基于JTAG的FPGA配置方法与电路设计

摘要

FPGA（Field Programmable Gate Array）由于其高性能、可编程等特性，用户可以根据自己的需要，更改FPGA中的配置信息，实现设计的功能。目前FPGA已经在载人航天、高轨预警、月球和火星探测、北斗卫星导航以及太空空间站等重大航天工程中广泛使用。 JTAG（Joint Test Action Group）是FPGA中一个至关重要的模块，主要负责FPGA芯片的配置与测试等功能。外部配置数据能够通过JTAG模块载入到芯片的可编程区域，实现配置功能；也可以执行边界扫描测试指令测试芯片的内部互联或者观测、修改电路的行为，来完成芯片测试功能。由于本文设计的JTAG模块要用于一款宇航级高性能千万门级FPGA芯片中，所以相较于普通的JTAG电路，本文的JTAG电路具有以下的特点： 1.兼容IEEE1149.1与IEEE1532标准，可以实现通过两套标准来完成FPGA的配置； 2.可以实现千万门级FPGA芯片的测试功能，设计的扫描链长度为2505bits； 3.满足FPGA芯片宇航级的要求，JTAG单粒子功能中断指标可达4.7×10-10次/器件/天。 为此，本文做了如下的工作： 1.阅读相关文献资料，深入研究IEEE1149.1与IEEE1532两套标准的原理，内部结构以及组成部分的逻辑功能，同时理解FPGA的体系架构，配置原理，为电路的设计奠定基础； 2.根据FPGA芯片的特性，设计了JTAG电路的整体架构，以及每个模块的电路，如TAP控制器、ISC状态机、指令寄存器以及数据寄存器等，并对部分模块做了仿真验证； 3.由于设计的电路要用于宇航条件下，本文设计了敏感性测试系统，主要通过仿真评估单粒子翻转对JTAG电路各个模块的影响程度，仿真结果表明状态机模块的敏感程度最高，最后从系统级、电路级以及版图级三个方面对JTAG电路进行加固设计； 4.对设计好的JTAG电路进行仿真验证，第一部分是功能验证，本文验证了JTAG模块的测试功能，包含有采样（SAMPLE）、外测试（EXTEST）、内测试（INTEST）以及旁路（BYPASS）等功能，其次验证了配置功能，分别验证了两套标准的配置行为，第二部分是时序仿真，本文仿真了JTAG电路的主要时序参数，如最高时钟频率66MHz，TMS、TDI的最小建立、保持时间为1ns、2ns，最后部分是电路的版图实现。 经过以上工作，本文完成了JTAG电路的整个设计流程。实测验证结果表明JTAG电路已经达到设计要求，满足产品的相应指标，和国外产品相比，也具备很强的竞争实力。这对研发高端的FPGA芯片以及提升综合国力与振兴民族产业都有积极的意义。

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