數字集成電路設計教學方法探討

陳國平 王楠 簡獻忠

【摘要】通過數字集成電路設計理論課和實驗課教學的實踐經驗及教學研究心得，以某高校電子科學與技術本科專業為例，分析了數字集成電路設計幾種不同的課程體系，探討了不同的課程體系的不同教學方法及其相互關系，通過將幾種不同的課程體系的不同教學方法進行相互融合，構建系統化的教學工作。

【關鍵詞】數字集成電路設計 ASIC設計 EDA設計 教學方法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0214-01

集成電路設計相關課程體系是各高等院校電子科學與技術、微電子學等理工科專業核心專業課程設置的重要組成部分，大多數理工科高校對電子類專業開設模擬集成電路設計和數字集成電路設計的課程，對學生進行綜合培養。對于數字集成電路設計，一方面從原理的角度來看，可以深入到晶體管級進行深入分析和設計，另一方面從實踐的角度來看，也可以通過運用高級硬件電路描述語言基于門級結構對電路進行設計與仿真。而高級設計又可以分為為了流片生產的全定制專用集成電路（ASIC）設計和基于CPLD/FPGA進行的EDA技術仿真設計。本文通過作者多年來在數字集成電路設計理論和實踐教學積累的經驗和教學心得，對如何在繁瑣和復雜的教學中使學生更好的掌握知識體系進行了探討。

1.晶體管級的設計

因為進行數字集成電路晶體管級的電路結構分析和設計有一定的難度和復雜度，其學習分析的手段方法跟模擬集成電路設計比較接近，所以只有部分高校的微電子學專業會深入學習。

1.1經典教材的選擇

集成電路的設計，在教學知識體系方面美國的高校如斯坦福、加州大學等高校要比國內高校更加系統和完善。美國出版的多本教材更是被奉為集成電路設計的圣經，如拉貝爾等著周潤德等譯的《數字集成電路——電路、系統與設計》，宋莫康等著王志功等譯的《CMOS數字集成電路：分析與設計》，霍奇斯等著蔣安平等譯的《數字集成電路分析與設計——深亞微米工藝》等。這些經典教材有一個共同的特點，就是都對晶體管級的電路結構進行了深入分析，都對各種常用的組合邏輯和時序邏輯電路進行了透徹的講解，有的給出了SPICE仿真模型，有的進行了系統設計，有的還講解了版圖的設計。

1.2HSPICE仿真實驗教學輔助

HSPICE是在集成電路設計領域專業使用的高精度的仿真工具，而且HSPICE具有可以在WINDOWS環境下方便使用的小型的軟件版本，所以可以很方便的用在課堂教學和仿真實驗中。同樣因為理論學習的難度，使用HSPICE進行數字集成電路的仿真設計也是比較復雜和繁瑣的，所以不是所有電子相關專業的學生都能深入學習和掌握。

2.ASIC的高級設計

專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit）是指一種為專門目的而設計的集成電路，進行ASIC的高級設計實際是應用高級硬件電路描述語言VHDL或Verilog HDL進行硬件電路的仿真設計。

2.1教材的選擇

比較經典的國外教材有帕爾尼卡著夏宇聞等譯的《Verilog？HDL數字設計與綜合》，納瓦畢著李廣軍等譯的《Verilog數字系統設計——RTL綜合、測試平臺與驗證》，佩德羅尼著喬廬峰等譯的《VHDL數字電路設計教程》等。這些教材的共同特點是都對硬件電路描述語言進行了很好的語法講解，對如何進行仿真設計只是略為描述，而對電路綜合基本涉及不多。

2.2實踐教學的輔助

為了方便于在課堂教學和仿真實驗中使用，進行ASIC的高級設計可以選擇WINDOWS環境下的Modelsim等小型軟件進行仿真，Synplify等小型軟件進行電路綜合。如果為了便于流片生產應該使用可以加入制造工廠工藝庫的大型軟件進行綜合，但是受條件所限在教學過程中不方便使用。

3.EDA技術的仿真設計

使用EDA技術進行電路設計實際上是基于CPLD/FPGA進行的數字電路設計，因為是在可編程邏輯器件或者門陣列上進行的二次開發，所以可以快速的看到仿真結果并應用于實際。

3.1教材的選擇

近些年國內在EDA技術方面的發展也很快，國內出版的教材也基本能夠滿足教學需要。比如潘松等編著的《EDA技術實用教程—Verilog HDL版》，《EDA技術與VHDL》，王金明編著的《數字系統設計與VHDL》，《EDA技術與Verilog HDL設計》等。這些教材基本上都對硬件電路描述語言進行了深入講解，還對CPLD/FPGA的電路結構設計方法進行了分析探討，有的也對仿真工具的使用方法進行了說明。

3.2實踐教學的輔助

因為生產CPLD/FPGA芯片的廠家都提供自己的軟件，如Altera公司的Quartus軟件，Xilinx公司的ISE軟件等，所以可以直接使用這些軟件進行仿真設計。這些軟件都功能齊全且強大，能直接選擇所使用的芯片仿真或下載運行，可以很方便的運用于教學以及科研實踐工作中。

4.結束語

綜上所述，數字集成電路設計可以深入晶體管級進行分析與設計，也可以運用高級硬件電路描述語言進行專用集成電路ASIC設計或者EDA技術仿真設計。幾種分析設計方法似有區別，卻又相輔相成，晶體管級電路是基礎，高級語言設計是實現方法和手段，應該相互融合而不該完全割裂。在此背景下，本文積極探索了數字集成電路設計的教學方法，分析了數字集成電路設計幾種不同的課程體系，探討了不同的課程體系的不同教學方法及其相互關系，通過將幾種不同的課程體系的不同教學方法進行相互融合，構建系統化的教學工作。本文的教學方法在高校的教學過程中，取得了長足的進步和發展，也得到了學生的高度認同。本文作者的經驗和方法也可以為兄弟院校相關專業的教學提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]拉貝爾等著周潤德等譯，數字集成電路——電路、系統與設計，電子工業出版社，2010.11

[2]宋莫康等著王志功等譯，CMOS數字集成電路：分析與設計，電子工業出版社，2009.6

[3]帕爾尼卡著夏宇聞等譯，Verilog HDL數字設計與綜合，電子工業出版社，2012.5

[4]納瓦畢著李廣軍等譯，Verilog數字系統設計——RTL綜合、測試平臺與驗證，電子工業出版社，2007.8

[5]潘松等編著，EDA技術實用教程——Verilog HDL版，科學出版社，2013.11