面向实践的现代SoC设计课程教学方法的创新

　摘 要 现代SoC设计课程是集成电路设计及相关专业学生的一门核心基础课程。课程教学分理论授课和实践教学两个环节，为使学生更好地理解授课内容，切实有效地提高工程动手能力，对该课程的实践教学环节进行深入的探索和研究。利用团队互动式教学、递进式实验设置、项目牵引等教学方法进行面向实践的教学探索，实施多年，取得显著成效，在激发学生学习热情的同时，有效地提升了学生的工程实践能力，从而促进教学质量的稳步提升。
　　关键词 现代SoC设计课程；实践教学；实验案例；互动式教学
　　中图分类号：G642.44 文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2015）08-0143-02
　　Practice Oriented Teaching Exploration for Modern SoC Design Course//SHEN Jianliang， ZHANF Fan， SONG Ke， LYU Ping， ZHANG Li
　　Abstract Modern SoC Design is one of basic core courses in integrated circuit design and related majors. It has teaching theory and practicetwo aspects. In order to make students better understand the teaching content and improve the practical ability， this paper do some deep research andexploration on practical teaching， that through interactive teaching by team， setting progressive traction experimental and project teaching method. The implementation of many years has achieved remarkable success to stimulate the learning enthusiasm while effectively improve the practical ability of students， so as to promote the improvement in the teaching quality.
　　Key words modern SoC design course； practical teaching； experimental case； interactive teaching
　　1 前言
　　现代SoC设计是电子科学与技术、计算机科学与技术、通信与信号系统等相关专业的一门核心基础课程。它的先行课程包括数字集成电路设计、数字逻辑和硬件描述语言，后续课程有微处理器设计、高级计算机体系结构、可重构SoC设计方法学等，在一系列硬件课程教学中起着承上启下的作用，对学生理解SoC系统的软硬件设计思想将产生深刻的影响。由于该课程理论性较强、知识面较宽、信息量较大，存在教师难教、学生难学等问题，容易造成学生被动地学习，难以真正理解SoC设计的精髓，也无法调动学习积极性，致使教学效果不理想[1-2]。本课程以SoC设计的基本原理和基本流程为教学内容，教学过程中注重实践能力的培养，并对实践教学方法进行探索，以满足未来对教学及科研工作的要求。
　　2 以往SoC设计课程教学中存在的问题
　　教材理论性强，缺乏与实践教学的联系 目前国内SoC设计技术相关教材种类很多，但大多数理论性强，不够形象生动，基本只是对设计流程简单罗列，所举示例不够直观，很少或者没有配套的实验，和实践教学存在脱节，不能直接与SoC系统设计相对应，从而达不到理想的教学效果[3]。现代SoC设计课程多数为高年级本科生和低年级研究生选修，这个阶段学生对于SoC系统有一定的理解，但对于具体的设计方法和涉及的工具链还没有清晰的认识，对部件的功能和结构分析的能力也还比较弱，急需通过一定的工程实践来提升设计能力。在实践过程中可以巩固所学的理论知识，同时对理论知识更好地理解又会进一步指导实践[2，4]。
　　涉及的知识面广，横向和纵向存在很强的关联性 SoC设计是集成电路设计领域一门重要的课程，涵盖的知识面很广。从底层的半导体物理器件，到芯片封装测试及其应用都有涉及，横向与纵向的知识关联性强。一方面，该课程先修课程本身难度就较大，与数字集成电路设计、数字逻辑和硬件描述语言等先修课程有纵向的密切关联。如果学生没有很好地掌握这些知识，势必影响到现代SoC设计课程的学习。这种纵向联系增加了教师的讲授难度，制约课程教学的立体化展开，从而也制约了实践教学的开展[5]。此外，该课程与同期开设的高速PCB设计、高级计算机体系结构、微处理器设计等课程也有较为重要的联系。多年的教学经验表明，SoC设计等硬件类课程间缺乏统一规划和协调，教学存在内容大量重复或缺失、课程之间内容脱节严重等问题[2]。
　　另一方面，该课程各个知识点之间横向联系密切，这些关联使得现代SoC设计的教学不同于其他课程，对各知识点的介绍不能一步到位，而是逐步深化、层层递进，无形中增加了理解和教学的难度[2]。
　　实践环节过分单一化，不能与理论教学有效结合 现代SoC设计配有专门的实验课程，拥有专用实验平台，但往往受限于EDA工具的选择、厂家定制硬件的配套实验，不能有效结合课堂教学内容。由于硬件课程本身上手比较难，学生初学时往往不知道从何下手，同时实践教学与理论授课也不能很好地直接对应，特别是较为复杂的实验系统很难彻底完成，需要学生课后花更多的时间和精力去消化。
　3 教学改革与实践环节设计
　　针对现代SoC设计教学中存在的上述问题，自2010年起，本单位逐步进行现代SoC设计课程的教学内容与教学方法改革，强化实践环节，取得一定的实践教学经验。
　　团队互动式教学 SoC课程涵盖了当前ASIC设计的整个设计流程，包含芯片前后端设计、可测试性设计、低功耗设计等内容，一位教师难以透彻地讲解到所有的知识点。本单位结合承担的科研项目实际，参考国家级精品课程教材，以研究生入学考试大纲为指导，根据每位授课教师在科研项目中的特长，对教学内容进行调整，并创新式地采用团队式互动教学方法，由多位教师共同讲授一门课程，从而全方位多角度传授课程的知识要点[2]。
　　1）团队式互动教学方法是指由多位知识互补的教师组成教学团队完成一门课程的讲授。每位教师直接参与先行理论授课与后继课程的实践教学环节，实现理论授课和实践教学的统一。同时，由授课团队共同完成课程内容修订、课程体系讲座、实践环节设计和指导，并亲身在相关课程中主讲若干学时或讲座，介绍课程之间的关系，实现课程体系的贯通式教学。例如，为了更好得与计算机系统结构课程衔接，“现代SoC设计”主讲教师要为“计算机系统结构”课程开设“指令集设计”“流水线技术”等讲座，激发学生的学习兴趣，明确计算机系统 结构课程在现代SoC设计教学中的地位和联系[2]。
　　2）增加对硬件设计的综合分析。在团队教师协助下，增加对基于ESL的SoC设计、基于平台的SoC设计等的介绍和学习，为后继课程做好技术铺垫，积极引导学生思考，重新认识硬件基础对于专业学习的重要性，改变“重软偏硬”的思想，而深化“软硬结合，相得益彰”的认识[2]。
　　开展递进式的教学实践项目 在实践教学过程中需要遵循“由浅入深、由简到难”的原则，同一个知识点可以安排多个实验，递进式地让学生掌握相应的知识点。比如在涉及RTL级代码综合优化的实验时，可以分Step、Hold时序分析与讲解、静态时序分析、综合优化策略等内容进行，形成从基础到高阶的递进，让学生遵循自然学习规律完成知识点的掌握。同时，实践教学内容一定要按照设计流程层层递进，从最初的RTL级代码编写规范开始，然后进行设计综合、布局布线、时序分析、物理实现与验证等步骤，在理解工具脚本的基础上层层推进，最后实现对全流程的掌握[6]。
　　以项目为牵引，实现动手能力的再提高 实践教学只能将学生领进门，个人的造诣必须在实践中演练。否则，实验做得再好，也只能是纸上谈兵。以“项目”为引导，可以从根本上提高学生学习主动性，提高学生的设计和实践能力。实践教学实验的设计往往只包括最基础的操作和应用，难以覆盖工程实现的方方面面，必须在实践项目的锻炼中才能不断地提高科研能力，实现实验教学的最终目的[4]。
　　4 实践教学改革效果
　　多年来通过上述教学内容和实践环节的改革探索，SoC设计课程体系建设得到进一步完善，教学质量也提升了，成效显著，主要体现在以下几个方面。
　　紧密衔接课程，奠定扎实的理论基础 俗话说得好，基础不牢、地动山摇。在进行SoC设计课程讲授前，对前导课程的知识点进行回顾与梳理，可以帮助学生快速地进入角色，部分与SoC设计课程衔接紧密的课程需要提前进行预习。根据学生调查显示，在巩固学习模拟与数字电路等先导课程后，现代SoC设计课程中所涉及的基本原理更容易被理解，实践内容也更容易被掌握，更容易接受；同时，学好现代SoC设计课程后，对微处理器设计、可重构SoC学习有很大促进作用[2]。
　　提高SoC设计技术，为项目研发培养生力军 通过本课程学习，大大激发学生的学习热情，学生也更愿意投入到硬件设计、嵌入式系统设计中来。在研究生开题时，很多学生基于对SoC设计的热情选择类似的课题开展研究，积极投身到SoC设计中来，有些甚至成为项目研究的主力，能独立完成一个功能IP从前端到后端设计的所有设计流程，在项目研发中发挥了重要作用[2]。
　　5 结束语
　　现代SoC设计是电子科学与技术、计算机科学与技术、通信与信号系统等相关专业的一门核心基础课程。随着对实践教育质量的不断重视，强化实践育人环节，本文分析了以往该课程在教学环节中存在的问题，阐述了面向实践的教学改革与实践环节设计实施方案，通过团队互动式教学、递进式实验设置、项目牵引等实践教学方法，实现对学生SoC设计技术的有效锻炼，培养学生ASIC芯片设计能力[2]。
　　参考文献
　　[1]阎波，李广军，林水生.“微机系统原理与应用”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2012，34（3）：42-43.
　　[2]王洁，周宽久，赖晓晨，等.面向实践的计算机组织与结构教学探索[J].实验室科学，2014（5）：31.