集成電路設計自動化范文

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篇1

關鍵詞：集成電路設計；應用型人才；課程改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）14-0059-02

一、引言

在過去的20多年來，中國教育實現兩大歷史性跨越。第一是實現了基本普及義務教育，基本掃除青壯年文盲的目標；第二是中國高等教育開始邁入大眾化階段，高教毛入學率達到17%。據《2012年中國大學生就業報告》顯示[1]，在2011年畢業的大學生中，有近57萬人處于失業狀態，10多萬人選擇“啃老”；即使工作一年的人，對工作的滿意率也只有47%。2012年，全國普通高校畢業生規模達到680萬人，畢業人數再創新高，大學生將面臨越來越沉重的就業壓力。面對這樣的困境，國家相關部分提出了一系列的舉措，其中對本科畢業生的培養目標逐漸向應用型人才轉變[2-4]。集成電路作為信息產業的基礎和核心，是國民經濟和社會發展的戰略性產業，已成為當前國際競爭的焦點和衡量一個國家或地區現代化程度以及綜合國力的重要標志。本文將在對集成電路設計專業特點分析的基礎上，以北京信息科技大學集成電路設計專業課程設置為例，介紹面向應用型人才培養目標地集成電路設計本科課程現階段存在的問題并給出相關可行的改革方案。

二、集成電路設計專業特點

進入本世紀后，我國的集成電路發展迅速，集成電路設計需求劇增。為了適應社會發展的需要，國家開始加大推廣集成電路設計相關課程的本科教學工作[5]。經過十年多的發展，集成電路設計專業特色也越來越明顯。

首先，集成電路設計專業對學生的專業基礎知識要求高。隨著工藝的不斷進步，集成電路芯片的尺寸不斷下降，芯片功能不斷增強，功耗越來越低，速度越來越快。但隨著器件尺寸的不斷下降，組成芯片的最基本單元――“器件”的高階特性對電路性能的影響越來越大。除了器件基礎，電路設計人員同時還需要了解后端電路設計相關的版圖、工藝、封裝、測試等相關基礎知識，而這些流程環環相扣，任何一個環節出現問題，很難想象芯片能正常工作[6]。因此，對于一個合格的電路設計人員，深厚的專業基礎知識是必不可少的。

其次，集成電路設計專業需要學生對各種電子設計自動化工具熟悉，實踐能力強。隨著電子設計自動化工具的不斷發展，在電路設計的每一個階段，電路設計人員可以通過計算機完成電路設計的部分或全部的相關內容。另一方面，電子設計自動化工具的相關比較多，即使是同一家公司的同一種軟件的更新速度相當快，集成電路設計工具種類繁多，而且沒有統一的標準這對集成電路設計教學增加了很大的難度。

再次，集成電路設計專業的相關教學工作量大。正如前面所介紹，要完成一個電路芯片的設計，需要電路設計人員需要了解從器件基礎到電路搭建、電路仿真調試、版圖、工藝、封裝、測試等相關知識，同時還要通過實驗熟悉各種電子設計自動化工具的使用。所有相關內容對集成電路設計專業的教學內容提出了更多的要求，但從現有的情況看，相關專業的課時數目難以改變，所以在有限的課時內如何合理分配教學內容是集成電路設計專業教師重要的工作。

最后，集成電路設計專業對配套的軟、硬件平臺要求高，投入資金成本高。從現有的情況看，國際上有4大集成電路設計EDA公司，還有很多中、小型EDA公司。每個公司的產品各不相同，即使針對相同的電路芯片，設計自動化工具也各不相同。在硬件方面，軟件的安裝通常在高性能的服務器上，因此，硬件方面的成本也很高。軟硬件方面的成本嚴重地阻礙了國內很多高等院校的集成電路設計專業發展。

三、集成電路設計專業課程設置及存在的問題

在集成電路設計專業課程設置方面，不同的學校的課程設置各不相同。但總的來說可以分為三類：基礎課、專業課和選修課。在三類課程的設置方面，每個學校的定義各不相同，主要是根據本校集成電路設計專業的側重點不同而有所區別。從國內幾大相關院校的課程設置看，基礎課主要包括：《固體物理》、《半導體物理》、《晶體管原理》、《模擬電子技術》、《數字電子技術》等；專業課主要包括：《模擬集成電路設計》、《數字集成電路設計》、《信號處理》、《高頻電路》等；選修課主要包括：《集成電路EDA》、《集成電路芯片測試》、《集成電路版圖設計》、《集成電路封裝》等。

從現有的課程設置可以看到，針對國家應用型人才培養目標，現有的課程設置還存在很多問題，具體地說：

首先，課程設置偏于理論課程，實踐內容缺乏，不符合應用型人才的培養目標要求。從上面的課程設置情況可以看到，各大高校在課程安排方面都側重于理論教學，缺乏實踐內容。比如：《模擬集成電路設計》課程總學時為48，實驗學時為8，遠遠低于實際需求，難以在短短8學時內完成模擬集成電路設計相關實踐活動。雖然集成電路設計專業對于專業基礎知識要求寬廣，但并不深厚，因此，浪費太多時間在每個設計流程相關的理論知識的闡述是不合適的，也不符合我國大學生的現狀。

其次，實踐活動不能與集成電路設計業界實際需要相結合，實踐內容沒有可行性。從目前各大高等院校的課程內容方面調研結果表明，對于本科教學情況，90%以上的實踐內容都是教師根據理論教學內容設置一些簡單可行的小電路，學生按照實驗指導書的內容按相關步驟操作即可完成整個實驗過程。實驗內容簡單、重復，與集成電路設計業界實際需要完全不相關，這對學生以后的就業、擇業意義不大。

最后，沒有突現學校的專業特色，不適于當今社會集成電路設計業界對本科畢業生的要求。但在競爭激烈的電子信息產業界，如果想要畢業生擇業或者就業時有更強的競爭力，各大高校需要有自己的專業特色，但現在各個高校的現狀仍然是“全面發展，沒有特色”。這對于地方高校的集成電路設計專業畢業生是一個劣勢。

四、面向應用型人才培養目標的課程改革

針對上面闡述的相關問題，本文給出了面向應用型人才培養目標的集成電路設計專業課程改革的幾點方案，具體地說：

首先，削減理論課的課時，加大實驗內容比例。理論課時遠遠高于實踐課時是當今大學生教育的一個重要弊端，這也直接導致了大學生動手能力差、實踐活動參與度低、分工合作意識薄弱。而在不增加授課學時的前提下要改變這一現象，唯一的方法就是改變授課內容，適當削減理論課的課時，加大實驗內容的比例。這樣既能滿足國家對于本科畢業生應用型人才的培養目標，也符合創新型本科生的特點。

其次，積極推進“校企聯合辦學”，讓學生更早接觸業界發展，指導擇業、就業。正如前面介紹，現在各大高等院校的教學內容理論性太強，學生在大學四年學習到的相關知識與實際應用相脫離。這也造成很大一部分本科畢業生在入職后的第一年難以進入工作狀態，工作效率差，影響后面學生的就業、擇業。如果能在學生在校期間，比如大學三年級或更早，推進“校企聯合辦學”，使學生更早了解到業界真正工作模式以及業界關注的重點，這對于學生后續進入工作非常有利，同時也能推進學?？蒲泄ぷ?。

最后，實現優質教學資源的共享。這里的教學資源，除了包括授課筆記、教案、教學講義外還包括高水平教師。雖然現在高等教育研究相關機構也開設了一些青年教師課程培訓相關內容，但真正取得的成效還相對比較小。另外，針對集成電路設計專業來說，跟隨業界發展的相關知識更新較快，配套的軟硬件代價較高，如果能實現高校軟硬件教學資源的共享，尤其是高水平高校扶持低水平高校，這將更有利于提高畢業生的整體水平。

五、結論

本文詳細分析面對應用型人才培養目標的集成電路設計專業的特點，并在對國內相關院校集成電路設計專業調研基礎上給出集成電路設計專業的基礎課、專業課、選修課課程的內容以及教學方式情況，指出面向應用型人才培養目標現在課程設置方面存在的問題。同時，文章給出了在當今大學生招生人數劇增情況下，如何合理安排集成電路設計專業課程的方案從而實現應用型培養目標。

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篇2

知識經濟時代，社會經濟的發展越來越依賴于科學技術的進步，電子信息產業作為高新技術行業，又以集成電路（IntegratedCircuit，IC）的設計為前沿。作為21世紀的朝陽產業，IC設計能力反映了一個國家信息產業的硬實力，深刻地影響著人們生產、生活的方法面面，對于一國的經濟社會發展起著舉足輕重的作用。隨著集成電路的規模依據摩爾定律不斷呈指數級別地飛速增長，已經實現可以將整個系統集成到一塊單硅芯片上，片上系統（SystemonChip，SoC）的概念應運而生。然而對于大規模的SoC開發，無論從設計的費用、周期還是可靠性方面考慮，傳統的方法均已不能滿足需求。加之集成電路產業分工的日益細化,外包模式被更多企業采用，出于對商業風險、市場機會和材料成本的考慮，集成電路產業越來越多地使用知識產權核(IntellectualPropertyCore，IPCore)2復用的設計方法?！凹呻娐吩O計業已步入IP模塊的年代，IP開發、搜索、集成與服務是當前設計業發展的瓶頸,知識產權在集成電路設計業發展中的地位至關重要?！?據中國電子信息產業發展研究院（簡稱CCID）統計，2007年全球SoC市場已達750億美元，占國際IC市場的29%，其中全球SoC產品設計85%都采用IP核為主的預定制模塊，IP核的銷售額達到40億美元以上4。2012年，國家工信部軟件與集成電路促進中心(以下簡稱CSIP)調研報告顯示，移動互聯網時代的到來使得全球半導體產業發生著深刻的變化，而且必將會從量變轉入質變，其中一個重要的方面就是智能手機和平板電腦產業引發的SoC“核”競賽。國家集成電路人才培養基地專家預計，到2015年，中國芯片市場規模將超過1萬億元，SoC“IP核”價值將更為可觀。5隨著我國集成電路產業自主研發產品種類的不斷增加，中國IC企業也越來越多地涉足SoC設計，對IP核的需求持續快速增長。CSIP調研顯示，截止2011年12月，100%的中國IC企業都使用了第三方提供的IP核，其中34.2%的企業IP核采購支出占預算比例達20%～40%，18.4%的企業IP核采購支出甚至占到了40%以上，整體技術依存度畸高。關于影響國內IP核產業發展的主要因素調查表明，54%的企業認為首要問題是知識產權保護，許多企業不愿意推廣自己的IP核，原因幾乎一致，主要還是擔心知識產權保護不力，辛辛苦苦研發出來的技術被別人盜用或濫用。6由于對如何依靠我國現行知識產權法律保護IP核缺乏了解，除個別IC企業掌握少量自主知識產權的IP核外，絕大多數國內IC企業仍處于技術需求方的弱勢地位。不僅如此，“掌握核心技術的很多國外IP核供應商對國內知識產權的保護也表示懷疑，拒絕將該IP核在中國交易”7使得中國IC企業難以獲得高質量的IP核，并且動輒被懷疑存在抄襲等侵權行為8，更毋寧說進行技術交流與學習創新。

二、中國集成電路IP核發展的戰略措施分析

集成電路設計產業是電子信息產業發展的制高點，集成電路IP核作為集成電路設計的關鍵性技術成果對于產業的發展意義重大。我國集成電路設計產業遇到的困難主要是缺乏自主知識產權的集成電路IP核，導致IP核對外技術依存度畸高。為此，需要推動我國集成電路設計產業知識產權戰略，提升集成電路IP核的開發、獲取和保護能力，以促進我國集成電路產業的健康、快速發展。本文認為可以考慮從以下三方面著手：

（一）加強IP核知識產權法律協調保護力度集成電路IP核的知識產權保護方法，國際IP核標準化組織VSIA（虛擬插槽接口聯盟）的《IP核保護白皮書》9中歸納了三種保護途徑，第一種是依靠知識產權法律的“威懾”作用防止IP核被非法傳播與使用，否則將借助司法程序予以制裁。第二種是借助合同、契約等方式，如通過許可證協議等方式阻止IP核被非授權性使用，以達到“防衛”的效果。第三種則是通過水印和指紋等技術手段，對IP核的合法性進行“檢測”和追蹤。我國借鑒了VSIA的相關方案，相繼制定了《集成電路IP核保護大綱》等11項行業標準，但如上述國家機構的一系列調研報告表明的情況實施效果不甚理想。究其原因，主要是《集成電路布圖設計保護條例》（以下簡稱《IC條例》）制訂后保護思路的單一與保護力度的松懈。2001年《IC條例》的頒布讓業界普遍認為依靠《IC條例》就足以解決集成電路設計保護方面的所有問題。實則不然，鑒于集成電路IP核技術的復雜性與侵權的隱蔽性，集成電路IP核的知識產權保護通常較為困難。技術上，IP核已經發展到系統級別，依據設計流程上的區別可細分為多個類別。按照《IC條例》的規定只能對其中部分形式的IP核進行保護，卻容易忽視其它類別的IP核可以納入《著作權法》《專利法》《反不正當競爭法》等的保護范圍10，造成我國大量IP核創新成果的知識產權保護缺失。結合產業和技術發展，加強IP核知識產權法律間的協調保護力度，提升企業等創新主體的IP核知識產權保護意識和保護能力，無疑將有助于促進我國自主知識產權IP核數量的增加和設計質量的提高。另外，有擔心加強IP核知識產權法律保護力度可能會更有利于跨國公司而不利于我國本土企業IP核知識產權獲取，實際大可不必。集成電路IP核等信息產業知識產權領域的一個顯著特點就是容易出現相互制約的知識產權。只要我國企業能夠憑借后發優勢獲得一定數量的IP核知識產權，特別是如果能夠掌握或者突破部分IP核通用或核心技術的知識產權，則能夠擁有與跨國公司交叉許可的談判資本，至少可以大幅要求降低許可使用費用，同時形成良性循環并逐步實現全方位的趕超。值得注意的則是我國《反壟斷法》關于知識產權反壟斷的配合還需完善，以防止某些跨國公司憑借市場支配地位，通過搭售非必要專利、打包許可過期專利、限制競爭的技術回授等方式，濫用知識產權限制競爭，2015年初我國發生的高通公司壟斷案等已經敲響了警鐘。從這個意義上講，加強集成電路設計業的知識產權法律間協調保護力度，不僅要加強對權利人正當利益的保護，還應該加強對于權利人濫用知識產權權利的懲處力度。

（二）加快IP核知識產權海外技術收購步伐全球化時代的知識產權戰略不能隅于一國之內，隨著我國整體經濟實力的增強，中國企業也開始越來越多的邁出國門，參股投資、兼并收購國外的公司企業。中國的集成電路產業也應該部署自己的海外戰略，其中尤其應當重視對于所收購企業創新能力的考察，特別是知識產權價值的評估。審時度勢地加快IP核知識產權海外技術收購步伐能夠幫助我國集成電路設計企業在較短時間內獲得自己作為權利人的IP核知識產權。進行IP核跨國收購應對國際上與集成電路設計IP核業務有關的公司情況進行分析判斷。目前國際上，與集成電路設計IP核業務有關的公司主要有四大類11:一是以IP核授權或出售為主要贏利途徑的專業IP核公司，如ARM、Rambus、MIPSTechnologies等。二是大型的集成器件制造商(IDM)公司，如TI、Samsung、Freescale等，由于長期的技術積累，擁有大量供內部重復使用的IP核；三是電子設計自動化（EDA）軟件公司，如Synopsys、Cadence、Mentor等，為推廣EDA軟件，這些公司大都開發了許多可供用戶使用的IP核，配合EDA工具一起銷售；四是晶圓代工（Foundry）廠，如TSMC、UMC、Charter等，為吸引更多的客戶到本公司加工流片，大都提供了包括標準單元庫在內的FoundryIP核供客戶免費使用。我國集成電路IP核海外收購的主要對象應該是正處于創業期的小型專業IP核公司。大型的集成器件制造企業和電子設計自動化軟件公司除非經營遇到極大困難或為調整發展方向欲轉售相關業務的，如IBM公司將筆記本業務與相關知識產權轉讓中國聯想，否則一般很難切入收購相關IP核等知識產權。而晶圓代工廠的IP核由于多屬于非核心技術且通常免費提供，收購意義也不大。容易忽略的是各國創新孵化器、高技術園區乃至高等院校內的IP核創新成果或知識產權。國外公司對此一直十分重視，據報道，有世界知名的跨國公司就通過其在中國設立的子科技公司，逐個與上海高校科研處簽訂收購高校發明成果的合作框架協議或合同，而類似的情況還不在少數12。收購相關創新成果一則可以掌握最新技術，二則可以通過知識產權占領被申請國市場，如果是通過PCT申請渠道還可能在多國享有合法的壟斷權利，更為重要的是有助于整合國外人才促進本國具有自主知識產權的相關技術研發。中國的IP核海外收購可以學習、借鑒跨國公司的經驗和案例，本著互惠互利的原則，以公平合理的價格收購有潛力的國外專業IP核公司。當然在收購中最好聘請優秀的律師事務所、專利事務所和會計師事務所等中介機構進行充分的知識產權風險、價值分析與評估，避免產生不必要地法律糾紛乃至遭遇知識產權的陷阱。

（三）加大IP核知識產權研發保護資金投入集成電路設計是個高投入高風險的行業，屬于技術和資本密集型產業。集成電路設計研發費用一般要占到銷售額的近15%，而后獲取知識產權保護還需要投入一定的經費，更毋寧說進行海外并購等?！拔覈呻娐樊a業十年以來科技投入1000多億元，但相比國際大企業，國內全行業投入只是英特爾公司的1/6?！?3加大IP核知識產權研發保護資金投入，對于目前技術積累薄弱、自主知識產權缺乏、融資成本高昂的國內集成電路設計企業而言無異于注入強勁的動力源泉。資本在促進集成電路產業發展的重要性和必要性已經獲得認可，通過政府財政引導加股權投資基金協同運作的方式被認為是有效的手段。事實上，美國半導體業融資的主要渠道就是依靠風險投資基金支持。中國臺灣地區之所以成為全球第四大半導體基地就與其六年建設計劃對集成電路產業的重點扶植有密切關系。我國也可以考慮：政府通過一定的政策，配合財政、稅收、信貸等措施，引導社會資金投入國內集成電路IP核設計等相關產業，而公司股權、所獲得集成電路IP核的知識產權許可使用收益等均可以作為投資回報；或者采用設立投資基金的方式，以基金投資公司為平臺，扶持國內集成電路IP核設計企業克服資金短缺的困難、進行技術創新和知識產權保護等工作。2014年6月，由工業和信息化部、發展改革委、科技部、財政部等部門編制，國務院批準的《國家集成電路產業發展推進綱要》正式實施，提出要著力發展集成電路設計業，強化企業創新能力，加強集成電路知識產權的運用和保護。與此同時，繼北京之后，上海、武漢、深圳、合肥、沈陽等多地都加速打造地方版IC產業股權投資基金，據悉國家也將投入巨資以促進IC產業發展。相信包括集成電路IP核在內的我國IC業必將產生一大批創新性的技術成果，同時，也為企業加強對相關技術的知識產權保護、完善管理奠定了良好的基礎。當然，還可以考慮進一步細化基金支持項目，如果在可能的情況下，有必要建立一個或多個專門針對集成電路IP核等核心技術和知識產權的收購基金，以支持我國集成電路產業的海外技術并購。

三、結語

篇3

關鍵詞：版圖設計；九天EDA系統；D觸發器

Full-Custom Layout Design Based on the Platform

of Zeni EDA System

YANG Yi-zhong , XIE Guang-jun, Dai Cong-yin

（Dept. of Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

Abstract: Layout of D flip-flop based on some basic units such as inverter has been designed by using platform of Zeni EDA software system produced by China Integrated Circuit Design Center, adopting 0.6um Si-gate CMOS process, following a full-custom IC design flow of back-end, i.e. the construction of basic cell libraries, placement & routing and then layout verification, which is used for data collection unit. Layout design technique about elementary logic gate of digital circuit has been discussed in detail. The layout has been used in an IC. The result shows that design using Zeni EDA software system satisfies design requirement exactly.

Key words: layout design; Zeni EDA system; D flip-flop

1引言

集成電路（Integrated Circuit，IC）把成千上萬的電子元件包括晶體管、電阻、電容甚至電感集成在一個微小的芯片上。集成電路版圖設計的合理與否、正確與否直接影響到集成電路產品的最終性能[1]。目前，集成電路版圖設計的EDA （ Electronic Design Automation）工具較多，但主流的集成電路版圖設計的EDA工具價格昂貴，而我國自主開發的九天EDA系統，具有很高的性價比，為我們提供了理想的集成電路設計工具。

2基本概念

2.1 版圖

版圖是將三維的立體結構轉換為二維平面上的幾何圖形的設計過程，是一組相互套合的圖形，各層版圖相應于不同的工藝步驟，每一層版圖用不同的圖案來表示。它包括了電路尺寸、各層拓撲定義等器件的相關物理信息，是設計者交付給代工廠的最終輸出。

2.2 版圖設計

它將電路設計中的每一個元器件包括晶體管、電阻、電容等以及它們之間的連線轉換成集成電路制造所需要的版圖信息。主要包括圖形劃分、版圖規劃、布局布線及壓縮等步驟[2]。版圖設計是實現集成電路制造的必不可少的環節，它不僅關系到集成電路的功能是否正確，而且會在一定程度上影響集成電路的性能、面積、成本與功耗及可靠性等[3]。版圖設計是集成電路從設計走向制造的橋梁。

2.3 集成電路版圖實現方法

集成電路版圖實現方法可以分為全定制（Full-Custom）設計和半定制（Semi-Custom）設計[4]。半定制設計方法包括門陣列設計方法、門海設計方法、標準單元設計方法、積木塊設計方法及可編程邏輯器件設計方法等。全定制設計方法是利用人機交互圖形系統，由版圖設計人員從每一個半導體器件的圖形、尺寸開始設計，直至整個版圖的布局和布線。全定制設計的特點是針對每一個元件進行電路參數和版圖參數的優化，可以得到最佳的性能以及最小的芯片尺寸，有利于提高集成度和降低生產成本。隨著設計自動化的不斷進步，全定制設計所占比例逐年下降[5]。

3九天EDA系統簡介

華大電子推廣的應用的九天EDA系統是我國自主研發的大規模集成電路設計EDA工具，與國際上主流EDA系統兼容，支持百萬門級的集成電路設計規模，可進行國際通用的標準數據格式轉換，它已經在商業化的集成電路設計公司以及東南大學等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發揮了作用，成功開發出了許多實用的集成電路芯片[6]。其主要包括下面幾個部分[7]：ZeniSE（ Schematic Editor）原理圖編輯工具，它可以進行EDIF格式轉換，支持第三方的Spice仿真嵌入； ） ZeniPDT （ Physical Design Tool）版圖編輯工具；它能提供多層次、多視窗、多單元的版圖編輯功能，同時能夠支持百萬門規模的版圖編輯操作；ZeniVERI （ Physical Design Verification Tools）版圖驗證工具它可以進行幾何設計規則檢查（DRC） 、電學規則檢查（ ERC） 及邏輯圖網表和版圖網表比較（LVS）等。

版圖設計用到的工具模塊是ZeniPDT，它具備層次化編輯和在線設計規則檢查能力，并提供標準數據寫出接口。其設計流程如圖1所示[8]，

4設計實例

任何一個CMOS數字電路系統都是由一些基本的邏輯單元（非門、與非門、或非門等）組成，而基本單元版圖的設計是基于晶體管級的電路圖設計的。因而在版圖設計中，主要涉及到如何設計掩膜版的形狀、如何排列晶體管、接觸孔的位置的安排以及信號引線的位置安排等。以下以一個用于數據采集的D觸發器為例進行設計。

4.1 D觸發器電路圖及工作原理

D觸發器電路圖，如圖2所示，此電路圖是通過九天EDA系統工具的ZSE模塊構建的，其基本工作原理是：首先設置CLB=1。當時鐘信號CLK=0時，DATA信號通過導通的TG1進入主寄存器單元，從寄存器由于TG4的導通而形成閉合環路，鎖存原來的信號，維持輸出信號不變。當CLK從0跳變到1時，主寄存器單元由于TG2的導通而形成閉合回路，鎖存住上半拍輸入的DATA信號，這個信號同時又通過TG3經一個與非門和一個反相器到達Q端輸出。當CLK再從1跳變到0時，D觸發器又進入輸入信號并鎖存原來的輸出狀態。對于記憶單元有時必須進行設置，電路中的CLB信號就擔當了觸發器置0 的任務。當CLB=0時，兩個與非門的輸出被強制置到1，不論時鐘處于0還是1，輸出端Q均被置為0。

4.2 D觸發器子單元版圖設計

圖2所示的D觸發器由五個反相器、兩個與非門、兩個傳輸門和兩個鐘控反相器組成。選擇適當的邏輯門單元版圖，用這些單元模塊構成D觸發器。

對于全定制的集成電路版圖設計，需要工作平臺，包括設計硬件、設計使用的EDA軟件以及版圖設計的工藝文件和規則文件。此D觸發器的設計硬件是一臺SUN Ultra10工作站，設計軟件是九天EDA系統，采用0.6um硅柵CMOS工藝。

CMOS反相器是數字電路中最基本單元，由一對互補的MOS管組成。上面為PMOS管（負載管），下面為NMOS管（驅動管）。由反相器電路的邏輯“非”功能可以擴展出“與非”、“或非”等基本邏輯電路，進而得到各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。

在電路圖中，各器件端點之間所畫的線表示連線，可以用兩條線的簡單交叉來表示。但對于具體的物理版圖設計，必須關心不同連線層之間物理上的相互關系。在硅CMOS工藝中，不能把N型和 P型擴散區直接連接。因此，在物理結構上必須有一種實現簡單的漏極之間的連接方法。例如，在物理版圖中至少需要一條連線和兩個接觸孔。這條連線通常采用金屬線?？傻萌鐖D3（a）所示的反相器的局部的符號電路版圖。同理，可以通過金屬線和接觸孔制作MOS管源端連接到電源VDD和地VSS的簡單連線，如圖3（b）所示。電源線和地線通常采用金屬線，柵極連接可以用簡單的多晶硅條制作。圖3（c）給出了最后的符號電路版圖。

通過九天版圖設計工具繪制的反相器版圖如圖4所示。其他基本單元的版圖可依此建立。

4.3 D觸發器版圖設計

先建立一個名為DFF的庫，然后把建立的各個單元版圖保存在DFF庫中，同時在庫中建立名為dff的新單元。調用各子單元，并進行相應D觸發器的版圖布局，接著就是單元間的連線。主要用到的層是金屬1、金屬2和多晶硅進行連接布線。接觸孔是用來連接有源區和金屬1，通孔用來連接金屬1和金屬2，多晶硅和多晶硅以及相同層金屬之間可以直接連接。版圖設計完成后，再利用版圖驗證工具ZeniVERI對該版圖進行了版圖驗證。最后，經過驗證后D觸發器的版圖如圖5所示。

5結語

在分析CMOS 0.6um設計規則和工藝文件后，采用九天EDA系統，以D觸發器為例進行了版圖設計。實踐表明，九天EDA系統工具具有很好的界面和處理能力。該版圖已用于相關芯片的設計中，設計的D觸發器完全符合設計要求。

參考文獻

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[6] 易茂祥, 毛劍波, 楊明武等. 基于華大EDA軟件的實驗教學研究[J]. 實驗科學與技術, 2006, 5:71-72.

[7] China Integrated Circuit Design Center. Zeni Manual Version 3.2, 2004.

[8] 施敏, 徐晨. 基于九天EDA系統的集成電路版圖設計[J]. 南通工學院學報（自然科學版） , 2004, 3 （4）:101-103.

篇4

關鍵詞：計算機硬件；集成電路設計；教學改革

信息系統工程教育論壇我院計算機科學與技術本科專業始建于1987年，歷經20年的發展，為油田及相關企事業單位培養了大量的計算機應用人才。“具有良好的科學素養，系統地、較好地掌握計算機科學與技術包括計算機硬件、軟件與應用的基本理論、基本知識和基本技能與方法，能在科研部門、教育單位、企業、事業、技術和行政管理部門等單位從事計算機教學、科學研究和應用”是本專業的培養目標?；谶@個培養目標，結合目前計算機硬件技術最新發展現狀及趨勢，提出本硬件系列課改方案。

一、硬件系列課改的目的及意義

當前，計算機在信息社會中充當了重要角色，也是發展最為迅速的一門學科。隨著這門學科的不斷發展，目前，計算機核心技術愈來愈集中在集成電路芯片設計和軟件設計這兩項技術中，其中CPU和OS設計技術是最核心的兩項技術，特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。在硬件系列課程里，培養學生CPU及相關硬件的設計能力，培養學生自主創新并能夠設計出擁有自主知識產權的計算機部件的能力，是當前計算機硬件課程重要的改革方向，也是目前社會迫切需要的計算機硬件人才[1]。因此，適應當前計算機硬件技術的發展及社會對計算機硬件人才的需求，及時調整硬件系列課程的培養方向，既有利于學生及時掌握最新的計算機硬件技術，又有利于學生及時把所學知識轉化為社會生產力，對擴大我院學生就業，樹立我院計算機科學與技術專業學生良好的社會形象意義深遠。

二、硬件系列教學的國內外發展現狀及趨勢

由于我國的制造業比較落后，一直以來，計算機硬件的核心技術未能被國內掌握。相應地，在計算機硬件教學中，像計算機組成和計算機體系結構等重要硬件課程，傳統上僅僅以講授、分析原理為主，且內容不能適應現代計算機技術的發展[2]。國外一些知名大學非常重視計算機硬件的教學，美國的許多高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院計算機專業的一門相關課程是《計算機系統設計》，學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU、多指令周期CPU乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache等的設計。Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗。隨著計算機硬件技術的不斷發展，國內開展硬件設計技術的條件已逐漸成熟，這主要得益于計算機硬件發展中的兩個重要技術，一是大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA的成熟，可以在一個芯片中通過編寫硬件描述語言設計CPU和全部的相關硬件電路，減輕了硬件芯片間連接的復雜性，同時消除了硬件制造的限制。二是硬件描述語言的成熟，以VHDL和Verilog VHDL語言為代表的硬件描述語言，可以通過編寫程序的方式來描述極其復雜的硬件電路邏輯，大大降低了以前采用手工方式設計硬件電路的復雜性。國內的一些知名大學，在最近幾年里，也相應地增加了硬件電路設計在教學中的比重，據我們了解，清華大學、電子科技大學、哈工大、哈理工等一些學校，已經修改了計算機組成原理及計算機體系結構等方面的課程教學內容，把利用CPLD/FPGA和硬件描述語言設計CPU及其相關硬件電路作為重要內容加入到課程體系里，取得了良好的教學效果，大大加強了學生對計算機工作原理的理解及計算機硬件的設計能力，逐步實現了與發達國家高校計算機本科教育的接軌。

三、目前我院硬件系列教學現狀及不足

計算機科學與技術本科專業硬件系列主要課程設置始于20年前，期間雖經過部分調整，但基本教學內容依然延續20年前的知識體系。按授課先后次序排列，這些課程包括：《數字邏輯與數字電路》、《計算機組成原理》、《數字系統設計自動化》、《計算機體系結構》、《單片機原理及應用》、《嵌入式系統》、《硬件課程設計》等7門。基于當前硬件課程系列教學現狀，我們認為存在以下的不足：1.從整體上看，硬件系列教學內容過于強調基本原理和基本方法，缺少能夠驗證原理、實際實現這些原理及方法的手段，導致學生缺少動手能力，對原理和方法認識模糊，會說不會做的現象比較嚴重，創新能力較弱。2.《數字邏輯與數字電路》和《數字系統設計自動化》，這兩門課之間存在較大的聯系，在內容上存在承上啟下的關系，前者是講述數字電路的基本概念、組合及時序電路的傳統分析設計方法，后者則介紹組合及時序電路的現代分析設計方法，基于目前的教學實際情況，可以合并成一門課講述。3.《計算機組成原理》和《計算機體系結構》是計算機科學與技術本科專業非常重要的兩門課，通過這兩門課的學習，應使學生能夠設計簡單的CPU及相關的硬件電路，從而加深對基本原理、基本方法的理解，增強實際動手能力?；诂F在的教學內容及教學手段還無法達到上述目的。4.《單片機原理及應用》和《嵌入式系統》兩門課存在較大的內容交叉。這兩門課都是講述特定計算機在控制及嵌入式產品中的應用，《單片機原理及應用》這門課介紹的是8位機MCS-51的原理，《嵌入式系統》這門課介紹的是32位機ARM的原理，鑒于目前嵌入式領域的發展現狀及趨勢，建議取消《單片機原理及應用》這門課，以避免課程內容重復。5.《硬件課程設計》作為硬件系列的最后一門硬件設計課，學生已掌握了較豐富的軟硬件知識，因此應該具備設計較復雜的硬件電路的能力，目前的設計內容較簡單并與《數字邏輯與數字電路》課程實驗存在一定交叉，建議選擇有一定復雜度并較實用的設計內容。從而培養學生綜合運用硬件知識及硬件設計能力。

四、硬件系列教學新課改方案

針對我院計算機科學與技術專業的實際情況，在保證總的硬件教學學時不變的前提下，對硬件系列教學提出如下建議：1.課程合并：《數字系統設計自動化》是計算機組成原理等的先修課，為保證能及時開課，同時該課和《數字邏輯與數字電路》這門課有密切的聯系，合并為一門課，仍稱為《數字邏輯與數字電路》，并適當增加學時，建議在大二上學期開課，取消《數字系統設計自動化》這門課。2.《計算機組成原理》：這門課改為《計算機組成及設計》，增加CPU及相關硬件電路設計內容，在講清楚組成原理的基礎上，以設計為重點，建議在大二下學期開課。 3.《計算機體系結構》：適當增加設計內容，原學時保持不變，建議在大三上學期開課。4.《單片機原理及應用》：本課程取消，鑒于目前嵌入式系統涉及軟硬件知識較多，難以在一門課程中全面系統學習，因此另開設一門《嵌入式軟件開發》課程，重點講述如何設計編寫嵌入式軟件程序，建議在大三下學期開課。5.《嵌入式系統》：這門課作為《嵌入式軟件開發》的先修課，重點講述嵌入式系統的基本概念及方法、ARM處理器的硬件工作原理、接口、匯編語言等，而相關操作系統及其程序設計等知識暫不涉及，建議在大三上學期開課。6.《硬件課程設計》：在設計題目中，引入嵌入式系統、FPGA及計算機組成等知識，適當增加設計的綜合性和復雜性，建議在大四上學期開課?；谛碌挠布盗姓n程體系，能夠有效理順課程之間的先后關系，并把硬件課程均勻分散到大學四年的學習中，同時對重要的課程及相關的知識進行了加強，例如數字電路設計貫穿在整個硬件系列課程中；舍棄了過時的技術，增加了新技術的份量，例如去掉了單片機，加強了嵌入式系統。因此，我們認為：調整后的硬件系列課程是較合理的，它吸收了當前先進的硬件設計技術，保證了知識的實用性，有一定的前瞻性。

五、結束語

高等教育是為學生提供專業技能和生存本領、服務社會的最后一站，教學內容及方法直接關系到學生的未來發展。通過不斷教學改革，保持教學的先進性和實用性一直是高教課改的目標之一。通過這次課改，理順了我院硬件系列課程的教學關系，增強學生未來服務社會的競爭力，因此很有實際意義。

作者:李軍 崔旭 李建平 單位:1.東北石油大學 2.大慶市薩東第二小學

參考文獻

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[關鍵詞]數字電子電路；EDA技術；應用；探究

在微電子技術飛速發展的背景下，數字電子電路的設計的難度也在不斷加大，電子產品翻新的速度也在不斷加快，這給數字電子電路設計帶來了較大的壓力。EDA技術是數字電子電路的設計中較為先進的技術，具有其他技術不具備的優勢，使數字電子電路的設計得到了革命性的發展[1]。EDA技術的優勢在于當程序修改錯誤時，不需要使用額外的硬件電路，且在使用EDA技術進行電子產品設計時能夠使電子產品的成本降低和設計周期縮短。因而，EDA技術在數字電子電路設計中得到了越來越廣泛的運用，也推動了數字電子電路的設計領域的變革，促進電子產品的發展。對此，我們需要EDA技術在數字電子電路的設計中應用有所了解。

1EDA技術概述

EDA（ElectronicDesignAutomation，電子設計自動化）技術是逐漸從計算機輔助測試、計算機輔助制造、計算機輔助設計以及計算機輔助工程中發展而來的[2]。該技術主要是將計算機作為載體，在EDA軟件平臺上，設計者主要采用硬件描述語言VHDL進行設計，進而由計算機自動完成各項工作。EDA技術是一種融合了當前多種新型技術的新技術，它以計算機為載體，將計算機技術、信息技術、電子技術以及智能技術相互融合起來，進而完成電子產品的自動化設計工作，這樣有效促進了電路設計的可操作性以及效率性，不僅保障了電路設計的質量和效率，同時也極大地減輕了設計者的工作強度，同時也降低了電子產品的生產成本。具體來說，EDA技術的特點以及EDA技術設計流程如下。

1.1EDA技術的特點

相比于傳統的CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計）技術而言，EDA技術具有顯著的特點。首先一點，EDA技術在硬件電路選擇軟件設計方式方面上，它可以選擇多種設計輸入，如VHDL語言、波形等等，它在完成下載配置前能夠在沒有硬件設備的情況下能夠自行完成。與此同時，它在修改硬件設備也是非常簡單、易于操作，這種修改硬件設備的方式和軟件程序修改方式非常接近，采用軟件測試的方法對其進行測試，這樣就能科學有效地設計特定功能的硬件電路[3]。第二點，EDA技術能夠儀自動化的形式進行產品直面設計。它可以通過HDL語言和電路原理圖等自動化的邏輯編譯的相關程序輸入其中，并生成相應的目標系統。簡單說來，這種技術能夠以計算機為依托，從電路功能模擬、電路性能分析、電路的設計以及優化、電路功能的測試和完善等全部流程都可以以自動化的形式實現。第三點，EDA技術具有較高的集成化特點，并可以自身構成片上系統。EDA技術在數字電子電路設計中是以芯片為載體進行設計的一種設計方式。因而，當前大規模集成線路的不斷發展能夠有效促進繁雜的芯片設計工作的完成，同時也能夠完成專業化的集成電路設計[4]。第四點，EDA技術可以大大提高系統升級的工作效率，它能夠當場進行目標系統的編程，實現有效的系統升級。第五點，EDA技術具有自動化的特點，且進行技術開發的時間并不長，且能夠有效節約設計的費用，避免了資源的浪費，同時EDA技術也具有極大的靈活性和實用性，可操作性較強。

1.2EDA技術設計流程簡介

EDA技術對于數字電子電路設計的意義可以認為是它將推動了數字電子電路設計的一個發展變革，使其進入了一個發展的新時期。傳統的電路設計的模式多是以硬件搭試調試焊接的方式，而E-DA技術以計算機自動化的設計模式對傳統的電路設計模式進行了創新。EDA技術設計流程主要包含8個流程依次為[5]：設計指標設計輸入（將電路系統采用一定的表達式輸入計算機，其中包括圖形輸入以及文本輸入）邏輯編譯（將設計者在EDA中輸入的圖形或文本進行有效的編排轉化）邏輯綜合（將電路中高級的語言轉化為低級的，并與基本結構相應射）器件適配（將由綜合器產生的網表文件配置到指定文件中，使之能夠下載文件）功能仿真（跟進吧算法和仿真庫對涉及進行模擬，以驗證其涉及是否和要求一致）下載編程（將適配后生成的配置文件和下載文件以編程器下載）目標系統。

2可編程邏輯器件

數字邏輯編輯器具有自身的發展歷程，一般可以將其分為分立元件、中小型標準芯片以及可編程邏輯器件等三個階段。對邏輯器分類方面可以將其分為固定邏輯器和可編程邏輯器。其中固定邏輯器的電路是固定的、不可變的，而可編程邏輯器則可以為使用者提供多種邏輯能力，也可以在不同的時間內進行改變，進而完成不同的功能[6]?？删幊踢壿嬈骷╬rogrammablelogicdevice，PLD）產生于通用集成電路，根據使用者對器件編程來確定其邏輯功能?？删幊踢壿嬈骷哂休^高的集成度，一般能夠滿足大多數數字系統設計的需求。在科學技術快速發展的情況下，可編程邏輯器件也隨之不斷發展。當前，可編程邏輯器件已經成為解決邏輯方案的首選，這主要是因為它能夠根據用戶的需求進行相應的產品功能增加以及產品升級，且操作較為簡便，具有低成本、低消耗、多功能、高集成性等優勢。與此同時，當前一些公司也在不斷對其進行研究，不斷完善可編程邏輯器件的功能，并獲得了較為顯著的效果，如Altra公司的FLEX10K的系列產品、Xilinx公司的XC4000的系列產品[7]。

3VHSIC硬件描述語言

VHSIC硬件描述語言（Very-High-SpeedInte-gratedCircuitHardwareDescriptionLanguage，VHDL）是電路設計中使用的一種高級語言，主要在20世紀80年代由美國國防部認定的標準硬件描述語言，之后其他公司紛紛推出了VHSIC硬件描述語言設計環境。對此，我們需要對VHSIC硬件描述語言具有一個較為清晰的了解。數字電子電路設計的第一步就是使用EDA技術以及相應的軟件開發工具進行設計輸入。簡單地說就是簡要描述電路設計、硬件設計以及測試方法。在設計一些規模不大的數字電子電路時，一般硬件描述的方式為原先的時序波在設計一些大規模的數字電子電路時，其描述方式就需要采用具有較強針對性的硬件描述語言。VHSIC硬件描述語言不僅能夠詳細描述硬件電路的功能、定時與信號連接的關系，而且還能采用簡潔的模式準確描述硬件電路中邏輯較為抽象的部分[8]。由于VHSIC硬件描述語言具有詳細準確描述硬件電路功能的特征，因而，VHSIC硬件描述語言成為EDA技術在數字電子電路設計中最為常用的設計輸入方式和描述語言。在數字電子電路設計中，VHSIC硬件描述語言已經成為使用最為廣泛的硬件電路應用描述語言。這主要是因為VHSIC硬件描述語言具有硬件特點的語句，其結構和語法具有高級計算機具有高度相似性。除此之外，VHSIC硬件描述語言在程序結構上也有著十分明顯的優勢，它進行實體設計時能夠將其設為可視部分和不可視部分。從中可以發現，VHSIC硬件描述語言與綜上所述，可以看出VHDL硬件描述語言比傳統的其他硬件描述語言相比，如AHDL、VBLE，具有強大的描述功能，能夠有效規避器件的復雜結構，進而對數字電子電路設計進行有效的描述[9]。具體說來，與其他硬件描述語言相比，VHSIC硬件描述語言的特點主要有以下幾個方面：其一，具有強大的功能以及靈活的設計。這主要是VHSIC硬件描述語言有著功能強大的語言結構，能夠采用簡短的語言進行復雜邏輯的描述；同時，它也具備多層次的設計功能，支持多種設計方法。其二，具有廣泛的支持性，且易于修改。由于VHSIC硬件描述語言已經成為使用最為廣泛應用描述語言，因而具有廣泛的支持性；由于其結構化和易讀化的特征，因而易于修改。其三，系統硬件描述能力強大，VHSIC硬件描述語言可以進行結構描述、寄存器傳輸描述、行為描述，也可以進行三者混合描述。其四，與器件設計相對獨立，在進行VHSIC硬件描述語言可以不用考慮器件設計情況，專心用于VHSIC硬件描述語言設計的優化。其五，移植能力強，能夠共享。VHSIC硬件描述語言設計完成后可以將成果進行分享，避免電路的重復設計。除此之外，VHSIC硬件描述語言還具有其他的特征：其一，VHSIC硬件描述語言屬于設計輸入語言，它能夠通過計算機詳細描述硬件電路的運行狀態，并將其與數字電路的設計系統自動綜合。其二，VHSIC硬件描述語言是常用的測試語言，它能夠以測試基準對數字電子電路進行可以仿真與模擬，進而判斷其功能情況。其三，VHSIC硬件描述語言是標準化語言，它是當前設計語言中使用最為廣泛的語言之一，也是當前電子領域普遍認可的標準化語言。其四，VHSIC硬件描述語言是可讀性語言，它不僅可以被計算機識讀，同時也可以被設計者識讀。其五，VHSIC硬件描述語言一種網表語言，它獨特的語言結構讓其在計算機設計中工作較好，同時它在設計工具間聯系的格式中屬于低級設計工具，即它在門級網表文件形成中具有相互轉化的功能和高度兼容性。

4EDA技術在數字電子電路設計中的應用

我們可以通過設計一個數字鐘電路來展現E-DA技術在數字電子電路設計中的應用，該數字電路鐘能夠顯示秒、分、時。

4.1準備的設備

本次實驗主要是選用FPGA芯片EDA技術實驗工具以及電子計算機。

4.2實驗設計方法

依照EDA技術的設計規范進行分層設計，其內容包括數字鐘；時計數、分計數、秒計數以及譯碼顯示；24進位制計數器、60進位制計數器以及譯碼顯示電路。在VHDL語言描述上，要使用VHDL語言對60進位制計數器、24進位制計數器進行描述編程，并將兩者進位標準進行調整，使其一致。關于譯碼顯示電路的設計。在設計中可以使用動態譯碼掃描處理電路進行處理，這能夠某個時間點點亮單個數字碼而達到6個同時顯示的視覺效果，這樣不僅將電路能耗降到最低，同時也節約了器件資源，并延長了器件的使用壽命[11]。關于頂層設計，在這一設計中需要建立在底層設計模塊的基礎上，通過原理圖方法將兩者進行有機的融合，進而獲得一個完整電路。

4.3編譯下載

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中圖分類號：G64 文獻標識碼：A

關鍵詞：數字電路；課程建設；EDA；新體系

文章編號：1672-5913(2007)16-0035-03

1引言

電子技術的發展使與之對應的基礎課程的教學內容也不斷地發生變化。教學應領先于應用，而不能落后于應用，這是我們教育研究的動力。數字電路的教學內容的改革，也同樣伴隨著當今的電子科學和電子工業發展而發展。課程的內容體系，研究的范圍與方法，學科的內在理論體系與應用型人才培養的大眾化教育要求等，都大大促進了課程的體系和內容的改革。但就目前的數字電路這樣一門專業基礎課課程內容的設置問題，如何構建出適合我國國情和與當今科學技術對應的數字電路課程體系，仍要不斷探索。本文通過對這門專業基礎課的發展過程的回顧，分析近年來眾多的教學改革的現狀，就合理設置數字電路課程內容進行了一些探討。

2發展與現狀

數字電路的發展是從開關邏輯電路開始的，人們在廠家控制電路中的繼電器和開關構成的電路與信號，創建了開關電路理論與脈沖技術。在20世紀60年代這一門技術由于電子元件替代了機械開關元件，使之逐漸成為電子技術的基本內容，得到研究和發展。隨著半導體元件的快速發展，電子技術把研究信號的連續性和離散性的研究理論體系和研究方法進行了分類，形成了以數字邏輯代數和離散數學為基本理論的數字電路。最早期以晶體管脈沖技術為核心的數字電路課程，研究的方法與模擬電路的晶體管電路研究方法基本相同。

隨著數字技術主要研究邏輯和算術運算、時間控制和計時等方面的應用，集成電路技術在數字邏輯電路的應用，出現了中小規模的數字邏輯電路標準器件。這時的數字電路研究的基本理論并沒有新的發展，但研究的方法則是以標準邏輯電路的選用為基礎的數字電路的分析與設計方法。

由于計算機應用于電子線路的輔助設計，超大規模的數字集成元件的分析與設計方法，成為新的數字電路的研究方向。EDA的工具軟件與PLD元件的結合，使得數字電路的研究方法發生了新的變化。那種以中規模標準邏輯電路為基本單元的，自下而上的數字電路系統的研究與分析設計方法，已不適應當前的數字系統的集成電路設計要求。利用HDL語言為基礎的自上而下的數字電路系統設計方法得到各種EDA軟件的支持，使得數字電路研究方法出現了新的飛躍。

大量的學者與教育工作者認識到，以HDL為描述語言的數字電路設計方法將成為現代數字電路研究的發展方向。與之對應的研究成果把數字電路分為二層進行教學，數字電路基礎和數字電路系統設計自動化。作為基礎課，是為了深入學習后續課程來準備基本的理論知識和基本的研究與設計方法等技術基礎。原有的自下而上的數字電路的課程中，增加了HDL語言的電路描述部分內容，保持原有的課程體系不變。隨著EDA技術在數字電路的研究、分析和設計上的應用，數字電路系統設計自動化成為第二層面的教學內容。之所以稱之為第二層面，對于數字電路而言，研究內容大致一樣，研究方法上不在同一層面之上。一個是以邏輯單元為基本研究對象，對數字電路系統設計是自下而上的，另一個是直接以系統為對象，用HDL語言描述，在EDA軟件平臺上，自上而下的逐步綜合實現的。

3新體系的設想

把EDA作為數字電路的主體分析設計工具。在教學內容上確立其中心位置。以單元電路學習形成的基本概念為基礎，以自上而下的電路系統設計方案為思路，以HDL語言為描述方法，構建的教學內容新體系。

改革原有的以邏輯代數為基礎的思路，把邏輯代數與HDL語言并行為基礎。改革由單元電路開始自下而上的知識構建思路，變為引入EDA軟件的工具學習為開始的自上而下的知識構建思路。

4新體系建立的基本思路

數字電子技術在數字集成電路集成度越來越高的情況下，開發數字系統的實用方法和用來實現這些方法的工具已經發生了變化。特別是可編程邏輯器件的大量應用，使原來中小規模的標準器件在應用系統的設計中應用減少。

盡管傳統的基本單元電路對于理解數字系統基本構成模塊的工作原理具有重要意義，但是必須認識到電子技術的新進展使系統和數字邏輯電路的工作過程出現了新的描述方法。未來的數字系統設計，對描述方法的理解可能比具體的硬件結構更加重要。

從數字電路課程的性質，專業基礎課看。如果這個基礎工業的應用范圍變了，中規模的標準邏輯器件相對應的研究方法，占實際應用的比例少到一定程度，而取而代之的現代電子技術的研究方法應該定位成課程的基礎。

從舊體系中的課程目的是針對從晶體管電路發展而來的研究方法與學習內容，在中規模電路中進行了改革與發展。引進HDL語言的描述，使研究的層面從單元電路發展為系統級的層次。

舊的數字系統是在手工設計流程，一般都是先按電子系統的具體功能要求進行功能劃分，然后對每個電路模塊畫出真值表，用卡諾圖進行手工邏輯化簡，寫出邏輯表達式，得到相應的邏輯線路圖。再進行單元器件的選擇，設計電路板，最后進行實測與調試。而復雜電路的設計、調試十分困難，無法仿真在設計中存在問題，查找和修改十分不便，只有在設計出樣機后才能進行實測，設計周期長。

新的數字系統是在EDA中使用HDL對數字系統進行抽象的行為與功能描述，到具體的內部線路結構描述，從而使設計的各個階段，各個層次在EDA軟件環境中模擬驗證，保證其正確性，周期短。由于邏輯設計仿真測試技術是EDA的突出功能，形成的現代電子設計技術的重要特征。適應了大規模的系統級電子設計的自動化程度。

對于知識構建的認識?？梢詮膶嶋H的需求，即專業人才應具備的素質和能力。在構成這樣的素質和能力的知識體系，確定應具有理論的系統性和完整性去構建課程的內容。

從大眾教育與精英教育關系上看，原有的教材所形成的課程內容，是以理論研究為目的的課程體系。不適應現在的學習群體的實際應用能力培養的需要，所以課程的內容要從研究型的專門人才，向應用型的技術人才相適應。其內容處理的方向是注重民應用為目的的“必須”與“夠用”為度。

因為新的課程內容所提出的結構體系，更加符合大眾教育的特點，和人們認識規律，將大大降低學習難度。

傳統的數字電路教學內容中的課堂與實踐的關系。是以課堂教學內容為主，實驗只是為了驗證課堂教學，而采用EDA為中心的數字電路教學內容的課堂與實踐是同步進行了。因為這種教學與實驗是一個整體的EDA軟件，課堂的演示就可以解決驗證的問題，學生在EDA軟件的環境之下，可能隨時隨地在計算機上進行實驗研究。

篇7

關鍵詞： EDA； DSP； 全定制電路； 自動提??； AutoExtra

中圖分類號： TN702.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）01?0129?04

0 引 言

EDA（Electronics Design Automation，電子設計自動化）技術是集成電路設計方法中非常重要的組成部分，其影響并決定了所有高性能集成電路的相關設計方法。當前，依托具有自動布局、自動布線等功能的工具實現了ASIC的設計。在集成電路設計中EDA技術主要有兩方面的作用分別為：第一，使得集成電路的功能設計和功能驗證過程變快，主要指電路的格局安排、線路布置及形式審查；第二，完成專業人士很難實現的工作，比如說捕獲DSP電路中的寄生參數、進行時序級電路的功能邏輯分析和電路降噪處理等。整合現有的人力和物力資源，并實現電路設計的大規模和高復雜度是當今高性能DSP技術的主要需求，該需求的前提是要在有限的時間內，解決途徑之一就是借助EDA技術。

高性能DSP主要指那些具有強大的運算能力、高存儲性、外設豐富、加工工藝先進、結構體系新的電路。當前高性能DSP的主流結構是VLIW體系結構，該結構最早由TI公司于1996年推出，其指令發射窗口的寬度[1]一般為3～8。提高主流DSP性能的方法主要有兩個：一是靠電路技術的發展進步；二是靠現有電路設計方法的改進。EDA技術是改進電路設計方法中非常重要的因素，在降低設計成本的同時，可以提高設計質量和設計效率[2]。

EDA全定制電路功能模型提取技術是對電路設計進行改進的一種方法[3]。目前為止，國內外已經展開了眾多研究。對電路進行結構模式匹配、數字符號分析和體系結構定義是模型提取的三種重要方式。其中，模式匹配需要預先進行各種電路模式的定義，主要有：鎖存器定義、多米諾電路定義以及互補CMOS門的定義，以圖形匹配的方式進行DSP電路的識別。電路模式的預先定義是該方法的主要缺點，對于新開發的或研發的電路，需要不斷進行電路模式的增加或進行相關指導；由于晶體管級電路的匹配非常難，導致模式匹配的復雜性[4]。針對上述問題，Bryant發明了一種高效的算法，該算法能快速實現針對每個子模塊對應的布爾模型的建立，也能夠方便地采用數學方法獲取子模塊的邏輯功能電路，采用這種方式為MOS電路的符號分析技術奠定了堅實的數學基礎[5?6]。著名的IBM公司采用基于EDA開發的Verity和GateMaker工具分別進行電路的功能驗證和測試報告生成[7]。在高性能全定制DSP中最早進行模型提取技術應用的是Verity。該方法的缺點是對時序邏輯不支持，只能對基于路徑的靜態CMOS門、信號傳輸門和簡單的動態電路進行策略提取。Yang等在FROSTY的研究中結合了結構分析和模式匹配兩種方法，對復雜的時序邏輯的識別采用模式匹配的方法。

1 時序電路功能模型提取流程

時序電路的功能模型提取流程，如圖1所示。

（1） 首先進行SPICE格式網表的輸入；其次，對電路進行網表讀取并進行展平。依據晶體管溝道的連通性特征，將整個電路進行CCC劃分。CCC代表了一個最大的集合，該集合表示了相應電路內部通過溝道相連的晶體管的最大數量。圖2為電路中晶體管進行CCC劃分的展示，從該圖可以明顯看出，三個晶體管被劃分到兩個CCC中。若CCC內部無任何傳輸通道，則該CCC就稱之為一個CMOS門；若CCC中包含傳輸通道，則傳輸門和相應的邏輯驅動電路就包含其中。

（2） CCC排序的實現。CCC劃分完畢之后，按照電路中信息的流向，從輸入到輸出實現CCC的排序。在CCC的排序算法中，若有幾個CCC是相鄰的，并且他們能夠構成一個閉環，則該閉環上的所有晶體管將被1個大的CCC所包含，這些CCC將合并為一個以便于進行環路分析。高性能DSP中，時序電路和動態電路的分析離不開時鐘的分析。電路中，時鐘數的提取是在CCC的劃分和排序之后。遍歷算法是其所采用的提取算法，遍歷的方式是：以時鐘數的輸入節點為出發節點，進行整個時鐘數的遍歷。通過CCC的劃分和排序，還可以對門控時鐘實現復雜的處理，并進行脈沖電路的產生[8]。

在進行EDA全定制電路的時序分析中，要求最終的電路模型能夠保持原有的電路模型，并且其在每個晶體管電路中的作用要確切。通過功能模型的提取，最終輸出的是一個RTL級的Verilog文件。

2 時序電路功能模型提取算法

針對偽靜態鎖存器和主從D觸發器兩種結構的時序電路進行了時序電路功能模型提取算法的研究與設計。偽靜態鎖存器是由相應的驅動電路和對應的環路組成。兩個偽靜態鎖存器組成一個主從D觸發器。上述的偽靜態鎖存器和主從D觸發器再加上由他們擴展得到的其他電路類型，是當前EDA設計中研究最廣泛的時序器件。時序器件中，電路結構分析和模型建立是進行偽靜態鎖存器提取算法的兩個組成部分。鎖存器的分析算法設計如下：

Step1：尋找一個由節點[N1，N2，…，Nm]和門[G1，G2，…，Gm]構成的閉環。在該閉環上進行多路選擇器[Gi]的搜索。找到之后，以該[Gi]的分支作為閉環的新驅動，該分支不在原閉環上；若找不到這樣的分支，則需要尋找相應的三態門或傳輸門作為閉環的新驅動，要求三態門或傳輸門在環外。

Step2：審查閉環及其相應的驅動電路并判斷能否構成相應的鎖存器。

Step3：對于第[i]個節點[Ni]被看作是輸出節點的兩個條件是：被作為驅動信號的輸出；不在閉環上的門驅動。

Step4：[Gi]被稱為閉環上的互補CMOS門。[Ii，k]是其不在閉環上的輸入值。如果輸入[Ii，k=0，]則[Gi]的輸出肯定是1，那么[Ii，k]被稱作復位信號并且[Ci，k=0]；若[Ii，k=1]，則[Gi]的輸出肯定是0，則[Ii，k]被稱作復位信號并且[Ci，k=1]。

Step5：判斷每一個位于環上的傳輸門和三態門其控制信號是不是時鐘，若是時鐘信息，則傳輸門的導通和三態門驅動的導通是相互排斥的。

Step6：鎖存器模型的建立。通過觸發器結構分析，為每個輸出節點[Ni]建立鎖存器模型。

通過上述算法步驟可知：首先要找到一個閉環；然后分析該閉環及其驅動，并判斷其是否能夠組成鎖存器，若能，則將輸出節點和復位信號全部列出。一個閉環構成鎖存器的前提有兩個：一是該環路是正反饋的，即沿著一定的方向遍歷完所有的節點后，極性保持不變；二是閉環的驅動不是傳輸門就是三態門。以上算法中，傳輸門和三態門的導通必須有時鐘進行控制。上述算法規定的CMOS門的類型需要從NAND和NOR中選擇。算法中不同的輸入節點有不同的復位信號，近似值[Ci，x]的得出是通過對算法進行結構分析獲得的。帶掃描功能的鎖存器目前的算法并不支持，而且現在閉環上的傳輸門或三態門有且只有一個，導致只能對該算法做進一步改進。

功能模型可以通過以上算法進行確立。每一個鎖存器可能有多個輸出節點，每一個輸出節點都可以建立對應的模型。RTL級的Verilog描述被認為是鎖存器模型的輸出。在鎖存器模型中一般包括以下內容：敏感信號表、異步和同步復位語句、賦值邏輯信息。其中，復位信號、時鐘信號、數字信號包含在敏感信號表中。輸出節點的位置決定了復位信號的不同，而且要對每一個復位信息的類型進行分析。具體分析過程為：首先，在模型建立之前，判斷對應輸出節點[Ni]的復位信號[Ij，k]是同步還是異步的，并區分其高低有效性。根據如下步驟進行輸出節點[Ni]的復位信號[Ij，k]的類型分析：

（l） 首先判定同步、異步復位信號。若節點[Nj]與[Ni]間傳輸門或者三態門，且被時鐘控制，那么復位信號[Ij，k]是同步的；否則，是異步的。

（2） 節點距離[distance（Nj，Ni）]的定義。CMOS門和三態門總數的奇偶性與節點[Nj]和[Ni]間是否互補有關，多互補，則為奇數，并且[distance（Nj，Ni）=1；]否則，[distance（Nj，Ni）=0]。復位信號[Ij，k]有效時，輸出節點的值是[distance（Nj，Ni）XNOR Cj，k]。

上述分析中，兩個鎖存器是分開的。他們是否構成主從D觸發器的前提是他們前后相連，在相連情況下，還需要進一步確認。主要看兩個鎖存器的導通時間是否重疊。分析認為，構成主從D觸發器的要求是：兩個鎖存器的時鐘周期相同，有效脈沖不重疊。假設重疊，那么其重疊時間應該小于用戶設定的閾值。

3 設計實現

采用C++編程語言，在GNU/Linux下設計與開發了晶體管級電路功能模型提取工具AutoExtra。2013年7月完成該工具的主要設計工作，經過測試又修正了存在的Bug。目前，該系統運行較平穩。設計的鎖存器電路圖如圖3所示。

輸入網表的詞法和語法分析器采用的是Flex和Bison設計的[9]，其輸入網表的格式兼容Hspiee。各種邏輯操作是通過采用BDD函數包Buddy實現的[10]。CCC維護局部BDD索引表的目的是為了避免BDD節點的過度膨脹。全局BDD索引表的使用前提是在索引表的回溯操作下，并且在時序電路功能模型提取算法中要將功能邏輯表示為最小項的和。通過調用espresso進行最小項和的化簡。為了提高程序運行的高效性，對于經常使用的數據結構的分配和回收是通過設計存儲管理器實現的。

AutoExtra不僅支持上文所提到的兩種電路類型，而且還支持N?C2MOS。在N?C2MOS中，LSDL邏輯可以看做由動態門和N?C2MOS鎖存器組成。本文設計并實現的AutoExtra還具有時鐘數的自動提取和分析功能。

4 仿真實驗

采用上文設計與實現的AutoExtra工具進行高性能FHGY?DSP數據通路中的6個EDA全定制模塊的模型提取。參數設置及對應的實驗結果如表1所示。采用Linux操作系統，處理器為Intel 1.7 GHz雙核處理器，2 GB DDR3內存，160 GB硬盤。

表1中對電路進行仿真實驗，將數據通路設計中的所有電路類型包含在其中。其中，16位的乘法器和寄存器文件中擁有很多的觸發器和寄存器，并且復雜的管線電路應用于16位乘法器的積壓縮陣列中。輸出網表的模擬是通過verilog模擬器實現的，對輸出網表的準確性進行了驗證，并進行了仿真實驗對比，對比結果表明了時序電路功能模型提取算法的正確性。

時序電路功能模型的提取涵蓋了CCC劃分、CCC合并及模型輸出的所有工作，本文的算法也主要集中于該點。功能模型的提取時間主要取決于各個電路中晶體管的總數及分類。從表1可知，提取時間的遞增順序為：靜態加法器、動態加法器、移位器、乘法器、寄存器。由于寄存器電路擁有的晶體管數目最多，且80%～90%的晶體管均位于多路選擇開關、鎖存器以及觸發器中，因此，其提取時間最長。通過表1的實驗結果可知，對于含有6.0萬個晶體管的寄存器文件，其針對功能模型提取算法的耗時接近4 min，是其他4種電路所花費時間的數倍乃至幾十倍，其他電路所花費的時間均在半分鐘以內。假設再改進網表讀取與展平方法，所有電路的運行時間還會降低不少。

5 結 論

本文給出了EDA全定制電路功能模型自動提取的流程和相關提取算法，并通過該算法設計與實現了AutoExtra功能模型提取工具。仿真實驗結果表明了EDA工具AutoExtra的高效性，能滿足模塊級全定制設計高性能DSP電路的功能驗證要求。研究中還發現電路的提取時間與網表的讀取與展平的實現方法有關，若改進相關方法，模型提取的時間將更快，設計的DSP電路的性能將更高。

參考文獻

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[3] 徐淵，周清海，張智，等.基于FPGA的實時CMOS視頻圖像預處理系統[J].深圳大學學報（理工版），2013，30（4）：416?422.

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篇8

【關鍵詞】數字電路課程；實踐平臺；工程設計；實驗

1概述

在教學過程中，具備數字系統設計實踐工程能力，涉及相關數字系統課程體系教學與實踐，在各高校的電氣、電子信息類專業中，數字電路是一門專業基礎課程，隨著數字技術應用領域的不斷擴大，在后續專業課程中，顯而易見，隨著電子產品數字化部分比重增大，它在數字系統設計中基礎性地位越來越突出。

因此，培養適合現代電氣、電子、信息技術發展的卓越人才，創新數字電路的課程幾次理論與工程實踐教學迫在眉睫。

根據我校近幾年電氣、電子課堂教學的實踐情況，數字電路課程應該以面向應用的數字電路設計為核心，在熟練掌握基本電路教學內容的基礎上引入先進的數字系統設計方法的課程教學和實踐內容。

工程實踐過程中，逐步從自底向上的設計方法逐步轉變到自頂向下的設計方法中來，以教師科研應用來拓展，以全面培養優秀數字設計卓越技術人才[1]。

2探索構建數字電路教學中的多層次的創新實踐平臺

2.1多層次的數字電路創新實驗平臺構思。

面向卓越人才培養的數字電路課程創新實踐教學，可以分層次進行在各個教學階段逐步推進，包括：面向基礎的數字設計的基本原理與工程創新實驗教學模塊、面向應用的數字電路課程設計教學和結合科研項目的創新實踐平臺[2][6]。

多層次的數字電路創新實驗平臺架構如圖1所示。

2.2數字設計的基礎原理與實驗教學。

數字電路基礎原理和實驗教學是數字系統設計的課程體系的基礎入門階段，是培養數字邏輯代數與邏輯電路的重要過程，大類可分為時序邏輯電路和組合邏輯電路，其中時序邏輯電路主要包括：鎖存器、觸發器和計數器，組合邏輯電路包括，編譯碼器、多路復用器、比較器、加（減）法器、數值比較器和算術邏輯單元等。教學的目的是訓練學生掌握組合和時序邏輯電路堅實理論基礎，使學生掌握數字電路的基本概念、基本電路、基本分析方法和基本實驗技能，不但要注重基本數字電路與系統設計理論的理解，同時讓學生在學習中逐步了解面向應用和現代科技進步數字電路新的設計理念[2][3]。

2.3面向應用的數字電路課程設計實踐教學。

隨著電子設計自動化技術（EDA）和可編程器件（CPLD）的不斷發展和應用，以EDA技術為主導的數字系統理念已經成為企業工程技術的核心。數字電路課程設計主要培養學生利用中小規模數字集成電路器件和大規模可編程器件進行數字電路設計和開發能力。在卓越工程師培養背景下，結合前階段數字電路課程理論教學和實驗教學的實際情況及EDA技術的發展狀況，適時進行數字電路課程設計和EDA技術課程的綜合銜接，以及課程深度融合[4]。主要內容包括：

2.3.1基于Multisim等相關軟件的數字系統仿真實驗。可以構建虛擬數字實驗系統，不但較好地模擬實物外觀外，還可以利用系統提供的實驗平臺開展實驗的設計、仿真，進行實驗內容的邏輯驗證。

2.3.2基于通用和專用數字芯片的數字系統設計。其主要特點是有很好的直觀性和具體性。

2.3.3基于硬件描述語言（HDL）的數學系統硬件描述。采用硬件描述語言實現數字邏輯設計，基于EDA環境仿真和驗證?？梢越Y合上述（1）和（2）的優點，采用硬件設計軟件化技術應用于數字電路課程設計的實驗教學中，通過綜合性實驗的自行設計和實驗，對實驗內容、實驗規模、實驗方法進行了綜合創新設計[5]。

2.4結合科研項目的數字設計實驗創新平臺。

在高等院校，教師即承擔教學任務，同時有各自的科學研究方向，同學們可以根據自己的研究興趣，加入教師的科研團隊，形成教學與科研互利的良性循環。面向卓越工程師培養的數字系統設計，可以借助橫向或縱向科研項目形成綜合教學體系。比如：搭建在線可編程門陣列（FPGA）創新實驗平臺，形成數字電路、電路線路課程設計、可編程邏輯器件以及集成芯片系統設計，形成面向數字系統設計的課程體系[3]。同時，應用高校與知名企業建立的校企合作平臺，把企業界的研究信息和研發需求引入到教學平臺，開拓了學生的研究思路和視野，提升了學生設計復雜數字系統的能力；目前，我校正在與國際知名的半導體公司Xilinx、Altera和Cypress陸續建立卓越人才大學培養計劃，利用大學設置小學期，在FPGA和PSoC開發平臺上進行了面向實際應用的數字系統設計，在實踐平臺上不僅有學校的任課教師，還有知名企業派來的一線工程師指導同學們的實踐，相比改革前，取得很好的實踐效果，同學們的數字系統設計水平得到了提高，同時在編程、接口、通信協議等方面也有了深刻的認識。

對于優秀的學生，借助全國各種形式的大學生電子（信息）設計競賽這個創新平臺，組織他們積極參與，激發他們的學習研究興趣和創新意識，綜合所應用的數字系統設計知識，發揮競賽團隊的協作精神。每年，我們都有部分優秀學生通過努力，創新設計的作品獲得專業認可，并取得了良好的參賽成績，也使得數字設計課程體系的建設上了一個新的臺階。

3基于創新平臺的課程體系優化與實踐

卓越工程師培養要求的數字電路系統設計課程體系協調好相關電氣、電子類專業上下游相關理論課程、實驗綜合性設計同時得到協調發展。如何實踐論文所提到的創新實驗平臺，應該引進現代數字設計理念，重點把EDA軟件、設計工具、開發平臺與傳統的數字電路基礎理論教學相銜接。我們在這幾年對數字系統設計課程體系、創新實踐教學內容等方面的進行了改革與探索，取得了一定的成效。經過這幾年的實踐，我們逐步構建了面向應用的數字系統設計課程優化體系[5]，如圖2所示。

4不斷探索數字電路理論教學內容的改革與實踐

4.1以數字電路設計為目的強化基本邏輯電路理論教學。

在進行復雜數字系統設計之前應該熟練掌握這些常用基本組合和時序邏輯電路，包括電路的功能、電路的描述以及電路的應用場合等。

樹立電路設計思想首先需要熟練掌握一些基本的邏輯功能電路。其次，樹立電路設計思想需要理論講解與實踐相結合，逐步熟悉硬件描述語言的描述方式。數字系統設計強調采用硬件描述語言來對電路與系統進行描述、建模、仿真等[2][3]。

4.2掌握面向應用的數字系統工程設計方法。

學生在掌握數字電路基本概念和一般電路的基礎上，進一步掌握數字系統設計的方法、途徑和手段。其主要內容包括：數字系統與EDA的相關概念、可編程邏輯器件、硬件描述語言、電路元件的描述、數字系統的設計方法、開發環境與實驗開發平臺以及應用實例的介紹等。這些課程內容涉及面較廣，為了提高教與學的效果，探索總結了以下的教學重點內容，并作為教學實踐中的教學切入點[1]。

隨著電子技術不斷發展與進步，現代數字系統設計在方法、對象、規模等方面已經完全不同于傳統的基于固定功能的集成電路設計[1][2]?，F代數字系統設計采用硬件描述語言（HDL）描述電路，用可編程邏輯器件（PLD）來實現高達千萬門的目標系統。這一過程需要也應該有先進的設計方法。根據硬件描述語言的特性和可編程邏輯器件的結構特點以及應用的需要，在教學過程中闡述了先進設計方法。例如：采用基于狀態機的設計方法設計復雜的控制器（時序電路），應用或設計鎖相環或延時鎖相環來處理時鐘信號，應用自行設計（IPcore）軟核來提高數據吞吐量[1][2][3]。

4.3深化數字電路實驗教學改革。

實驗實踐教學過程中，注重基礎訓練與實踐創新相結合的實驗教學改革思路，加強學生工程思維訓練、新平臺工具的使用、遇到邏輯問題的綜合分析能力，理論與實踐相結合的分析能力。在實踐過程中的提高創新性和綜合性能力，面向應用的數字電路創新平臺建設，需要不斷提高課程試驗、實驗和實踐過程在教學中的比例，在符合認知規律的同時，逐步加強來源與實際需要的綜合性數字設計實驗。

5結語

數字電路是電氣、電子信息類專業的一門重要的專業基礎課程，論文針對當今卓越工程師培養的要求，以及在教學過程中遇到的主要問題，探討了面向應用的數字電路課程創新實踐平臺。提出了多層次的數字電路創新實驗平臺結構和面向應用的數字系統設計課程優化體系。目的在于，通過課程及相關課程體系改革與創新，使得學生更快、更好的適應現代數字技術發展的需求。

參考文獻

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[4]秦進平，劉海成，張凌志等.電類專業數字系統綜合實驗平臺研制，實驗技術與管理，2012.6，75-78.

篇9

關鍵詞： EDA 精品課程 課程改革 人才培養

教育部在精品課程建設的文件中強調要切實加強教師隊伍建設，重視教學內容和課程體系的改革，注重實用先進的教學方法和手段，重視教材建設，理論教學和實踐教學并重，建立切實有效的激勵和評價機制，實現優質教學資源共享，提高學校教學質量和人才培養水平。

EDA（Electronic Design Automation，電子設計自動化）技術是現代集成電路及電子整機系統設計中科技創新和產業發展的關鍵技術。當前集成電路技術已進入超深亞微米工藝和片上系統（SoC）階段，集成化、微型化和系統化的趨勢使得集成電路設計及以集成電路為核心的電子系統設計成為一個龐大的系統工程，離開EDA技術集成電路及電子系統設計將寸步難行。

EDA技術教學是培養高素質電子設計人才，尤其是IC設計人才的重要途徑。EDA技術的迅速發展，使我國高校電子技術的教學面臨嚴峻挑戰，它對教學思路、內容、方法和實驗手段等都提出了新的要求。近幾年，許多高校正在探索新的面向21世紀的教學方法，引進電子技術的新發展成果，開設EDA課程，改進EDA實驗手段，少數重點高校還獲得了教育部試點投資，建立起了EDA實驗室和重點教學基地。概括起來，國內高等院校開展的EDA教學內容主要是在電子、通信類等課程中借助一些EDA工具軟件進行演示或要求學生利用工具軟件達到設計或分析等要求。例如，在電路分析、數字電路和模擬電路等課程中使用EWB電路輔助設計和分析軟件、Matlab專用分析軟件和Pspice通用電路分析設計軟件等進行電路的交直流分析、頻率響應分析、容差分析及電路與電子線路分析設計;在通信電路、通信原理等專業課程，使用SystemView軟件進行通信系統動態仿真分析。

1.改革課程體系

在課程體系的改革中，我們以適應社會需求為出發點，修訂課程教學大綱，規劃和確立該課程的教學內容和培養目標，以培養具有實踐能力的創新型人才為宗旨，課程體系具有合理的知識結構。通過對學生就業單位和畢業生的調研，分析企業反饋的信息，可知企業期望學生提高實際動手能力和產品開發能力等，不斷調整教學內容，增加實踐課程比例，并注重課程內涵建設，做到與時俱進，提高學生的知識綜合應用能力和實踐動手能力，同時提高學生的工藝設計能力、學習的積極性和主動性，強化生產質量控制和新產品開發的創新能力[1]。

在總結教學經驗的基礎上，我們修訂了教學計劃，確立了“在夯實EDA課程的理論基礎上，注重實際動手能力和創新能力的培養”的教學思路和方法。在硬件上，不僅搭建了較高水平的實踐教學平臺：EDA原理的實驗平臺，主要完成驗證性實驗和綜合性實驗（EDA原理及應用實驗室），還建立了應用創新實踐平臺：完成設計性和開發性實驗（電子信息綜合實驗和綜合開放實驗室）。

在軟件上，制定了與實踐教學體系相適應的實驗教學大綱，編寫了實驗教材，開發了網上實驗教學系統。

為強化實驗效果，除傳統的實驗形式外，還要增加電路仿真實驗。利用計算機對EDA原理及應用中的接口過程進行模擬，這樣既直觀，又能在計算機上實現、顯示許多實際中不允許或無法實現的特殊情況，開拓了一條強化教學效果的新路子。

為提高學生對實踐教學環節的重視度，培養學生的創新能力和實驗能力，保證預期效果，將EDA原理及應用實驗教學部分分為上機模擬實踐、下載實踐、課程設計、畢業實習、畢業設計，各類競賽的開展也為學生實踐能力的培養提供了一個好的平臺;通過制度和措施保證實驗室全天對學生開放;開發網上實驗教學管理系統。

2.改進教學方法與手段

（1）多樣化教學方法及其實施目的、過程、效果及學生規模

EDA技術發展快，涉及面廣、實踐性強，對教師和學生的要求較高。掌握EDA技術，提高解決實際工程問題的能力需要一個不斷積累、不斷探索的過程。在EDA技術教學方法上，我們進行了革新，改變了過去以教師為中心、以課堂講授為主、以傳授知識為基本目的的傳統教學模式，而采用教師講授與學生實踐相結合，理論知識與現實工程問題相結合的靈活的教學方式，留給學生充分的思考和實踐時間，鼓勵學生勤于思考，善于把握問題實質，不斷提高解決實際問題的能力。

講課時突出重點、難點，注重知識點重組。既注重理論基礎，又強調實踐實用，既保持學術前沿性，又兼顧趣味性，師生互動。教學中重視培養學生運用知識、解決實際問題的能力，課程中引入大量EDA實際例題，充分調動學生的學習積極性。采用多樣化的教學方法，學生規模為300人/學期，多元化教學方法包括：

①交互討論式教學法：為調動學生獨立思考的積極性，理論課教學中教師或學生提出問題，師生之間、學生之間互動討論，調動學生的積極參與性;在設計與綜合實驗中，教師引導學生討論方案、方法等。

②目標驅動教學法：教師給出課外作業、實驗項目及目標，學生根據任務目標完成實驗的各個環節，如資料查找、實驗方案設計、儀器調試、實驗結果測量與處理等。這種方法使學生任務目標明確，充分發揮學生的自主性，有利于培養其獨立工作能力。

③研究式教學法：采用研究的觀點、研究的思路、研究的方法講授課程內容，設置研究性的作業和實驗項目。

④現場不講授只指導的方法：對于學生能夠獨立完成的實驗項目，指導教師不統一講授，只對學生提出的問題進行答疑指導。這種方法有利于學生自主學習，讓學生獨立思考，自主學習。

⑤開放式自主實踐教學法：開放實驗室，學生自主實驗，達到自主學習的目的。

⑥課外科技活動指導方法：分小組進行實踐活動，開展合作、研究性學習。

⑦學生參與教師科研項目方法：學生在學習過程中可參與教師的科研，教師指導其學習與研究。

⑧網絡輔導方法：學生可通過網站的方式訪問本課程的情況，通過鏈接EDA原理及應用課程，可以看到EDA課程組在該網站上所存放的各種資料，包含課程大綱、上課課件、網絡視頻、習題分析、難點分析等。

多樣化實驗教學方法主要體現為不同內容、不同對象、不同背景、不同項目情況下多種形式和多種方法的結合，其主要目的是以學生為中心，因材施教，因內容施教，充分調動學生的實踐創新積極性，達到提高教學質量、培養創新能力的目的。例如，在基礎實驗階段，主要采取現場授課與指導方法;在學生掌握了基本技術與方法之后，在設計性、綜合性、創新性實驗中采用只指導不講授或開放式自主實踐方法;在理論課和綜合實驗中采用互動討論的方法;安排課外作業或科技活動，則采用課外指導方法;目標驅動法則可應用于各環節之中。各種方法綜合運用的目的是，培養學生自主獲取知識的能力，讓學生充分發揮主觀能動性和創造性。多元化教學方法尊重學生的個性和創造性，極大地調動了學生的學習積極性，達到了良好的效果。

（2）教學手段――多媒體優化教學

教師和學生可利用網站上已有的EDA教學大綱、EDA課程課件、教師講課錄像等各種學習資源，學生可進行遠程學習與接受輔導;建有多媒體教室，實驗室配備投影、實時攝像投影等多媒體教學設備，理論和實驗教學均采用多媒體輔助教學，全面實現CAI課件與網絡課件的結合，計算機仿真實驗與實際實驗的結合，課堂教學與遠程網上輔助教學的結合，現場實時攝像投影與教師演示的結合。

根據教學的不同階段、不同內容和課內外情況，采用了上述多媒體優化實驗教學。例如，課前學生進行網上預習，課外可通過網絡進行同學間、師生間的交流與輔導;實驗課上講授基本內容時采用CAI課件，演示儀器使用時采用實時攝像投影，學生在實驗階段采用計算機和網絡輔助，遇到困難，除向教師詢問外，還可自主到網上資源庫查詢。多種媒體優化使用，達到最佳效果。

3.加強實踐（驗）課教學

為了使EDA原理及應用的實踐教學體系能適應新的要求，從有利于培養學生自覺應用理論知識指導實踐，強化基本技能訓練，為培養高素質人才打下良好的基礎角度考慮，課程組經過教學內容和教學體系研究和實踐，結合理論課模塊化教學模式及專業素質教育要求，執行以下實驗課程的改革方案，將整個實驗分為課內實驗和課程設計“兩個階段”。

第一階段：課內實驗

在整個課程的教授過程中，結合授課內容的具體安排和需要，單獨設置了對應的實驗課程。EDA原理及應用上機10學時，實驗10學時，與理論教學同步進行，包括驗證性實驗與綜合設計型實驗。在實驗中要求學生獨立完成所有實驗項目，培養學生的基本實驗技能;加深對EDA原理理論的理解;學會使用實驗儀器;掌握常用EDA程序的設計和分析。

第二階段：課程設計

為了培養學生熟練使用現代化設計工具的能力，增強學生的工程實踐能力，把培養創新意識和創新能力放在核心位置，EDA原理及應用課程在課內實驗之外，增設課程設計環節。

課程由教師輔導、學生課外自學、設計制作、論文寫作，答辯等環節組成。通過程序設計、程序仿真及程序下載的設計過程，使學生能夠充分理解理論教學的內容，并通過實踐教學熟悉電子線路設計和開發的相關工具，為學生今后的科研工作打下堅實的理論及實踐基礎。

根據“EDA原理及應用”課程建設的需要，設計出一套可以用于課程開發使用的實驗板，并便于學生進行二次開發，可以強化授課效果，同時提高學生的實踐動手能力，培養學生動手能力和分析問題的能力，進行創造性的學習，培養學生的創造精神，并給學生提供進行創造的環境[2]。實驗儀器如下圖所示：

結語

通過實施“EDA原理及應用”課程改革，使該課程在我院專業建設中發揮了作用。教學中重視培養學生運用知識、解決實際問題的能力，課程中引入大量EDA實際例題，充分調動學生的學習積極性。近年來，學生在全國電子設計大賽、全國“達盛杯”創新電子設計競賽中取得了國家級和市級的優異成績。

參考文獻：

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關鍵詞：電工電子；實驗教學體系；課程教學改革；探索實踐

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A 文章編號：1812-2485（2011）07-015-03

電工電子技術是電類工科專業必不可少的一門專業基礎課,電工電子實驗教學則是該課程的一項重要內容,是幫助學生理解、掌握和應用電工基本理論知識、培養學生實驗能力和實際操作能力的重要手段。獨立學院的電工電子實驗教學基本上仍然沿襲大多數公立高等院校的實驗教學模式，沒有針對學生水平的不同對電工電子實驗教學做合理的分級教學，難以適應新時期人才培養的要求。為了更好的服務于獨立學院培養實踐應用型人才的目標，對電工電子實驗教學進行合理的改革勢在必行。要進行電工電子實驗教學改革就必須建立以學生為本、知識培養與能力培養并重、實驗教學與理論教學緊密結合的現代實驗教學理念，明確以技術應用能力培養為主要目標的實驗教學體系。為此，要大力加強實踐教學投入，建設好具有開發、創新能力的電工電子實驗室，使電工電子實驗教學能夠符合獨立學院培養應用型人才模式要求、貼近生產實際、適應社會需要。

1 獨立學院電工電子實驗教學課程體系改革內容

1.1 構建電工電子系列課程實驗教學大平臺，該平臺主要由通識教育平臺和創新教育平臺組成

1.1.1 通識教育平臺。在通識教育階段，確定了加強基礎、拓寬口徑、強化應用、重視實踐的人才培養原則。該平臺實驗是各課程的基礎性實驗，包括驗證性的基礎實驗和課程綜合實驗，是實驗教學體系的基礎，是必修實驗，起著由技術基礎課向專業課過渡的橋梁作用，學生對基礎性實驗的熟練程度將直接影響到整個專業課程實驗。

1.1.2 創新教育平臺。該平臺包含設計與綜合性實驗、課程設計、畢業設計和自主創新實驗。設計與綜合性實驗旨在立足基礎、面向應用、注意知識遷移、反映大學生知識結構和能力要求，培養學生運用知識的綜合能力和創新意識。

1.2 建立層次化的實驗教學新體系，精心設計、優化實驗教學內容

實驗教學體系的建設關系到人才培養的質量，為體現實驗教學注重能力、個性及創新意識培養的基本原則，我們在實驗教學體系建設上突出了分層次、個性化的、課內外齊抓的培養模式。根據難易程度，我們將實驗內容分為3個大的不同層次，分別對應基礎驗證型、提高設計型、應用創新型實驗，同時對各類實驗項目進行分級實驗教學。這樣從低到高、從基礎到創新、從知識的學習到能力的培養，逐級提高的實驗教學體系，使學生既能掌握基本實驗操作方法也能培養學生科學思維能力和創新設計能力，既可以滿足不同層次學生的需求，同時又有利于對拔尖學生因材施教。

1.2.1 必做的基礎驗證型。包括驗證性的基礎實驗和課程內綜合實驗，是實驗教學體系的基礎，是必修實驗，起著由技術基礎課向專業課過渡的橋梁作用，學生對基礎性實驗的熟練程度將直接影響到整個專業課程實驗。由任課教師根據課程需要選定實驗內容，教師在實驗現場授課并全程指導。

1.2.2 提高設計型與應用創新型實驗。提高設計型與應用創新型實驗內容的安排我們強調強弱電緊密結合、與科研工程實際及社會應用緊密結合的原則。從培養創新型、復合型和工程型人才的需求出發，建設了一系列不同層次、跨課程的綜合實驗室，主要依托電工電子實驗室、電工電子實訓中心、電氣工程實驗室、PLC實驗室、DSP實驗室和電子創新實驗室。學生可以根據自己的喜好和需要，允許自主選擇實驗內容或項目，貫徹因材施教、因需施教的原則。教學形式主要有必修課和選修課兩種。一種是對必須加強電工電子綜合知識能力的專業，教學設置為必修實踐課；第二種是開設供全校理工科各專業學生根據自己需要和興趣來選修的實踐課。

在設計與應用性實驗的實施中，指導教師需要把自己在平時所積累的知識傳授給學生，使他們少走彎路，高質量地完成實驗。做好這類與科研工程實際及社會應用緊密結合的實驗，對大學生參加科技創新實驗大有益處。

1.2.3 采取開放式的個性化培養模式。開放實驗教學的目的在于為學生建立一個貌似寬松、實則嚴格的學習和實踐的環境，改“牽著學生的手往前走”到“鼓勵學生自己往前走”，為學生留出相當的自主空間，鼓勵學生出于興趣和愛好去動腦筋、動手。開放式實驗室為學生提供了一定的環境和機會，為培養他們的創新能力創造了條件。開放實驗室，可以為學生自主學習、個性發展、培養創新能力提供充裕的時間和空間，是深化教學改革，由被動教育變為主動教育，由應試教育變為素質教育，全面提高實驗教學質量的有效辦法。

1.2.4 以EDA技術作為突破口，構建軟硬件并重的實驗教學新體系。長期以來，我國高校實驗課普遍采用傳統的硬件驗證式模式，但隨著EDA技術的發展，系統仿真技術日趨完善。針對當今國際電子設計業界對人才培養能力的普遍認同標準，必須強化學生電子設計自動化（EDA）仿真技能的培養?；谶@點考慮，電工電子系列實驗課程分為硬件實驗和軟件仿真兩條線，每條線都突出了分階段培養學生工程實踐能力的特點。

1.2.5 加強實驗講義的建設。在我校自編實驗講義不斷充實和完善的同時，我們對兄弟院校先進的實驗教學內容和體系積極引進和消化，不斷將既能體現基礎又能體現綜合的具有代表性的前沿性研究內容納入到實驗教學中，積極組織編寫全新的實驗教材。

2 獨立學院電工電子實驗教學課程體系改革目標及擬解決關鍵問題

2.1 改革目標：通過課程改革和建設，應達到如下目標

2.1.1 使學生打牢專業理論基礎，掌握本學科的知識結構和內在規律，并具有綜合應用知識的能力。

2.1.2 培養學生分析問題、解決工程問題的動手能力和創新設計能力。

2.2.3 培養學生自學能力和索取新知識的能力，為將來接受繼續教育和學習打下堅實的基礎。

2.2 擬解決的關鍵問題

2.2.1 高水平的師資是關鍵。

2.2.2 優秀的實踐教材是根本。

2.2.3 先進的實驗設備是前提。

2.2.4 實踐教學分層次是客觀現實。

2.2.5 科學的考核與評價是保證。

3 獨立學院電工電子實驗教學課程體系改革的實施方案和實施方法

根據獨立學院人才培養目標定位和實驗教學理念，基于實驗教學改革總體思路，電工電子實驗教學必須在廣泛學習、調研、討論的基礎上，以學科、專業的發展趨勢為依據，結合專業培養計劃，以突出能力培養、素質提高為目標，構建由“基礎驗證型、提高設計型、應用創新型”三個層次的實驗教學體系。才能培養適應時展的具有競爭力的高素質應用型人才。

3.1 實施方案

將實驗教學分為三個層次，第一層次為基礎驗證型，面向全校工科學生的必修和選修實驗課，學生可以跨專業選修自己感興趣的實驗課；第二層次為提高設計型，除本專業學生外，也為相關專業和愛好實驗的學生提供實驗環境；第三層次為應用創新型，以綜合型實驗為主，培養學生利用所學知識分析問題、解決問題的能力，以工程項目、課題研究、科技創新競賽為主，吸引各學科各專業有特長的優秀學生參與。

3.2 實施方法

3.2.1基礎驗證型。

（1）課程： 電路分析基礎實驗、模擬電子技術、數字電子技術、電路仿真等必修實驗課程。

（2）教學目標：培養學生的基本工程素質，基本實驗技能，基本分析和處理問題的能力。

（3）具體要求：

①掌握基本的儀器使用與測試技術。

②掌握電子設備的基本操作方法。

③熟識1-2 種EDA工具的仿真技術。

④熟識中小規模常用模擬器件和數字器件的選擇原則、工作原理。

⑤掌握基本電子電路的組成、性能及其參數測試方法。

⑥每位學生必須完成一個基礎層綜合實驗和一個PCB圖設計。

⑦具有電子單元小系統設計能力。

⑧了解基本的電工、電氣和電路的設計及制作規范。

3.2.2 提高設計型。

（1）課程：單片機原理及接口技術課程設計（必修）、VHDL課程設計與實踐（必修）、數字集成電路設計（必修）、模擬集成電路（必修）等。

（2）教學目標：培養學生知識更新、獨立分析處理問題的能力以及創新的思維。

（3）具體要求：

①掌握微處理器的基本架構原理與構造技術以及其通用的應用方法。

②掌握CPLD或FPGA設計技術。

③掌握一種典型的單片機開發應用技術。

④初步具有電工電子系統設計能力。

3.2.3 應用創新型。

（1）課程：工程設計（必修）、綜合應用開發實驗（選修）、現代電子技術系統實驗（選修）、嵌入式系統及其應用課程設計與實踐（必修）、集成電路計算機輔助設計（必修）、ASIC設計實驗（必修）、生產實習和校外實習（必修）、課程設計與畢業設計（必修），全國大學生電子設計競賽、全國大學生“挑戰杯”科技競賽、全國大學生機器人競賽、全國大學生空中機器人競賽、飛思卡爾杯全國大學生智能車競賽、ADI全國大學生創新設計競賽、校內學生課外科研立項、教師科研項目等各類課外科技活動

（2）教學目標：培養學生自主學習、系統分析、應用、綜合、設計與創新的能力，培養學生的創新精神，增強學生的工程設計與綜合應用素質

（3）具體要求：

①初步學會綜合應用開發設計電工電子系統的基本程序和要素。

②經歷電子板級電路到系統單元的分析，設計和實現的全過程。

③具有開發電子綜合系統的能力。

④掌握電子系統項目的開發設計和制作能力。

⑤理解電子系統設計的一般規律。

⑥了解電子系統的創新思路

4 獨立學院電工電子實驗教學課程體系實踐成果

4.1 通過分類分層次實驗教學調動了學生學習的積極性和主動性，使學生從“要我學”轉化為“我要學”，可以從根本上促進學風。

4.2 通過電工電子實驗教學課程體系探索，有效的實施素質教育，有效的使學生分流，做到因材施教，有利于學生個體的多方向性發展，從而有利于學生畢業后的進一步深造或就業。

4.3 電工電子實驗教學課程體系探索，對教師提出了更高的要求，因此必將激勵教師自身業務水平的提高，進一步促進教學和科研工作。

4.4 電工電子實驗教學課程體系探索遵從新形勢下的教育指導思想，適應時展的要求，進一步提高了其理論聯系實踐的教學特點。它使學生能夠學有所得，學有所長，成為社會的可用之才，較好地體現了學生以學為本的辦學宗旨，符合培養以應用型人才為主的基本指導方針。

4.5 此次探索與實踐中的特色和創新之處

4.5.1 按照學科建設與人才培養相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學統籌協調的原則，將電工電子實驗課程體系建設成為以培養學生實踐能力、創新能力為主線，構建由“基礎驗證型、提高設計型、應用創新型”三個層次的金字塔結構的實驗教學體系。

4.5.2 教學中以學生為主體、以教師為主導、以能力培養為主線，形成教師與學生信息互動，啟發創造性思維；在實驗課中因材施教、鼓勵個性發展、培養拔尖人才；樹立新的質量觀念，改革實驗考核方式。

4.5.3 優化整合電工電子課程教學內容，根據人才培養的需要，按照學校和學科專業設置的特點，整合電工電子實驗室，統籌安排、合理使用教學資源，整合后的實驗室為電路分析基礎實驗室、模擬電子技術實驗室、數字電子技術實驗室，電力電子、單片機和微機原理、DSP、PLC，使其專業性更強，并提高實驗室的利用率和開出率，使其很好完成基礎實驗。

4.5.4 實行實驗室開放并建立完善的管理辦法，最大限度地利用實驗室資源，充分發揮實驗室在實施素質教育中的重要作用，為學生提供自主發展和實踐鍛煉的空間，提高儀器設備利用率。開放工作貫徹“面向全校、因材施教、形式多樣、講究實效”的原則，重點培養學生的創新意識和動手能力，學生可以購買基本的實驗器件，利用實驗室的條件，完成自己的設計。

4.5.5 運用現代化技術及先進的實驗教學手段和方法，開發實驗多媒體課件，使用計算機輔助實驗教學軟件和多媒體實驗教學課件，推廣運用虛擬、仿真等實驗技術手段，拓展實驗的時間和空間，構建立體式實驗教學平臺。

4.5.6 加強高素質應用型人才的培養，緊跟時代的發展動態，實現社會需求、專業建設、人才培養的互動。經過深入調研了解目前相關企業急需人才的專業方向，結合我院電工電子實驗室的實際情況，提高人才培養的針對性，使教學內容更豐富，針對性更強。

4.5.7 建立專門的電子信息創新實驗室，學生在教師的指導下，根據給定的實驗條件和設計要求，自行研究、設計實驗方案和實驗步驟，完成實驗，碰到問題能夠自己解決。采取學生自主學習為主導的教學方式，自行查閱資料、開題答辯、設計方案、實驗操作、完成實驗項目、拿出實驗成果，教師驗收。根據學校規定，對于完成較好的同學，計入創新學分。

4.5.8 培養學生的創新精神，增強學生的工程設計與綜合應用素質。鼓勵并培訓學生參加各類競賽，主要面向全國大學生電子設計競賽、全國大學生“挑戰杯”科技競賽、全國大學生機器人競賽、全國大學生空中機器人競賽、“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽、ADI全國大學生創新設計競賽、校內學生課外科研立項、教師科研項目等各類課外科技活動。

參考文獻

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