基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學

藺智挺

(安徽大學 電子信息工程學院, 安徽 合肥　230601)

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基于虛擬仿真實驗的模擬集成電路實驗教學

藺智挺

(安徽大學 電子信息工程學院, 安徽 合肥230601)

介紹了安徽大學電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的建設。以模擬集成電路實驗教學為例,介紹了該校基于虛擬仿真實驗進行實驗教學改革的做法和效果。該中心采用“一平臺+四模塊”的架構。利用虛擬仿真實驗教學中心,實現模擬集成電路實驗課與理論課4個階段的配合與交叉促進。利用虛擬仿真實驗中心,緩解了課時的矛盾,較好地達到預習實驗的目的,拓展了實驗的內容。虛擬仿真實驗教學中心的建設對實驗教學改革的深化產生積極而深遠的影響。

虛擬仿真實驗； 模擬集成電路實驗； 實驗教學改革

教育部在2013年下半年印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》,由此拉開了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的序幕[1]。虛擬仿真實驗教學中心的建設是教育信息化發展的需要,對提升高等教育教學質量、深化實驗教學改革產生了重要的影響[2]。

在以往的實物實驗教學中,實驗的地點和時間是被限定的,通常只是讓學生完成數據讀取、分析與處理等“規定操作”,因而大大制約了對學生的工程創新能力的培養。此外,有些實驗(例如集成電路設計實驗)是不能以實物實驗方式進行的；而虛擬仿真實驗教學恰好解決了這一難題。虛擬仿真實驗教學可提供高可靠性、高安全性以及經濟的實驗方式[3-4]。為此,筆者依托電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心,把虛擬仿真技術引入集成電路實驗教學中,充分拓展集成電路實驗教學的內容、形式、時間與空間,使實驗教學更加靈活和生動。

1　電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的建設

安徽大學電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心以本校電子信息工程學院、電氣工程與自動化學院、計算機科學與技術學院為項目建設單位,整合了電子信息、電氣工程、網絡安全方面的師資力量和虛擬實驗教學成果。該中心設計為“一平臺+四模塊”架構:一平臺指電子電氣與網絡安全虛擬仿真管理平臺(含虛擬仿真實驗教學中心門戶網站系統)；四模塊包括電工電子虛擬仿真實驗模塊、集成電路設計虛擬仿真實驗模塊、電機系統虛擬仿真實驗模塊、網絡技術與網絡安全虛擬仿真實驗模塊。虛擬仿真管理平臺與4個虛擬仿真實驗模塊深度集成,形成虛擬仿真實驗教學管理與虛擬仿真實驗資源的聯動,構成完整的虛擬仿真網上實驗教學平臺。

1.1中心的建設原則

電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心需要兼顧不同專業實驗課程的設置和不同基礎的學生的需求,在開放的實驗平臺上提供多元化的實驗項目,因此需要遵循以下原則。

(1) 安全性原則。中心平臺在應用層面上采用完善的授權體系,具有用戶、分組、角色、權限、日志、備份管理和實時監控等功能。通過設置不同用戶的權限,保證業務操作的安全性。通過日志備份、事務備份、數據庫自動備份、災難恢復等多種方法實現在數據層面上的安全性。系統層面的安全特性則通過系統錯誤捕獲、日志功能實現。

(2) 實用性原則。系統的建設充分貼近學校教學實際,利用現有的、比較成熟的國家科技支撐計劃研究成果,結合學校的特殊要求定制開發,確保系統實用、可行,為教師提供網絡化的實驗計劃安排、系統化的自動批閱、集中化的成績管理等功能。

(3) 開放性原則。要有良好的開放服務功能,當用戶需求發生少量變化或產生較簡單的新需求時,可以自行在系統中修改或適度開發,從而提高效率、降低成本。同時,該系統要有效地與其他系統進行兼容和數據交換,以實現數據的充分共享。

(4) 可擴展性原則。平臺中的模塊具備靈活構建的功能。所有功能模塊都基于完整而健全的協議,融合為具有可擴展性的一體。系統管理員可以根據業務需求以最便捷的方式添加、修改和刪除平臺模塊及其他管理操作。

(5) 標準化原則。虛擬實驗采用教育信息化標準委員會制定的行業標準和國家標準。實驗教學信息采用教育部最新制定的高等學校標準信息子集。科學、規范化的業務設置,為各級管理部門之間的數據共享及數據交換奠定了良好的基礎。數據報表完全按教育部規定的上報格式,并保證同步更新。

(6) 易操作性原則。用戶界面作為虛擬仿真實驗平臺與用戶之間進行信息交互的橋梁,需經過充分的可用性測試。窗口界面簡潔、直觀,選單層次清晰[5],為用戶提供友好的操作方式,功能按鍵定義明確、操作簡單,且具有指向式說明。

1.2中心系統總體框架

電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的系統采用三層體系架構,包括客戶層、服務層和數據層(見圖1)。

圖1　電子電氣與網絡安全虛擬仿真實驗教學中心的系統總體框架

客戶層主要包括用戶使用的Browser和Smart Client。

服務層由網頁服務器(web server,WS)和應用服務器(application server,AS)組成:WS采用apache,主要用于接受用戶請求、處理靜態文件下載請求、轉發動態處理請求、提供負載均衡功能；AS采用tomcat,主要用來處理WS轉發的動態請求,可以訪問連接到服務器的硬件,實現對實驗裝置的遠程控制。

數據層主要包括數據庫服務器(database server,DS)、分布式文件系統服務器(distributed file system server,DFSS)和其他外部系統。DS用來存儲關系數據；DFSS主要用來存儲圖片、文件等數據；其他外部系統是指和本系統發生調用或數據交互的系統。

1.3集成電路設計虛擬仿真實驗模塊

集成電路設計虛擬仿真實驗模塊是基于學校特色專業——微電子科學與工程而設計的。從教學及研究的實際出發,通過校企合作、聯合開發的方式,一方面將已經擁有的集成電路設計虛擬實驗教學資源加以整合,另外一方面積極從實際教學需要出發,定制開發集成電路設計虛擬仿真實驗,建立特色集成電路設計虛擬仿真實驗體系。

集成電路設計虛擬仿真實驗模塊分為模擬集成電路、數字集成電路、混合集成電路3部分。根據人才培養的需要,該模塊又分為平臺適應性實驗模塊、驗證性實驗模塊、設計性實驗模塊和綜合性實驗模塊。

2　模擬集成電路實驗教學

常用的模擬集成電路設計工具種類較多,在實驗教學過程中,教師在有限的時間內不可能將所有的工具作詳細講解,學生也沒有精力掌握所有工具的使用方法。教師常常只能將某一種軟件中常用工具命令從頭到尾地講述一遍,當命令介紹完了,課程也就結束了[6]。于是,學生陷入為使用工具而使用工具的狀態中,學生并不清楚如何用實驗結果指導優化芯片設計。

提高課程教學質量的核心是完善課程體系建設和教學內容,最有效的解決辦法是安排足夠的實驗學時和實驗內容,增加綜合性、設計性實驗內容。然而,教學計劃不可能為每門課程增加學時,因此,按照新的教育理念精選教學內容成為解決矛盾的唯一出路。對教師而言,如何合理分配有限的學時,如何有機結合理論課與實驗課,是實驗教學的兩大難題。

實驗課與理論課的開課順序主要有3種形式。

(1) 實驗課超前于理論課。這種形式驗證性實驗居多,特別是模擬集成電路設計實驗課安排的內容大多是驗證性實驗,學生在實驗過程中基本上是照葫蘆畫瓢,對實驗目的不很明確。

(2) 實驗課后于理論課。采用這種形式,雖然學生對理論課的知識有了一個整體認識,但由于理論課與實驗課分離,實驗效果也不理想。

(3) 實驗課嵌入理論課。這是一種較好的形式。以“集成電路原理”課程為例,課程的實驗內容可分為平臺適應性實驗、驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗(見圖2)。

圖2　“集成電路原理”實驗課分階段嵌入理論課

平臺適應性實驗可以使學生用較短的時間掌握EDA工具的基本使用方法；驗證性實驗主要是鞏固和加深學生對理論知識的理解；設計性和綜合性實驗主要是鍛煉學生全面運用知識、綜合處理問題的能力。

在時間段Ⅰ內,學生進行平臺適應性實驗時,尚缺乏關于實驗的知識。因此,教師要注重課堂講解,而弱化實驗報告,使學生在一個相對輕松的環境下主動探索。教師重點是把整個設計過程和軟件的操作過程說清楚,至于具體的設計技巧與調試方法,不需要進行太詳細的講解。需要特別指出的是,基于虛擬仿真實驗教學,這一階段的實驗課時可以大大縮小,充分緩解課時不足的問題。學生使用虛擬仿真實驗教學平臺,可以不受時間、地點的限制進行平臺適應性訓練。

在時間段Ⅱ內,主要是培養學生的基礎實驗技能,加深對基礎知識的理解。在設計實驗項目時,應強化典型模塊的設計,訓練學生熟練使用集成電路設計軟件來仿真、調試電路模塊。最初的實驗選擇簡單的實驗內容,比如邏輯門設計和單管放大實驗。前期不需要讓學生自己設計電路,將電路的幾種不同實現方案提供給學生,并詳細講解其中一個設計方案。這樣,即使理論課稍微滯后也不影響實驗教學。在講解后教師指導學生進行仿真,觀察實驗結果,比較不同方案的優劣。

在時間段Ⅲ內,培養學生綜合運用所學知識完成集成電路設計的能力。這一階段宜采用分級教學、因材施教的模式。因為用同一標準要求不同能力和水平的學生,將制約學生的發展。筆者將實驗內容分為必做模塊和選做模塊。必做模塊面向全體學生,選做模塊是一部分難度較大的綜合性課題,面向學有余力的學生。以SRAM位單元[7-10]設計實驗為例,該實驗要求學生掌握65 nm CMOS工藝下6T SRAM位單元在讀、寫、保持操作期間所需的時序以及產生此時序的外圍電路。這是必須完成的環節,實驗所需的6T SRAM位單元結構圖如圖3所示:

圖3　6T SRAM位單元結構圖

傳統6T SRAM位單元結構是由2個反相器首尾相連構成的雙穩態存儲電路和2個NMOS傳輸管構成。然而不同尺寸的MOS管會有不同的電學特性,不同大小的W/L比會產生不同的電流,而不同大小的電流會帶來速度、功耗等各個方面的性能差異。尺寸的修改對學生的能力要求較高,因此,性能優化的實驗作為選做模塊。實驗要求學生在不改變傳統6T SRAM Bit Cell電路結構的基礎上,通過改變MOS管的尺寸,獲得穩定、高速的電路。圖4為6T SRAM 位單元的寫裕度的仿真結果。

圖4　6T SRAM位單元的寫裕度的仿真結果

在時間段Ⅳ,實驗教學模式是從單一的實驗室內實驗變為課上課下、實驗室內外多元化的實驗形式,實驗內容則與學科競賽、教師科研項目緊密聯系,重點培養學生的創新能力和從事科研工作的能力。該類實驗模式是給學生提出一個問題,不限定解決問題的方法,由學生通過運用所學專業知識進行思考、分析,提出設計方案并加以實現[11]。教師對于綜合設計性的實驗項目,可先對其進行功能劃分,要求學生根據設計要求,按功能分塊進行設計,待分塊設計完成后再進行整體設計。綜合性實驗通常需要大量的仿真,引入虛擬仿真實驗平臺后,可以讓學生在課余時間完成此環節。

再以6T SRAM位單元設計實驗為例。為了充分驗證位單元設計,需要進行蒙特卡洛仿真。此類型仿真可獲得大量數據,但需占用很多時間。圖5所示是某位學生仿真得到的位單元蝴蝶曲線。從圖中可以看出其設計存在一定問題,圖5(a)中的曲線不應當下降到0,需要重新設計與仿真,但是需要占用很多計算機運算時間和資源。虛擬仿真實驗平臺可以使學生不受時間地點的限制完成實驗工作,大大節省了學生與教師的時間。

圖5　位單元蝴蝶曲線的仿真圖

3　結語

遠程虛擬仿真實驗不可能排斥或取代現在的實物實驗形式,然而卻可以提高學生參與實驗的積極性和主動性,使學生充分開拓思維,發揮想象力和創造力[12]。利用虛擬仿真實驗不但緩解了課時的矛盾,較好地達到預習實驗的目的,拓展了實驗的內容,而且打破了傳統實驗的限制,整合優化了實驗資源,充分利用了優質實驗資源。基于虛擬仿真技術改革模擬集成電路實驗教學是一個值得探索的課題。

References)

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[2] 王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

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[4] 周世杰,吉家成,王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育,2015(9):5-11.

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[6] 藺智挺.“電子線路計算機輔助設計”教學改革探索[J].中國科教創新導刊,2012(22):157.

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Experimental teaching of analog integrated circuits based on virtual simulation experiments

Lin Zhiting

(School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China)

This paper introduces the construction of the virtual simulation experimental center of Anhui University for the electronic and electrical and network security teaching. At the same time, takeing the experimental teaching of the analog integrated circuit as an example, this article introduces the reform based on the virtual simulation experiments. The center uses an architecture which consists of one platform and four modules. Taking advantages of the virtual simulation experiments, the experimental and theoretical course can be cooperated and mutually improved in four different substages. With the virtual simulation experimental center, the problem of the shortage of class hours is alleviated. It helps us to achieve the purpose of preview, and expand the contents of the experiments. The construction of the virtual simulation experimental center has a positive and far-reaching influence on the reform of experimental teaching.

virtual simulation experiments; experiment of analog integrated circuits; reform of experimental teaching

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.031

2015- 06- 29

國家科技重大專項課題(2011ZX01034-001-002-003)；安徽省高校自然科學基金項目(KJ2013A006)；安徽省高等學校省級質量工程教學研究項目(2014jyxm049)；安徽大學“交叉式電路實驗教學模式研究”教學改革與建設項目(xjjyxm14006)

藺智挺(1981—),男,遼寧新賓,博士,副教授,主要研究方向為模擬集成電路設計.

E-mail：ztlin@ahu.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2016)1- 0122- 05