CMOS集成電路設(shè)計教學(xué)及實驗改革

張立軍，羊箭鋒，孫 燃

(1.蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州，215021;2.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州，215006)

隨著集成電路工藝和設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，集成電路已經(jīng)發(fā)展到片上系統(tǒng)SoC時代。由于集成電路設(shè)計能力應(yīng)用主要集中于工程而非理論，所以高等院校面向IC設(shè)計的微電子專業(yè)學(xué)生就需要有運用學(xué)科基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力。筆者在從事集成電路設(shè)計教學(xué)和多年芯片設(shè)計工作的基礎(chǔ)上，在改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容等問題上作出初步的探索，以期能夠培養(yǎng)出合格的IC設(shè)計人才［1-3]。

1 傳統(tǒng)集成電路設(shè)計課程體系

集成電路設(shè)計是一門多學(xué)科交叉的課程，進(jìn)行IC設(shè)計所需要的知識與技術(shù)跨越多個領(lǐng)域，它與其他相關(guān)課程之間的關(guān)系如圖1所示。隨著集成電路特征尺寸的減小，對數(shù)字IC設(shè)計而言，其設(shè)計工作主要由EDA工具自動完成。另外由于越來越多的應(yīng)用功能已經(jīng)被集成到了芯片，電子應(yīng)用工程師傳統(tǒng)的設(shè)計工作空間受到壓縮。

圖1 IC設(shè)計課程關(guān)系圖

為了提高面向IC設(shè)計學(xué)生的專業(yè)競爭力，就必須對傳統(tǒng)集成電路教學(xué)體系加以改革，加大學(xué)生實際動手操作時間，合理利用公共實驗并以實際項目的引入讓學(xué)生親身體會設(shè)計的整個流程。

2 “CMOS集成電路設(shè)計”課程改革

2.1 理論教學(xué)的改革實踐

順應(yīng)當(dāng)前集成電路設(shè)計向片上系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，“CMOS集成電路設(shè)計”課程不僅應(yīng)該涵蓋傳統(tǒng)的書面知識的講授，更應(yīng)該將驗證式實驗應(yīng)用于理論課堂之上。課程以學(xué)習(xí)完整的系統(tǒng)芯片設(shè)計流程為目的來安排教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生從業(yè)界實際制造芯片的角度學(xué)習(xí)和掌握系統(tǒng)芯片的設(shè)計流程以及制造及測試的方法。改革后課程應(yīng)該對系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范、行為描述、器件物理級、門級組建、電路級設(shè)計、系統(tǒng)級綜合、系統(tǒng)及測試、系統(tǒng)驗證與優(yōu)化、后端版圖設(shè)計和封裝流片等過程均有闡述。業(yè)界整個自頂向下(top-down)設(shè)計流程如圖2所示。

集成電路設(shè)計離不開EDA技術(shù)，常用的工具有:Protel、QuartusⅡ、Modelsim、Design Compile等。我們在這些工具的教學(xué)中，在初步講授EDA工具使用的基礎(chǔ)上請專家以講座的形式講述一些設(shè)計技巧和經(jīng)驗，演示如何使用這些工具及介紹軟件最新功能?；A(chǔ)理論講授完后，筆者會結(jié)合工程實例來深入分析集成電路設(shè)計所需要的設(shè)計理念和設(shè)計經(jīng)驗，在學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上形成自己的設(shè)計理念和設(shè)計方法。

圖2 集成電路設(shè)計流程

2.2 實驗課程的改革實踐

筆者在理論課程改革中，引入驗證性實驗進(jìn)行電路工作原理的佐證和講解。這樣，可以大大減少驗證性實驗，從加大綜合性實驗的數(shù)量。綜合性實驗一般需要由教師給出幾個實際中可能遇到的簡單設(shè)計實例，將實際項目定位在學(xué)生實驗和專業(yè)實踐的角度，對項目實例進(jìn)行簡化。我們初步將實例分為幾個模塊，讓學(xué)生自行組織團隊進(jìn)行討論和分析。下面介紹一個可以分解用于綜合的實驗，其主要功能模塊如圖3所示。

圖3 可編程通信控制器件框架圖

通用總線接口和配置寄存器與通用CPU總線相連接;中央控制模塊，用于控制通用總線接口接收來自通用CPU總線的讀寫命令、讀寫配置寄存器并觸發(fā)相應(yīng)的可編程通信控制器動作的開始、執(zhí)行和結(jié)束;32位分支跳轉(zhuǎn)器，將特定的通信序列與某個邏輯輸入的邊沿觸發(fā)事件或組合觸發(fā)事件相聯(lián)接，在該事件發(fā)生時自動跳轉(zhuǎn)并執(zhí)行預(yù)定義的通信序列;圖3可編程通信控制器件框架圖DMA控制器連接第二通用CPU總線，在中央控制模塊的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后能以中等速度實現(xiàn)大多數(shù)已知通信協(xié)議，并滿足大多數(shù)SOC芯片設(shè)計的要求。

在這個項目中，就可以簡單地抽出幾個模塊，并加以簡化，分配給各學(xué)生小組，以模擬項目的形式去進(jìn)行實踐開發(fā)?？梢猿槌龅哪K就有:簡易數(shù)據(jù)緩沖器，簡易算數(shù)單元，簡易分支跳轉(zhuǎn)器，簡易處理器與控制器等等。每個模塊都會給學(xué)生留以充足的時間進(jìn)行設(shè)計和模擬。教師從規(guī)范提出到設(shè)計優(yōu)化和后端板圖設(shè)計等都要進(jìn)行必要的指導(dǎo)和推進(jìn)，全效利用可用的實驗時間。

3 結(jié)語

筆者提出的CMOS集成電路設(shè)計課程改革主要是在理論課上加入驗證性實驗和推進(jìn)領(lǐng)悟的環(huán)節(jié)，在實驗教學(xué)中引入實際項目，讓學(xué)生切實模擬實際項目的開發(fā)去實驗和思考總結(jié)，已經(jīng)有了初步成效。在實驗課上，學(xué)生能對小組接到的任務(wù)進(jìn)行及時的討論和分工，教師也時常與學(xué)生討論試實中出現(xiàn)的問題，幫助他們盡快的認(rèn)知所做的項目，給出對應(yīng)項目設(shè)計的建議。大部分學(xué)生經(jīng)歷課堂推進(jìn)領(lǐng)悟和實驗時的討論，在遇到實際項目時能夠在項目規(guī)范要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和制定設(shè)計套路，對待新的問題都有著自己獨到的解決方法。對于學(xué)生的獨特見解，教師均會進(jìn)行進(jìn)一步剖析和推演，幫助他們形成自已的設(shè)計理念。

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