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摘要:“數字集成電路設計與驗證”是一門微電子方向研究生重要的學科基礎課，具有很強的工程實踐性。如何讓學生全面掌握整個數字集成電路設計流程及設計方法并具備分析和解決問題的能力是本課程教學的難點。本文提出了基于真實工程項目設計的案例式教學方法，開展了歷時三年的教學改革研究與實踐。研究數據表明該方法能顯著提高學生的設計和分析能力，但對不同水平學生的受益程度存在差異。文章最后給出了進一步改進教學方法的幾點建議。

關鍵詞:集成電路;案例教學;Cache控制器

0引言

集成電路包括模擬集成電路和數字集成電路。其中數字集成電路發展異常迅速，已形成了一整套標準的工業化設計流程。標準流程包括:系統設計、邏輯設計、邏輯綜合、版圖設計和布局布線。在這個流程中，還伴隨著必不可少的設計模擬、功能驗證、時序分析和功耗分析等驗證、分析工作。以上各環節相互交織、相互印證并經常需要多次迭代，才形成了一個完整的工業化流程，用以保證根據該流程設計生產出來芯片的質量。面對如此復雜的流程，在有關數字集成電路教學中如何讓學生對流程各階段的原理融會貫通并具備分析和解決問題的能力是一個難點。“數字集成電路設計與驗證”課程是我校計算機學院微電子學與固體電子學專業碩士研究生的學科基礎課程，內容包括數字集成電路的硬件描述、驗證、綜合、物理設計的基本概念、基本方法和實現算法。本文以此課程為實踐平臺，提出和實踐了在教學中引入真實項目設計案例配合理論講授的教學方法，并對教學考查結果進行了分析和思考。

1教學現狀

目前國內各大高校普遍開設了集成電路課程，也針對相關課程教學方法展開了研究。文獻［1］提出了如何通過構建設計案例來提高學生的學習興趣從而進一步激發其開展自主學習;文獻［2］提出了如何在課程中面向個體差異、有的放矢的教學思路;文獻［3］探討了在集成電路設計實驗中采用研究型實驗教學模式的方法和對學生及教師的要求;文獻［4］探索了如何利用新的課程考核方法促使學生提高動手能力;文獻［5］探索了項目教學法在實際教學中的應用;文獻［6］論述了案例教學法對工程類課程教學的實踐要求并探討了為提高教學效果需采用的保障措施。上述研究從案例研究、考核方法和差異化教學等多個角度探索了針對集成電路課程的教學改進方法，本文將在此基礎上針對課程特點做進一步的教學探討。在以前數字集成電路課程的教學設計中，教師會對數字集成電路每個設計階段的概念和原理進行講解，并分別用不同的例子引導學生理解這些理論和使用技巧。根據幾年的課程積累和學生反饋，我們發現，學生在掌握課程基本原理的同時，對設計流程各階段的內在聯系認識并不透徹，多個知識點不能有機融合，分析問題和解決問題的能力培養也尚有不足。而學生完成課程進入研究或課題后，因為經驗不夠往往接觸到的是初級單一的設計或驗證工作，很少有機會從事全流程的設計規劃工作。這導致其在做設計或驗證工作時只見樹木不見森林，無法從系統的角度分析和解決問題，最終無法得到最優的設計結果。因此，如何使學生在掌握數字集成電路設計各知識點的前提下能對各設計階段進行有機銜接是課程中的難點，我們通過在課程講授中貫穿一個真實項目中的設計案例來幫助學生進行理論學習的同時，更深入地了解集成電路設計的全流程、培養分析解決問題的實踐能力。

2課程設計

2．1真實項目案例教學法

為達到讓學生通曉數字集成電路全流程設計的目的，我們在”數字集成電路設計與驗證”教學中，采用一個真實項目中的設計作為案例進行剖析，隨著案例設計每個階段理論講授的同時對案例中的功能模塊同步研究和設計。當全部理論知識講授完畢時，案例模塊也隨著設計完成。通過這種方法，學生有機會結合課程知識自己動手對模塊進行設計和優化，因此能更深入地理解所學到的內容。由于案例為真實項目中涉及的設計模塊，在設計流程推進時也盡量按照標準工業化流程要求執行，學生從中可以體會真實項目的執行情況。除了講授流程中各階段的概念原理以外，課程還著重強調了各設計流程間的聯系和迭代，因此學生能以系統的眼光進行設計工作，為今后從事芯片設計做好準備。真實項目案例教學法的關鍵在于案例的選擇，這直接影響了教學效果的實現，我們在真實項目的多個備選設計中選擇了Cache控制器作為案例，原因如下:(1)此模塊是CPU體系結構的標準組成部件，大部分學生具備相關的知識基礎。(2)模塊包括多種組合邏輯、時序邏輯功能電路結構，便于結合課堂理論內容講授實際使用技巧。(3)模塊邏輯規模適中，在個人電腦上運行EDA設計軟件的等待時間可接受。(4)可以結合片外器件講授系統設計知識來增強學生的系統認知。(5)授課教師具有豐富的項目經驗且在真實項目里設計實現過此模塊，能充分把握講授內容。

2．2教學實施方法

以我校計算機學院微電子專業碩士研究生課程“數字集成電路設計與驗證”為實踐平臺，開展了歷時兩年的真實項目案例教學法的研究。授課時段為2015年到2017年，年度課時為54學時。2015年我們未使用真實項目案例教學，2016開始以Cache控制器為案例進行教學，2017年根據前一年的反饋進一步完善案例模型以更適合課堂教學及討論優化。教學是以理論為基礎、案例為實踐，結合項目驅動方式來培養學生的動手能力和分析能力。教學實施的過程如圖1所示。我們是在引導學生熟悉理論知識的基礎上認識案例，啟發學生運用所學知識獨立思考，從案例中發現問題，并以個人發言、小組討論或集體辯論等方式分析和解決問題，讓學生將所學知識具體運用于案例中，最后教師會就發言情況和提出的方案給出總結評價。

2．3課堂講授

課程分四個階段來進行真實項目案例法教學。

1)代碼結構階段

由于很多學生以前沒有具體設計過電路，但通常熟悉了一兩門軟件編程語言，所以怎樣讓學生盡快將軟件編程習慣轉換為硬件編程習慣是這階段教學的重點。我們首先講授一些標準電路模塊結構的設計方法，并具體結合案例功能講述在案例中的哪部分是用所學結構實現的，學生從中可以了解到這些結構的原理和具體使用場合，從而能加速形成硬件編程習慣，同時也能加深對案例功能的了解。

2)代碼綜合階段

當學會使用硬件編程語言設計硬件后，學生并不清楚每種邏輯結構具體對應怎樣的門級實現。我們通過講授邏輯綜合的理論讓學生建立高級語言到門級網表的映射關系，還專門在案例中留了優化空間，針對案例中不完善的部分，和學生討論怎樣優化案例設計。學生結合課堂上學到的內容經討論后通常可以發現這些優化的方向，并在這個過程中加深了對相關理論的理解。通過代碼結構和代碼綜合階段的學習，學生能將體系結構知識和電路結構知識有機結合起來。

3)版圖設計階段

設計形成網表后就要開始進行版圖設計，在很多項目中這個階段的設計工作和之前流程的工作是由不同的人完成，這會造成設計的脫節和指標下降，因此我們安排了版圖設計內容讓學生了解這方面的理論。在之前的設計階段，學生對模塊只有邏輯概念，當親手在案例中進行物理版圖設計時，學生開始建立模塊的物理概念，并能根據版圖設計中的問題對此階段或更早階段的設計進行調整優化。通過這個過程，學生會逐漸將這幾個階段結合起來，意識到多個階段緊密結合才能做出更好的設計。

4)封裝及板級設計階段

學生進行版圖設計時經常無法判斷版圖是否合理，這時需要進一步學習芯片封裝及板級設計的概念。因為集成電路芯片是通過封裝焊到印制板上使用，設計模塊要和板上器件的擺放統一考慮才能得到最優的版圖設計結果，板上的限制會使片內模塊受到影響，我們會針對案例討論具體的使用環境和設計限制。通過這些講授和討論，學生能進一步從系統的高度審視芯片設計從而對集成電路設計有了更全面的認識。經過上述4個設計階段的講授，通過對案例在各個階段出現問題的討論及不斷的優化改進，我們最終得到一個較優的案例設計。這個過程與一個真實的數字集成電路芯片項目的設計流程十分類似。通過這個過程，學生能在短短幾次課里感受到真實項目的推進和迭代過程。通過多次的探討和優化，學生對怎樣判斷模塊設計的好壞和從什么角度分析和解決問題有了更深刻的認識，這對他們將來從事相關研究奠定了良好的理論和實踐基礎。

3分析與思考

在開展真實項目案例教學法的三年實踐中，教學效果主要通過課程考試得以體現。三年的課程考試題目類型相同、題目不同但難度相當。圖2為三年來學生在課程考試中不同類型題目的得分率，這里得分率指的是所有學生這類題目實際得分和所分配分值比率的算術平均值。概念題是考查學生對各個階段設計及各專有名詞基本概念的理解，可以看出在概念題得分率上每年相差不多;設計題是考查學生各階段的設計能力，設計題的得分率略有上升;論述分析題是考查學生針對各階段設計出現問題的分析和解決能力，這項得分率隨著案例模型的完善有明顯的提高，這說明采用真實項目案例配合教學能使學生分析問題的能力顯著提升。圖3為三年來學生的成績分布圖，這里統計的成績是按考試成績均勻縮放到60～100分區間后得出的。在圖3中可以看出不同水平學生的受益程度存在差異，三年來學生成績的差距有逐漸擴大的趨勢，成績中低的學生比例變化不大，高分段的學生成績更好了。在課堂教學和實驗教學中我們觀察到參與討論最積極的往往是同樣的幾個學生而其他學生的參與感相對弱一些。通過學生的反饋我們得知，在授課學期學生的課業負擔非常重，只有學有余力的學生才有時間在課余對案例進行深入研究從而獲得了更大的收益。通過上面的分析，我們認識到雖然這種教學方法總體上能使學生的課業水平得到提升，但還需進一步改進來讓更多學生獲得益處。經過思考本文提出以下措施來改進教學:(1)案例可酌情縮小規模，在不降低設計復雜性的同時減少工程量。(2)課堂各部分內容的課時分配可進一步優化。(3)可采用分層教學使更多學生能參與討論。(4)硬件設計綜合能力的培養并非單獨一門課程完成，專業領域內的相關研究生課程應形成體系，互相助力，為提升研究生的實踐動手能力形成合力。

4結語

數字集成電路設計和驗證是一個完善且復雜的工業化流程，學生在學習過程中會接觸很多全新且相互關聯的知識點，如何讓學生對設計流程各階段的原理融會貫通并具備分析和解決問題的能力是相關課程教學的難點。本文首先介紹了數字集成電路課程的特點，分析了學生對全流程設計的分析和解決能力不足的問題，提出了一種采用真實項目案例來配合理論教學的方法并詳細闡述了教學方法和實施過程。考查分析的結果表明，這種方法在總體上能顯著提高學生分析和解決問題的能力，但也發現不同水平學生的受益程度存在差異。文章最后給出了進一步改進教學方法的幾點建議，希望在未來的教學過程中取得更好的教學效果。

參考文獻:

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作者:馬馳遠 陳海燕 劉勝 單位:國防科技大學