面向實踐的現代SoC設計課程教學方法探索

沈劍良　張帆　宋克　呂平　張麗

摘 要 現代SoC設計課程是集成電路設計及相關專業學生的一門核心基礎課程。課程教學分理論授課和實踐教學兩個環節，為使學生更好地理解授課內容，切實有效地提高工程動手能力，對該課程的實踐教學環節進行深入的探索和研究。利用團隊互動式教學、遞進式實驗設置、項目牽引等教學方法進行面向實踐的教學探索，實施多年，取得顯著成效，在激發學生學習熱情的同時，有效地提升了學生的工程實踐能力，從而促進教學質量的穩步提升。

關鍵詞 現代SoC設計課程；實踐教學；實驗案例；互動式教學

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：B

文章編號：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

現代SoC設計是電子科學與技術、計算機科學與技術、通信與信號系統等相關專業的一門核心基礎課程。它的先行課程包括數字集成電路設計、數字邏輯和硬件描述語言，后續課程有微處理器設計、高級計算機體系結構、可重構SoC設計方法學等，在一系列硬件課程教學中起著承上啟下的作用，對學生理解SoC系統的軟硬件設計思想將產生深刻的影響。由于該課程理論性較強、知識面較寬、信息量較大，存在教師難教、學生難學等問題，容易造成學生被動地學習，難以真正理解SoC設計的精髓，也無法調動學習積極性，致使教學效果不理想[1-2]。本課程以SoC設計的基本原理和基本流程為教學內容，教學過程中注重實踐能力的培養，并對實踐教學方法進行探索，以滿足未來對教學及科研工作的要求。

2 以往SoC設計課程教學中存在的問題

教材理論性強，缺乏與實踐教學的聯系 目前國內SoC設計技術相關教材種類很多，但大多數理論性強，不夠形象生動，基本只是對設計流程簡單羅列，所舉示例不夠直觀，很少或者沒有配套的實驗，和實踐教學存在脫節，不能直接與SoC系統設計相對應，從而達不到理想的教學效果[3]?，F代SoC設計課程多數為高年級本科生和低年級研究生選修，這個階段學生對于SoC系統有一定的理解，但對于具體的設計方法和涉及的工具鏈還沒有清晰的認識，對部件的功能和結構分析的能力也還比較弱，急需通過一定的工程實踐來提升設計能力。在實踐過程中可以鞏固所學的理論知識，同時對理論知識更好地理解又會進一步指導實踐[2，4]。

涉及的知識面廣，橫向和縱向存在很強的關聯性 SoC設計是集成電路設計領域一門重要的課程，涵蓋的知識面很廣。從底層的半導體物理器件，到芯片封裝測試及其應用都有涉及，橫向與縱向的知識關聯性強。一方面，該課程先修課程本身難度就較大，與數字集成電路設計、數字邏輯和硬件描述語言等先修課程有縱向的密切關聯。如果學生沒有很好地掌握這些知識，勢必影響到現代SoC設計課程的學習。這種縱向聯系增加了教師的講授難度，制約課程教學的立體化展開，從而也制約了實踐教學的開展[5]。此外，該課程與同期開設的高速PCB設計、高級計算機體系結構、微處理器設計等課程也有較為重要的聯系。多年的教學經驗表明，SoC設計等硬件類課程間缺乏統一規劃和協調，教學存在內容大量重復或缺失、課程之間內容脫節嚴重等問題[2]。

另一方面，該課程各個知識點之間橫向聯系密切，這些關聯使得現代SoC設計的教學不同于其他課程，對各知識點的介紹不能一步到位，而是逐步深化、層層遞進，無形中增加了理解和教學的難度[2]。

實踐環節過分單一化，不能與理論教學有效結合 現代SoC設計配有專門的實驗課程，擁有專用實驗平臺，但往往受限于EDA工具的選擇、廠家定制硬件的配套實驗，不能有效結合課堂教學內容。由于硬件課程本身上手比較難，學生初學時往往不知道從何下手，同時實踐教學與理論授課也不能很好地直接對應，特別是較為復雜的實驗系統很難徹底完成，需要學生課后花更多的時間和精力去消化。endprint

3 教學改革與實踐環節設計

針對現代SoC設計教學中存在的上述問題，自2010年起，本單位逐步進行現代SoC設計課程的教學內容與教學方法改革，強化實踐環節，取得一定的實踐教學經驗。

團隊互動式教學 SoC課程涵蓋了當前ASIC設計的整個設計流程，包含芯片前后端設計、可測試性設計、低功耗設計等內容，一位教師難以透徹地講解到所有的知識點。本單位結合承擔的科研項目實際，參考國家級精品課程教材，以研究生入學考試大綱為指導，根據每位授課教師在科研項目中的特長，對教學內容進行調整，并創新式地采用團隊式互動教學方法，由多位教師共同講授一門課程，從而全方位多角度傳授課程的知識要點[2]。

1）團隊式互動教學方法是指由多位知識互補的教師組成教學團隊完成一門課程的講授。每位教師直接參與先行理論授課與后繼課程的實踐教學環節，實現理論授課和實踐教學的統一。同時，由授課團隊共同完成課程內容修訂、課程體系講座、實踐環節設計和指導，并親身在相關課程中主講若干學時或講座，介紹課程之間的關系，實現課程體系的貫通式教學。例如，為了更好得與計算機系統結構課程銜接，“現代SoC設計”主講教師要為“計算機系統結構”課程開設“指令集設計”“流水線技術”等講座，激發學生的學習興趣，明確計算機系統結構課程在現代SoC設計教學中的地位和聯系[2]。

2）增加對硬件設計的綜合分析。在團隊教師協助下，增加對基于ESL的SoC設計、基于平臺的SoC設計等的介紹和學習，為后繼課程做好技術鋪墊，積極引導學生思考，重新認識硬件基礎對于專業學習的重要性，改變“重軟偏硬”的思想，而深化“軟硬結合，相得益彰”的認識[2]。

開展遞進式的教學實踐項目 在實踐教學過程中需要遵循“由淺入深、由簡到難”的原則，同一個知識點可以安排多個實驗，遞進式地讓學生掌握相應的知識點。比如在涉及RTL級代碼綜合優化的實驗時，可以分Step、Hold時序分析與講解、靜態時序分析、綜合優化策略等內容進行，形成從基礎到高階的遞進，讓學生遵循自然學習規律完成知識點的掌握。同時，實踐教學內容一定要按照設計流程層層遞進，從最初的RTL級代碼編寫規范開始，然后進行設計綜合、布局布線、時序分析、物理實現與驗證等步驟，在理解工具腳本的基礎上層層推進，最后實現對全流程的掌握[6]。

以項目為牽引，實現動手能力的再提高 實踐教學只能將學生領進門，個人的造詣必須在實踐中演練。否則，實驗做得再好，也只能是紙上談兵。以“項目”為引導，可以從根本上提高學生學習主動性，提高學生的設計和實踐能力。實踐教學實驗的設計往往只包括最基礎的操作和應用，難以覆蓋工程實現的方方面面，必須在實踐項目的鍛煉中才能不斷地提高科研能力，實現實驗教學的最終目的[4]。

4 實踐教學改革效果

多年來通過上述教學內容和實踐環節的改革探索，SoC設計課程體系建設得到進一步完善，教學質量也提升了，成效顯著，主要體現在以下幾個方面。

緊密銜接課程，奠定扎實的理論基礎 俗話說得好，基礎不牢、地動山搖。在進行SoC設計課程講授前，對前導課程的知識點進行回顧與梳理，可以幫助學生快速地進入角色，部分與SoC設計課程銜接緊密的課程需要提前進行預習。根據學生調查顯示，在鞏固學習模擬與數字電路等先導課程后，現代SoC設計課程中所涉及的基本原理更容易被理解，實踐內容也更容易被掌握，更容易接受；同時，學好現代SoC設計課程后，對微處理器設計、可重構SoC學習有很大促進作用[2]。

提高SoC設計技術，為項目研發培養生力軍 通過本課程學習，大大激發學生的學習熱情，學生也更愿意投入到硬件設計、嵌入式系統設計中來。在研究生開題時，很多學生基于對SoC設計的熱情選擇類似的課題開展研究，積極投身到SoC設計中來，有些甚至成為項目研究的主力，能獨立完成一個功能IP從前端到后端設計的所有設計流程，在項目研發中發揮了重要作用[2]。

5 結束語

現代SoC設計是電子科學與技術、計算機科學與技術、通信與信號系統等相關專業的一門核心基礎課程。隨著對實踐教育質量的不斷重視，強化實踐育人環節，本文分析了以往該課程在教學環節中存在的問題，闡述了面向實踐的教學改革與實踐環節設計實施方案，通過團隊互動式教學、遞進式實驗設置、項目牽引等實踐教學方法，實現對學生SoC設計技術的有效鍛煉，培養學生ASIC芯片設計能力[2]。

參考文獻

[1]閻波，李廣軍，林水生.“微機系統原理與應用”課程的教學改革[J].電氣電子教學學報，2012，34（3）：42-43.

[2]王潔，周寬久，賴曉晨，等.面向實踐的計算機組織與結構教學探索[J].實驗室科學，2014（5）：31.

[3]侯寧，趙張飛.SoC系統平臺在EDA技術教學中的應用[J].中國電力教育，2014（8）：88-89.

[4]葉朝輝，周永明，等.基于SoC的現代電子系統設計課程創新研究[J].實驗技術與管理，2014，31（1）：166-168.

[5]李東生，尹學忠.改革傳統課程教學強化EDA和集成電路設計[J].實驗技術與管理，2005，22（4）：1-2.

[6]袁穎，董利民，吳武臣，等.集成電路設計實踐教學課程體系的研究[J].實驗技術與管理，2009（6）：73.endprint