数字集成电路设计教学方法探讨

陈国平 王楠 简献忠

【摘要】通过数字集成电路设计理论课和实验课教学的实践经验及教学研究心得，以某高校电子科学与技术本科专业为例，分析了数字集成电路设计几种不同的课程体系，探讨了不同的课程体系的不同教学方法及其相互关系，通过将几种不同的课程体系的不同教学方法进行相互融合，构建系统化的教学工作。

【关键词】数字集成电路设计 ASIC设计 EDA设计 教学方法

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）12-0214-01

集成电路设计相关课程体系是各高等院校电子科学与技术、微电子学等理工科专业核心专业课程设置的重要组成部分，大多数理工科高校对电子类专业开设模拟集成电路设计和数字集成电路设计的课程，对学生进行综合培养。对于数字集成电路设计，一方面从原理的角度来看，可以深入到晶体管级进行深入分析和設计，另一方面从实践的角度来看，也可以通过运用高级硬件电路描述语言基于门级结构对电路进行设计与仿真。而高级设计又可以分为为了流片生产的全定制专用集成电路（ASIC）设计和基于CPLD/FPGA进行的EDA技术仿真设计。本文通过作者多年来在数字集成电路设计理论和实践教学积累的经验和教学心得，对如何在繁琐和复杂的教学中使学生更好的掌握知识体系进行了探讨。

1.晶体管级的设计

因为进行数字集成电路晶体管级的电路结构分析和设计有一定的难度和复杂度，其学习分析的手段方法跟模拟集成电路设计比较接近，所以只有部分高校的微电子学专业会深入学习。

1.1经典教材的选择

集成电路的设计，在教学知识体系方面美国的高校如斯坦福、加州大学等高校要比国内高校更加系统和完善。美国出版的多本教材更是被奉为集成电路设计的圣经，如拉贝尔等著周润德等译的《数字集成电路——电路、系统与设计》，宋莫康等著王志功等译的《CMOS数字集成电路：分析与设计》，霍奇斯等著蒋安平等译的《数字集成电路分析与设计——深亚微米工艺》等。这些经典教材有一个共同的特点，就是都对晶体管级的电路结构进行了深入分析，都对各种常用的组合逻辑和时序逻辑电路进行了透彻的讲解，有的给出了SPICE仿真模型，有的进行了系统设计，有的还讲解了版图的设计。

1.2HSPICE仿真实验教学辅助

HSPICE是在集成电路设计领域专业使用的高精度的仿真工具，而且HSPICE具有可以在WINDOWS环境下方便使用的小型的软件版本，所以可以很方便的用在课堂教学和仿真实验中。同样因为理论学习的难度，使用HSPICE进行数字集成电路的仿真设计也是比较复杂和繁琐的，所以不是所有电子相关专业的学生都能深入学习和掌握。

2.ASIC的高级设计

专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit）是指一种为专门目的而设计的集成电路，进行ASIC的高级设计实际是应用高级硬件电路描述语言VHDL或Verilog HDL进行硬件电路的仿真设计。

2.1教材的选择

比较经典的国外教材有帕尔尼卡著夏宇闻等译的《Verilog？HDL数字设计与综合》，纳瓦毕著李广军等译的《Verilog数字系统设计——RTL综合、测试平台与验证》，佩德罗尼著乔庐峰等译的《VHDL数字电路设计教程》等。这些教材的共同特点是都对硬件电路描述语言进行了很好的语法讲解，对如何进行仿真设计只是略为描述，而对电路综合基本涉及不多。

2.2实践教学的辅助

为了方便于在课堂教学和仿真实验中使用，进行ASIC的高级设计可以选择WINDOWS环境下的Modelsim等小型软件进行仿真，Synplify等小型软件进行电路综合。如果为了便于流片生产应该使用可以加入制造工厂工艺库的大型软件进行综合，但是受条件所限在教学过程中不方便使用。

3.EDA技术的仿真设计

使用EDA技术进行电路设计实际上是基于CPLD/FPGA进行的数字电路设计，因为是在可编程逻辑器件或者门阵列上进行的二次开发，所以可以快速的看到仿真结果并应用于实际。

3.1教材的选择

近些年国内在EDA技术方面的发展也很快，国内出版的教材也基本能够满足教学需要。比如潘松等编著的《EDA技术实用教程—Verilog HDL版》，《EDA技术与VHDL》，王金明编著的《数字系统设计与VHDL》，《EDA技术与Verilog HDL设计》等。这些教材基本上都对硬件电路描述语言进行了深入讲解，还对CPLD/FPGA的电路结构设计方法进行了分析探讨，有的也对仿真工具的使用方法进行了说明。

3.2实践教学的辅助

因为生产CPLD/FPGA芯片的厂家都提供自己的软件，如Altera公司的Quartus软件，Xilinx公司的ISE软件等，所以可以直接使用这些软件进行仿真设计。这些软件都功能齐全且强大，能直接选择所使用的芯片仿真或下载运行，可以很方便的运用于教学以及科研实践工作中。

4.结束语

综上所述，数字集成电路设计可以深入晶体管级进行分析与设计，也可以运用高级硬件电路描述语言进行专用集成电路ASIC设计或者EDA技术仿真设计。几种分析设计方法似有区别，却又相辅相成，晶体管级电路是基础，高级语言设计是实现方法和手段，应该相互融合而不该完全割裂。在此背景下，本文积极探索了数字集成电路设计的教学方法，分析了数字集成电路设计几种不同的课程体系，探讨了不同的课程体系的不同教学方法及其相互关系，通过将几种不同的课程体系的不同教学方法进行相互融合，构建系统化的教学工作。本文的教学方法在高校的教学过程中，取得了长足的进步和发展，也得到了学生的高度认同。本文作者的经验和方法也可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]拉贝尔等著周润德等译，数字集成电路——电路、系统与设计，电子工业出版社，2010.11

[2]宋莫康等著王志功等译，CMOS数字集成电路：分析与设计，电子工业出版社，2009.6

[3]帕尔尼卡著夏宇闻等译，Verilog HDL数字设计与综合，电子工业出版社，2012.5

[4]纳瓦毕著李广军等译，Verilog数字系统设计——RTL综合、测试平台与验证，电子工业出版社，2007.8

[5]潘松等编著，EDA技术实用教程——Verilog HDL版，科学出版社，2013.11