IC设计的FPGA辅助验证模式的教学改革探索

赵倩　周多　王晓华

摘要：以FPGA辅助集成电路设计（IC）的教学方法可以在现有的实验条件下，完成IC设计的硬件验证和芯片使用。加深学生对IC设计的认知，避免IC设计流片高昂成本的问题。使得IC设计课程教学不再流于“纸上谈兵”。FPGA辅助IC设计教学对培养我国急需的IC设计人才是大有裨益的。

关键词：FPGAIC设计教学改革

中图分类号：G642.0文献标识码：A

一、引言

IC产业是一个国家战略性基础产业，受到各国政府的高度重视。调查显示，中国IC产业设计能力不断提升，如今，中国已是全球第三大芯片设计中心，且IC设计领域一直是中国半导体产业增长最快速的领域，其在全行业所占的比重逐年提升。然而，对集成电路设计来说，关键是人才。因此培养优秀的集成电路设计人才是维持IT产业蓬勃发展的当务之急。

目前，各大高校逐步开展了IC设计方面的课程和培训，任何一门跟技术有关的课程，如果没有合理的实验做支持和验证，该课程的教学仅仅流于“纸上谈兵”，学生没有一个感性认识，很难真正理解书本上的知识。而众所周知，一个IC芯片的流片测试需要数十万美金，显而易见，以教学为目的，将学生的设计用专用芯片（ASIC）的方式实现是不可能的。

在ASIC的设计过程中，为了提高设计效率、降低设计成本并且能够尽快地找出电路功能和时序中的错误，尤其是潜在的错误，教学中我们引入FPGA（Field Programmable Gate Array）来辅助验证IC设计。FPGA验证与ASIC设计的最大区别仅仅是FPGA综合后的硅原型是在FPGA芯片上，而不是生成ASIC芯片，因此它的综合不象ASIC设计那样基于芯片生产厂家提供的工艺库，而是FPGA提供的硬件资源，但它基本包括了ASIC设计中RTL级设计及以后的全部环节。因此，我们完全可以采用FPGA来辅助IC设计教学。

二、FPGA用于辅助IC设计教学

1. FPGA辅助IC设计教学思路

FPGA开发流程主要包括六步骤：RTL级代码编写；功能模拟和仿真；逻辑综合；生成FPGA位流文件并下载到FPGA芯片上进行在线测试；生成最终的IC设计。其中前三个步骤在任何IC设计中都具有，与FPGA平台不相关的。因此，FPGA非常适合于辅助验证IC设计。它能使硬件的功能象软件一样通过编程来修改，利用 FPGA这些特性可以对IC设计进行验证。用FPGA进行IC设计验证的主要益处有：

1.逻辑功能全面验证；

2.部分电路时序验证，潜在的错误发现；

3.逻辑综合过程验证；

4.加快设计流程，减少重新制版几率，降低成本；

5.加快系统厂商的系统产品开发；

6.方便系统厂商对逻辑功能全面确认。

电子科学与技术专业中的IC设计课程是该专业的核心课程，实践教学是课程不可或缺的一部分。集成电路系统设计（IC设计）平台实验体系以集成电路设计流程为纽带，为学生提供集成电路从前端RTL代码（或电路原理图）到后端设计的实验全过程。通过该平台，学生可以掌握Cadence、Synopsys等主流EDA工具，熟悉從系统建模到芯片版图设计的全过程。并可以根据需要把RTL代码在已有FPGA实验平台上进行实现和测试。这样学生不需要流片就能完成IC设计的验证，IC设计与FPGA验证实验关系如图1所示。

2.FPGA辅助IC设计验证实例：

图2 为学生设计的 MCU在FPGA上仿真所需要的整体环境结构图。主要由MCU内核，ROM和RAM的宏单元，接口及用于辅助测试的系统时钟构成。

MCU核的测试过程为：在Quartus 软件平台上将待测试的MCU RTL级代码、辅助测试模块以及调用ROM和RAM宏模块共同构成顶层模块，全编译通过后生成位流文件（.sof文件）并下载到FPGA芯片中，通过观察开发板上七段码和LED指示灯的结果验证MCU核设计的正确性。

三、FPGA辅助IC设计教学成效

基于Cadence、Synopsys平台的IC设计，从前端到后端，一直是基于PC机的软件编程和验证，学生看到的是波形、图形和大段大段的文字描述。设计的电路是否正确，由于不能流片，学生无法有一个直观的效果，不能看到自己设计的芯片真实地应用到实际电路中去。而通过FPGA的验证策略，把学生设计的RTL代码以FPGA芯片的形式来实现并应用实际电路中，能非常直观的验证自己设计的电路是否能按照功能要求运用到实际电路中，又避免了流片所需要的高昂代价。

四、结论

FPGA具有在线修改能力，可以随时修改设计而不必改动硬件电路。而IC设计流片的代价高昂，而且流片后，如果出现错误，纠错周期较长且成本高。因此用FPGA来辅助IC设计是IC设计课程一个很好的教学方案，可以在较短的时间内加深学生对IC设计的感性认识，并能提高学生IC设计的调试能力，并且我们学校具有IC设计实验室和FPGA实验室。因此FPGA辅助IC设计教学方法在现有的实验设备上就能实现，且这种教学方案对培养我国急需的IC设计人才是大有裨益的。

参考文献：

[1]闵敬国.高性能MCU内核及MAC单元IP核设计[D].上海：上海大学，2005.

[2]刘怡俊. 应用FPGA辅助I C设计的教学改革[J]. 广东科技，2006.57-58

[3]叶波，赵倩. “集成电路系统设计”课程教学改革探讨[J].中国电力教育， 2010，（16）：109-110.