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螺旋锥束CT三维重建FPGA硬件加速系统中PCIEDMA的设计与实现

作　者: 王昳
导　师: 张岩
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 螺旋锥束CT PCI-Express DMA FPGA 高速传输
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 73次
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内容摘要

自从1972年Hounsfield发明了第一台CT机,CT技术给医学诊断和工业无损检测带来了革命性的影响。CT作为一种先进的医疗诊断技术,具有非常广阔的应用前景。随着多层螺旋CT的出现,医用CT正在向着螺旋锥束CT转变。用螺旋锥束扫描方式重建得到的图像具有扫描速度快、空间分辨率高等优点,但这种成像方式在理论上比较复杂,运算的数据量巨大,技术实现上存在一定的难度,尤其是在速度方面一直是个难以突破的瓶颈。本项目所研究螺旋锥束CT三维重建的FPGA硬件加速系统,正是以提高锥束CT重建速度和质量为目的的,具有广泛的市场应用前景。本文作为螺旋锥束CT(HCBCT)三维重建的FPGA硬件加速系统的一部分,研究CT机工作站内存和FPGA硬件加速器之间的数据传输通道,选用PCI-Express总线的DMA方式完成投影帧数据从内存到DDR2以及重建后图像数据从DDR2到内存的高速传输,满足硬件加速器运算过程中对于数据传输速度的要求。本文首先阐述了HCBCT三维重建硬件加速系统的设计目标和设计方案,其中包括系统的构架和工作过程,然后介绍了本文研究的重点PCI-Express DMA控制器的功能。随后根据系统需要深入研究了PCI-Express总线处理层接口协议和处理层数据包的格式。其次,在全面分析PCI-Express协议和DMA控制器功能的基础上,设计和划分了控制器的整体结构及各子模块。模块的RTL实现过程中主要有两个难点,一是由于PCI-Express协议规定存储器传送不允许跨4KB边界,所以当DMA请求的读写数据跨越存储器的4KB边界时,该如何处理该请求;二是如何将内存中连续读入的投影数据存放到DDR2的非连续地址中。本文对上述难点的解决方案做了详细阐述。最后,介绍了基于Xilinx公司Virtex-5开发板的FPGA软硬件验证环境,测试结果表明PCI-Express DMA的功能正确,性能达到加速系统的要求,为HCBCT三维重建的整体实时实现提供了良好条件。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-13
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外相关技术发展历史和现状  10-11
    1.2.1 PCI-Express总线的产生背景  10-11
    1.2.2 DMA的发展趋势  11
  1.3 本课题研究目的及意义  11-12
  1.4 本文主要研究内容  12-13
第2章 HCBCT硬件加速系统构架及PCIE DMA功能介绍  13-22
  2.1 HCBCT三维重建硬件加速系统总体结构  13-14
  2.2 PCIE DMA控制器的功能设计  14-15
    2.2.1 读入CT投影帧数据  15
    2.2.2 写回重建后图像数据  15
  2.3 PCI-Express简介  15-21
    2.3.1 PCI-Express的体系结构和事务概述  16-18
    2.3.2 存储器请求事务  18-20
    2.3.3 带数据的完成事务  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第3章 PCIE DMA控制器的设计  22-33
  3.1 PCIE DMA总体结构设计及工作机理  22-23
    3.1.1 总体结构  22-23
    3.1.2 工作机理  23
  3.2 PCIE DMA各模块功能详述  23-32
    3.2.1 TX_Engine模块  23-25
    3.2.2 RX_Engine模块  25-27
    3.2.3 DMA Control_Status Register模块  27-31
    3.2.4 Read Request Wrapper模块  31-32
    3.2.5 Egress Data Presenter模块  32
  3.3 本章小结  32-33
第4章 PCIE DMA主要模块RTL实现及功能仿真  33-41
  4.1 TX_Engine模块实现  33-35
  4.2 RX_Engine模块实现  35-37
  4.3 DMA Control_Status Register模块实现  37-38
  4.4 仿真环境及波形分析  38-40
    4.4.1 仿真平台  38-39
    4.4.2 仿真结果分析  39-40
  4.5 本章小结  40-41
第5章基于Xilinx V5 开发板的FPGA测试  41-47
  5.1 FPGA硬件平台  41-44
    5.1.1 PCIE DMA控制器的综合结果分析  42-43
    5.1.2 硬件系统的整体结构  43-44
  5.2 软件平台及系统测试  44-46
    5.2.1 软件平台  44-45
    5.2.2 系统测试结果  45-46
  5.3 本章小结  46-47
结论  47-48
参考文献  48-52
附录1 Receive TRN State Machine模块的部分RTL实现  52-56
攻读学位期间发表的学术论文  56-58
致谢  58

螺旋锥束CT三维重建FPGA硬件加速系统中PCIEDMA的设计与实现

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