IC設(shè)計的FPGA輔助驗證模式的教學(xué)改革探索

趙倩　周多　王曉華

摘要：以FPGA輔助集成電路設(shè)計（IC）的教學(xué)方法可以在現(xiàn)有的實驗條件下，完成IC設(shè)計的硬件驗證和芯片使用。加深學(xué)生對IC設(shè)計的認(rèn)知，避免IC設(shè)計流片高昂成本的問題。使得IC設(shè)計課程教學(xué)不再流于“紙上談兵”。FPGA輔助IC設(shè)計教學(xué)對培養(yǎng)我國急需的IC設(shè)計人才是大有裨益的。

關(guān)鍵詞：FPGAIC設(shè)計教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0文獻標(biāo)識碼：A

一、引言

IC產(chǎn)業(yè)是一個國家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，受到各國政府的高度重視。調(diào)查顯示，中國IC產(chǎn)業(yè)設(shè)計能力不斷提升，如今，中國已是全球第三大芯片設(shè)計中心，且IC設(shè)計領(lǐng)域一直是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長最快速的領(lǐng)域，其在全行業(yè)所占的比重逐年提升。然而，對集成電路設(shè)計來說，關(guān)鍵是人才。因此培養(yǎng)優(yōu)秀的集成電路設(shè)計人才是維持IT產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

目前，各大高校逐步開展了IC設(shè)計方面的課程和培訓(xùn)，任何一門跟技術(shù)有關(guān)的課程，如果沒有合理的實驗做支持和驗證，該課程的教學(xué)僅僅流于“紙上談兵”，學(xué)生沒有一個感性認(rèn)識，很難真正理解書本上的知識。而眾所周知，一個IC芯片的流片測試需要數(shù)十萬美金，顯而易見，以教學(xué)為目的，將學(xué)生的設(shè)計用專用芯片（ASIC）的方式實現(xiàn)是不可能的。

在ASIC的設(shè)計過程中，為了提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本并且能夠盡快地找出電路功能和時序中的錯誤，尤其是潛在的錯誤，教學(xué)中我們引入FPGA（Field Programmable Gate Array）來輔助驗證IC設(shè)計。FPGA驗證與ASIC設(shè)計的最大區(qū)別僅僅是FPGA綜合后的硅原型是在FPGA芯片上，而不是生成ASIC芯片，因此它的綜合不象ASIC設(shè)計那樣基于芯片生產(chǎn)廠家提供的工藝庫，而是FPGA提供的硬件資源，但它基本包括了ASIC設(shè)計中RTL級設(shè)計及以后的全部環(huán)節(jié)。因此，我們完全可以采用FPGA來輔助IC設(shè)計教學(xué)。

二、FPGA用于輔助IC設(shè)計教學(xué)

1. FPGA輔助IC設(shè)計教學(xué)思路

FPGA開發(fā)流程主要包括六步驟：RTL級代碼編寫；功能模擬和仿真；邏輯綜合；生成FPGA位流文件并下載到FPGA芯片上進行在線測試；生成最終的IC設(shè)計。其中前三個步驟在任何IC設(shè)計中都具有，與FPGA平臺不相關(guān)的。因此，F(xiàn)PGA非常適合于輔助驗證IC設(shè)計。它能使硬件的功能象軟件一樣通過編程來修改，利用 FPGA這些特性可以對IC設(shè)計進行驗證。用FPGA進行IC設(shè)計驗證的主要益處有：

1.邏輯功能全面驗證；

2.部分電路時序驗證，潛在的錯誤發(fā)現(xiàn)；

3.邏輯綜合過程驗證；

4.加快設(shè)計流程，減少重新制版幾率，降低成本；

5.加快系統(tǒng)廠商的系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)；

6.方便系統(tǒng)廠商對邏輯功能全面確認(rèn)。

電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中的IC設(shè)計課程是該專業(yè)的核心課程，實踐教學(xué)是課程不可或缺的一部分。集成電路系統(tǒng)設(shè)計（IC設(shè)計）平臺實驗體系以集成電路設(shè)計流程為紐帶，為學(xué)生提供集成電路從前端RTL代碼（或電路原理圖）到后端設(shè)計的實驗全過程。通過該平臺，學(xué)生可以掌握Cadence、Synopsys等主流EDA工具，熟悉從系統(tǒng)建模到芯片版圖設(shè)計的全過程。并可以根據(jù)需要把RTL代碼在已有FPGA實驗平臺上進行實現(xiàn)和測試。這樣學(xué)生不需要流片就能完成IC設(shè)計的驗證，IC設(shè)計與FPGA驗證實驗關(guān)系如圖1所示。

2.FPGA輔助IC設(shè)計驗證實例：

圖2 為學(xué)生設(shè)計的 MCU在FPGA上仿真所需要的整體環(huán)境結(jié)構(gòu)圖。主要由MCU內(nèi)核，ROM和RAM的宏單元，接口及用于輔助測試的系統(tǒng)時鐘構(gòu)成。

MCU核的測試過程為：在Quartus 軟件平臺上將待測試的MCU RTL級代碼、輔助測試模塊以及調(diào)用ROM和RAM宏模塊共同構(gòu)成頂層模塊，全編譯通過后生成位流文件（.sof文件）并下載到FPGA芯片中，通過觀察開發(fā)板上七段碼和LED指示燈的結(jié)果驗證MCU核設(shè)計的正確性。

三、FPGA輔助IC設(shè)計教學(xué)成效

基于Cadence、Synopsys平臺的IC設(shè)計，從前端到后端，一直是基于PC機的軟件編程和驗證，學(xué)生看到的是波形、圖形和大段大段的文字描述。設(shè)計的電路是否正確，由于不能流片，學(xué)生無法有一個直觀的效果，不能看到自己設(shè)計的芯片真實地應(yīng)用到實際電路中去。而通過FPGA的驗證策略，把學(xué)生設(shè)計的RTL代碼以FPGA芯片的形式來實現(xiàn)并應(yīng)用實際電路中，能非常直觀的驗證自己設(shè)計的電路是否能按照功能要求運用到實際電路中，又避免了流片所需要的高昂代價。

四、結(jié)論

FPGA具有在線修改能力，可以隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。而IC設(shè)計流片的代價高昂，而且流片后，如果出現(xiàn)錯誤，糾錯周期較長且成本高。因此用FPGA來輔助IC設(shè)計是IC設(shè)計課程一個很好的教學(xué)方案，可以在較短的時間內(nèi)加深學(xué)生對IC設(shè)計的感性認(rèn)識，并能提高學(xué)生IC設(shè)計的調(diào)試能力，并且我們學(xué)校具有IC設(shè)計實驗室和FPGA實驗室。因此FPGA輔助IC設(shè)計教學(xué)方法在現(xiàn)有的實驗設(shè)備上就能實現(xiàn)，且這種教學(xué)方案對培養(yǎng)我國急需的IC設(shè)計人才是大有裨益的。

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