专利名称：基于fpga的rna二级结构预测装置、系统及其实现方法
技术领域：
本发明涉及一种RNA 二级结构预测装置、系统及其实现方法，特别是涉及一种基于FPGA的RNA 二级结构预测装置、系统及其实现方法。
背景技术：
从20世纪80年代开始，随着基因组测序数据的迅速增加，生物信息学开始逐渐兴起。生物信息学是通过计算机手段和统计学方法存储，传递，分析和解读蛋白质和核算序列的各种生物信息，以帮助了解生物进化和遗传过程的科学。与传统生物学不同的是，生物信息学的研究方式不是完全靠实验手段，而是由数据出发，根据理论推测出某些结果，再用实验的方式来验证该结果是否正确。由于人类基因组计划的实施，人们获得了海量的数据。如
何从这些海量数据中获取有用的信息是生物信息学亟需解决的问题。RNA(Ribonucleic Acid，核糖核酸)是生物体中的一种重要的大分子，其既可以携带遗传信息，又可以作为功能分子。目前，人类已经获得大量的RNA —级结构(PrimaryStructure)的信息。由于在有机大分子中，功能和结构通常有着密切的联系，因此越来越多的研究人员开始关注RNA的二级结构(Secondary Structure)以及三级结构。但利用实验的方法(主要是X射线晶体衍射和核磁共振)来确定其三级结构的花费高，难度极大，并且不是对所有的分子都有效。同时研究人员普遍认为，RNA的三级结构很难通过一级序列直接得到。直接针对其三级结构的理论预测，目前进展都不是很顺利，因此预测二级结构是获取三级结构的必经之路。在这样的需求背景下，通过计算机模拟和预测RNA的二级结构，用较低的成本和较快的时间获得具有一定可信度的结果的方式，成为生物信息学的重要任务。RNA 二级结构预测的本质其实就是找出一级序列的各个碱基之间形成的配对关系。Nussinov算法是使用动态规划实现RNA 二级结构预测的一种经典算法。其核心思想是求出碱基序列折叠之后的碱基之间最大的配对数。Nussinov算法是一个标准的动态规划过程。假设序列的长度为n，最终要计算序列(1，η)的碱基对的最大数目。这个数目可以通过求解2个子问题来解决。如下公式是Nussinov算法的计算公式。
权利要求
1.一种基于FPGA的RNA 二级结构预测装置，包括 基于向量处理的处理单元，根据设定的并行宽度n，在每个时钟周期执η次加法操作与η次比较操作，并生成一中间结果，存储于存储器模块，每次操作的一操作数由该存储器模块提供，另一操作数由临时的操作数寄存器提供；以及 存储器模块，包括存储单元及临时存储单元，该存储单元为该基于向量处理的处理单元提供数据，该临时存储单元为每次运算时该基于向量处理的处理单元运算结果的临时存储。
2.如权利要求I所述的基于FPGA的RNA二级结构预测装置，其特征在于计算完矩阵每一行的结果都存在该临时存储单元中，在算下一行的结果时，会从该临时存储单元写回到该存储单元中，同时它作为一部分操作数送入该基于向量处理的处理单元做加法运算。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的RNA二级结构预测装置，其特征在于RNA序列信息存储于该存储单元。
4.一种基于FPGA的RNA 二级结构预测系统，包括 上位机，将RNA序列信息通过网络传给RNA 二级结构预测装置，并将其存储于该预测装置的存储单元；以及 RNA 二级结构预测装置，对该RNA序列信息形成向量操作数，根据设定的并行宽度执行Nussinov计算公式，将结果写回存储单元，并于所有计算完成后，再将结果通过网络传回该上位机。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的RNA二级结构预测系统,其特征在于,该Nussinov计算公式为
6.如权利要求4所述的基于FPGA的RNA二级结构预测系统，其特征在于该上位机为通用计算机。
7.—种基于FPGA的RNA 二级结构预测系统之实现方法，包括如下步骤 步骤一，上位机将RNA序列的信息传送至RNA 二级结构预测装置并存储； 步骤二，基于向量处理的处理单元根据设定的并行宽度，将RNA序列信息形成向量操作数后并行执行Nussinov算法，并将结果写回到存储单元；以及 步骤三，当所有的计算完成后，将该存储单元中的数据读出并传回该上位机。
8.如权利要求7所述的基于FPGA的RNA二级结构预测系统之实现方法，其特征在于于步骤二中，该基于向量处理的处理单元根据设定的并行宽度n，在每个时钟周期执η次加法操作与η次比较操作，并生成一中间结果，存储于该存储单元。
9.如权利要求8所述的基于FPGA的RNA二级结构预测系统之实现方法，其特征在于每次操作的一操作数由该存储器模块提供，另一操作数由临时的操作数寄存器提供。
10.如权利要求9所述的基于FPGA的RNA二级结构预测系统之实现方法，其特征在于该上位机与该RNA 二级结构预测装置通过高速以太网通信。
全文摘要
本发明公开一种基于FPGA的RNA二级结构预测装置、系统及其实现方法，该系统包括上位机，将RNA序列信息通过网络传给RNA二级结构预测装置，并将其存储于该预测装置的存储单元；以及RNA二级结构预测装置，对该RNA序列信息形成向量操作数，根据设定的并行宽度执行Nussinov计算公式，将结果写回存储单元，并于所有计算完成后，再将结果通过网络传回该上位机，本发明通过向量化运算的方式，将传统的每周期进行一个单个操作数的运算，变成每周期同时进行一次向量操作，每个向量操作数由许多个普通操作数组成，极大提高了算法的计算效率。
文档编号G06F19/16GK102819692SQ20121028537
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者付宇卓, 苏启龙, 蒋江, 刘婷 申请人:上海交通大学