基于FPGA的CT图像三维重建系统中PCIe DMA子系统的研究

摘要

螺旋锥束CT(计算机断面成像)是一种目前在世界上广泛采用的医疗影像系统。精确螺旋锥束CT三维成像技术可以直接对肿瘤的解剖结构进行精确成像并定位，因而是目前解决实际临床肿瘤定位的最有效的技术之一。但是精确螺旋锥束CT三维成像技术具有巨大的运算量，采用普通的计算机需要很长的计算时间，采用FPGA作为硬件加速器，可以快速地完成精确螺旋锥束CT三维成像的计算。
　　本文作为对实验室项目螺旋锥束CT图像三维重建的FPGA硬件加速系统中的PCI Express(以下简称PCIe)DMA子系统的研究，主要目标是解决运算中遇到的海量数据的传输问题。具体研究上位机内存和FPGA硬件加速器DDR2内存之间的数据传输通道，采用PCIe总线和DMA方式完成原始数据从上位机内存到加速器的DDR2内存的高速传输，以满足硬件加速器运算过程中对于数据传输速率的要求。
　　本文首先阐述了螺旋锥束CT三维重建FPGA硬件加速系统的工作原理，接着在分析PCIe DMA子系统在整个加速系统中的所起作用的基础上划分了其功能。对PCIe DMA控制器进行了架构设计，划分了控制模块CTR_CTRL、核心寄存器组、接收引擎RX_Engine、发送引擎TX_Engine等子模块，用Verilog硬件描述语言对其进行了RTL级描述，并搭建了PCIe DMA控制器的测试平台进行功能仿真。
　　其次，在研究基于WinDriver的PCIe DMA控制器驱动程序的开发原理和方法的基础上，针对三维重建加速系统的要求，结合PCIe DMA控制器的功能和核心寄存器组的含义，在微软VC6.0的平台下设计了相应的驱动程序。
　　最后，建立了PCIe DMA子系统的软硬件验证环境并对其进行了FPGA的系统测试。测试的结果表明PCIe DMA控制器能实现预期的功能，性能也达到系统的要求。

目录

基于FPGA的CT图像三维重建系统中PCIe DMA子系统的研究

A FPGA BASED PCIE DMA SUBSYSTEM FOR 3D CT IMAGE RECONSTRUCTION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外相关技术发展历史和现状

1.3 本课题研究目的及意义

1.4 本文主要研究内容

第2章 CT图像三维重建及PCIe DMA子系统的介绍

2.1 引言

2.2 CT图像三维重建硬件加速系统介绍

2.3 PCIe DMA子系统的功能划分

2.3.1 硬件部分的功能

2.3.2 软件部分的功能

2.4 PCIe协议简介

2.4.1 技术特点

2.4.2 体系结构

2.4.3 处理层数据包

2.4.4 配置机制

2.4.5 事务类型

2.5 本章小结

第3章 PCIe DMA控制器的设计

3.1 引言

3.2 PCIe DMA控制器的结构

3.3 PCIe DMA控制器的RTL实现

3.3.1 控制模块CTR_CTRL

3.3.2 控制和状态寄存器模块

3.3.3 RX_Engine模块

3.3.4 TX_Engine模块

3.4 PCIe DMA控制器的功能仿真

3.4.1 测试平台的建立

3.4.2 仿真波形及结果

3.5 PCIe DMA控制器的综合

3.6 本章小结

第4章 PCIe DMA控制器驱动程序的设计与实现

4.1 引言

4.2 WinDriver驱动程序开发技术原理

4.3 PCIe DMA控制器驱动程序的功能设计

4.4 PCIe DMA控制器驱动程序的实现

4.5 本章小结

第5章 FPGA板级验证

5.1 引言

5.2 FPGA硬件平台的搭建

5.3 PCIe DMA子系统测试及结果

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢