用于2.5维集成电路无线互连的TSV-W技术

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：TSV-W for 2.5-D IC Wireless Interconnects

　　

摘要：

来自AMD/Xilinx的现场可编程门阵列（FPGA）越来越多地应用于地理位置分散且资源受限的环境中，在这些环境中，对目标硬件的物理访问并不现实，因此远程调试功能成为一项重要的工程需求。Xilinx Virtual Cable（XVC）协议提供了一种通过TCP/IP传输JTAG信号的成熟机制。然而，现有方法存在一个关键限制：它们要么需要在目标设备上运行Linux的嵌入式处理器，要么依赖专用的物理连接（如PCIe和PGP）。本文提出了一种适用于AMD/Xilinx FPGA系列的集成通用架构，通过标准的Wi-Fi TCP/IP网络传输JTAG信号，从而使Vivado硬件管理器能够远程编程、调试和监控远程FPGA。我们通过三个核心贡献实现了这一点：1）一种定制的JTAG分线电路板（PCB），该电路板通过内存映射的GPIO将Raspberry Pi 4B连接到目标FPGA的JTAG端口，支持1.8–3.3伏的JTAG电压等级，并实现了最高3.5 MHz的稳定TCK频率；2）一种C语言编写的XVC服务器，其中包含单连接互斥锁和优化的GPIO切换机制，相比USB电缆方案显著降低了JTAG的往返延迟；3）一种基于自定义触发器（FF）的集成逻辑分析仪（ILA），它用分布式触发器替换了块RAM（BRAM）的捕获存储，从而可以通过单个JTAG SHIFT-DR序列实现单周期波形读取。该架构已在四个AMD/Xilinx平台上得到验证，包括Nexys4（Artix-7）、Genesys2（Kintex-7）、ZCU106和ZCU102（Zynq UltraScale+），比特流调试时间分别为…3.50 ± 0.18秒、…12.42 ± 0.31秒、…27.50 ± 0.52秒，以及…40.10 ± 0.71秒，这表明无线传输的额外开销相对于有线USB-JTAG方案低于13%。