CMOS集成电路设计教学及实验改革

张立军，羊箭锋，孙 燃

(1.苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州，215021;2.苏州大学电子信息学院，江苏苏州，215006)

随着集成电路工艺和设计技术的发展，集成电路已经发展到片上系统SoC时代。由于集成电路设计能力应用主要集中于工程而非理论，所以高等院校面向IC设计的微电子专业学生就需要有运用学科基础知识解决实际问题的能力。笔者在从事集成电路设计教学和多年芯片设计工作的基础上，在改进教学方法和教学内容等问题上作出初步的探索，以期能够培养出合格的IC设计人才［1-3]。

1 传统集成电路设计课程体系

集成电路设计是一门多学科交叉的课程，进行IC设计所需要的知识与技术跨越多个领域，它与其他相关课程之间的关系如图1所示。随着集成电路特征尺寸的减小，对数字IC设计而言，其设计工作主要由EDA工具自动完成。另外由于越来越多的应用功能已经被集成到了芯片，电子应用工程师传统的设计工作空间受到压缩。

图1 IC设计课程关系图

为了提高面向IC设计学生的专业竞争力，就必须对传统集成电路教学体系加以改革，加大学生实际动手操作时间，合理利用公共实验并以实际项目的引入让学生亲身体会设计的整个流程。

2 “CMOS集成电路设计”课程改革

2.1 理论教学的改革实践

顺应当前集成电路设计向片上系统发展的趋势，“CMOS集成电路设计”课程不仅应该涵盖传统的书面知识的讲授，更应该将验证式实验应用于理论课堂之上。课程以学习完整的系统芯片设计流程为目的来安排教学内容，让学生从业界实际制造芯片的角度学习和掌握系统芯片的设计流程以及制造及测试的方法。改革后课程应该对系统设计规范、行为描述、器件物理级、门级组建、电路级设计、系统级综合、系统及测试、系统验证与优化、后端版图设计和封装流片等过程均有阐述。业界整个自顶向下(top-down)设计流程如图2所示。

集成电路设计离不开EDA技术，常用的工具有:Protel、QuartusⅡ、Modelsim、Design Compile等。我们在这些工具的教学中，在初步讲授EDA工具使用的基础上请专家以讲座的形式讲述一些设计技巧和经验，演示如何使用这些工具及介绍软件最新功能。基础理论讲授完后，笔者会结合工程实例来深入分析集成电路设计所需要的设计理念和设计经验，在学习理论知识的基础上形成自己的设计理念和设计方法。

图2 集成电路设计流程

2.2 实验课程的改革实践

笔者在理论课程改革中，引入验证性实验进行电路工作原理的佐证和讲解。这样，可以大大减少验证性实验，从加大综合性实验的数量。综合性实验一般需要由教师给出几个实际中可能遇到的简单设计实例，将实际项目定位在学生实验和专业实践的角度，对项目实例进行简化。我们初步将实例分为几个模块，让学生自行组织团队进行讨论和分析。下面介绍一个可以分解用于综合的实验，其主要功能模块如图3所示。

图3 可编程通信控制器件框架图

通用总线接口和配置寄存器与通用CPU总线相连接;中央控制模块，用于控制通用总线接口接收来自通用CPU总线的读写命令、读写配置寄存器并触发相应的可编程通信控制器动作的开始、执行和结束;32位分支跳转器，将特定的通信序列与某个逻辑输入的边沿触发事件或组合触发事件相联接，在该事件发生时自动跳转并执行预定义的通信序列;图3可编程通信控制器件框架图DMA控制器连接第二通用CPU总线，在中央控制模块的控制下进行数据处理。最后能以中等速度实现大多数已知通信协议，并满足大多数SOC芯片设计的要求。

在这个项目中，就可以简单地抽出几个模块，并加以简化，分配给各学生小组，以模拟项目的形式去进行实践开发。可以抽出的模块就有:简易数据缓冲器，简易算数单元，简易分支跳转器，简易处理器与控制器等等。每个模块都会给学生留以充足的时间进行设计和模拟。教师从规范提出到设计优化和后端板图设计等都要进行必要的指导和推进，全效利用可用的实验时间。

3 结语

笔者提出的CMOS集成电路设计课程改革主要是在理论课上加入验证性实验和推进领悟的环节，在实验教学中引入实际项目，让学生切实模拟实际项目的开发去实验和思考总结，已经有了初步成效。在实验课上，学生能对小组接到的任务进行及时的讨论和分工，教师也时常与学生讨论试实中出现的问题，帮助他们尽快的认知所做的项目，给出对应项目设计的建议。大部分学生经历课堂推进领悟和实验时的讨论，在遇到实际项目时能够在项目规范要求的基础上进行分析和制定设计套路，对待新的问题都有着自己独到的解决方法。对于学生的独特见解，教师均会进行进一步剖析和推演，帮助他们形成自已的设计理念。

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