數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)方法探討

陳國(guó)平 王楠 簡(jiǎn)獻(xiàn)忠

【摘要】通過數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)理論課和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及教學(xué)研究心得，以某高校電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)為例，分析了數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)幾種不同的課程體系，探討了不同的課程體系的不同教學(xué)方法及其相互關(guān)系，通過將幾種不同的課程體系的不同教學(xué)方法進(jìn)行相互融合，構(gòu)建系統(tǒng)化的教學(xué)工作。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集成電路設(shè)計(jì) ASIC設(shè)計(jì) EDA設(shè)計(jì) 教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）12-0214-01

集成電路設(shè)計(jì)相關(guān)課程體系是各高等院校電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等理工科專業(yè)核心專業(yè)課程設(shè)置的重要組成部分，大多數(shù)理工科高校對(duì)電子類專業(yè)開設(shè)模擬集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的課程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合培養(yǎng)。對(duì)于數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)，一方面從原理的角度來看，可以深入到晶體管級(jí)進(jìn)行深入分析和設(shè)計(jì)，另一方面從實(shí)踐的角度來看，也可以通過運(yùn)用高級(jí)硬件電路描述語言基于門級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。而高級(jí)設(shè)計(jì)又可以分為為了流片生產(chǎn)的全定制專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)和基于CPLD/FPGA進(jìn)行的EDA技術(shù)仿真設(shè)計(jì)。本文通過作者多年來在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐教學(xué)積累的經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)心得，對(duì)如何在繁瑣和復(fù)雜的教學(xué)中使學(xué)生更好的掌握知識(shí)體系進(jìn)行了探討。

1.晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)

因?yàn)檫M(jìn)行數(shù)字集成電路晶體管級(jí)的電路結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)有一定的難度和復(fù)雜度，其學(xué)習(xí)分析的手段方法跟模擬集成電路設(shè)計(jì)比較接近，所以只有部分高校的微電子學(xué)專業(yè)會(huì)深入學(xué)習(xí)。

1.1經(jīng)典教材的選擇

集成電路的設(shè)計(jì)，在教學(xué)知識(shí)體系方面美國(guó)的高校如斯坦福、加州大學(xué)等高校要比國(guó)內(nèi)高校更加系統(tǒng)和完善。美國(guó)出版的多本教材更是被奉為集成電路設(shè)計(jì)的圣經(jīng)，如拉貝爾等著周潤(rùn)德等譯的《數(shù)字集成電路——電路、系統(tǒng)與設(shè)計(jì)》，宋莫康等著王志功等譯的《CMOS數(shù)字集成電路：分析與設(shè)計(jì)》，霍奇斯等著蔣安平等譯的《數(shù)字集成電路分析與設(shè)計(jì)——深亞微米工藝》等。這些經(jīng)典教材有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都對(duì)晶體管級(jí)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，都對(duì)各種常用的組合邏輯和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行了透徹的講解，有的給出了SPICE仿真模型，有的進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有的還講解了版圖的設(shè)計(jì)。

1.2HSPICE仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助

HSPICE是在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)I(yè)使用的高精度的仿真工具，而且HSPICE具有可以在WINDOWS環(huán)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(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)中。同樣因?yàn)槔碚搶W(xué)習(xí)的難度，使用HSPICE進(jìn)行數(shù)字集成電路的仿真設(shè)計(jì)也是比較復(fù)雜和繁瑣的，所以不是所有電子相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都能深入學(xué)習(xí)和掌握。

2.ASIC的高級(jí)設(shè)計(jì)

專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit）是指一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路，進(jìn)行ASIC的高級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)際是應(yīng)用高級(jí)硬件電路描述語言VHDL或Verilog HDL進(jìn)行硬件電路的仿真設(shè)計(jì)。

2.1教材的選擇

比較經(jīng)典的國(guó)外教材有帕爾尼卡著夏宇聞等譯的《Verilog？HDL數(shù)字設(shè)計(jì)與綜合》，納瓦畢著李廣軍等譯的《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——RTL綜合、測(cè)試平臺(tái)與驗(yàn)證》，佩德羅尼著喬廬峰等譯的《VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程》等。這些教材的共同特點(diǎn)是都對(duì)硬件電路描述語言進(jìn)行了很好的語法講解，對(duì)如何進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)只是略為描述，而對(duì)電路綜合基本涉及不多。

2.2實(shí)踐教學(xué)的輔助

為了方便于在課堂教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)中使用，進(jìn)行ASIC的高級(jí)設(shè)計(jì)可以選擇WINDOWS環(huán)境下的Modelsim等小型軟件進(jìn)行仿真，Synplify等小型軟件進(jìn)行電路綜合。如果為了便于流片生產(chǎn)應(yīng)該使用可以加入制造工廠工藝庫(kù)的大型軟件進(jìn)行綜合，但是受條件所限在教學(xué)過程中不方便使用。

3.EDA技術(shù)的仿真設(shè)計(jì)

使用EDA技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)實(shí)際上是基于CPLD/FPGA進(jìn)行的數(shù)字電路設(shè)計(jì)，因?yàn)槭窃诳删幊踢壿嬈骷蛘唛T陣列上進(jìn)行的二次開發(fā)，所以可以快速的看到仿真結(jié)果并應(yīng)用于實(shí)際。

3.1教材的選擇

近些年國(guó)內(nèi)在EDA技術(shù)方面的發(fā)展也很快，國(guó)內(nèi)出版的教材也基本能夠滿足教學(xué)需要。比如潘松等編著的《EDA技術(shù)實(shí)用教程—Verilog HDL版》，《EDA技術(shù)與VHDL》，王金明編著的《數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與VHDL》，《EDA技術(shù)與Verilog HDL設(shè)計(jì)》等。這些教材基本上都對(duì)硬件電路描述語言進(jìn)行了深入講解，還對(duì)CPLD/FPGA的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析探討，有的也對(duì)仿真工具的使用方法進(jìn)行了說明。

3.2實(shí)踐教學(xué)的輔助

因?yàn)樯a(chǎn)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。這些軟件都功能齊全且強(qiáng)大，能直接選擇所使用的芯片仿真或下載運(yùn)行，可以很方便的運(yùn)用于教學(xué)以及科研實(shí)踐工作中。

4.結(jié)束語

綜上所述，數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)可以深入晶體管級(jí)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，也可以運(yùn)用高級(jí)硬件電路描述語言進(jìn)行專用集成電路ASIC設(shè)計(jì)或者EDA技術(shù)仿真設(shè)計(jì)。幾種分析設(shè)計(jì)方法似有區(qū)別，卻又相輔相成，晶體管級(jí)電路是基礎(chǔ)，高級(jí)語言設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)方法和手段，應(yīng)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(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，分析了數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)幾種不同的課程體系，探討了不同的課程體系的不同教學(xué)方法及其相互關(guān)系，通過將幾種不同的課程體系的不同教學(xué)方法進(jìn)行相互融合，構(gòu)建系統(tǒng)化的教學(xué)工作。本文的教學(xué)方法在高校的教學(xué)過程中，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，也得到了學(xué)生的高度認(rèn)同。本文作者的經(jīng)驗(yàn)和方法也可以為兄弟院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]拉貝爾等著周潤(rùn)德等譯，數(shù)字集成電路——電路、系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2010.11

[2]宋莫康等著王志功等譯，CMOS數(shù)字集成電路：分析與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2009.6

[3]帕爾尼卡著夏宇聞等譯，Verilog HDL數(shù)字設(shè)計(jì)與綜合，電子工業(yè)出版社，2012.5

[4]納瓦畢著李廣軍等譯，Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——RTL綜合、測(cè)試平臺(tái)與驗(yàn)證，電子工業(yè)出版社，2007.8

[5]潘松等編著，EDA技術(shù)實(shí)用教程——Verilog HDL版，科學(xué)出版社，2013.11