速还有一段距离。因此,本课题在原有的GPU加速研究的基础上,总结了当前GPU程序移植的两种方法RPA和MOL,并提出了全新一种程序移植方法ISC。应用此方法实际移植了生物序列比对工具SmithWaterman和BLAST。
  论文首先介绍了当前GPU的硬件结构及其编程模型CUDA(Compute Unified Device Architecture)的架构,并详细的介绍了CPU-GPU异构并行系统的组成。由此提出了程序移植的一般步骤,总结目前已经存在的两种代码移植方法RPA和MOL,这两种方法要求编程者对原始CPU版代码有深入的了解,而且是对原始代码的修改,不仅耗费时间而且不保证结果的准确性。本文提出了全新的代码移植方法ISC,该方法不需要对原始的算法和数据结构做任何更改,不仅节省时间精力更能保证移植后的程序结果与CPU版本结果一致。然后利用ISC方法实际移植了生物序列比对工具并给出加速结果。
  本文的最后部分介绍了最新的视频编码标准HEVC及其CUDA加速版本的移植思路和系统框架。CUDA-SWfr和CUDA-BLASTN的加速结果显示,利用ISC方法,CPU-GPU异构并行系统可以有效的对计算密集型软件工具进行加速,大大的缩短计算时间。

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