FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,这种集成电路芯片可以给用户提供大量的逻辑资源。用户可以根据自身的需求,通过改变芯片的配置信息对其功能进行定义,从而实现不同的应用功能。因此,配置系统是FPGA芯片中非常重要的一个部分。FPGA芯片只有通过配置系统成功配置后才能正常工作。现在广泛使用的芯片内部几乎都带有配置系统,但是此类芯片均由Xilinx、Altera公司垄断。因此,设计一款具有自主知识产权的国产FPGA配置芯片将变得越来越重要。本文选题来源于西安智多晶微电子有限公司工艺为28 nm的Sealion25k FPGA芯片设计项目中的子项目,重点设计了一个基于FPGA的I~2C、SSPI及JTAG总线接口的配置系统。本文的主要工作包含以下几方面内容:首先,本文对国内外FPGA配置芯片的发展进行了说明,论述了设计国产FPGA配置芯片的意义。根据芯片配置系统的概念和功能指标确定了基于FPGA的I~2C、SSPI及JTAG总线接口配置系统的总体设计框架。任何一个FPGA的配置系统都由配置控制模块、配置读写模块、附加功能模块以及与该结构相匹配的配置数据协议四部分组成。配置控制模块主要由有限状态机和控制寄存器实现,配置读写模块由串行总线接口实现,附加功能模块可以实现软件错误检查、加密数据的解密、芯片信息保护等功能,配置数据协议由自己规定的指令集实现。其次,根据配置系统的整体框架,本文按照自顶向下的设计方法,首先定义顶层功能块,进而分析得出构成顶层模块必要的子模块,其中包括控制模块、数据同步模块、配置读写模块及附加功能模块。同时,使用Verilog HDL语言对各个模块进行设计与仿真实现。控制模块主要由bse状态机、fsm状态机、refresh状态机、wake up状态机及控制寄存器实现;数据同步由异步FIFO实现;配置读写模块由I~2C、SSPI及JTAG等接口实现。SSPI总线接口的设计是本文的创新点,与传统的串行总线只能实现1比特输入不同,本文中SSPI接口可以实现2比特及4比特输入且无需增加额外的管脚。附加功能模块包括SED检查、AES解密以及EFUSE保护模块。EFUSE保护是本文的创新点,与传统的EFUSE保护不同,本设计中EFUSE模块包含norm、sudo及safe三种模式,既可以实现芯片保护信息的功能又可以存储重要的数据。最后,设计了针对该配置系统的功能仿真平台,对所设计的各个模块进行了功能仿真,仿真结果表明该配置系统的各个模块实现了预期的全部逻辑功能,验证了所设计系统的逻辑功能的正确性。然后根据FPGA设计的流程对Verilog HDL代码进行综合以及时序优化得到整个配置系统的版图,将版图交给生产方进行流片,对流片成功的测试片进行了上板调试,验证了设计的功能正确,能够成功配置FPGA芯片。综上所述,本论文中设计的配置系统能够给FPGA芯片成功配置数据,且各个模块均满足设计要求,时序符合设计指标,完成了论文的预期目标。