CMOS集成電路設計教學及實驗改革

張立軍，羊箭鋒，孫 燃

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

隨著集成電路工藝和設計技術的發展，集成電路已經發展到片上系統SoC時代。由于集成電路設計能力應用主要集中于工程而非理論，所以高等院校面向IC設計的微電子專業學生就需要有運用學科基礎知識解決實際問題的能力。筆者在從事集成電路設計教學和多年芯片設計工作的基礎上，在改進教學方法和教學內容等問題上作出初步的探索，以期能夠培養出合格的IC設計人才［1-3]。

1 傳統集成電路設計課程體系

集成電路設計是一門多學科交叉的課程，進行IC設計所需要的知識與技術跨越多個領域，它與其他相關課程之間的關系如圖1所示。隨著集成電路特征尺寸的減小，對數字IC設計而言，其設計工作主要由EDA工具自動完成。另外由于越來越多的應用功能已經被集成到了芯片，電子應用工程師傳統的設計工作空間受到壓縮。

圖1 IC設計課程關系圖

為了提高面向IC設計學生的專業競爭力，就必須對傳統集成電路教學體系加以改革，加大學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生親身體會設計的整個流程。

2 “CMOS集成電路設計”課程改革

2.1 理論教學的改革實踐

順應當前集成電路設計向片上系統發展的趨勢，“CMOS集成電路設計”課程不僅應該涵蓋傳統的書面知識的講授，更應該將驗證式實驗應用于理論課堂之上。課程以學習完整的系統芯片設計流程為目的來安排教學內容，讓學生從業界實際制造芯片的角度學習和掌握系統芯片的設計流程以及制造及測試的方法。改革后課程應該對系統設計規范、行為描述、器件物理級、門級組建、電路級設計、系統級綜合、系統及測試、系統驗證與優化、后端版圖設計和封裝流片等過程均有闡述。業界整個自頂向下(top-down)設計流程如圖2所示。

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

圖2 集成電路設計流程

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計實例，將實際項目定位在學生實驗和專業實踐的角度，對項目實例進行簡化。我們初步將實例分為幾個模塊，讓學生自行組織團隊進行討論和分析。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相應的可編程通信控制器動作的開始、執行和結束;32位分支跳轉器，將特定的通信序列與某個邏輯輸入的邊沿觸發事件或組合觸發事件相聯接，在該事件發生時自動跳轉并執行預定義的通信序列;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行數據處理。最后能以中等速度實現大多數已知通信協議，并滿足大多數SOC芯片設計的要求。

在這個項目中，就可以簡單地抽出幾個模塊，并加以簡化，分配給各學生小組，以模擬項目的形式去進行實踐開發。可以抽出的模塊就有:簡易數據緩沖器，簡易算數單元，簡易分支跳轉器，簡易處理器與控制器等等。每個模塊都會給學生留以充足的時間進行設計和模擬。教師從規范提出到設計優化和后端板圖設計等都要進行必要的指導和推進，全效利用可用的實驗時間。

3 結語

筆者提出的CMOS集成電路設計課程改革主要是在理論課上加入驗證性實驗和推進領悟的環節，在實驗教學中引入實際項目，讓學生切實模擬實際項目的開發去實驗和思考總結，已經有了初步成效。在實驗課上，學生能對小組接到的任務進行及時的討論和分工，教師也時常與學生討論試實中出現的問題，幫助他們盡快的認知所做的項目，給出對應項目設計的建議。大部分學生經歷課堂推進領悟和實驗時的討論，在遇到實際項目時能夠在項目規范要求的基礎上進行分析和制定設計套路，對待新的問題都有著自己獨到的解決方法。對于學生的獨特見解，教師均會進行進一步剖析和推演，幫助他們形成自已的設計理念。

［1] 郭蕾.探索開放式教育模式提高工程碩士創新能力與實踐能力［J] .北京:學位與研究生教育，2008，(9):50-54

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