大规模集成电路教案.doc

教 师 教 案

（2012 —2013学年第 1 学期)

课 程 名 称：大规模集成电路设计与应用
授 课 学 时：32
授 课 班 级：2010
任 课 教 师：蔡世民
教 师 职 称：副教授
教师所在学院：计算机科学与工程学院

电子科技大学教务处

课程名称
大规模集成电路设计与应用
授课专业
计算机
班级
2010
课程编号

修课人数
140
课程类型
必修
公共基础课( )；学科基础课( )；专业核心课(√ )
选修
专业选修( √ )；任选课（ ）；公选课( )；

理论课( )；实践课( )
授课方式
课堂讲授为主（ √ ）；实验为主（ ）；
自学为主（ ）；专题讨论为主（ ）；
其他：
是否采用
多媒体授课
√
考核方式及成绩构成
考 试( √ )考 查( )
成绩构成及比例：书面考试70%、半期考试（10%）平时考勤+作业（5%）、实验（15%）
是否采用
双语教学

学时分配
讲授32学时；实验16 学时；上机 学时；习题 学时；课程设计 学时

名称
作者
出版社及出版时间
教材
1. 大规模集成电路原理与设计

2. 从算法设计到硬线逻辑的实现---复杂数字逻辑系统的verVerilog HDL设计技术和方法
甘学温

夏宇闻
机械工业出版社
2010年1月

高等教育出版社
2001年2月
参考书目
1、可编程逻辑器件 PLD 基本原理 设计技术 应用实例

2、超大规模集成电路设计导论

3、集成电路设计

4、Verilog HDL实用教程

丁嘉种 刘凤山 马琪 崔茂东
蔡懿慈 周强

叶以正 来逢昌

张明

学苑出版社
2008年4月

清华大学出版社
2005年1月

电子科技大学出版社
2008年2月

授课时间
第 1 周——第9 周
第一章 VLSI概论
授课课时 3学时
一、教学内容及要求
教学内容：
1、集成电路的发展史；
2、摩尔定理；
3、集成电路的分类
4、集成电路设计的产业链；
5、集成电路设计方法
要求通过本章学习，学生应：
掌握：设计层次、表示方式、设计流程；
理解：集成电路的设计方法学；
了解：集成电路的发展史。
二、教学重点、难点及解决办法
重点：本章的重点是集成电路的基本概念及其设计方法等，具体包括
1、摩尔定理
2、集成电路的分类
3、集成电路设计方法学
难点：集成电路设计的完整性，学生刚接触比较陌生
三、教学设计
结合当前的微处理芯片的发展和现代工艺，有条理的向学生介绍集成电路的基本概念以及设计方法
1、 激发学生的积极性，让学生相信这门课很有用；
2、 刚开始上课时可适当放慢，让学生适应；
3、 要鼓励学生不要因为前期课程没有学好而产生恐惧心理。
四、作业
1、集成电路是哪一年有谁发明的
2、诺伊斯对集成电路的主要贡献是什么
3、MOS场效应管是哪年出现的？
4、集成电路的发展规律是由谁总结提出来的，具体规律是什么
5、叙述集成电路的层次设计步骤
五、参考资料
1、《超大规模集成电路设计导论》
2、Intel公司的发展历史
六、教学后记

第二章 VLSI制造工艺与版图设计
授课时数：4学时
一、教学内容及要求
教学内容：
1、半导体材料
2、集成电路工艺流程
3、集成电路中的元件
4、版图设计基础
要求通过本章学习，学生应：
掌握：集成电路工艺流程
理解：集成电路中的元件，版图设计基础
了解：半导体材料
二、教学重点与难点
重点：本章的重点是集成电路制造流程、元器件和基本的版图设计，包括
1、集成电路平面工艺基础
2、CMOS集成电路的设计流程
3、集成电路的有源元件和无源元件
4、版图设计的规则
难点：集成的制造的工艺流程，比较抽象化，学生无法直观的了解的实际流程。
三、教学设计
图例和课程讲述相结合的介绍集成电路的制造工艺流程及元器件的结构、性能等。
四、作业
1、集成电路的加工有哪些基本工艺？
2、简述光刻工艺过程及作用
3、简述双阱CMOS集成电路工艺加工过程？
4、MOS晶体管格式什么类型？
5、版图设计的过程分为那几步？
6、设MOS电路中某层的电阻率ρ=1Ω·cm,该层厚度是1μm,试计算：
（1）有这层材料制作的长度为55μm、宽度为5μm的电阻值
（2）若使用方块电阻的概念，计算该材料的方块电阻值？
五、参考资料
1、《超大规模集成电路设计导论》
2、《集成电路设计》
六、教学后记
第三章 器件设计技术
授课时数：5学时
一、教学内容及要求
教学内容：
1、 MOS晶体管的工作原理
2、 MOS晶体管的直流特性
l NMOS管的电流-电压特性
l PMOS管的电流-电压特性
3、 COMS反相器的直流特性
要求通过本章学习，学生应：
掌握：MOS管的直流特性，COMS反相器的直流特性
理解：MOS晶体管的工作原理
二、教学重点与难点
重点：
本章的重点是MOS晶体管的工作原理及其直流特性、反相器直流特性包括：
1、半导体场效应
2、MOS管工作四个区域
3、MOS管的伏安特性
4、反相器的组成类型
5、CMOS反相器的直流特性
难点：
1、在不同栅极电压输如情况上理解MOS管的工作原理如沟道导通和工作区域；
2、MOS管的伏安特性计算；
3、反相器的直流特性计算。
三、教学设计
图例和课程讲述相结合的介绍集CMOS集成电路的器件计算。
四、作业
1、说明MOS管的工作原理
2、写出NMOS管的电流-电压方程
3、MOS晶体管从工作原理上类别，画出其符号和输出特性曲线及转移特性曲线
4、MOS反相器有哪些种类？说明每种反相器的特性。
五、参考资料
1、《超大规模集成电路设计导论》
六、教学后记

第4章 Verilog HDL建模与仿真

授课时数9学时
一、教学内容及要求
教学内容：
1、VERILOG HDL的基本语法
l Verilog HDL的抽象级别和功能
l 简单的Verilog HDL模块
l Verilog HDL的数据类型、常量、变量
l Verilog HDL的运算符与表达式
l Verilog HDL的基本语句
l Verilog HDL程序的结构说明语句
l Verilog HDL的系统函数和任务
l Verilog HDL的编译预处理
2、 不同抽象级别的Verilog HDL模型
l 门级结构描述
l 行为描述建模
l 行为描述建模实例
3、有限状态机和可综合风格的Verilog HDL
l 有限状态机、类型
l 可综合风格Verilog HDL模块实例
要求通过本章学习，学生应：
掌握：
1、Verilog HDL的抽象级别和功能、数据类型、运算符、表达式、基本的语
句、Verilog HDL常用的系统任务和函数、编译预处理；
2、程序的结构说明语句，会写简单的任务和函数；
3、简单程序的编写和能看懂简单的程序；
4、Verilog HDL门级结构描述，Verilog HDL的行为描述的程序设计；
5、有限状态机的概念、类型，并会编写一些简单有限状态机程序。
理解：
1、 Verilog基本语法
2、 门结构描述方法；
3、 有限状态机模型的设计方法。
了解：
1、Verilog HDL简单模块。
二、教学重点与难点
重点：本章的重点是硬件描述语言的定义、概念，硬件描述语言设计的优缺点及一些基本术语，Verilog HDL程序的基本组成，程序的基本结构，基本语法，会编写、会看懂简单的程序，以及改正程序中的基本错误，Verilog HDL门级结构描述，Verilog HDL的行为描述的简单程序设计，具体包括：
1、 硬件描述语言的定义，设计过程；
2、Verilog HDL的抽象级别；
3、Verilog HDL的数据类型、常量、变量；
4、Verilog HDL的运算符与表达式；
5、Verilog HDL的基本语句；
6、Verilog HDL程序的结构及组成。
7、基本门级结构描述的应用、编程；
8、简单的行为描述的程序设计、编程；
9、有限状态机的概念、类型—Mealy型、Moore型；
10、会读懂程序、会改正程序中的错误；
11、会写一些简单的程序，并且程序要完整。
难点：
1、Verilog HDL的抽象级别；
2、Verilog HDL程序的结构及组成。
3、简单的行为描述的程序设计、编程；
4、有限状态机的概念、类型—Mealy型、Moore型；
5、会读懂程序、会改正程序中的错误；
6、会写一些简单的程序，并且程序要完整。

三、教学设计
这一章的内容可分为三个部分：
第一部分可和前期课程内容作对比，如《高级语言程序设计》，因为他们在语法上、在形式上有许多相同的地方，这样既可对前期课程进行复习，也利于本课程的理解，同时也要注意由于本门课程关于硬件描述语言的，他们在执行上和其它高级语言的区别。
可能因为前期学了几门语言，但因掌握、理解不深入、再加上本身可能没有学好，或前期实验还没来得及开，经常将其它语言的语法、运算符、程序结构写到本课程里，因此教学时要特别注意，多举例，多次重复。
第二部分内容可和前期课程内容作对比，如《数字逻辑设计》、《高级语言编程设计》，因为他们在概念上、在形式上有许多相同的地方，这样既可对前期课程进行复习，也利于本课程的理解，由于综合的国际标准尚未形成，也在不断的发展中，因此在写程序时要注意。
由于综合的国际标准尚未形成，也在不断的发展中，因此在写程序时要注意并不是所有的语句都是可综合的，一定要注意哪些语句是可综合的，哪些目前还不能综合，并且写程序是不要仅局限于功能的实现，还要注意资源开销和性能。
第三部分要和其它课程的相关概念进行比较、分析，尤其是《数字逻辑设计》，同时要会画一些简单的电路图、逻辑符号图。可能同学们前期课程《数字逻辑设计》、《高级语言程序设计》学得不太好，或还没有做实验、编程很少，可能在涉及一些硬件知识、编程技巧方面要特别注意。
四、作业
1、什么是硬件描述语言？它的主要作用是什么？
2、采用硬件描述语言设计方法的优点是什么？有什么缺点？
3、Verilog HDL中的数字可以出现哪些值？相应代表的是什么样的物理意义？
4、Verilog HDL中有哪几种数据类型？它们各代表什么意义？
5、用行为描述完成一个七段数码管显示的译码电路的设计。
6、完成一个移位寄存器的设计，要求有同步清零功能。
7、Verilog HDL的模型共有哪些类型（级别）？
8、什么是综合？是否任何符合语法的Verilog HDL程序都可以综合？
9、综合后生成的是不是真实的电路？若不是，还需要哪些步骤才能真正变为具体的电路？
10、对同一条线，是否允许由多个连续赋值语句对它进行赋值？对一个寄存器变量，是否允许在同一时刻有多个过程赋值语句对它进行赋值？
11. 综合实例设设计一个简易计算器。
五、参考资料
1、《从算法设计到硬线逻辑的实现---复杂数字逻辑系统的verVerilog HDL设计技术和方法》
2、《Verilog HDL实用教程》；
六、
教学后记

第5章 系统设计方法与实现技术
授课时数：11学时
一、教学内容及要求
教学内容：
1、系统设计方法
2、门阵列实现技术
3、标准单元实现技术
4、PLD/FPGA实现实现技术
l PLD/FPGA技术的发展及应用
l PLD/FPGA的基本设计方法与流程
l PLD器件及其分类
l PLD/FPGA结构和原理
l PLD/FPGA器件编程综合设计实例
5、系统芯片SOC实现技术
要求通过本章学习，学生应：
掌握：FPGA综合设计实例
理解：
1、标准单元实现技术
2、PLD/FPGA的基本设计方法与流程
3、PLD/FPGA结构与原理
4、PLD/FPGA器件编程
了解：
1、系统设计方法
2、门阵列、宏单元阵列
3、PLD/FPGA技术的发展及应用
4、PLD器件及其分类
二、教学重点与难点
重点：本章的重点是数字集成电路的系统级设计方法和实现技术的介绍，包括：
1、 依托于集成电路设计结构化思想的系统设计方法
2、 介绍门阵列的母片结构设计及门阵列、宏单元和门海的实现技术
3、 介绍基于标准库单元的标准单元设计模式
4、 如理理解基于ISE的PLD/FPGA的基本设计方法与流程
5、 PLD/FPGA的结构与原理、器件编程综合设计实例
6、 介绍基于三大技术的SoC的设计方法及其相关问题

难点：
1、门阵列设计模式、标准单元设计模式和可编程逻辑器件设计模式的差别
2、理解基于ISE的FPGA的设计流程及其相关的实验环境
3、FPGA的查询表结构以及其组成结构
4、基于FPGA的编程综合设计实例
5、SoC的验证技术及超深亚微米工艺技术考虑的物理制约条件
三、教学设计
这一章的内容总体介绍系统级的数字集成电路系统的设计方法和实现技术，根据设计模式研究内容可以分为三个部分：
第一部分内容是基于母片结构设计模式的门阵列、宏单元和门海，以及基于标准单元库的设计模式，它们都是属于半定制设计方式；第二部分内容是基于可编程逻辑器件的设计模式，相比于前面叙述的半定制方式，它已经是完成全部工艺的器件，只需要进行编程实现系统设计；第三部分内容是基于软硬件协同设计、IP核和复用技术和超深亚微米集成电路工艺的SoC系统设计。对于三种设计模式进行对比分析，比较他们的异同。
课程讲述将采用图例和文字相结合的方式，有条件的安排学生在实验室进行相关课程内容的综合设计，比如FPGA综合设计实例等。
四、作业
1、讲述门阵列的基本结构特征与设计步骤
2、什么是门阵列的母片？什么是门阵列的基本结构单元？举例说明门阵列基本机构单元和基本电路单元的关系
3、试对门阵列和标准单元设计方法的主要特征进行比较。
4、叙述FPGA器件的典型结构和编程方法，并与可编程逻辑器件和编程方法进行比较。
5、软核是什么？虚拟器件是什么？固核是什么？硬核是什么？
6、SoC设计方法的三大关键技术是什么？
7、查阅相关文献了解开发工具，到实验室熟悉开发环境。
五、参考资料
1、《可编程逻辑器件 PLD 基本原理 设计技术 应用实例》
2、《FPGA综述报告》
3、
六、教学后记