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摘要:针对“集成电路系统设计”课程理论教学难度大和实践性强的特点,采用理论教学和实验教学相结合的授课方式,把EDA工具的使用和演示贯穿于理论教学的全过程,使学生既可以深刻理解书本上的理论知识,又能提高集成电路系统的设计能力。通过开设多种多样的具有实用性和趣味性的实验,极大地激发了学生的学习积极性和创造性,取得了良好的效果。
关键词:集成电路系统设计;EDA工具;教学改革
作者简介:叶波(1971-),男,江苏泰兴人,上海电力学院计算机与信息工程学院,教授,理学博士,主要研究方向:集成电路设计;赵倩(1969-),女,湖南衡阳人,上海电力学院计算机与信息工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:集成电路设计、机器视觉。(上海 200090)
基金项目:本文系上海市重点课程建设项目(项目编号:20085303)的研究成果。
随着集成电路工艺和设计技术的发展,集成电路的规模可达上亿个晶体管,集成电路已经发展到系统芯片SoC时代。系统级芯片设计是目前提高工程师集成电路设计能力的主要手段,同时也是集成电路成为通信、控制、消费类电子产品核心技术的关键。[1]在电子科学与技术和电子信息工程等专业开设“集成电路系统设计”课程就显得非常必要。该课程主要讲授系统级芯片的设计方法,让学生了解和掌握大规模系统芯片的基本概念、设计流程、设计方法,主要面向电子科学与技术及相关专业的高年级学生。由于集成电路已经发展到纳米工艺,系统级芯片的设计与微米工艺的集成电路设计流程又有一些区别,这就需要让学生通过实验去进一步理解,因而该课程除了具有复杂的理论外,还具有很强的技术性和实践性。面对层出不穷的EDA新技术、数字系统设计方法的变革以及适应社会对电子信息技术人才的需求,必须加大实践教学的力度,给学生创造实践动手的环境。只有这样,才能不断激发学生的主动性、积极性和创造性,才能在实践中培养学生的创新意识和协作精神。
一、理论教学内容的改革实践
针对当前集成电路设计向系统芯片(SoC)发展的趋势,“集成电路系统设计”课程以系统芯片设计流程为主线来安排教学内容,让初次涉足此领域的学生自然地学习和掌握系统芯片的设计流程和方法。该课程全面阐述了系统芯片的架构设计、系统芯片的验证技术、可测性设计方法、低功耗设计技术、后端设计以及封装测试技术等。目前集成电路的课程已经离不开EDA技术,即电子设计自动化技术,它是现代电子信息工程领域的一门新技术,[2-3]是以计算机硬件和系统软件为工作平台,继承和借鉴了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而研制成的电子CAD通用软件包。[4]随着计算机、集成电路、电子系统设计技术的发展,如今EDA技术已由最初的PCB板设计延伸到了电子线路和集成电路的设计直至整个系统的设计中,也使集成电路的系统应用和整个电子系统生产过程都集成在一个环境之中,集成电路系统的仿真、逻辑综合、自动布局布线和版图设计等工作全部通过EDA工具完成。EDA作为世界电子技术的最新技术潮流和主要技术方向已经成为当前高校电子类课程教学的热点。
“集成电路系统设计”课程摒弃了传统的理论教学方法,把EDA工具的使用和演示贯穿于理论教学的全过程。由于采用了EDA辅助教学,促进了教学从内容到方法的根本性变革,实现了从中小规模的分立器件上升到大规模可编程集成器件、从自底向上的设计方法上升到自顶向下的专用集成电路(ASIC)和系统芯片(SoC)设计方法的质的飞跃。本课程理论教学采用业界最常用的IC设计EDA软件Modelsim,该软件基于Windows操作系统,使用方便,易学易用,上理论课时的一些难点都可以通过实例用软件进行直观的演示,加深了学生的印象。例如可以在分析电路工作原理的同时,通过快速形象地演示仿真运行的过程和结果,使单调、抽象的理论课讲解变得生动、具体,使学生容易理解,激发了学生的学习兴趣。
二、分层次设置多种多样的实验教学内容
为了适应不同学生的需求,实践教学分层次设置实验教学内容:验证性实验、设计性实验、综合性实验。每一层次又设置了多个不同的实验题目供学生选择,并鼓励学生在教师提供的实验题目之外自己寻找和设置实验课题和内容。
对于验证性实验,不是简单地输入一下程序,再看一下仿真结果,而是在验证的基础上,对学生提出新的要求,如要求对程序中的某些部分进行改进从而实现新的功能,从而有助于学生真正掌握编程的思想和自己动手调试程序的能力。
在完成验证性实验基础上,开展设计性实验。设计性实验内容有LED点阵显示、ADC模数转换、时钟显示、键盘扩展实验、步进电机控制实验等,这些实验必须在实验板上接上外围电路才能实现所要求的功能。所以在安排学生做这类实验之前,先上机熟悉有关逻辑器件的功能及管脚,这样在实际操作时,可以大幅缩短连线和调试时间,提高成功率。通过这部分的实验使学生对硬件电路有一个感性认识,同时通过观察显示结果激发学生的兴趣。
综合性实验有多功能数字钟、数字频率计、密码锁、全自动洗衣机控制器等,这些实验的实现电路和控制逻辑更加复杂,需要学生具有一定的系统设计能力才能完成。实验结束后,学生可以通过EDA软件对完成的实验进一步复习和总结,以提高实验效果。
另外,还充分利用上海电力学院与Altera公司建立的联合开放实验室,让每个学生在完成常规的系统芯片设计流程后,设计一些实际的集成电路系统,在可编程片上系统(SOPC)上进行实验并调试,测试并分析结果。整个过程,学生查阅资料独立设计,自己安装与调试,最终撰写设计报告。实验室提供安装测试条件,教师指导整个过程,包括如何查阅资料、设计、安装和测试。
三、解释实验现象,加深对理论知识的理解
在实验中,通过引导学生观察实验中的现象,解释抽象的理论知识和相关的硬件知识,并启发学生开动脑筋自己解决实验中的错误和故障。下面以一个具体的实例来说明。[5]
1.SOPC实验中的冒险现象
图1给出了一个逻辑冒险的例子,图2为其仿真波形。由图2可以看出,“A、B、C、D”四个输入信号经过布线延时,高低电平变换不是同时发生的,这导致输出信号“OUT”出现了毛刺。通过观察其他组合电路产生的毛刺现象可以发现,只要输入信号同时变化,组合逻辑就会产生毛刺。如果将它们的输出直接连接到时钟输入、清零或置位端口,可能会导致电路的功能不正确。所以设计时必须检查设计中所有时钟、清零和置位等受毛刺影响比较大的输入信号,确保输入端口没有任何毛刺。
判断一个逻辑电路在某些输入信号发生变化时是否会产生毛刺,首先要判断这些输入信号是否会同时变化,然后判断在信号同时变化时是否会产生毛刺,这可以通过逻辑函数的卡诺图或逻辑表达式来进行判断。[5]
2.如何处理毛刺
消除毛刺,首先要知道毛刺产生的原因。信号在SOPC器件内部通过连线和逻辑单元时,都有一定的延时。延时的大小不仅与连线的长短和逻辑单元的数目有关,而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。信号在器件中传输的时候,所需要的时间是不能精确估算的,当多路信号同时发生跳变的瞬间,就会产生一些不正确的脉冲,这些脉冲信号称为“毛刺”。如果一个组合逻辑电路中有“毛刺”出现,就说明该电路存在“冒险”。由于SOPC器件内部的电容和电感等对电路中的毛刺基本没有过滤作用,这些毛刺会一级一级往后传递。
可以通过改变设计,破坏毛刺产生的条件来减少毛刺的发生。对于D触发器的数据输入端,只要毛刺不出现在时钟的上升沿并且输入数据满足建立和保持时间,就不会对系统造成危害,即D触发器的数据输入端对毛刺不敏感,因而可以用D触发器去读取带毛刺的信号,从而消除输入信号中的毛刺。根据这个特性,在设计电路时尽可能采用同步电路,因为同步电路信号的变化都发生在时钟沿,只要毛刺不出现在时钟的边沿,就不会对电路系统造成危害。图3为使用D触发器进行毛刺消除的电路,图4为其仿真波形。
通过实验观察毛刺现象的产生,同时通过修改电路消除毛刺,这样学生就能真正理解理论课上讲授的毛刺现象和消除毛刺的方法。
四、结束语
“集成电路系统设计”是“集成电路设计基础”、“FPGA应用开发”课程基础上的专业课程,在集成电路技术飞速发展的形势下,开设这门课程具有重要的意义。通过该课程的学习,能使学生掌握系统级芯片的设计方法。同时多种多样的实用性、趣味性的实验内容极大地调动了学生做实验的积极性,提高了学生的工程实践能力和创新能力,同时培养了学生分析问题、解决问题的能力,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]郭炜,郭筝,谢憬.SoC设计方法与实现[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]康胜武,廖艳峨,毛哲.关于有效开展EDA教学的探讨[J].中国电力教育,2009,(9):89-90.
[3]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究[J].电子科技大学学报(社科版),2002,(2):91-94.
[4]陈立静.EDA技术在数字电路教学中的应用[J].中国电力教育,2009,(3):83-84.
[5]宣丽萍.FPGA器件的竞争与冒险现象及消除[J].现代电子技术,2005,28(10):119-120.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:集成电路系统设计;EDA工具;教学改革
作者简介:叶波(1971-),男,江苏泰兴人,上海电力学院计算机与信息工程学院,教授,理学博士,主要研究方向:集成电路设计;赵倩(1969-),女,湖南衡阳人,上海电力学院计算机与信息工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:集成电路设计、机器视觉。(上海 200090)
基金项目:本文系上海市重点课程建设项目(项目编号:20085303)的研究成果。
随着集成电路工艺和设计技术的发展,集成电路的规模可达上亿个晶体管,集成电路已经发展到系统芯片SoC时代。系统级芯片设计是目前提高工程师集成电路设计能力的主要手段,同时也是集成电路成为通信、控制、消费类电子产品核心技术的关键。[1]在电子科学与技术和电子信息工程等专业开设“集成电路系统设计”课程就显得非常必要。该课程主要讲授系统级芯片的设计方法,让学生了解和掌握大规模系统芯片的基本概念、设计流程、设计方法,主要面向电子科学与技术及相关专业的高年级学生。由于集成电路已经发展到纳米工艺,系统级芯片的设计与微米工艺的集成电路设计流程又有一些区别,这就需要让学生通过实验去进一步理解,因而该课程除了具有复杂的理论外,还具有很强的技术性和实践性。面对层出不穷的EDA新技术、数字系统设计方法的变革以及适应社会对电子信息技术人才的需求,必须加大实践教学的力度,给学生创造实践动手的环境。只有这样,才能不断激发学生的主动性、积极性和创造性,才能在实践中培养学生的创新意识和协作精神。
一、理论教学内容的改革实践
针对当前集成电路设计向系统芯片(SoC)发展的趋势,“集成电路系统设计”课程以系统芯片设计流程为主线来安排教学内容,让初次涉足此领域的学生自然地学习和掌握系统芯片的设计流程和方法。该课程全面阐述了系统芯片的架构设计、系统芯片的验证技术、可测性设计方法、低功耗设计技术、后端设计以及封装测试技术等。目前集成电路的课程已经离不开EDA技术,即电子设计自动化技术,它是现代电子信息工程领域的一门新技术,[2-3]是以计算机硬件和系统软件为工作平台,继承和借鉴了应用电子技术、计算机技术、智能化技术的最新成果而研制成的电子CAD通用软件包。[4]随着计算机、集成电路、电子系统设计技术的发展,如今EDA技术已由最初的PCB板设计延伸到了电子线路和集成电路的设计直至整个系统的设计中,也使集成电路的系统应用和整个电子系统生产过程都集成在一个环境之中,集成电路系统的仿真、逻辑综合、自动布局布线和版图设计等工作全部通过EDA工具完成。EDA作为世界电子技术的最新技术潮流和主要技术方向已经成为当前高校电子类课程教学的热点。
“集成电路系统设计”课程摒弃了传统的理论教学方法,把EDA工具的使用和演示贯穿于理论教学的全过程。由于采用了EDA辅助教学,促进了教学从内容到方法的根本性变革,实现了从中小规模的分立器件上升到大规模可编程集成器件、从自底向上的设计方法上升到自顶向下的专用集成电路(ASIC)和系统芯片(SoC)设计方法的质的飞跃。本课程理论教学采用业界最常用的IC设计EDA软件Modelsim,该软件基于Windows操作系统,使用方便,易学易用,上理论课时的一些难点都可以通过实例用软件进行直观的演示,加深了学生的印象。例如可以在分析电路工作原理的同时,通过快速形象地演示仿真运行的过程和结果,使单调、抽象的理论课讲解变得生动、具体,使学生容易理解,激发了学生的学习兴趣。
二、分层次设置多种多样的实验教学内容
为了适应不同学生的需求,实践教学分层次设置实验教学内容:验证性实验、设计性实验、综合性实验。每一层次又设置了多个不同的实验题目供学生选择,并鼓励学生在教师提供的实验题目之外自己寻找和设置实验课题和内容。
对于验证性实验,不是简单地输入一下程序,再看一下仿真结果,而是在验证的基础上,对学生提出新的要求,如要求对程序中的某些部分进行改进从而实现新的功能,从而有助于学生真正掌握编程的思想和自己动手调试程序的能力。
在完成验证性实验基础上,开展设计性实验。设计性实验内容有LED点阵显示、ADC模数转换、时钟显示、键盘扩展实验、步进电机控制实验等,这些实验必须在实验板上接上外围电路才能实现所要求的功能。所以在安排学生做这类实验之前,先上机熟悉有关逻辑器件的功能及管脚,这样在实际操作时,可以大幅缩短连线和调试时间,提高成功率。通过这部分的实验使学生对硬件电路有一个感性认识,同时通过观察显示结果激发学生的兴趣。
综合性实验有多功能数字钟、数字频率计、密码锁、全自动洗衣机控制器等,这些实验的实现电路和控制逻辑更加复杂,需要学生具有一定的系统设计能力才能完成。实验结束后,学生可以通过EDA软件对完成的实验进一步复习和总结,以提高实验效果。
另外,还充分利用上海电力学院与Altera公司建立的联合开放实验室,让每个学生在完成常规的系统芯片设计流程后,设计一些实际的集成电路系统,在可编程片上系统(SOPC)上进行实验并调试,测试并分析结果。整个过程,学生查阅资料独立设计,自己安装与调试,最终撰写设计报告。实验室提供安装测试条件,教师指导整个过程,包括如何查阅资料、设计、安装和测试。
三、解释实验现象,加深对理论知识的理解
在实验中,通过引导学生观察实验中的现象,解释抽象的理论知识和相关的硬件知识,并启发学生开动脑筋自己解决实验中的错误和故障。下面以一个具体的实例来说明。[5]
1.SOPC实验中的冒险现象
图1给出了一个逻辑冒险的例子,图2为其仿真波形。由图2可以看出,“A、B、C、D”四个输入信号经过布线延时,高低电平变换不是同时发生的,这导致输出信号“OUT”出现了毛刺。通过观察其他组合电路产生的毛刺现象可以发现,只要输入信号同时变化,组合逻辑就会产生毛刺。如果将它们的输出直接连接到时钟输入、清零或置位端口,可能会导致电路的功能不正确。所以设计时必须检查设计中所有时钟、清零和置位等受毛刺影响比较大的输入信号,确保输入端口没有任何毛刺。
判断一个逻辑电路在某些输入信号发生变化时是否会产生毛刺,首先要判断这些输入信号是否会同时变化,然后判断在信号同时变化时是否会产生毛刺,这可以通过逻辑函数的卡诺图或逻辑表达式来进行判断。[5]
2.如何处理毛刺
消除毛刺,首先要知道毛刺产生的原因。信号在SOPC器件内部通过连线和逻辑单元时,都有一定的延时。延时的大小不仅与连线的长短和逻辑单元的数目有关,而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。信号在器件中传输的时候,所需要的时间是不能精确估算的,当多路信号同时发生跳变的瞬间,就会产生一些不正确的脉冲,这些脉冲信号称为“毛刺”。如果一个组合逻辑电路中有“毛刺”出现,就说明该电路存在“冒险”。由于SOPC器件内部的电容和电感等对电路中的毛刺基本没有过滤作用,这些毛刺会一级一级往后传递。
可以通过改变设计,破坏毛刺产生的条件来减少毛刺的发生。对于D触发器的数据输入端,只要毛刺不出现在时钟的上升沿并且输入数据满足建立和保持时间,就不会对系统造成危害,即D触发器的数据输入端对毛刺不敏感,因而可以用D触发器去读取带毛刺的信号,从而消除输入信号中的毛刺。根据这个特性,在设计电路时尽可能采用同步电路,因为同步电路信号的变化都发生在时钟沿,只要毛刺不出现在时钟的边沿,就不会对电路系统造成危害。图3为使用D触发器进行毛刺消除的电路,图4为其仿真波形。
通过实验观察毛刺现象的产生,同时通过修改电路消除毛刺,这样学生就能真正理解理论课上讲授的毛刺现象和消除毛刺的方法。
四、结束语
“集成电路系统设计”是“集成电路设计基础”、“FPGA应用开发”课程基础上的专业课程,在集成电路技术飞速发展的形势下,开设这门课程具有重要的意义。通过该课程的学习,能使学生掌握系统级芯片的设计方法。同时多种多样的实用性、趣味性的实验内容极大地调动了学生做实验的积极性,提高了学生的工程实践能力和创新能力,同时培养了学生分析问题、解决问题的能力,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]郭炜,郭筝,谢憬.SoC设计方法与实现[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]康胜武,廖艳峨,毛哲.关于有效开展EDA教学的探讨[J].中国电力教育,2009,(9):89-90.
[3]汪建.将EDA技术引入电子类课程教学研究[J].电子科技大学学报(社科版),2002,(2):91-94.
[4]陈立静.EDA技术在数字电路教学中的应用[J].中国电力教育,2009,(3):83-84.
[5]宣丽萍.FPGA器件的竞争与冒险现象及消除[J].现代电子技术,2005,28(10):119-120.
(责任编辑:苏宇嵬)