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關(guān)鍵詞:集成電路設(shè)計(jì)企業(yè);項(xiàng)目成本管理
中圖分類(lèi)號(hào):F275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
收錄日期:2017年3月12日
一、前言
2016年以來(lái),全球經(jīng)濟(jì)增速持續(xù)放緩,傳統(tǒng)PC業(yè)務(wù)需求進(jìn)一步萎縮,智能終端市場(chǎng)的需求逐步減弱。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示,同年1~6月全球半導(dǎo)體市場(chǎng)銷(xiāo)售規(guī)模依舊呈現(xiàn)下滑態(tài)勢(shì),銷(xiāo)售額為1,574億美元,同比下降5.8%。國(guó)內(nèi),經(jīng)過(guò)國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金實(shí)施的《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》將近兩年的推動(dòng),適應(yīng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策環(huán)境和投融資環(huán)境基本形成,我國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持高位趨穩(wěn)、穩(wěn)中有進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2016年1~6月全行業(yè)實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售額為1,847.1億元,同比增長(zhǎng)16.1%,其中,集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)繼續(xù)保持較快增速,銷(xiāo)售額為685.5億元,同比增長(zhǎng)24.6%,制造業(yè)銷(xiāo)售額為454.8億元,同比增長(zhǎng)14.8%,封裝測(cè)試業(yè)銷(xiāo)售額為706.8億元,同比增長(zhǎng)9.5%。
國(guó)務(wù)院在2000年就開(kāi)始下發(fā)文件鼓勵(lì)軟件和集成電路企業(yè)發(fā)展,從政策法規(guī)方面,鼓勵(lì)資金、人才等資源向集成電路企業(yè)傾斜;2010年和2012年更是聯(lián)合國(guó)家稅務(wù)總局下發(fā)文件對(duì)集成電路企業(yè)進(jìn)行稅收優(yōu)惠激勵(lì)。2013年國(guó)家發(fā)改委等五部門(mén)聯(lián)合下發(fā)發(fā)改高技[2013]234號(hào)文,凡是符合認(rèn)定的集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)均可以享受10%的所得稅優(yōu)惠政策。近年來(lái)又通過(guò)各個(gè)部委、省、市和集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金對(duì)國(guó)內(nèi)的集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)進(jìn)行大幅度的、多項(xiàng)目的資金扶持,以期能縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。因此,對(duì)于這樣一個(gè)高投入、高技術(shù)、高速發(fā)展的產(chǎn)業(yè),國(guó)家又大力以項(xiàng)目扶持的產(chǎn)業(yè),做好項(xiàng)目的成本管理非常必要。
二、項(xiàng)目成本管理流程
ο钅康某殺竟芾硪話惴治以下幾個(gè)環(huán)節(jié):
(一)項(xiàng)目成本預(yù)測(cè)。成本預(yù)測(cè)是指通過(guò)分析項(xiàng)目進(jìn)展中的各個(gè)環(huán)節(jié)的信息和項(xiàng)目進(jìn)展具體情況,并結(jié)合企業(yè)自身管理水平,通過(guò)一定的成本預(yù)測(cè)方法,對(duì)項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中所需要發(fā)生的成本費(fèi)用及在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中可能發(fā)生的合理趨勢(shì)和相關(guān)的成本費(fèi)用作出科學(xué)合理的測(cè)算、分析和預(yù)測(cè)的過(guò)程。對(duì)項(xiàng)目的成本預(yù)測(cè)主要發(fā)生在項(xiàng)目立項(xiàng)申請(qǐng)階段,成本預(yù)測(cè)的全面準(zhǔn)確對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展具有重要作用,是開(kāi)展項(xiàng)目成本管理的起點(diǎn)。
(二)項(xiàng)目成本計(jì)劃。成本計(jì)劃是指在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中對(duì)所需發(fā)生的成本費(fèi)用進(jìn)行計(jì)劃、分析,并提出降低成本費(fèi)用的措施和具體的可行方案。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的成本計(jì)劃,可以把項(xiàng)目的成本費(fèi)用進(jìn)行分解,將成本費(fèi)用具體落實(shí)到項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)和實(shí)施的具體步驟。成本計(jì)劃要在項(xiàng)目開(kāi)展前就需要完成,并根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)展情況,實(shí)施調(diào)節(jié)成本計(jì)劃,逐步完善。
(三)項(xiàng)目成本控制。成本控制是指在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中對(duì)項(xiàng)目所需耗用的各項(xiàng)成本費(fèi)用按照項(xiàng)目的成本計(jì)劃進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋O(jiān)督、控制和調(diào)節(jié),及時(shí)預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和調(diào)整項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中出現(xiàn)的成本費(fèi)用偏差,把項(xiàng)目的各項(xiàng)成本費(fèi)用控制在既定的項(xiàng)目成本計(jì)劃范圍內(nèi)。成本控制是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目全程的管控,需要具體到每個(gè)項(xiàng)目環(huán)節(jié),根據(jù)成本計(jì)劃,把項(xiàng)目成本費(fèi)用降到最低,并不斷改進(jìn)成本計(jì)劃,以最低的費(fèi)用支出完成整個(gè)項(xiàng)目,達(dá)到項(xiàng)目的既定成果。
(四)項(xiàng)目成本核算。成本核算是指在項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中,整理各項(xiàng)項(xiàng)目的實(shí)際成本費(fèi)用支出,并按照項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)的要求進(jìn)行費(fèi)用的分類(lèi)歸集,然后與項(xiàng)目成本計(jì)劃中的各項(xiàng)計(jì)劃成本進(jìn)行比對(duì),找出差異的部分。項(xiàng)目的成本核算是進(jìn)行項(xiàng)目成本分析和成本考核的基礎(chǔ)。
(五)項(xiàng)目成本分析。成本分析是指在完成成本核算的基礎(chǔ)上,對(duì)整個(gè)完工項(xiàng)目進(jìn)行各項(xiàng)具體的成本費(fèi)用分析,并與項(xiàng)目成本計(jì)劃進(jìn)行差異比對(duì),找出影響成本費(fèi)用波動(dòng)的原因和影響因素。成本分析是通過(guò)全面分析項(xiàng)目的成本費(fèi)用,研究成本波動(dòng)的因素和規(guī)律,并根據(jù)分析探尋降低成本費(fèi)用的方法和途徑,為新項(xiàng)目的成本管理提供有效的保證。
(六)項(xiàng)目成本考核。成本考核是指在項(xiàng)目完成后,項(xiàng)目驗(yàn)收考核小組根據(jù)項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)的要求對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的成本費(fèi)用及降低成本費(fèi)用的實(shí)際指標(biāo)與項(xiàng)目的成本計(jì)劃控制目標(biāo)進(jìn)行比對(duì)和差異考核,以此來(lái)綜合評(píng)定項(xiàng)目的進(jìn)展情況和最終成果。
三、集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)項(xiàng)目流程
集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)是一個(gè)新型行業(yè)的研發(fā)設(shè)計(jì)企業(yè),跟常規(guī)企業(yè)的工作流程有很大區(qū)別,如下圖1所示。(圖1)
集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)項(xiàng)目組在收到客戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求后,根據(jù)產(chǎn)品需求進(jìn)行IC設(shè)計(jì)和繪圖,設(shè)計(jì)過(guò)程中需要選擇相應(yīng)的晶圓材料,以便滿足設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)完成后需要把設(shè)計(jì)圖紙制造成光刻掩膜版作為芯片生產(chǎn)的母版,在IC生產(chǎn)環(huán)節(jié),通過(guò)光刻掩膜版在晶圓上生產(chǎn)出所設(shè)計(jì)的芯片產(chǎn)品。生產(chǎn)完成后進(jìn)入下一環(huán)節(jié)封裝,由專業(yè)的封裝企業(yè)對(duì)所生產(chǎn)的芯片進(jìn)行封裝,然后測(cè)試相關(guān)芯片產(chǎn)品的參數(shù)和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,初步測(cè)試完成后,把芯片產(chǎn)品返回集成電路設(shè)計(jì)企業(yè),由設(shè)計(jì)企業(yè)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行出廠前的測(cè)試和檢驗(yàn),最后合格的芯片才是項(xiàng)目所要達(dá)到成果。
對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)來(lái)說(shuō),整個(gè)集成電路的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程都需要全方位介入,每個(gè)環(huán)節(jié)都要跟蹤,以便設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能符合要求,一旦一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題,例如合格率下降、封裝不符合要求等,設(shè)計(jì)的芯片可能要全部報(bào)廢,無(wú)法返工處理,這將會(huì)對(duì)集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)帶來(lái)很大損失。因此,對(duì)集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)的項(xiàng)目成本管理尤為重要。
四、IC設(shè)計(jì)企業(yè)的項(xiàng)目成本管理
根據(jù)項(xiàng)目管理的基本流程,需要在IC項(xiàng)目的啟動(dòng)初期,進(jìn)行IC項(xiàng)目的成本預(yù)測(cè),該成本預(yù)測(cè)需要兼顧到IC產(chǎn)品的每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),由于IC的生產(chǎn)環(huán)節(jié)無(wú)法返工處理,因此在成本預(yù)測(cè)時(shí)需要考慮失敗的情況,這將加大項(xiàng)目的成本費(fèi)用。根據(jù)成本預(yù)測(cè)作出項(xiàng)目的成本計(jì)劃,由項(xiàng)目組按照項(xiàng)目成本計(jì)劃對(duì)項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行成本管控,一旦發(fā)現(xiàn)有超過(guò)預(yù)期的成本費(fèi)用支出,需要及時(shí)調(diào)整成本計(jì)劃,并及時(shí)對(duì)超支的部分進(jìn)行分析,降低成本費(fèi)用的發(fā)生,使項(xiàng)目回歸到正常的軌道上來(lái)。成本控制需要考慮到IC的每個(gè)環(huán)節(jié),從晶圓到制造、封裝、測(cè)試。
項(xiàng)目成本核算是一個(gè)比較艱巨的工作。成本核算人員需要根據(jù)項(xiàng)目立項(xiàng)書(shū)的要求,對(duì)項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中發(fā)生的一切成本費(fèi)用都需要進(jìn)行分類(lèi)歸集。由于IC產(chǎn)品的特殊性,產(chǎn)品從材料到生產(chǎn)、封裝、測(cè)試,最后回到集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)都是在第三方廠商進(jìn)行,每一個(gè)環(huán)節(jié)的成本費(fèi)用無(wú)法及時(shí)掌握,IC產(chǎn)品又有其特殊性,每種產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中,不僅依賴于設(shè)計(jì)圖紙,而且依賴于代工的工藝水平,每個(gè)批次的合格率并不盡相同,其成品率通常只有在該種產(chǎn)品的所有生產(chǎn)批次全部回到設(shè)計(jì)企業(yè)并通過(guò)質(zhì)量的合格測(cè)試入庫(kù)后時(shí)才能準(zhǔn)確得出。然而,設(shè)計(jì)企業(yè)的產(chǎn)品并不是一次性全部生產(chǎn)出來(lái),一般需要若干個(gè)批次,因此在IC制造階段無(wú)法準(zhǔn)確知道晶圓上芯片的準(zhǔn)確數(shù)量,只能根據(jù)IC生產(chǎn)企業(yè)提供的IC產(chǎn)品數(shù)量進(jìn)行預(yù)估核算,在后面的封裝和測(cè)環(huán)節(jié),依然無(wú)法準(zhǔn)確獲得IC產(chǎn)品的準(zhǔn)確數(shù)量。在IC產(chǎn)品完全封裝測(cè)試返回設(shè)計(jì)企業(yè)后,才能在專業(yè)的設(shè)備下進(jìn)行IC產(chǎn)品數(shù)量的最終確定,然而項(xiàng)目核算需要核算每一個(gè)環(huán)節(jié)的成本。因此,核算人員需要根據(jù)IC產(chǎn)品的特點(diǎn)或者前期的IC產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)量的估算進(jìn)行核算,待項(xiàng)目完成后再進(jìn)行差異調(diào)整。在成本費(fèi)用的分類(lèi)和核算上,如果有國(guó)家撥款的項(xiàng)目,需要對(duì)項(xiàng)目所使用的固定資產(chǎn)進(jìn)行固定資產(chǎn)的專項(xiàng)輔助核算,在專項(xiàng)核算中需要列明購(gòu)買(mǎi)固定資產(chǎn)的名稱、型號(hào)、數(shù)量、生產(chǎn)廠商、合同號(hào)、發(fā)票號(hào)、憑證號(hào)等,登記好項(xiàng)目所用的固定資產(chǎn)臺(tái)賬,以便在項(xiàng)目完工后,項(xiàng)目驗(yàn)收能如期順利通過(guò)。
項(xiàng)目成本分析和項(xiàng)目成本考核是屬于項(xiàng)目管理完工階段需要做的工作,根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展中發(fā)生的成本費(fèi)用明細(xì)單,與成本計(jì)劃進(jìn)行分類(lèi)比對(duì)和分析,更好地對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行價(jià)值評(píng)定,找出差異所在,確定發(fā)生波動(dòng)的原因,以便對(duì)項(xiàng)目的投資收益進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷,確定項(xiàng)目和項(xiàng)目組人員的最終成果。
五、總結(jié)
項(xiàng)目成本管理是集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)非常重要的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo);而集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)是一個(gè)技術(shù)發(fā)展、技術(shù)更新非常迅速的行業(yè),IC設(shè)計(jì)企業(yè)要在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的行業(yè)站住腳跟或者有更好的發(fā)展,就必須緊密把握市場(chǎng)變化趨勢(shì),不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、改進(jìn)技術(shù)或工藝,及時(shí)調(diào)整市場(chǎng)需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向,持續(xù)不斷地通過(guò)科學(xué)合理的成本控制方法,從技術(shù)上和成本上建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);同時(shí),充分利用國(guó)家對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策,特別是對(duì)集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)的優(yōu)惠政策,加大對(duì)重大項(xiàng)目和新興產(chǎn)業(yè)IC芯片應(yīng)用的研發(fā)和投資力度;合理利用中國(guó)高等院校、科研院所在集成電路、電子信息領(lǐng)域的研究資源和技術(shù),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的發(fā)展思路,縮短項(xiàng)目的研發(fā)周期;通過(guò)各種途徑加強(qiáng)企業(yè)的項(xiàng)目成本控制,來(lái)提高中國(guó)IC設(shè)計(jì)企業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,縮短與國(guó)際廠商的差距。
主要參考文獻(xiàn):
[1]中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì).cn.
關(guān)鍵詞:版圖設(shè)計(jì);集成電路;教學(xué)與實(shí)踐
中圖分類(lèi)號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2014)06-0153-02
目前,集成電路設(shè)計(jì)公司在招聘新版圖設(shè)計(jì)員工時(shí),都希望找到已經(jīng)具備一定工作經(jīng)驗(yàn)的,并且熟悉本行業(yè)規(guī)范的設(shè)計(jì)師。但是,IC設(shè)計(jì)這個(gè)行業(yè)圈并不大,招聘人才難覓,不得不從其他同行業(yè)挖人才或通過(guò)獵頭公司。企業(yè)不得不付出很高的薪資,設(shè)計(jì)師才會(huì)考慮跳槽,于是一些企業(yè)將招聘新員工目標(biāo)轉(zhuǎn)向了應(yīng)屆畢業(yè)生或在校生,以提供較低薪酬聘用員工或?qū)嵙?xí)方式來(lái)培養(yǎng)適合本公司的版圖師。一些具備版圖設(shè)計(jì)知識(shí)的即將畢業(yè)學(xué)生就進(jìn)入了IC設(shè)計(jì)行業(yè)。但是,企業(yè)通常在招聘時(shí)或是畢業(yè)生進(jìn)入企業(yè)一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn),即使是懂點(diǎn)版圖知識(shí)的新員工,電路和工藝的知識(shí)差強(qiáng)人意,再就是行業(yè)術(shù)語(yǔ)與設(shè)計(jì)軟件使用不夠熟練、甚至不懂。這就要求我們?cè)诎鎴D教學(xué)時(shí)滲入電路與工藝等知識(shí),使學(xué)生明確其中緊密關(guān)聯(lián)關(guān)系,樹(shù)立電路、工藝以及設(shè)計(jì)軟件為版圖設(shè)計(jì)服務(wù)的理念。
一、企業(yè)對(duì)IC版圖設(shè)計(jì)的要求分析
集成電路設(shè)計(jì)公司在招聘版圖設(shè)計(jì)員工時(shí),除了對(duì)員工的個(gè)人素質(zhì)和英語(yǔ)的應(yīng)用能力等要求之外,大部分是考查專業(yè)應(yīng)用的能力。一般都會(huì)對(duì)新員工做以下要求:熟悉半導(dǎo)體器件物理、CMOS或BiCMOS、BCD集成電路制造工藝;熟悉集成電路(數(shù)字、模擬)設(shè)計(jì),了解電路原理,設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn);熟悉Foundry廠提供的工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)則;掌握主流版圖設(shè)計(jì)和版圖驗(yàn)證相關(guān)EDA工具;完成手工版圖設(shè)計(jì)和工藝驗(yàn)證[1,2]。另外,公司希望合格的版圖設(shè)計(jì)人員除了懂得IC設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí),還要熟悉Foundry廠的工作流程、制程原理等相關(guān)知識(shí)[3]。正因?yàn)槠湫枰莆盏闹R(shí)面廣,而國(guó)內(nèi)學(xué)校開(kāi)設(shè)這方面專業(yè)比較晚,IC版圖設(shè)計(jì)工程師的人才缺口更為巨大,所以擁有一定工作經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師,就成為各設(shè)計(jì)公司和獵頭公司爭(zhēng)相角逐的人才[4,5]。
二、針對(duì)企業(yè)要求的版圖設(shè)計(jì)教學(xué)規(guī)劃
1.數(shù)字版圖設(shè)計(jì)。數(shù)字集成電路版圖設(shè)計(jì)是由自動(dòng)布局布線工具結(jié)合版圖驗(yàn)證工具實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)布局布線工具加載準(zhǔn)備好的由verilog程序經(jīng)過(guò)DC綜合后的網(wǎng)表文件與Foundry提供的數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù)文件和I/O的庫(kù)文件,它包括物理庫(kù)、時(shí)序庫(kù)、時(shí)序約束文件。在數(shù)字版圖設(shè)計(jì)時(shí),一是熟練使用自動(dòng)布局布線工具如Encounter、Astro等,鑒于很少有學(xué)校開(kāi)設(shè)這門(mén)課程,可以推薦學(xué)生自學(xué)或是參加專業(yè)培訓(xùn)。二是數(shù)字邏輯標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù)的設(shè)計(jì),可以由Foundry廠提供,也可由公司自定制標(biāo)準(zhǔn)單元版圖庫(kù),因此對(duì)于初學(xué)者而言設(shè)計(jì)好標(biāo)準(zhǔn)單元版圖使其符合行業(yè)規(guī)范至關(guān)重要。
2.模擬版圖設(shè)計(jì)。在模擬集成電路設(shè)計(jì)中,無(wú)論是CMOS還是雙極型電路,主要目標(biāo)并不是芯片的尺寸,而是優(yōu)化電路的性能,匹配精度、速度和各種功能方面的問(wèn)題。作為版圖設(shè)計(jì)者,更關(guān)心的是電路的性能,了解電壓和電流以及它們之間的相互關(guān)系,應(yīng)當(dāng)知道為什么差分對(duì)需要匹配,應(yīng)當(dāng)知道有關(guān)信號(hào)流、降低寄生參數(shù)、電流密度、器件方位、布線等需要考慮的問(wèn)題。模擬版圖是在注重電路性能的基礎(chǔ)上去優(yōu)化尺寸的,面積在某種程度上說(shuō)仍然是一個(gè)問(wèn)題,但不再是壓倒一切的問(wèn)題。在模擬電路版圖設(shè)計(jì)中,性能比尺寸更重要。另外,模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)師作為前端電路設(shè)計(jì)師的助手,經(jīng)常需要與前端工程師交流,看是否需要版圖匹配、布線是否合理、導(dǎo)線是否有大電流流過(guò)等,這就要求版圖設(shè)計(jì)師不僅懂工藝而且能看懂模擬電路。
3.逆向版圖設(shè)計(jì)。集成電路逆向設(shè)計(jì)其實(shí)就是芯片反向設(shè)計(jì)。它是通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)部電路的提取與分析、整理,實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片技術(shù)原理、設(shè)計(jì)思路、工藝制造、結(jié)構(gòu)機(jī)制等方面的深入洞悉。因此,對(duì)工藝了解的要求更高。反向設(shè)計(jì)流程包括電路提取、電路整理、分析仿真驗(yàn)證、電路調(diào)整、版圖提取整理、版圖繪制驗(yàn)證及后仿真等。設(shè)計(jì)公司對(duì)反向版圖設(shè)計(jì)的要求較高,版圖設(shè)計(jì)工作還涵蓋了電路提取與整理,這就要求版圖設(shè)計(jì)師不僅要深入了解工藝流程;而且還要熟悉模擬電路和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元電路工作原理。
三、教學(xué)實(shí)現(xiàn)
1.數(shù)字版圖。數(shù)字集成電路版圖在教學(xué)時(shí),一是掌握自動(dòng)布局布線工具的使用,還需要對(duì)UNIX或LINUX系統(tǒng)熟悉,尤其是一些常用的基本指令;二是數(shù)字邏輯單元版圖的設(shè)計(jì),目前數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)大都采用CMOS工藝,因此,必須深入學(xué)習(xí)CMOS工藝流程。在教學(xué)時(shí),可以做個(gè)形象的PPT,空間立體感要強(qiáng),使學(xué)生更容易理解CMOS工藝的層次、空間感。邏輯單元版圖具體教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)采用上機(jī)操作并配備投影儀,教師一邊講解電路和繪制版圖,一邊講解軟件的操作、設(shè)計(jì)規(guī)則、畫(huà)版圖步驟、注意事項(xiàng),學(xué)生跟著一步一步緊隨教師演示學(xué)習(xí)如何畫(huà)版圖,同時(shí)教師可適當(dāng)調(diào)整教學(xué)速度,適時(shí)停下來(lái)檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,若有錯(cuò)加以糾正。這樣,教師一個(gè)單元版圖講解完畢,學(xué)生亦完成一個(gè)單元版圖。亦步亦趨、步步跟隨,學(xué)生的注意力更容易集中,掌握速度更快。課堂講解完成后,安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)以鞏固所學(xué)。邏輯單元版圖教學(xué)內(nèi)容安排應(yīng)當(dāng)采用目前常用的單元,并具有代表性、擴(kuò)展性,使學(xué)生可以舉一反三,擴(kuò)展到整個(gè)單元庫(kù)。具體單元內(nèi)容安排如反相器、與非門(mén)/或非門(mén)、選擇器、異或門(mén)/同或門(mén)、D觸發(fā)器與SRAM等。在教授時(shí)一定要注意符合行業(yè)規(guī)范,比如單元的高度、寬度的確定要符合自動(dòng)布局布線的要求;單元版圖一定要最小化,如異或門(mén)與觸發(fā)器等常使用傳輸門(mén)實(shí)現(xiàn),繪制版圖時(shí)注意晶體管源漏區(qū)的合并;大尺寸晶體管的串并聯(lián)安排合理等。
2.模擬版圖。模擬集成電路版圖設(shè)計(jì)更注重電路的性能實(shí)現(xiàn),經(jīng)常需要與前端電路設(shè)計(jì)工程師交流。因此,版圖教學(xué)時(shí)教師須要求學(xué)生掌握模擬集成電路的基本原理,學(xué)生能識(shí)CMOS模擬電路,與前端電路工程師交流無(wú)障礙。同時(shí)也要求學(xué)生掌握工藝對(duì)模擬版圖的影響,熟練運(yùn)用模擬版圖的晶體管匹配、保護(hù)環(huán)、Dummy晶體管等關(guān)鍵技術(shù)。在教學(xué)方法上,依然采用數(shù)字集成電路版圖的教學(xué)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的同步。在內(nèi)容安排上,一是以運(yùn)算放大器為例,深入講解差分對(duì)管、電流鏡、電容的匹配機(jī)理,版圖匹配時(shí)結(jié)構(gòu)采用一維還是二維,具體是如何布局的,以及保護(hù)環(huán)與dummy管版圖繪制技術(shù)。二是以帶隙基準(zhǔn)電壓源為例,深入講解N阱CMOS工藝下雙極晶體管PNP與電阻匹配的版圖繪制技術(shù)。在教學(xué)時(shí)需注意晶體管與電阻并聯(lián)拆分的合理性、電阻與電容的類(lèi)型與計(jì)算方法以及布線的規(guī)范性。
3.逆向版圖設(shè)計(jì)。逆向集成電路版圖設(shè)計(jì)需要學(xué)生掌握數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元的命名規(guī)范、所有標(biāo)準(zhǔn)單元電路結(jié)構(gòu)、常用模擬電路的結(jié)構(gòu)以及芯片的工藝,要求學(xué)生熟悉模擬和數(shù)字集成單元電路。這樣才可以在逆向提取電路與版圖時(shí),做到準(zhǔn)確無(wú)誤。教學(xué)方法同樣還是采用數(shù)字集成電路版圖教學(xué)流程,達(dá)到學(xué)以致用。教學(xué)內(nèi)容當(dāng)以一個(gè)既含數(shù)字電路又含模擬電路的芯片為例。為了提取數(shù)字單元電路,需講解foundry提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)里的單元電路與命名規(guī)范。在提取單元電路教學(xué)時(shí),說(shuō)明數(shù)字電路需要?dú)w并同類(lèi)圖形,例如與非門(mén)、或非門(mén)、觸發(fā)器等,同樣的圖形不要分析多次。強(qiáng)調(diào)學(xué)生注意電路的共性、版圖布局與布線的規(guī)律性,做到熟能生巧。模擬電路的提取與版圖繪制教學(xué)要求學(xué)生掌握模擬集成電路常用電路結(jié)構(gòu)與工作原理,因?yàn)槟嫦蛟O(shè)計(jì)軟件提出的元器件符號(hào)應(yīng)該按照易于理解的電路整理,使其他人員也能看出你提取電路的功能,做到準(zhǔn)確通用規(guī)范性。
集成電路版圖設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)面向企業(yè),按照企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)工程師的要求來(lái)安排教學(xué),做到教學(xué)與實(shí)踐的緊密結(jié)合。從教學(xué)開(kāi)始就向?qū)W生灌輸IC行業(yè)知識(shí),定位準(zhǔn)確,學(xué)生明確自己應(yīng)該掌握哪些相關(guān)知識(shí)。本文從集成電路數(shù)字版圖、模擬版圖和逆向設(shè)計(jì)版圖這三個(gè)方面就如何開(kāi)展教學(xué)可以滿足企業(yè)對(duì)版圖工程師的要求展開(kāi)探討,安排教學(xué)有針對(duì)性。在教學(xué)方法與內(nèi)容上做了分析探討,力求讓學(xué)生在畢業(yè)后可以順利進(jìn)入IC行業(yè)做出努力。
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關(guān)鍵詞:電子科學(xué)與技術(shù);課程建設(shè);實(shí)踐創(chuàng)新能力
中圖分類(lèi)號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2017)25-0103-02
電子科學(xué)與技術(shù)作為信息技術(shù)發(fā)展的基石,伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和W絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)得到了迅猛的發(fā)展,從初期的小規(guī)模集成電路(SSI)發(fā)展到今天的巨大規(guī)模集成電路(GSI),成為使人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息化時(shí)代的先導(dǎo)技術(shù)。電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)扶植的學(xué)科,本專業(yè)作為信息領(lǐng)域的核心學(xué)科,培養(yǎng)國(guó)家急需的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)高級(jí)人才。
在新的歷史條件下,開(kāi)展電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程建設(shè)的改革與實(shí)踐研究是非常必要的,這對(duì)于培養(yǎng)出具有知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的微電子技術(shù)應(yīng)用型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才具有重要的指導(dǎo)意義和戰(zhàn)略意義。本文依據(jù)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生課程建設(shè)的實(shí)際情況,詳細(xì)分析了本專業(yè)在課程建設(shè)過(guò)程中存在的問(wèn)題,提出了關(guān)于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程建設(shè)的幾點(diǎn)改革方案,并進(jìn)行了一定的探索性實(shí)踐。
一、目前課程建設(shè)中存在的一些問(wèn)題
1.在課程設(shè)置方面,與行業(yè)發(fā)展結(jié)合不緊密,缺乏專業(yè)特色和課程群的建設(shè),課程之間缺少有效地銜接,難以滿足當(dāng)前人才培養(yǎng)的需求。本專業(yè)的課程設(shè)置應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)具有扎實(shí)的微電子技術(shù)領(lǐng)域理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐能力,能從事超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件和集成電路工藝制造以及相關(guān)電子信息技術(shù)應(yīng)用工作的高級(jí)工程技術(shù)人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才為培養(yǎng)目標(biāo)來(lái)進(jìn)行課程建設(shè)。
2.在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方面,存在重理論教學(xué)和課堂教學(xué),缺乏必要的實(shí)踐環(huán)節(jié),尤其是創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué),相關(guān)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和教學(xué)方法過(guò)于單一,僅在教師課堂教學(xué)講授范例和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn),學(xué)生按照課程實(shí)驗(yàn)手冊(cè)上的具體步驟逐一進(jìn)行操作,完成課程所要求的實(shí)驗(yàn)。單一的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方式難以提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐和動(dòng)手能力,更難以實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的實(shí)踐和靈活運(yùn)用,難以滿足當(dāng)前強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐為主,培養(yǎng)實(shí)踐型創(chuàng)新人才的要求。
二、課程建設(shè)改革的目的與任務(wù)
結(jié)合集成電路行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)以及電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)總體就業(yè)前景和對(duì)人才的需求結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國(guó)電子科學(xué)與技術(shù)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求,通過(guò)對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程建設(shè)進(jìn)行改革,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)工程實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐,在課程教學(xué)中體現(xiàn)“激發(fā)興趣、夯實(shí)基礎(chǔ)、引導(dǎo)創(chuàng)新、全面培養(yǎng)”的教學(xué)方針。重新規(guī)劃專業(yè)培養(yǎng)方案和課程設(shè)置,以集成電路工藝與設(shè)計(jì)為重點(diǎn),設(shè)置課程群,構(gòu)建新的科學(xué)的課程體系,突出特色,強(qiáng)化能力培養(yǎng)。
三、課程建設(shè)改革的具體內(nèi)容
人才培養(yǎng)目標(biāo)以厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐、偏工程為宗旨,培養(yǎng)具有扎實(shí)的微電子技術(shù)領(lǐng)域理論基礎(chǔ)和工程實(shí)踐能力,能從事超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件和集成電路工藝制造以及相關(guān)電子信息技術(shù)應(yīng)用工作的高級(jí)工程技術(shù)人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。以大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造和工藝、電子器件和半導(dǎo)體材料、光電子技術(shù)應(yīng)用等方面為專業(yè)特色進(jìn)行課程建設(shè)改革,具體的改革內(nèi)容如下。
1.課程設(shè)置。首先,根據(jù)本專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求按需設(shè)課,明確設(shè)課目的,并注意專業(yè)通識(shí)課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)限選課和專業(yè)任選課之間的銜接與學(xué)時(shí)比例,加強(qiáng)集成電路設(shè)計(jì)與集成電路工藝方面的課程設(shè)置,突出微電子技術(shù)方向的特色,明確專業(yè)的發(fā)展目標(biāo)和方向,將相關(guān)課程設(shè)置為課程群,通過(guò)相關(guān)課程的有效銜接,突出能力培養(yǎng)。其次,隨著電子科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展,注重本專業(yè)課程設(shè)置的不斷更新和調(diào)整。
2.教學(xué)方式。首先,加強(qiáng)對(duì)青年教師的培養(yǎng)和訓(xùn)練,注重講課、實(shí)驗(yàn)、考試及課下各個(gè)環(huán)節(jié)的相互結(jié)合,即課堂與課下相結(jié)合,講課與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,平時(shí)與考試相結(jié)合。其次,講課中注重講解和啟發(fā)相結(jié)合,板書(shū)和多媒體相結(jié)合;實(shí)驗(yàn)中注重方法和原理相結(jié)合,知識(shí)和能力相結(jié)合;考試中注重面上與重點(diǎn)相結(jié)合,概念與計(jì)算相結(jié)合,開(kāi)卷與閉卷相結(jié)合,重點(diǎn)開(kāi)展課程的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè),將相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)錄像上網(wǎng),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力培養(yǎng)和提高。第三,注重雙語(yǔ)課程的開(kāi)設(shè)與優(yōu)秀經(jīng)典教材的使用相結(jié)合,雙語(yǔ)課程與國(guó)際該課程接軌。
四、結(jié)語(yǔ)
科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程建設(shè)應(yīng)當(dāng)圍繞電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)和專業(yè)特色,通過(guò)制訂適用集成電路人才培養(yǎng)目標(biāo)的培養(yǎng)方案、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)體系和教學(xué)計(jì)劃,突出集成電路工藝與設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié),進(jìn)而有效地提高實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量,為培養(yǎng)具有實(shí)踐創(chuàng)新能力的科技創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)。
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Reform and Exploration of Course Construction of Electronic Science and Technology
CHEN Li-ying
(School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)
文章編號(hào):1671-489X(2014)18-0094-03
集成電路測(cè)試是集成電路產(chǎn)業(yè)不可或缺的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其貫穿了集成電路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程。集成電路測(cè)試技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后于其他環(huán)節(jié),這在一定程度上制約了集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。集成電路測(cè)試產(chǎn)業(yè)不但對(duì)測(cè)試設(shè)備依賴嚴(yán)重,對(duì)測(cè)試技術(shù)人員的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力也有著較高要求。為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),加強(qiáng)電子類(lèi)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,就要求學(xué)生在掌握集成電路工藝、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí),還需具備集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)[1-2]。
目前,國(guó)內(nèi)本科階段開(kāi)設(shè)集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)課程的高校較少,學(xué)過(guò)的學(xué)生也多數(shù)反映比較抽象,不知如何學(xué)以致用。究其原因,主要是教學(xué)環(huán)節(jié)存在諸多問(wèn)題[3]。為了提高該課程教學(xué)質(zhì)量,本文對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容、方法進(jìn)行了初步的探索研究,以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性,加深對(duì)該課程的理解和掌握。
1 理論教學(xué)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用
在理論教學(xué)中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,有助于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的,提升學(xué)習(xí)興趣。因此,講授測(cè)試重要性時(shí)可以結(jié)合生活中的應(yīng)用實(shí)例來(lái)展開(kāi)。如目前汽車(chē)中的ABS電路如果不通過(guò)測(cè)試,將會(huì)造成人員和汽車(chē)的損傷;遠(yuǎn)程導(dǎo)彈中的制導(dǎo)電路不通過(guò)測(cè)試,將無(wú)法精確命中目標(biāo);制造業(yè)中的數(shù)控機(jī)床控制電路,交通信號(hào)燈的轉(zhuǎn)向時(shí)間顯示電路,家電產(chǎn)品中的MP3、MP4解碼電路等,均需進(jìn)行測(cè)試等。通過(guò)這些介紹,可以使學(xué)生了解測(cè)試的重要性,從而能更加主動(dòng)地去掌握所學(xué)知識(shí)。
2 合理安排教學(xué)內(nèi)容
針對(duì)集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)的重要性,電子類(lèi)專業(yè)在本科生三年級(jí)時(shí)開(kāi)設(shè)集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)課程。該課程的教材采用以中文教材《VLSI測(cè)試方法學(xué)和可測(cè)性設(shè)計(jì)》(雷紹允著)為主、以英文原版教材《數(shù)字系統(tǒng)測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)》(Miron Abramovici著)為輔的形式,結(jié)合國(guó)外高校的授課內(nèi)容和可測(cè)性設(shè)計(jì)在工業(yè)界的應(yīng)用,對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。課程定為48學(xué)時(shí),課程內(nèi)容大致分為集成電路測(cè)試、可測(cè)性設(shè)計(jì)和上機(jī)實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分。
集成電路測(cè)試 這部分內(nèi)容安排20個(gè)學(xué)時(shí),主要講解集成電路的常用測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法、集成電路的失效種類(lèi)、常用的故障模型以及故障檢測(cè)的方法。組合邏輯電路測(cè)試著重講解測(cè)試圖形生成方法,主流EDA軟件核心算法,包括布爾差分法、D算法、PODEM以及FAN算法等。時(shí)序電路測(cè)試講解時(shí)序電路的測(cè)試模型和方法,介紹時(shí)序電路的初始化、功能測(cè)試以及測(cè)試向量推導(dǎo)方法。
集成電路可測(cè)性設(shè)計(jì) 這部分內(nèi)容安排16個(gè)學(xué)時(shí),主要講解集成電路專用可測(cè)性設(shè)計(jì)方法如電路分塊、插入測(cè)試點(diǎn)、偽窮舉、偽隨機(jī)等一些較為成熟的可測(cè)性設(shè)計(jì)方法。同時(shí)講解工業(yè)界較為流行的可測(cè)性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
上機(jī)實(shí)驗(yàn) 這部分內(nèi)容安排12學(xué)時(shí)。目前主流測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)EDA軟件Synopsys屬于商業(yè)軟件,收費(fèi)較高,難以在高校普及使用。為此,本課程選取開(kāi)源軟件ATALANTA和FSIM并基于ISCAS85標(biāo)準(zhǔn)電路,進(jìn)行故障測(cè)試圖形生成實(shí)驗(yàn)。此外,通過(guò)在實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中編排基于Quartus軟件的電路可測(cè)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容,將實(shí)驗(yàn)和理論講解有機(jī)結(jié)合。
3 培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力
創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境,啟發(fā)學(xué)生自主利用已學(xué)知識(shí),積極思考、探索。如在講授組合邏輯故障測(cè)試向量生成時(shí),以較為簡(jiǎn)單的組合邏輯為例,對(duì)圖1提出以下問(wèn)題[4]。
1)為了能夠反映在電路內(nèi)部節(jié)點(diǎn)所存在的故障,必須對(duì)故障節(jié)點(diǎn)設(shè)置正常邏輯值的非量,這個(gè)步驟稱為故障激活。對(duì)應(yīng)于圖1,如何激活故障G s-a-1?
2)為了能夠?qū)⒐收闲?yīng)G傳播到輸出I,則沿著故障傳播路徑的所有門(mén)必須被選通,也就是敏化傳播路徑上的門(mén)。對(duì)應(yīng)圖1,如何傳播故障G s-a-1?
3)根據(jù)激活和敏化故障的要求,如何設(shè)置對(duì)應(yīng)的原始輸入端的信號(hào)值?
通過(guò)提問(wèn)思考和共同探討,問(wèn)題得以解決,學(xué)生印象深刻,對(duì)后續(xù)理解各種測(cè)試向量生成算法奠定基礎(chǔ)。
4 實(shí)例講解
集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)是一門(mén)理論化較強(qiáng)的課程,學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生“學(xué)以何用”的疑問(wèn)。為消除這些疑問(wèn),加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,明確學(xué)習(xí)目的,需要授課教師在課程講解過(guò)程中穿插一些測(cè)試實(shí)例。為此,本課程以科研項(xiàng)目中所涉及的部分測(cè)試實(shí)例為樣本,結(jié)合學(xué)生的掌握和接受能力加以簡(jiǎn)化,作為課堂講解實(shí)例。
下面以某個(gè)整機(jī)系統(tǒng)中所涉及的一款數(shù)字編碼器為例,進(jìn)行功能和引腳規(guī)模的簡(jiǎn)化,最終形成圖2所示的簡(jiǎn)化編碼器原理圖。針對(duì)該原理圖和具體工作原理,講解該編碼器的基本測(cè)試方法和過(guò)程。
圖2所示編碼器有四個(gè)地址輸入引腳(A0~A3),一個(gè)電源引腳VDD(5 V),一個(gè)時(shí)鐘輸入引腳CLK,一個(gè)輸出引腳DOUT和一個(gè)接地引腳GND。在地址端(A0~A3)輸入一組編碼,經(jīng)過(guò)編碼器編碼,在DOUT端串行輸出。編碼的規(guī)律如圖3所示,編碼輸出順序(先左后右):A0編碼A1編碼A2編碼A3編碼同步位。
該測(cè)試實(shí)例主要圍繞功能測(cè)試來(lái)進(jìn)行具體講解。功能測(cè)試通過(guò)真值表(測(cè)試圖形)來(lái)驗(yàn)證編碼器功能是否正確。編碼器輸入引腳可接三種狀態(tài):高電平(1)、低電平(0)和懸空(f)。本實(shí)例只列舉三組真值表來(lái)對(duì)該編碼器進(jìn)行測(cè)試,即輸入引腳分別為1010、0101、ffff。真值表中的每一行代表一個(gè)時(shí)鐘周期(T)。H(高電平)和L(低電平)代表編碼器正確編碼時(shí)DOUT引腳的輸出電平。針對(duì)1010的輸入,參照?qǐng)D3編碼規(guī)律和表1編碼順序,DOUT輸出按A0 A1 A2 A3(1010)順序?qū)崿F(xiàn)編碼,具體真值表如圖4所示。
圖4中Repeat n(n為自然數(shù))代表重復(fù)驗(yàn)證該行n個(gè)時(shí)鐘。該測(cè)試圖形通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境編譯器編譯成測(cè)試機(jī)控制碼,發(fā)送給測(cè)試系統(tǒng)控制器。測(cè)試系統(tǒng)發(fā)出被測(cè)電路所需的各種輸入信號(hào)并捕獲被測(cè)電路的輸出引腳DOUT信號(hào)。當(dāng)實(shí)際測(cè)試采樣DOUT引腳所得信號(hào)與測(cè)試圖形中的期望輸出完全相符時(shí),表示被測(cè)電路功能正確,測(cè)試通過(guò)。反之,則提示有錯(cuò),編碼器功能失效。同樣,當(dāng)輸入分別為0101和ffff時(shí),測(cè)試圖形如圖5、圖6所示。
實(shí)際數(shù)字集成電路測(cè)試的過(guò)程遠(yuǎn)比上述過(guò)程復(fù)雜,本例中所講解的功能測(cè)試是一種不完全測(cè)試,測(cè)試的故障覆蓋率和測(cè)試效果有待商榷。然而,無(wú)論多復(fù)雜的功能測(cè)試,其主要測(cè)試原理基本類(lèi)似。通過(guò)這樣的測(cè)試實(shí)例講解,能夠讓學(xué)生了解測(cè)試圖形的功能,熟悉數(shù)字電路測(cè)試的大體過(guò)程和基本原理,加深對(duì)理論知識(shí)的理解。
5 重視與相關(guān)學(xué)科的交叉銜接
作為電子類(lèi)的專業(yè)課,本課程橫跨計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)學(xué)、物理等多個(gè)領(lǐng)域。有鑒于此,在教學(xué)中應(yīng)盡可能地體現(xiàn)集成電路測(cè)試與可測(cè)性設(shè)計(jì)與其他課程的關(guān)系,在教學(xué)中為后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】IC設(shè)計(jì) IC工藝流程 良率 精益化成本控制
精益思想是一種先進(jìn)的管理思想,把它運(yùn)用到IC設(shè)計(jì)項(xiàng)目成本管理當(dāng)中,能夠有效的控制項(xiàng)目成本和產(chǎn)品研發(fā)的周期,因?yàn)榫嫠枷氲暮诵木褪窍速M(fèi),減少不必要的支出。運(yùn)用精益思想對(duì)企業(yè)的整個(gè)項(xiàng)目流程進(jìn)行控制,從產(chǎn)品的立項(xiàng)、市場(chǎng)調(diào)研、可行性分析、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等階段,實(shí)施嚴(yán)格產(chǎn)品成本控制,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全壽命周期成本控制。在精益設(shè)計(jì)成本控制中運(yùn)用目標(biāo)成本規(guī)劃法、價(jià)值工程、質(zhì)量功能展開(kāi)等方法,能夠有效的控制設(shè)計(jì)成本,同時(shí)把顧客的需求融合到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中。在精益采購(gòu)成本控制階段,企業(yè)可以通過(guò)規(guī)范采購(gòu)制度和經(jīng)濟(jì)批量訂貨等方法來(lái)降低采購(gòu)成本。精益生產(chǎn)階段,企業(yè)可以運(yùn)用敏捷制造和全面質(zhì)量管理,及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的浪費(fèi)現(xiàn)象并與改正,消除浪費(fèi),降低成本。精益物流成本控制階段,企業(yè)可以采用價(jià)值流程分析對(duì)整個(gè)流程分析,尋求不必要的浪費(fèi)??傊嫠枷氲闹攸c(diǎn)就在減少浪費(fèi),提高顧客滿意度,從而達(dá)到降低成本,提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。
一、精益化成本控制的特點(diǎn)
(一)連續(xù)流動(dòng)性
連續(xù)流動(dòng)性是指價(jià)值流在供應(yīng)鏈上連續(xù)不斷的進(jìn)行,企業(yè)只在合適的時(shí)間,按合適的數(shù)量生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。對(duì)IC設(shè)計(jì)企業(yè)而言,它的上游產(chǎn)業(yè)是晶圓廠,下游企業(yè)是封裝測(cè)試廠,目前大部分的IC設(shè)計(jì)企業(yè)都是根據(jù)訂單來(lái)生產(chǎn),同時(shí)合理備足為滿足市場(chǎng)不確定性需求的庫(kù)存,企業(yè)要實(shí)現(xiàn)理想的價(jià)值流動(dòng),就要將上、下游的各項(xiàng)作業(yè)從外部結(jié)構(gòu)上改造成若干個(gè)包含幾項(xiàng)增值作業(yè)的自我管理生產(chǎn)單元,在這個(gè)生產(chǎn)單元內(nèi),設(shè)備和人力按照流程的順序來(lái)進(jìn)行安排。如果不能實(shí)現(xiàn)這種連續(xù)的均衡生產(chǎn),那么某些生產(chǎn)單元的生產(chǎn)進(jìn)度就可能會(huì)落在后面,導(dǎo)致下游工序出現(xiàn)閑置時(shí)間,而另外一些時(shí)候,這些生產(chǎn)單元又可能停工待料。企業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)之后,便可縮短訂貨提前期,大幅度降低庫(kù)存,能盡早的發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題,使企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃有條不紊,持續(xù)不斷地進(jìn)行。因此,在價(jià)值流管理中,首先應(yīng)保證生產(chǎn)作業(yè)的連續(xù)流動(dòng)性。
(二)價(jià)值鏈分析
實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)管理,最基本的一條就是消滅浪費(fèi),而在企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中,要消滅浪費(fèi),就必須判別企業(yè)生產(chǎn)中的兩個(gè)基本構(gòu)成:增值和非增值活動(dòng)。價(jià)值鏈管理就是通過(guò)繪制價(jià)值流程圖,進(jìn)行價(jià)值流程圖分析來(lái)發(fā)現(xiàn)并消滅浪費(fèi)、降低成本,贏取最高的邊際利潤(rùn)。從IC設(shè)計(jì)、制造分工流程圖來(lái)看,主要包括:IC設(shè)計(jì)、晶圓生產(chǎn)及后段的封裝測(cè)試,在設(shè)計(jì)階段,企業(yè)必須按照項(xiàng)目的進(jìn)度如期完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā);晶圓廠必須根據(jù)IC設(shè)計(jì)企業(yè)的集成電路布圖完成原材料的生產(chǎn);而對(duì)于封裝測(cè)試企業(yè)必須在保持產(chǎn)品良率的前提下,及時(shí)完成產(chǎn)成品的交付;這些價(jià)值鏈流動(dòng)的過(guò)程中,由于每個(gè)階段可能是在不同的地點(diǎn)完成,物流成本的控制是IC設(shè)計(jì)企業(yè)必須高度重視。
(三)研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)
從IC企業(yè)都是面向市場(chǎng)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,能后根據(jù)項(xiàng)目的進(jìn)度和目前公司的狀況,合理安排資源,每個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)行必須通過(guò)產(chǎn)品定義、規(guī)劃、模擬仿真、布圖及后期的工程測(cè)試等,如果在這些過(guò)程中,能夠?qū)嵭泄ぷ鬟^(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化,將有力推動(dòng)人力資源節(jié)約和按時(shí)按質(zhì)完成項(xiàng)目。在實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中,要遵循三個(gè)指導(dǎo)原則:一是與研發(fā)人員一起努力,共同確定效率最高的工作方法,并確保對(duì)此達(dá)成一致意見(jiàn)。二是利用標(biāo)準(zhǔn)化工作組合表來(lái)理解過(guò)程周期時(shí)間與生產(chǎn)節(jié)拍之間的關(guān)系。三是遵守生產(chǎn)節(jié)拍,這是標(biāo)準(zhǔn)化工作的一個(gè)關(guān)鍵計(jì)量指標(biāo),不要試圖通過(guò)對(duì)每個(gè)人的工作負(fù)荷做一些實(shí)質(zhì)性的改變來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)節(jié)拍的變化,當(dāng)生產(chǎn)節(jié)拍縮短時(shí),應(yīng)對(duì)各項(xiàng)工作進(jìn)行合理化改進(jìn)。必要時(shí)可增加人員,當(dāng)生產(chǎn)節(jié)拍加長(zhǎng)時(shí),可給生產(chǎn)過(guò)程分配較少的雇員。實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化工作能夠最大限度的發(fā)揮人力和機(jī)器的效用,與此同時(shí)還能確保安全的工作條件。只要從價(jià)值流的這三個(gè)方面去理解和實(shí)施價(jià)值流活動(dòng),就能達(dá)到消滅浪費(fèi),降低成本,優(yōu)化資源配置,提高運(yùn)營(yíng)管理水平的目的。
二、我國(guó)IC設(shè)計(jì)企業(yè)實(shí)行精益化成本控制的目的和意義
改革開(kāi)放30多年來(lái),隨著國(guó)外資金、技術(shù)和管理理念的不斷引進(jìn),我國(guó)企業(yè)的管理水平雖已有一定程度的提高,但仍未擺脫陳舊的管理模式與落后的管理手段。從整體水平來(lái)看,國(guó)內(nèi)IC企業(yè)規(guī)模都不算大,但普遍都具有大量生產(chǎn)模式下的大企業(yè)病,即:機(jī)構(gòu)臃腫、管理效率低下,企業(yè)計(jì)劃決策的速度慢,影響了企業(yè)的應(yīng)變能力;企業(yè)內(nèi)信息傳輸,溝通不及時(shí)、高庫(kù)存量,保證生產(chǎn)難以降低成本,員工的積極性和創(chuàng)造性得不到充分發(fā)揮。
應(yīng)用精益管理模式在我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)具有更特別的意義:
第一,我國(guó)IC研發(fā)設(shè)計(jì)人均資源相對(duì)短缺,技術(shù)來(lái)源大部分是通過(guò)解剖獲得,缺乏創(chuàng)造性,生產(chǎn)效率低下,資源有效利用率低,因此以消滅“浪費(fèi)”為理念的精益生產(chǎn)方式值得采納,以便實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo);
第二,精益管理本身起源于東方的文化環(huán)境,肯有較強(qiáng)烈的集體主義觀念,比西方更重視個(gè)人主義更容易實(shí)施,比較適合IC企業(yè)依靠團(tuán)隊(duì)的力量完成項(xiàng)目的現(xiàn)狀;
第三,針對(duì)目前我國(guó)管理水平較低的現(xiàn)狀,低起點(diǎn)必然會(huì)緊跟著一個(gè)高速發(fā)展階段,精益管理將直接給企業(yè)帶來(lái)新的活力和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
三、精益化成本控制在IC設(shè)計(jì)企業(yè)的實(shí)施
(一)全面的成本成本控制――“零虧損”
合理控制庫(kù)存,庫(kù)存是企業(yè)的“萬(wàn)惡之源”,它不僅占用企業(yè)的資金,增加資金成本,更重要的是由于有了庫(kù)存,生產(chǎn)線上即使出現(xiàn)了不合格產(chǎn)品,工人也可以從容返修,從而放松了對(duì)“零返修庫(kù)”的追求。遵循快速調(diào)整和小批量生產(chǎn)原則,從而保持了較低的存貨水平。
(二)優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)――“零投訴”
及時(shí)、有效的滿足顧客的需求,是企業(yè)的根本宗旨,也是企業(yè)生存的源泉;顧客對(duì)于產(chǎn)品的品質(zhì)的訴愿,必須高度重視并及時(shí)反饋并指派FAE工程師上門(mén)解決;在這個(gè)過(guò)程中,除了要傾聽(tīng)客戶對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的意見(jiàn),還有要不斷改良產(chǎn)品的工藝和服務(wù)質(zhì)量難題,企業(yè)也應(yīng)從客戶的訴愿中挖掘未滿足的市場(chǎng)需求。
(三)合理有效利用公司的各種資源――“零浪費(fèi)”
任何不直接增加產(chǎn)品價(jià)值的費(fèi)用都是浪費(fèi),所以要盡量減少管理費(fèi)用。要消除任何無(wú)增值的動(dòng)作、環(huán)節(jié)和步驟。同時(shí),建立新型的供應(yīng)商合作關(guān)系,企業(yè)應(yīng)當(dāng)將一個(gè)自己滿意的供應(yīng)商看作是自己公司的一部分,從原材料晶圓,到后段的代工商的選擇,再到滿足客戶的市場(chǎng)需求,共同為提高產(chǎn)品質(zhì)量和適時(shí)供貨而努力,不光光是通過(guò)價(jià)格手段,盤(pán)剝供應(yīng)商或者客戶。
(四)研發(fā)項(xiàng)目、產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)行嚴(yán)格的工期管理――“零延時(shí)”
新項(xiàng)目開(kāi)始研發(fā)前,市場(chǎng)部要與研發(fā)等部門(mén),做好前期的市場(chǎng)調(diào)研和可信析分析,避免盲目開(kāi)發(fā)新項(xiàng)目或開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目而產(chǎn)品沒(méi)市場(chǎng);對(duì)于確定要開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目,要合理為項(xiàng)目配置資源,明確研發(fā)項(xiàng)目的每個(gè)步驟的工期要求,按時(shí)按質(zhì)的如期完成項(xiàng)目,項(xiàng)目如果出現(xiàn)拖延就是成本的浪費(fèi);
(五)實(shí)行全面的質(zhì)量管理――“零缺陷”
提高質(zhì)量無(wú)需增加成本,因?yàn)閺拈L(zhǎng)期看,提高產(chǎn)品質(zhì)量了產(chǎn)品市場(chǎng)占有率,從而相對(duì)降低了成本,即質(zhì)量成本占銷(xiāo)售收入百分比不斷下降,使得企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力不斷加強(qiáng)。通過(guò)提高質(zhì)量、減少浪費(fèi)才能贏得利潤(rùn),質(zhì)量是利潤(rùn)的源泉。錯(cuò)誤是一種財(cái)富,因?yàn)橹挥谐霈F(xiàn)瑕疵才能發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的不完美,才難使之逐漸完善而不再產(chǎn)生疵點(diǎn),即犯錯(cuò)誤是為了不犯錯(cuò)誤。缺陷是可以避免的,“零缺陷”是促進(jìn)企業(yè)不斷發(fā)現(xiàn)IC產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的缺陷并加以改進(jìn)的一種標(biāo)準(zhǔn)。
(六)實(shí)行全面的安全管理――“零事故”
安全生產(chǎn)是企業(yè)的社會(huì)責(zé)任,也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段,減少安全事故的發(fā)生,其實(shí)就是在為企業(yè)避免不必要的損失,節(jié)約成本;同時(shí)也是為企業(yè)樹(shù)立良好的品牌形象。
四、總結(jié)語(yǔ)
IC設(shè)計(jì)是個(gè)技術(shù)淘汰、技術(shù)更新非常迅速的行業(yè),企業(yè)要在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈行業(yè)求得生存或者發(fā)展,必須緊密把握市場(chǎng)的變化趨勢(shì),不斷的改進(jìn)技術(shù)或工藝,持續(xù)不斷的通過(guò)精益化的成本控制手段,從技術(shù)上和成本上建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);同時(shí)充分利用國(guó)家對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策,加大重大項(xiàng)目和新興產(chǎn)業(yè)IC芯片應(yīng)用的研發(fā)和投資力度;合理利用中國(guó)高等院校的在集成電路、電子信息領(lǐng)域的研究資源,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的發(fā)展思路,縮短項(xiàng)目的研發(fā)周期;通過(guò)各種途徑推行精益化的成本控制手段,來(lái)達(dá)到提高中國(guó)IC設(shè)計(jì)企業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力,擴(kuò)大市場(chǎng)份額。
以上是筆者對(duì)精益化成本控制在IC設(shè)計(jì)企業(yè)的應(yīng)用的一些膚淺的認(rèn)識(shí),不當(dāng)之處敬請(qǐng)讀者指正。
參考文獻(xiàn)
[1]劉勝軍.精益化生產(chǎn)現(xiàn)代IE[M].第一版海天出版社,2006:67.
關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 單片系統(tǒng)(SOC) 硬件描述語(yǔ)言(HDL) IP內(nèi)核
一、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法變化的背景
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化總的來(lái)說(shuō)是因?yàn)閼?yīng)用需求的牽引和IT技術(shù)的推動(dòng)。
1.隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類(lèi)智慧的結(jié)合,生產(chǎn)出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊,推動(dòng)了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的器件可編程思想和微處理(器)技術(shù)可以用軟件來(lái)改變和實(shí)現(xiàn)硬件的功能。微處理器和各種可編程大規(guī)模集成專用電路、半定制器件的大量應(yīng)用,開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的應(yīng)用世界,以至廣泛影響著并在逐步改變著人類(lèi)的生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)等社會(huì)活動(dòng)。
2.計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)性能的大幅度提高,使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實(shí)現(xiàn),大大提高了工作效率,給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。
3.高性能的EDA綜合開(kāi)發(fā)工具(平臺(tái))得到長(zhǎng)足發(fā)展,而且其自動(dòng)化和智能化程度不斷提高,為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了不同用途和不同級(jí)別集編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測(cè)試、驗(yàn)證和器件編程等一體化的易于學(xué)習(xí)和方便使用的開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。
4.硬件描述語(yǔ)言HDL(Hardware Des cription Language)的發(fā)展為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了建立各種硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力強(qiáng),給硬件電路,特別是半定制大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大的變革。目前,用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、IEEE STD 1364標(biāo)準(zhǔn)的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AHDL等。
由于HDL的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化,世界上出現(xiàn)了一批利用HDL進(jìn)行各種集成電路功能模塊專業(yè)設(shè)計(jì)的公司。其任務(wù)是按常用或?qū)S霉δ?,用HDL來(lái)描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu),并經(jīng)過(guò)不同級(jí)別的驗(yàn)證形成不同級(jí)別的IP內(nèi)核模塊,供芯片設(shè)計(jì)人員裝配或集成選用。
IP(Intellectual Property)內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的甚至已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有幾種不同形式。IP內(nèi)核模塊有行為(behavior)、結(jié)構(gòu)(structure)和物理(physical)3級(jí)不同程度的設(shè)計(jì),對(duì)應(yīng)有主要描述功能行為的“軟IP內(nèi)核(soft IP core)”、完成結(jié)構(gòu)描述的“固IP內(nèi)核(firm IP core)”和基于物理描述并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證的“硬IP內(nèi)核(hard IP core)”3個(gè)層次。這相當(dāng)于集成電路(器件或部件)的毛坯、半成品和成品的設(shè)計(jì)技術(shù)。
軟IP內(nèi)核通常是用某種HDL文本提交用戶,它已經(jīng)過(guò)行為級(jí)設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證,但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此,用戶可以綜合出正確的門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表,并可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有最大的靈活性,可以很容易地借助于EDA綜合工具與其他外部邏輯電路結(jié)合成一體,根據(jù)各種不同的半導(dǎo)體工藝,設(shè)計(jì)成具有不同性能的器件。可以商品化的軟IP內(nèi)核一般電路結(jié)構(gòu)總門(mén)數(shù)都在5000門(mén)以上。但是,如果后續(xù)設(shè)計(jì)不當(dāng),有可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)果失敗。軟IP內(nèi)核又稱作虛擬器件。
硬IP內(nèi)核是基于某種半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì),已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝,并已經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證,具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件,是可以拿來(lái)就用的全套技術(shù)。
固IP內(nèi)核的設(shè)計(jì)深度則是介于軟IP內(nèi)核和硬IP內(nèi)核之間,除了完成硬IP內(nèi)核所有的設(shè)計(jì)外,還完成了門(mén)電路級(jí)綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一般以門(mén)電路級(jí)網(wǎng)表形式提交用戶使用。
TI,Philips和Atmel等廠商就是通過(guò)Intel授權(quán),用其MCS51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長(zhǎng)開(kāi)發(fā)出有個(gè)性的與Intel MCS51兼容的單片機(jī)。
常用的IP內(nèi)核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結(jié)構(gòu)的CPU或8/16位微控制器/單片機(jī),如8051等)、32/64位DSP(如320C30)、DRAM、SRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCI、標(biāo)準(zhǔn)接口、網(wǎng)絡(luò)單元、編譯器、編碼/解碼器和模擬器件模塊等。豐富的IP內(nèi)核模塊庫(kù)為快速地設(shè)計(jì)專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領(lǐng)市場(chǎng)提供了基本保證。
5.軟件技術(shù)的進(jìn)步,特別是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operation System)的推出,為開(kāi)發(fā)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件提供了底層支持和高效率開(kāi)發(fā)平臺(tái)。EOS是一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)軟件。它一般都具有操作系統(tǒng)所具有的各種系統(tǒng)資源管理功能,用戶可以通過(guò)應(yīng)用程序接口API調(diào)用函數(shù)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種資源管理。用戶程序可以在EOS的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并運(yùn)行。它與通用系統(tǒng)機(jī)中的OS相比,主要有系統(tǒng)內(nèi)核短小精悍、開(kāi)銷(xiāo)小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和可靠性高等特點(diǎn)。完善的EOS還提供各種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和Internet應(yīng)用。還可以提供TCP/IP協(xié)議支持。目前流行的EOS有3Com公司的Palm OS、Microsoft公司的Windows CE和Windows NT Embedded4.0、日本東京大學(xué)的Tron和各種開(kāi)放源代碼的嵌入式Linux以及國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)成功的凱思集團(tuán)的Hopen OS和浙江大學(xué)的HBOS。
轉(zhuǎn)貼于 二、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的變化
過(guò)去擅長(zhǎng)于軟件設(shè)計(jì)的編程人員一般對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)“敬而遠(yuǎn)之”,硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)被認(rèn)為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。
隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,電子工程出身的設(shè)計(jì)人員,往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過(guò)微控制器(國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱作單片機(jī))的應(yīng)用,學(xué)會(huì)相應(yīng)的匯編語(yǔ)言編程。在設(shè)計(jì)規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時(shí),必然要用到已普及的PC機(jī),以其為上端機(jī),從而進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用Quick BASIC,C,C++,VC和VB等高級(jí)語(yǔ)言編程作系統(tǒng)程序,設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面,通過(guò)與單片機(jī)控制的前端機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信構(gòu)成集中分布控制系統(tǒng)。
軟件編程出身的設(shè)計(jì)人員則很少有興趣去學(xué)習(xí)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。但是,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是硬件描述語(yǔ)言HDL的發(fā)明,系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法發(fā)生了變化,數(shù)字系統(tǒng)的硬件組成及其行為完全可以用HDL來(lái)描述和仿真。在這種情況下,設(shè)計(jì)硬件電路不再是硬件設(shè)計(jì)工程師的專利,擅長(zhǎng)軟件編程的設(shè)計(jì)人員可以借助于HDL工具來(lái)描述硬件電路的行為、功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、信號(hào)連接關(guān)系和定時(shí)關(guān)系,設(shè)計(jì)出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。
EDA工具允許有兩種設(shè)計(jì)輸入工具,分別適應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)人員和軟件編程人員兩種不同背景的需要。讓具有硬件背景的設(shè)計(jì)人員用已習(xí)慣的原理圖輸入方式,而讓具有軟件背景的設(shè)計(jì)人員用硬件描述語(yǔ)言輸入方式。由于用HDL描述進(jìn)行輸入,因而與系統(tǒng)行為描述更接近,且更便于綜合、時(shí)域傳遞和修改,還能建立獨(dú)立于工藝的設(shè)計(jì)文件,所以,擅長(zhǎng)軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識(shí),往往可以比習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師設(shè)計(jì)出更好的硬件電路和系統(tǒng)。所以,習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師應(yīng)該學(xué)會(huì)用HDL來(lái)描述和編程。
三、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3個(gè)層次
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個(gè)不同層次。
1.第1層次:以PCB CAD軟件和ICE為主要工具的設(shè)計(jì)方法。
這是過(guò)去直至現(xiàn)在我國(guó)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直沿用的方法,其步驟是先抽象后具體。
抽象設(shè)計(jì)主要是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能要求,對(duì)系統(tǒng)功能細(xì)化,分成若干功能模塊,畫(huà)出系統(tǒng)功能框圖,再對(duì)功能模塊進(jìn)行硬件和軟件功能實(shí)現(xiàn)的分配。
具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對(duì)各功能模塊所需要使用的元器件進(jìn)行選擇和組合,其選擇的基本原則就是市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的性價(jià)比最高的通用元器件。必要時(shí),須分別對(duì)各個(gè)沒(méi)有把握的部分進(jìn)行搭試、功能檢驗(yàn)和性能測(cè)試,從模塊到系統(tǒng)找到相對(duì)優(yōu)化的方案,畫(huà)出電路原理圖。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步就是利用印制板(PCB)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件對(duì)系統(tǒng)的元器件進(jìn)行布局和布線,接著是印制板加工、裝配和硬件調(diào)試。
工作量最大的部分是軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,主要包括任務(wù)分析、資源分配、模塊劃分、流程設(shè)計(jì)和細(xì)化、編碼調(diào)試等。軟件設(shè)計(jì)的工作量主要集中在程序調(diào)試,所以軟件調(diào)試工具就是關(guān)鍵。最常用和最有效的工具是在線仿真器(ICE)。
2.第2層次:以EDA工具軟件和EOS為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。
隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展,各種通用的可編程半定制邏輯器件應(yīng)運(yùn)而生。在硬件設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師可以利用這些半定制器件,逐步把原先要通過(guò)印制板線路互連的若干標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件自制成專用集成電路(ASIC)使用,這樣,就把印制板布局和布線的復(fù)雜性轉(zhuǎn)換成半定制器件內(nèi)配置的復(fù)雜性。然而,半定制器件的設(shè)計(jì)并不需要設(shè)計(jì)人員有半導(dǎo)體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。隨著半定制器件的規(guī)模越來(lái)越大,可集成的器件越來(lái)越多,使印制板上互連器件的線路、裝配和調(diào)試費(fèi)用越來(lái)越少,不僅大大減少了印制板的面積和接插件的數(shù)量,降低了系統(tǒng)綜合成本,增加了可編程應(yīng)用的靈活性,更重要的是降低了系統(tǒng)功耗,提高了系統(tǒng)工作速度,大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。
這樣,硬件設(shè)計(jì)人員從過(guò)去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路器件,逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專用的集成電路器件,而這些技術(shù)是由各種EDA工具軟件提供支持的。
半定制邏輯器件經(jīng)歷了可編程邏輯陣列PLA、可編程陣列邏輯PAL、通用陣列邏輯GAL、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的發(fā)展過(guò)程。其趨勢(shì)是集成度和速度不斷提高,功能不斷增強(qiáng),結(jié)構(gòu)趨于更合理,使用變得更靈活和方便。
設(shè)計(jì)人員可以利用各種EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)的CPLD和FPGA等,設(shè)計(jì)和自制用戶專用的大規(guī)模集成電路。然后再通過(guò)自下而上的設(shè)計(jì)方法,把用半定制器件設(shè)計(jì)自制的集成電路、可編程外圍器件、所選擇的ASIC與嵌入式微處理器或微控制器在印制板上布局、布線構(gòu)成系統(tǒng)。
3.第3層次:以IP內(nèi)核庫(kù)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法。
20世紀(jì)90年代后,進(jìn)一步開(kāi)始了從“集成電路”級(jí)設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級(jí)設(shè)計(jì)。目前已進(jìn)入單片系統(tǒng)SOC(System on a chip)設(shè)計(jì)階段,并開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。這種設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡(jiǎn)單地二次集成到1個(gè)芯片上,如果這樣實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng),是不可能達(dá)到單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標(biāo)的,特別是低功耗要求。單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從整個(gè)系統(tǒng)性能要求出發(fā),把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái),并通過(guò)建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì),在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有時(shí)也可能把系統(tǒng)做在幾個(gè)芯片上。因?yàn)?,?shí)際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)的;還可能因?yàn)閷?shí)現(xiàn)某種單片系統(tǒng)的工藝成本太高,以至于失去商業(yè)價(jià)值。目前,進(jìn)入實(shí)用的單片系統(tǒng)還屬簡(jiǎn)單的單片系統(tǒng),如智能IC卡等。但幾個(gè)著名的半導(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開(kāi)發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。
單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果從零開(kāi)始,這既不現(xiàn)實(shí)也無(wú)必要。因?yàn)槌嗽O(shè)計(jì)不成熟、未經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn),其系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外,還會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)周期太長(zhǎng)而失去商業(yè)價(jià)值。
為了加快單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)的可靠性,目前最有效的一個(gè)途徑就是通過(guò)授權(quán),使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開(kāi)發(fā),利用膠粘邏輯技術(shù)GLT(Glue Logic Technology),把這些IP內(nèi)核模塊嵌入到SOC中。IP內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),究竟購(gòu)買(mǎi)哪一級(jí)IP內(nèi)核模塊,要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時(shí)間、資金和其他條件權(quán)衡確定。購(gòu)買(mǎi)硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)險(xiǎn)最小,但付出最大,這是必然的。但總的來(lái)說(shuō),通過(guò)購(gòu)買(mǎi)IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn),還能節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用,因?yàn)橐话阗?gòu)買(mǎi)IP內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的費(fèi)用。當(dāng)然,并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場(chǎng)上買(mǎi)得到。為了壟斷市場(chǎng),有一些公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊(至少暫時(shí))是不愿意授權(quán)轉(zhuǎn)讓使用的。像這樣的IP內(nèi)核模塊就不得不自己組織力量來(lái)開(kāi)發(fā)。
這3個(gè)層次各有各的應(yīng)用范圍。從應(yīng)用開(kāi)發(fā)角度看,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),都是采用前2種方法。第3層次設(shè)計(jì)方法對(duì)一般具體應(yīng)用人員來(lái)說(shuō),只能用來(lái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的單片系統(tǒng)。而復(fù)雜的單片系統(tǒng)則是某些大的半導(dǎo)體廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的,并且用這種方法實(shí)現(xiàn)的單片系統(tǒng),只可能是那些廣泛使用、具有一定規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)才值得投入研制。還有些應(yīng)用系統(tǒng),因?yàn)榧夹g(shù)問(wèn)題或商業(yè)價(jià)值問(wèn)題并不適宜用單片實(shí)現(xiàn)。當(dāng)它們以商品形式推出相應(yīng)單片系統(tǒng)后,應(yīng)用人員只要會(huì)選用即可。所以,3個(gè)層次的設(shè)計(jì)方法會(huì)并存,并不會(huì)簡(jiǎn)單地用后者取代前者。 初級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會(huì)以第1種方法為主;富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員會(huì)以第2種方法為主;很專業(yè)的設(shè)計(jì)人員會(huì)用第3種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用半導(dǎo)體大廠商推出的用第3種方法設(shè)計(jì)的專用單片系統(tǒng)。
結(jié)束語(yǔ)
【關(guān)鍵詞】EDA技術(shù);層次性;教學(xué)探索
0 引言
隨著電子科技的發(fā)展,集成電路在信息產(chǎn)業(yè)中越來(lái)越受到重視,集成電路設(shè)計(jì)業(yè)逐漸發(fā)展成為一門(mén)科學(xué)。隨著社會(huì)的發(fā)展,對(duì)于集成電路的設(shè)計(jì)也有更高的要求,包括對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行驗(yàn)證以及IP核的復(fù)用等,因此,靈活掌握集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的EDA技術(shù),已成為各高校電子、電信、通信等本科專業(yè)的課程要求。該門(mén)課程的顯著特點(diǎn)是應(yīng)用性強(qiáng),要求學(xué)生更多地參與到實(shí)踐當(dāng)中,而對(duì)于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的三本院校而言,則要在此基礎(chǔ)上提高學(xué)生的動(dòng)手能力。本文根據(jù)三本院校的特點(diǎn)、當(dāng)前EDA設(shè)計(jì)現(xiàn)狀以及多年來(lái)從事EDA教學(xué)經(jīng)驗(yàn),在EDA課程的教學(xué)過(guò)程中對(duì)于分層次的教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)踐和探索。
1 EDA當(dāng)前的教授情況
當(dāng)前電子信息技術(shù)飛速發(fā)展,電子科學(xué)技術(shù)、電子信息工程等相關(guān)的電子類(lèi)專業(yè)已經(jīng)在各個(gè)高校廣泛開(kāi)展,而EDA作為電子設(shè)計(jì)類(lèi)中的一門(mén)重要學(xué)科,在各大院校的課程設(shè)置中基本普及。目前,三本院校中對(duì)于課程安排的課時(shí)較少,學(xué)生實(shí)踐不夠,對(duì)于EDA技術(shù)的掌握和運(yùn)用情況不夠深入,在畢業(yè)設(shè)計(jì)中也很少體現(xiàn)。EDA技術(shù)是在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)知識(shí)的基本上進(jìn)行學(xué)習(xí)的一門(mén)課程,而三本院校的學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,對(duì)于理論知識(shí)的理解有一定的難度,因此對(duì)于同樣要求的理論知識(shí)所花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)較多,則動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間必然減少。雖然三本院校的學(xué)生對(duì)于動(dòng)手實(shí)踐的興趣比較濃厚,但是當(dāng)前的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多,使學(xué)生無(wú)法保持熱情,而創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)對(duì)于基礎(chǔ)不牢固的同學(xué)來(lái)說(shuō)比較困難,不能充分提高學(xué)生的主動(dòng)性[1]。
2 EDA分層次教學(xué)探索
本校課程的設(shè)置和講授以應(yīng)用性為主導(dǎo),當(dāng)前EDA課程的安排為64學(xué)時(shí),并且配備兩周的課程設(shè)計(jì),內(nèi)容安排比較豐富,學(xué)生在模電、數(shù)電方面的知識(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較薄弱,動(dòng)手能力不夠,根據(jù)以上情況,對(duì)于EDA課程進(jìn)行分層次教學(xué)方法的探討,課程教授過(guò)程中主要在兩個(gè)方面體現(xiàn)出層次性:一方面,是對(duì)于基礎(chǔ)和理論知識(shí)的講授,另一方面,體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等操作的練習(xí)。
2.1 理論知識(shí)的層次性
EDA課程中的理論知識(shí)在講解的過(guò)程中采用由淺入深的層次方法,將理論知識(shí)歸結(jié)為EDA技術(shù)介紹、可編程邏輯器件基礎(chǔ)知識(shí)、硬件描述語(yǔ)言的基本語(yǔ)法知識(shí)三部分。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)EDA課程的興趣,并起到擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面的效果,EDA技術(shù)介紹環(huán)節(jié)用較生動(dòng)的例子代替枯燥難以理解的概念,介紹EDA領(lǐng)域的電子比賽,如飛思卡爾智能車(chē)大賽等,并向?qū)W生推薦好的技術(shù)交流論壇,為了讓學(xué)生了解EDA技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀,講解時(shí)介紹在EDA領(lǐng)域掌握最先進(jìn)技術(shù)的公司及其產(chǎn)品;在講解可編程邏輯器件基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)考慮到基本結(jié)構(gòu)知識(shí)的比較枯燥難以理解,因此結(jié)合數(shù)字電路的知識(shí)講解可編程邏輯器件的基本結(jié)構(gòu)與-或陣列,更接近學(xué)生所學(xué)知識(shí),使學(xué)生對(duì)于芯片的應(yīng)用有整體的把握;對(duì)于硬件描述語(yǔ)言知識(shí)的講解要深入透徹,而硬件描述語(yǔ)言是以簡(jiǎn)單的數(shù)電模塊為例進(jìn)行程序的編寫(xiě),為了讓學(xué)生對(duì)于硬件描述語(yǔ)言盡快地熟悉,需對(duì)常用的模塊多路選擇器、觸發(fā)器、編碼器、譯碼器、計(jì)數(shù)器等進(jìn)行復(fù)習(xí),使學(xué)生對(duì)于這些模塊的工作原理非常熟悉,然后以具體實(shí)例分析編程中涉及的語(yǔ)法知識(shí),通過(guò)這個(gè)過(guò)程學(xué)生能夠掌握硬件描述語(yǔ)言的基本語(yǔ)法知識(shí),但對(duì)于進(jìn)一步編寫(xiě)程序還需通過(guò)多加練習(xí)才能提高??傮w來(lái)說(shuō)EDA課程理論知識(shí)的講授可以分為了解性的、理解性的、具體掌握并應(yīng)用的,通過(guò)上述層層遞進(jìn)的過(guò)程,使學(xué)生能夠較好地掌握本門(mén)課程的理論知識(shí),并為動(dòng)手實(shí)踐操作做充分的準(zhǔn)備。
2.2 實(shí)驗(yàn)的層次性
由于EDA課程的特殊性,實(shí)驗(yàn)操作的層次性又體現(xiàn)在兩個(gè)方面:從實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的層次性上可以分為軟件仿真、硬件驗(yàn)證、綜合設(shè)計(jì)三個(gè)部分,從實(shí)驗(yàn)的難度上可以分為基本模塊的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),具有實(shí)際意義簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以及綜合性實(shí)驗(yàn)。
EDA實(shí)驗(yàn)的過(guò)程主要包括軟件集成環(huán)境QuartusⅡ中的仿真、引腳配置和程序的下載驗(yàn)證,為了滿足每個(gè)學(xué)生都能夠動(dòng)手操作,將軟件仿真部分的實(shí)驗(yàn)安排在機(jī)房中進(jìn)行,這樣學(xué)生可以充分練習(xí)并且調(diào)試程序,主要包括8個(gè)實(shí)驗(yàn),1個(gè)熟悉操作環(huán)境及流程實(shí)驗(yàn),1個(gè)原理圖實(shí)驗(yàn),3個(gè)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單模塊實(shí)驗(yàn),1個(gè)LPM模塊練習(xí)實(shí)驗(yàn),2個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)驗(yàn)[2],在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生要學(xué)會(huì)原理圖和源程序兩種輸入方式,學(xué)會(huì)調(diào)試編譯過(guò)程中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤,并且學(xué)會(huì)建立并分析仿真波形,通過(guò)仿真結(jié)果判斷輸入并進(jìn)行修改、調(diào)試。在此基礎(chǔ)上安排學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱的操作,首先要講解實(shí)驗(yàn)箱中所有的硬件資源,要求學(xué)生在編寫(xiě)程序時(shí)充分考慮現(xiàn)有的硬件資源,然后進(jìn)行引腳的配置、硬件的連接及程序的下載。在此基礎(chǔ)上安排一些將多個(gè)模塊組合到一起的綜合性設(shè)計(jì),并將軟件仿真、硬件實(shí)現(xiàn)的整個(gè)流程進(jìn)行整體的操作,從而鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)并提高實(shí)驗(yàn)操作的熟練程度。
為了讓學(xué)生學(xué)習(xí)EDA技術(shù)時(shí)保持輕松、愉快且自信的態(tài)度,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排讓學(xué)生先做加法器、多路選擇器、編碼器、譯碼器、七段數(shù)碼管、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等基本的模塊,做完之后讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,找出實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)缺點(diǎn),然后再給學(xué)生講解,隨后安排學(xué)生做具有實(shí)際意義的投票表決器、60進(jìn)制計(jì)數(shù)器、多路LED燈控制器等電路模塊,此類(lèi)模塊需學(xué)生根據(jù)已有的硬件語(yǔ)言和數(shù)字電路的知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn),最后安排的實(shí)驗(yàn)是針對(duì)部分學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)、對(duì)此門(mén)課程感興趣的同學(xué)進(jìn)行的,包括具有簡(jiǎn)單控制開(kāi)管的數(shù)字時(shí)鐘、數(shù)字秒表、多路搶答器等題目[3-5]。
在完成以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上安排學(xué)生進(jìn)行課程設(shè)計(jì),針對(duì)大多數(shù)三本學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)較薄弱的特點(diǎn),EDA課程設(shè)計(jì)的題目是根據(jù)學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)相應(yīng)擬定的,對(duì)于底子特別弱的學(xué)生,將平時(shí)練習(xí)的內(nèi)容加以修改并略微提升難度,對(duì)于程度中等的學(xué)生則給與常用課程設(shè)計(jì)題目,對(duì)于程度特別好的學(xué)生,則根據(jù)競(jìng)賽內(nèi)容并適當(dāng)修改擬定題目,以提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。課程設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)要求所有的學(xué)生都能夠做出最終結(jié)果,避免出現(xiàn)分小組只有單個(gè)學(xué)生練習(xí),其他多數(shù)成員都不參與的情況。
3 EDA教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)在本校學(xué)生中實(shí)行分層次教學(xué)的方法,EDA課程的教授收到了較好的效果,學(xué)生學(xué)習(xí)此門(mén)課程的興趣很高,并且能夠很好地鍛煉動(dòng)手能力,在學(xué)生找工作的過(guò)程中也能夠起到很好的促進(jìn)作用。EDA教學(xué)的改革和探索在不斷地進(jìn)行,以后會(huì)更多地增加實(shí)訓(xùn)和操作的內(nèi)容,并且結(jié)合各種電子類(lèi)的比賽主題和市場(chǎng)的需求,在不遠(yuǎn)的將來(lái),EDA技術(shù)的廣泛應(yīng)用也許此門(mén)課程將以完全實(shí)際操作以及主題項(xiàng)目的形式進(jìn)行授課。
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【關(guān)鍵詞】傳感器;單片機(jī);分布式測(cè)溫
1.引言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展,微型化、集成化、數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向,而采用新型數(shù)字溫度傳感器大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。數(shù)字溫度傳感器DS18B20具有獨(dú)特的單總線接口,僅需要占用一個(gè)通用I/0端口即可完成與微處理器的通信,大大減少了接線的麻煩,使得單片機(jī)更加具有擴(kuò)展性。由于DS18B20芯片的小型化,可以通過(guò)單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接。
2.整體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)是由單片機(jī)控制的,要能夠?qū)崿F(xiàn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并將所接受的數(shù)據(jù)顯示出來(lái),可以從鍵盤(pán)輸入命令,系統(tǒng)根據(jù)所鍵入的命令,選擇對(duì)應(yīng)的傳感器,并經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)溫度顯示。設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)的,方便的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量和顯示的任務(wù)。
圖1 AT89C51的硬件結(jié)構(gòu)圖
3.硬件選擇
3.1 傳感器的選擇
傳感器DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型溫度傳感器。DS18B20的最大優(yōu)點(diǎn)是采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸,由數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)AT89C51構(gòu)成的測(cè)度裝置,可以直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)到微控制器。每個(gè)DS18B20具有一個(gè)獨(dú)有的不可修改的64位序列號(hào),根據(jù)序列號(hào)可訪問(wèn)不同的器件,這樣一條總線上可掛接多個(gè)DS18B20傳感器,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量。DS18B20傳感器有如下特點(diǎn):
(1)單總線接口,可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。
(2)每一個(gè)芯片都有唯一的一個(gè)64位光刻的ROM注冊(cè)碼,家族碼為28H。
(3)無(wú)需外部器件,可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電,電源電壓范圍:3.0V~5.0V。
(4)以此作為檢測(cè)元件,測(cè)溫范圍是-55℃ ~+125℃,在-10~+85℃范圍內(nèi),測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃。
(5)分辨率為可編程的9~12位(包括一位符號(hào)位),對(duì)應(yīng)的可分變溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。
(6)DS18B20的轉(zhuǎn)換時(shí)間與所設(shè)定的分辨率有關(guān)。當(dāng)設(shè)定為9位時(shí),最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75ms,當(dāng)設(shè)定為12位時(shí),最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms。
(7)溫度數(shù)據(jù)有2個(gè)字節(jié)組成。
(8)內(nèi)部含有EEPROM,其報(bào)警上下限溫度值和設(shè)定的分辨率在掉電的情況下不丟失。
3.2 單片機(jī)的選擇
本課題選用的控制模塊是AT89C51單片機(jī),AT89C51單片機(jī)是一種低電壓,低功耗,高性能的8位FLASH單片機(jī)。單片機(jī)的特點(diǎn)是體積小,功能強(qiáng),可靠性高,功耗低,價(jià)格低廉,片內(nèi)含有2Kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器,并且可以兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)。
4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件電路如圖所示,主要是以AT89C51單片機(jī)為核心的控制部分,由四個(gè)DS18B20溫度傳感器,LED數(shù)碼管顯示,鍵盤(pán),復(fù)位電路,報(bào)警電路等部分組成。
4.1 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)
我們?cè)O(shè)計(jì)的是分布式測(cè)溫系統(tǒng),要用到多個(gè)DS18B20溫度傳感器,采集的溫度數(shù)據(jù)眾多,首先要弄清楚傳感器的序列號(hào),以便準(zhǔn)確、有效地對(duì)每個(gè)溫度進(jìn)行尋址。每個(gè)傳感器都有唯一的64位產(chǎn)品序列號(hào)。由溫度傳感器DS18B20采集的被測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù),不用經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,可以直接傳給AT89C51單片機(jī),由單片機(jī)的P3.7口作為數(shù)據(jù)的輸入端口,在AT89C51單片機(jī)內(nèi)有4KB閃爍可擦除、可編程的只讀存儲(chǔ)器,128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,可直接推動(dòng)LED數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。DS18B20由VCC提供電源,連接一個(gè)4.7K的上拉電阻,傳感器的DQ腳直接連接到單片機(jī)的P1.0口。溫度測(cè)量部分的電路就連接好了。圖2為DS18B20與單片機(jī)的連接電路圖。
圖2 DS18B20與單片機(jī)的連接電路圖
4.2 鍵盤(pán)部分電路
通過(guò)鍵盤(pán)鍵入要顯示的測(cè)量點(diǎn)的傳感器的序列號(hào),當(dāng)其中一個(gè)按鍵被按下時(shí),INT0就會(huì)接收到一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào),單片機(jī)的外部中斷會(huì)被激活,我們會(huì)檢測(cè)到P0~P3口的信號(hào)跳變,從而確定是那個(gè)按鍵被按下。當(dāng)單片機(jī)接受到具體的中斷信號(hào)時(shí),就會(huì)讀取在初始化時(shí)已經(jīng)按序列號(hào)編碼的對(duì)應(yīng)序列號(hào)的DS18B20傳感器中的溫度數(shù)據(jù),完成溫度數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)讀取。
4.3 顯示電路
該部分電路主要使用了移位寄存器芯片74LA164和七段數(shù)碼管。單片機(jī)通過(guò)I2C總線將要顯示的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到移位寄存器芯片74LS164寄存起來(lái),再由移位寄存器控制數(shù)碼管的顯示,從而實(shí)現(xiàn)移位寄存點(diǎn)亮數(shù)碼管,數(shù)碼管顯示所接收的數(shù)據(jù)。
4.4 報(bào)警電路的實(shí)現(xiàn)
當(dāng)所測(cè)量的溫度值達(dá)到所設(shè)定溫度的上下限時(shí),所接受的信號(hào)可觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。單片機(jī)通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲,選擇了壓電式蜂鳴器。圖3為報(bào)警電路電路圖。
圖3 報(bào)警電路電路圖
5.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本課題的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是在單片機(jī)的控制下完成多點(diǎn)溫度的測(cè)量,并將溫度值顯示,超過(guò)上下限溫度值報(bào)警的功能。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能必須經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟:傳感器DS18B20采集的各點(diǎn)的溫度信號(hào)傳遞給單片機(jī),在鍵盤(pán)的鍵入選擇下,顯示所指定編號(hào)的傳感器的溫度值,并將溫度值通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái),若溫度超過(guò)所設(shè)定的上下限范圍則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,發(fā)出報(bào)警。
5.1 主程序
主程序的主要功能是負(fù)責(zé)溫度的實(shí)時(shí)顯示,讀出并處理DS18B20測(cè)量的溫度值,測(cè)量每1s進(jìn)行一次,當(dāng)系統(tǒng)初始上電時(shí),單片機(jī)必須找出總線上所有傳感器的ROM代碼,這樣單片機(jī)就能夠判斷出傳感器的數(shù)目和類(lèi)型。
5.2 讀出溫度子程序
讀出溫度子程序主要功能是讀出RAM中的9字節(jié),在讀出時(shí)需要進(jìn)行CRC校驗(yàn),校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。DS18B20的讀時(shí)序分讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。讀時(shí)序是主機(jī)先把單總線拉低,之后的15us內(nèi)必須釋放單總線,以便將數(shù)據(jù)傳送到單總線上。
5.3 顯示電路程序設(shè)計(jì)
我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能接收到溫度信號(hào),還要將溫度信號(hào)顯示出來(lái)。對(duì)于輸入的溫度信號(hào)的顯示是用了移位寄存器芯片74LS164。當(dāng)串行輸入端任意一個(gè)為低電平,則禁止新數(shù)據(jù)輸入,在時(shí)鐘端CLOCK)脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)串行輸入端有一個(gè)為高電平時(shí),則另一個(gè)就允許數(shù)據(jù)輸入,并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。
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可以說(shuō),浪潮的高端多路服務(wù)器戰(zhàn)略恰逢其時(shí)。在4路服務(wù)器上的積累也給浪潮進(jìn)軍更高端的多路服務(wù)器提供了技術(shù)積累。在2009年,應(yīng)用的轉(zhuǎn)變讓多路服務(wù)器市場(chǎng)迎來(lái)了復(fù)興。此時(shí)進(jìn)軍多路服務(wù)器市場(chǎng),有望讓國(guó)產(chǎn)服務(wù)器的技術(shù)水平再上一個(gè)臺(tái)階。
多路服務(wù)器復(fù)興
多路服務(wù)器,尤其是8到16路的服務(wù)器,一度被視為可以與小型機(jī)爭(zhēng)奪市場(chǎng)的產(chǎn)品。然而,從2006年開(kāi)始,隨著處理器核心數(shù)量的增加,以及集群系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用,多路服務(wù)器一度受到冷遇。采用更多核心的處理器,并用單路或雙路的刀片組成集群系統(tǒng),似乎比直接采用多路服務(wù)器更合適。
不過(guò),隨著客戶應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,多路服務(wù)器的需求又有增長(zhǎng)的趨勢(shì)。同時(shí),虛擬化開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用也給高端多路服務(wù)器帶來(lái)了新的機(jī)遇。
中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)鄭緯民教授在表示,多路服務(wù)器一方面具備很高的計(jì)算速度,另一方面可以共享更大的內(nèi)存,在數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)用方面優(yōu)勢(shì)明顯。特別是未來(lái)的云計(jì)算,更適合應(yīng)用多路服務(wù)器來(lái)進(jìn)行部署,應(yīng)用前景非常廣闊。
浪潮集團(tuán)高級(jí)副總裁王恩東表示,浪潮此次下線的第10000臺(tái)4路服務(wù)器型號(hào)為NF560D2,它的性能、可靠性方面都有優(yōu)秀表現(xiàn)。
王恩東介紹,從客戶應(yīng)用來(lái)看,4路服務(wù)器主要用作OLTP和OLAP平臺(tái),應(yīng)用類(lèi)型與高端多路服務(wù)器相同。金融、電信等關(guān)鍵行業(yè)是高端多路服務(wù)器核心市場(chǎng)。從另一角度來(lái)看,4路服務(wù)器與高端多路服務(wù)器在應(yīng)用、行業(yè)和產(chǎn)品屬性上都有相通之處,屬于入門(mén)級(jí)多路服務(wù)器,與高端多路服務(wù)器相比,差別在于層次和規(guī)模。
從4路展開(kāi)的藍(lán)圖
長(zhǎng)期以來(lái),多路服務(wù)器市場(chǎng)一直是IBM、惠普、Sun的天下。
鄭緯民表示,4路服務(wù)器是多路服務(wù)器開(kāi)發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。在單路、2路系統(tǒng)中,技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。但是,從4路系統(tǒng)開(kāi)始,高速的互聯(lián)問(wèn)題、Cache一致性的問(wèn)題都會(huì)出現(xiàn)。積累了這方面的經(jīng)驗(yàn),再研發(fā)8路服務(wù)器就快了。
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