面向?qū)嵺`的現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法探索

沈劍良　張帆　宋克　呂平　張麗

摘 要 現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程是集成電路設(shè)計(jì)及相關(guān)專業(yè)學(xué)生的一門(mén)核心基礎(chǔ)課程。課程教學(xué)分理論授課和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)環(huán)節(jié)，為使學(xué)生更好地理解授課內(nèi)容，切實(shí)有效地提高工程動(dòng)手能力，對(duì)該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的探索和研究。利用團(tuán)隊(duì)互動(dòng)式教學(xué)、遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)置、項(xiàng)目牽引等教學(xué)方法進(jìn)行面向?qū)嵺`的教學(xué)探索，實(shí)施多年，取得顯著成效，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時(shí)，有效地提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)驗(yàn)案例；互動(dòng)式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）08-0143-02

Practice Oriented Teaching Exploration for Modern SoC Design Course//SHEN Jianliang， ZHANF Fan， SONG Ke， LYU Ping， ZHANG Li

Abstract Modern SoC Design is one of basic core courses in integrated circuit design and related majors. It has teaching theory and practicetwo aspects. In order to make students better understand the teaching content and improve the practical ability， this paper do some deep research andexploration on practical teaching， that through interactive teaching by team， setting progressive traction experimental and project teaching method. The implementation of many years has achieved remarkable success to stimulate the learning enthusiasm while effectively improve the practical ability of students， so as to promote the improvement in the teaching quality.

Key words modern SoC design course； practical teaching； experimental case； interactive teaching

1 前言

現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)是電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信與信號(hào)系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)核心基礎(chǔ)課程。它的先行課程包括數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯和硬件描述語(yǔ)言，后續(xù)課程有微處理器設(shè)計(jì)、高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)等，在一系列硬件課程教學(xué)中起著承上啟下的作用，對(duì)學(xué)生理解SoC系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思想將產(chǎn)生深刻的影響。由于該課程理論性較強(qiáng)、知識(shí)面較寬、信息量較大，存在教師難教、學(xué)生難學(xué)等問(wèn)題，容易造成學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)，難以真正理解SoC設(shè)計(jì)的精髓，也無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，致使教學(xué)效果不理想[1-2]。本課程以SoC設(shè)計(jì)的基本原理和基本流程為教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程中注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，并對(duì)實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行探索，以滿足未來(lái)對(duì)教學(xué)及科研工作的要求。

2 以往SoC設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

教材理論性強(qiáng)，缺乏與實(shí)踐教學(xué)的聯(lián)系 目前國(guó)內(nèi)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)相關(guān)教材種類很多，但大多數(shù)理論性強(qiáng)，不夠形象生動(dòng)，基本只是對(duì)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)單羅列，所舉示例不夠直觀，很少或者沒(méi)有配套的實(shí)驗(yàn)，和實(shí)踐教學(xué)存在脫節(jié)，不能直接與SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，從而達(dá)不到理想的教學(xué)效果[3]。現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程多數(shù)為高年級(jí)本科生和低年級(jí)研究生選修，這個(gè)階段學(xué)生對(duì)于SoC系統(tǒng)有一定的理解，但對(duì)于具體的設(shè)計(jì)方法和涉及的工具鏈還沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)部件的功能和結(jié)構(gòu)分析的能力也還比較弱，急需通過(guò)一定的工程實(shí)踐來(lái)提升設(shè)計(jì)能力。在實(shí)踐過(guò)程中可以鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)對(duì)理論知識(shí)更好地理解又會(huì)進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)踐[2，4]。

涉及的知識(shí)面廣，橫向和縱向存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性 SoC設(shè)計(jì)是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域一門(mén)重要的課程，涵蓋的知識(shí)面很廣。從底層的半導(dǎo)體物理器件，到芯片封裝測(cè)試及其應(yīng)用都有涉及，橫向與縱向的知識(shí)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。一方面，該課程先修課程本身難度就較大，與數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯和硬件描述語(yǔ)言等先修課程有縱向的密切關(guān)聯(lián)。如果學(xué)生沒(méi)有很好地掌握這些知識(shí)，勢(shì)必影響到現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)。這種縱向聯(lián)系增加了教師的講授難度，制約課程教學(xué)的立體化展開(kāi)，從而也制約了實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展[5]。此外，該課程與同期開(kāi)設(shè)的高速PCB設(shè)計(jì)、高級(jí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、微處理器設(shè)計(jì)等課程也有較為重要的聯(lián)系。多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，SoC設(shè)計(jì)等硬件類課程間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，教學(xué)存在內(nèi)容大量重復(fù)或缺失、課程之間內(nèi)容脫節(jié)嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。

另一方面，該課程各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間橫向聯(lián)系密切，這些關(guān)聯(lián)使得現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)的教學(xué)不同于其他課程，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的介紹不能一步到位，而是逐步深化、層層遞進(jìn)，無(wú)形中增加了理解和教學(xué)的難度[2]。

實(shí)踐環(huán)節(jié)過(guò)分單一化，不能與理論教學(xué)有效結(jié)合 現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)配有專門(mén)的實(shí)驗(yàn)課程，擁有專用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但往往受限于EDA工具的選擇、廠家定制硬件的配套實(shí)驗(yàn)，不能有效結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容。由于硬件課程本身上手比較難，學(xué)生初學(xué)時(shí)往往不知道從何下手，同時(shí)實(shí)踐教學(xué)與理論授課也不能很好地直接對(duì)應(yīng)，特別是較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很難徹底完成，需要學(xué)生課后花更多的時(shí)間和精力去消化。endprint

3 教學(xué)改革與實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的上述問(wèn)題，自2010年起，本單位逐步進(jìn)行現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法改革，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)，取得一定的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

團(tuán)隊(duì)互動(dòng)式教學(xué) SoC課程涵蓋了當(dāng)前ASIC設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)流程，包含芯片前后端設(shè)計(jì)、可測(cè)試性設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)等內(nèi)容，一位教師難以透徹地講解到所有的知識(shí)點(diǎn)。本單位結(jié)合承擔(dān)的科研項(xiàng)目實(shí)際，參考國(guó)家級(jí)精品課程教材，以研究生入學(xué)考試大綱為指導(dǎo)，根據(jù)每位授課教師在科研項(xiàng)目中的特長(zhǎng)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，并創(chuàng)新式地采用團(tuán)隊(duì)式互動(dòng)教學(xué)方法，由多位教師共同講授一門(mén)課程，從而全方位多角度傳授課程的知識(shí)要點(diǎn)[2]。

1）團(tuán)隊(duì)式互動(dòng)教學(xué)方法是指由多位知識(shí)互補(bǔ)的教師組成教學(xué)團(tuán)隊(duì)完成一門(mén)課程的講授。每位教師直接參與先行理論授課與后繼課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理論授課和實(shí)踐教學(xué)的統(tǒng)一。同時(shí)，由授課團(tuán)隊(duì)共同完成課程內(nèi)容修訂、課程體系講座、實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和指導(dǎo)，并親身在相關(guān)課程中主講若干學(xué)時(shí)或講座，介紹課程之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)課程體系的貫通式教學(xué)。例如，為了更好得與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程銜接，“現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)”主講教師要為“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程開(kāi)設(shè)“指令集設(shè)計(jì)”“流水線技術(shù)”等講座，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程在現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)教學(xué)中的地位和聯(lián)系[2]。

2）增加對(duì)硬件設(shè)計(jì)的綜合分析。在團(tuán)隊(duì)教師協(xié)助下，增加對(duì)基于ESL的SoC設(shè)計(jì)、基于平臺(tái)的SoC設(shè)計(jì)等的介紹和學(xué)習(xí)，為后繼課程做好技術(shù)鋪墊，積極引導(dǎo)學(xué)生思考，重新認(rèn)識(shí)硬件基礎(chǔ)對(duì)于專業(yè)學(xué)習(xí)的重要性，改變“重軟偏硬”的思想，而深化“軟硬結(jié)合，相得益彰”的認(rèn)識(shí)[2]。

開(kāi)展遞進(jìn)式的教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目 在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中需要遵循“由淺入深、由簡(jiǎn)到難”的原則，同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)可以安排多個(gè)實(shí)驗(yàn)，遞進(jìn)式地讓學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。比如在涉及RTL級(jí)代碼綜合優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以分Step、Hold時(shí)序分析與講解、靜態(tài)時(shí)序分析、綜合優(yōu)化策略等內(nèi)容進(jìn)行，形成從基礎(chǔ)到高階的遞進(jìn)，讓學(xué)生遵循自然學(xué)習(xí)規(guī)律完成知識(shí)點(diǎn)的掌握。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容一定要按照設(shè)計(jì)流程層層遞進(jìn)，從最初的RTL級(jí)代碼編寫(xiě)規(guī)范開(kāi)始，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合、布局布線、時(shí)序分析、物理實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證等步驟，在理解工具腳本的基礎(chǔ)上層層推進(jìn)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)全流程的掌握[6]。

以項(xiàng)目為牽引，實(shí)現(xiàn)動(dòng)手能力的再提高 實(shí)踐教學(xué)只能將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)門(mén)，個(gè)人的造詣必須在實(shí)踐中演練。否則，實(shí)驗(yàn)做得再好，也只能是紙上談兵。以“項(xiàng)目”為引導(dǎo)，可以從根本上提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)和實(shí)踐能力。實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)往往只包括最基礎(chǔ)的操作和應(yīng)用，難以覆蓋工程實(shí)現(xiàn)的方方面面，必須在實(shí)踐項(xiàng)目的鍛煉中才能不斷地提高科研能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目的[4]。

4 實(shí)踐教學(xué)改革效果

多年來(lái)通過(guò)上述教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革探索，SoC設(shè)計(jì)課程體系建設(shè)得到進(jìn)一步完善，教學(xué)質(zhì)量也提升了，成效顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

緊密銜接課程，奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ) 俗話說(shuō)得好，基礎(chǔ)不牢、地動(dòng)山搖。在進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)課程講授前，對(duì)前導(dǎo)課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行回顧與梳理，可以幫助學(xué)生快速地進(jìn)入角色，部分與SoC設(shè)計(jì)課程銜接緊密的課程需要提前進(jìn)行預(yù)習(xí)。根據(jù)學(xué)生調(diào)查顯示，在鞏固學(xué)習(xí)模擬與數(shù)字電路等先導(dǎo)課程后，現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程中所涉及的基本原理更容易被理解，實(shí)踐內(nèi)容也更容易被掌握，更容易接受；同時(shí)，學(xué)好現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)課程后，對(duì)微處理器設(shè)計(jì)、可重構(gòu)SoC學(xué)習(xí)有很大促進(jìn)作用[2]。

提高SoC設(shè)計(jì)技術(shù)，為項(xiàng)目研發(fā)培養(yǎng)生力軍 通過(guò)本課程學(xué)習(xí)，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生也更愿意投入到硬件設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來(lái)。在研究生開(kāi)題時(shí)，很多學(xué)生基于對(duì)SoC設(shè)計(jì)的熱情選擇類似的課題開(kāi)展研究，積極投身到SoC設(shè)計(jì)中來(lái)，有些甚至成為項(xiàng)目研究的主力，能獨(dú)立完成一個(gè)功能IP從前端到后端設(shè)計(jì)的所有設(shè)計(jì)流程，在項(xiàng)目研發(fā)中發(fā)揮了重要作用[2]。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)是電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信與信號(hào)系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)核心基礎(chǔ)課程。隨著對(duì)實(shí)踐教育質(zhì)量的不斷重視，強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，本文分析了以往該課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，闡述了面向?qū)嵺`的教學(xué)改革與實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，通過(guò)團(tuán)隊(duì)互動(dòng)式教學(xué)、遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)置、項(xiàng)目牽引等實(shí)踐教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生SoC設(shè)計(jì)技術(shù)的有效鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生ASIC芯片設(shè)計(jì)能力[2]。

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