SoC设计方法与实现教学大纲.docx

系统级芯片（SoC）设计课程教学大纲一、课程基本信息课程代码：课程名称：系统级芯片（SoC）设计学时/学分：32/2学时分配：授课：24 实验：8适用专业：集成电路设计与集成系统、电子信息技术、微电子、计算机工程 授课学院：微电子学院、计算机学院先修课程：电子线路基础、数字逻辑电路、超大规模集成电路设计专用语言 同修课程：教材及主要参考书：教材：魏继增、郭炜等编SoC设计方法与实现（第4版），电子工业出 版社,2021。参考书：（1）田泽著，SoC设计方法学，西北工业大学出版社，2016（2）潘中良，系统芯片SoC的设计与测试，科学出版社，2009二、课程简介通过该课程的学习，使同学们掌握SoC设计的概念、设计流程、IP复用方 法、SoC验证与测试、SoC低功耗设计和后端设计。通过上机实践锻炼SoC设计 仿真与验证的能力，通过课程设计，培养学生进行系统级芯片设计、文献检索、 综合分析、EDA软件使用、沟通交流、团队合作等能力。三、课程目标1 .工程知识能力：掌握系统级芯片的概念、架构、设计方法和技术等专业 知识，并能够正确应用这些专业知识对系统级芯片的工程问题进行表述和分析;2 .设计开发能力：能够针对具体的应用需求，提出系统级芯片的设计原型 方案，体现创新意识，并正确使用EDA工具软件对提出的系统级芯片设计方案进 行实现、仿真和验证。3 .沟通合作能力：能够根据系统设计需求，进行团队合作，完成团队分配课程考试考核与评价标准基本要求评价标准比例优秀 (0. 9-1)良好 (0. 7-0. 89)合格(0. 6-0. 69)不合格(0-0. 59)掌握和应用应用SoC应用SoC基应用SoC基应用SoCSoC基础知识,基本概念本概念判断本概念判断基本概念包括SoC基本判断问题问题基本正问题基本正判断问题概念、设计流正确，低确，低功耗确，低功耗错误很程、低功耗技功耗设计方法工作原方法工作原多，低功掌握SoC基本术、后端流程方法和原理、后端设理、后端设耗方法工等。理、后端计面临的非计面临的非作原理、知识设计面临理想效应等理想效应等后端设计40的非理想的原理等论的原理等论面临的非效应等的述正确。述基本正理想效应原理论述确。等的原理正确，语等论述不言简练。清或有原 则性错 误。结合SoC结合SoC工能列举不同列举和分工程问题程问题，正软硬件设计析SoC软正确评估确评估和采方案，评估硬件设计和采取不取不同软硬论述不完方案有同软硬件件设计方整；应用误；不能设计方案；能应用SoC功能验应用SoC案；正确SoC功能验证方法，对功能验证应用SoC证方法，对电路的逻辑方法对电应用功能验证 技术、测试技 术、软硬件划功能验证电路的逻辑功能分析基路的逻辑应用SoC设计方法，对功能分析基本正确；电功能进行知识分析、解电路的逻本正确；能路的可测试分析；不分技术等分析 和解决SoC设 计问题。辑功能分应用SoC设性分析基本能应用57决工程问题析正确；计方法解决正确。SoC设计正确应用SoC系统的方法解决SoC设计测试问题，SoC系统方法解决电路的可测的测试问SoC系统试性分析基题，电路的测试问本正确。的可测试题，正确性计算有分析电路误；语言的可测试论述有原性；语言则性错论述正误。确、精练。正确列举正确列举基本列举基本列举SoC设计SoC设计面SoC设计面SoC设计能通过学习根面临的挑临的挑战，临的挑战，面临的挑据自己理解战，科学原因分析基原因分析基战，原因国内集成电路的，列举SoC设分析原本合理，并本合理，并分析不合行业面临的挑计面临的挑因，并能能给出基本能给出合理乎逻辑，战，分析原因给出合理合理对策，对策，表现并未能给3战及对策并给出对策，对策，表表现出强烈出投身集成出合理对表现出投身集现出强烈的投身集成电路行业的策，未表成电路行业的的投身集电路行业的热情。现出投身热情。成电路行热情。集成电路业的热行业的热情。情。注：该表格中比例为期末考试试卷成绩比例。的工作，撰写设计方案，能够清晰地进行陈述发言表达自己的设计思想，与他人 进行沟通和交流。4 .情感素质：让学生了解国内集成电路行业面临的挑战，激发学生的兴趣 与责任感，具有投身奉献集成电路行业的热情；通过SoC设计技术的研讨，使学 生意识到精益求精的重要性；通过实验和课程设计环节，使学生在设计环节中要 考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，培养成诚实守信、严谨求 真等工程伦理素养。四、基本要求本课程涉及了数学、物理、电工电子、计算机、超大规模集成电路设计等 领域相关理论基础与专业知识，与工程应用密切联系，具有很强的实用性。教学过程中要注意与先修课程基础知识的联系，掌握系统级芯片设计的概 念、设计流程、IP复用方法、验证与测试、低功耗设计和I/O环的设计。通过上 机实践和课程设计锻炼系统级芯片设计、仿真与验证的能力。在SoC设计趋势和挑战讲述中，注意让学生了解SoC面临的挑战及其存在 的原理，激发学生的兴趣与责任感，为后续知识点的讲解提纲挈领。在SoC设计流程和系统架构讲述中，应用数字逻辑电路、计算机体系结构 和超大规模集成电路设计等专业知识，掌握SoC系统设计与超大规模集成电路设 计的主要区别，掌握软硬件系统协同设计方法。在SoC功能验证、测试、低功耗设计、后端设计、I/O环的设计等章节的讲 述中，注重使学生掌握各个知识点的基本原理、现有技术及面临的难点。通过课程设计，针对实际工程问题学生自主选题，进行系统级芯片设计训 练，培养学生的文献检索、综合分析、系统设计、EDA软件使用、沟通交流等能 力。同时，引导学生在设计环节中要考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环 境等因素。五、教学内容1 .授课与自学第一章SoC设计概述第一节什么是SoC第二节SoC的优势第三节SoC设计趋势和挑战第四节SoC的类型本章重点：明确SoC的基本概念，了解该领域的最新科技发展动态、趋势 和面临的挑战。特别是国内SoC发展现状以及面临的挑战。国情介绍L从集成电路SoC全产业链对比国内外厂商，使学生了解相关 领域的自主知识产权情况。产业时讯1：介绍一个SoC产业和科研的最新进展案 例。教学模式：课堂授课、课后复习，指导学生查阅相关文献。知识点：SoC系统的概念、优势及设计挑战。能力：指导学生进行文献检索能力的训练。第二章SoC设计流程第一节SoC软硬件协同设计流程第二节SoC设计阶段第三节SoC验证与测试本章重点：明确SoC设计的基本流程；掌握SoC软硬件协同设计方法及 其特点；初步了解SoC验证与测试技术。教学模式：课堂授课、课后复习、实验教学。知识点：SoC软硬件协同设计的基本流程,设计阶段,验证与测试的异同。能力：能够应用SoC设计流程及相应软件解决具体SoC应用工程问题。第三章SoC系统架构设计第一节处理器第二节总线第三节存储器第四节多核SoC设计本章重点：明确SoC的典型架构；掌握处理器、总线、存储器典型结构及 优缺点；初步了解多核SoC设计方法。教学模式：课堂授课、课后复习、实验教学。知识点：SoC系统组成部分及架构；CISC和RISC处理器；不同总线结构；不同存储器的优缺点；多核SoC性能评价原理。能力：能够根据SoC的基本架构和不同组成部分的特点，针对具体应用 工程问题，选择合适的架构，实现SoC设计。第四章基于IP重用的SoC设计方法学第一节概述第二节IP类型第三节IP重用的问题第四节基于IP的SoC设计本章重点：掌握IP重用的SoC设计方法；明确IP核基本类型；了解基 于平台的IP重用设计方法和面临的问题。教学模式：课堂授课、课后复习。知识点：基于IP重用的SoC设计流程；IP核分类；IP核设计要求；IP 重用面临的挑战。能力：能够应用基于IP重用的SoC设计方法解决SoC应用工程问题。第五章SoC功能验证第一节功能验证概述第二节功能验证的方法第三节功能验证的发展趋势第四节功能验证策划第五节基于断言的验证方法第六节验证覆盖率分析本章重点：明确SoC验证的基本概念；掌握不同验证方法。教学模式：课堂授课、课后复习、课后自学。知识点：功能验证基本概念和术语；功能验证方法分类；功能验证发展趋 势；基于断言的验证方法；验证结构分析方法。能力：能够应用SoC验证方法解决SoC应用工程问题。第六章SoC测试第一节概述第二节故障模型第三节自动测试矢量生成第四节存储器测试矢量生成第五节面向测试的设计概述第六节可测试性评估第七节DFT技术本章重点：明确SoC测试的基本概念；掌握不同测试方法。教学模式：课堂授课、课后复习、课后自学。知识点：测试基本概念和术语；测试方法分类；自动测试矢量生成方法； 存储器测试矢量生成方法；可测试性方法。能力：能够应用SoC测试方法解决SoC应用工程问题。第七章SoC低功耗设计第一节概述第二节低功耗设计方法学第三节低功耗技术本章重点：明确SoC功耗源；掌握不同低功耗设计技术。列举了超级计算 机世界前十的排名，通过分析中国超级计算机的快速发展以及连续五年排名世界 第一的事实，使学生们增加民族自豪感。同时，对比不同超级计算机的特点和技 术领先性，引导学生要刻苦学习，深耕技术，精益求精。留一次作业，调研当年 超级计算机世界前十排行榜,分析不同超级计算机的技术特点。教学模式：课堂授课、课后复习、调研报告课后作业。知识点：CMOS电路功耗源及影响因素；静态功耗降低技术；动态功耗降 低技术。能力：能够应用SoC低功耗设计技术解决SoC应用工程问题。第八章SoC后端设计第一节后端设计流程第二节规划第三节时钟树综合第四节信号完整性本章重点：明确SoC后端设计流程；掌握版图规划、时钟树综合和信号完整性的原理及设计方法。教学模式：课堂授课、课后复习。知识点：SoC后端设计流程；版图规划方法；时钟树综合方法；信号完整 性问题及解决方法。能力：能够应用SoC后端设计流程解决SoC应用工程问题。第九章I/O环的设计与封装第一节概述第二节噪声及ESD的问题第三节I/O环的设计方法第四节芯片的封装的选择及相应的版图设计的考虑本章重点：明确芯片上I/O单元及I/O环的基本概念；了解I/O的噪声 及EDS问题；初步了解芯片的封装选择及对版图设计的影响；掌握I/O环的设计 方法。教学模式：课堂授课、课后复习。知识点：I/O环设计基本概念；I/O的噪声、EDS等基本原理及相应解决 方案；I/O封装类型与对版图设计的影响。能力：能够应用I/O设计及封装选择的考虑，解决SoC设计与应用的工 程问题。2 .课程设计（包括实验）本课程有2个课程设计：课程设计1和课程设计20每个小组任选其中一个 课程设计设计。课程设计1内容：基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计。侧重 于SoC的系统架构设计。结合工程实际问题，应用SoC设计的相关知识，采用 ESL设计方法，从单核SoC系统架构逐步优化到多核、带有硬件加速协处理器的 SoC系统架构。还包括多线程并行程序设计、嵌入式操作系统的移植及硬件驱动 程序的开发。课程设计2内容：基于RISC-V的SoC设计与验证。结合工程实际问题，应用 SoC设计的相关知识，将在cva6_lib实验平台上完成特定的SoC设计，并基于 Genesys2 FPGA开发板进行SoC的硬件实现与验证。包括CVA6处理器的流水线 架构及指令集，C程序设计、硬件描述语言程序设计、时序分析方法、添加朴素 贝叶斯加速器的设计。教学模式：分组开展课程设计；独立选题，独立设计，撰写设计方案，在ESL 仿真平台/FPGA开发板上进行展示，分组汇报及答辩。知识点：综合运用知识进行系统设计。能力：能够应用SoC设计基本原理及专业技术知识，根据工程实际要求，提 出SoC系统的设计方案：在设计环节中能够体现创新意识，考虑社会、健康、安 全、法律、文化以及环境等因素；能够根据系统设计与研究，撰写设计方案、清 晰的进行陈述发言表达自己的设计思想；具有团队合作意识，可以与他人进行沟 通和交流。六、学时分配教学内容授课实验自学课程设计大作 业其他1. SoC设计绪论22. SoC设计流程23. SoC系统架构设计24.基于IP重用的SoC设计 方法学25. SoC功能验证46. SoC测试47. SoC低功耗设计48. SoC后端设计29. I/O环的设计2实验（课程设计）：构建多处理器的SoC4课程设计汇报与展示4总计：2444七、考核与评价方式及标准平时成绩占50%：包括平时表现20%,实验成绩占5%,课程设计占25%。结课考试占50%：闭卷考试平时成绩评价标准：课评价标准成绩程目基本要求优秀良好合格不合格比例(%)标课掌握系统级芯能用专业回答问题回答问题基未上课或50课程片的基本概念、语言回答基本准确，本正确。者回答问目基本架构、设计问题准语言清晰题不正确。堂标方法、低功耗设确、清晰、专业。提1计、可验证性设 计、可测试性设完整。问计等基础知识。调课调研报告内容调研报告调研报告调研报告内调研报告50程充实，按时提内容充内容充实，容基本符合内容不充研目交，调研报告格实，按时按时提交，要求，按时实，未按时标式符合要求。提交，调调研报告提交，调研提交，调研报4研报告格格式基本报告格式基报告格式告式符合要符合要求。本符合要基本符合求。求。要求。实验评价标准:课 程 目 标基本要求评价标准成绩 比例 (%)优秀良好合格不合格课能够根据实验按照实验指按照实验指按照实验指没有按照80程指导书规定的导书进行实导书进行实导书进行实实验指导目的实验目的与验，软硬件验，软硬件验，软硬件书进行实标要求，进行程序编制正程序编制基程序编制基验；或者2SoC架构和软确；实验步本正确；实本正确；实实验步骤实硬件程序设骤与结果正验步骤与结验步骤与结与结果不计，并完成模确；实验仪果正确；实果基本正正确。验拟实验，验证器设备完验仪器设备确；实验仪程序的正确好。完好。器设备完性。好。课实验过程科学实验过程科实验过程科实验过程基实验步骤20程严谨，实验步学严谨，实学严谨，实本严谨，实不规范、目骤规范，实验验步骤规验步骤基本验步骤基本实验数据注：该表格中比例为实验考核成绩比例。标 4数据真实。范，实验数 据真实。规范，实验 数据真实。规范、实验 数据真实。有误。课程设计考核与评价标准:课 程 设 计基本要求评价标准成绩比例(%)优秀良好合格不合格选题新颖，能够提 出所针对选题的 SoC系统设计方 案，包括处理器架 构、总线结构、片 上存储空间、外部 输入输出接口等； 正确设计C程序 和Verilog程序; 能在设计环节中 体现创新意识，考 虑社会、健康、安 全、法律、文化以 及环境等因素。选题具有一 定创新性， 开拓了 SoC 新的应用， 能够正确完 成系统方案 设计；系统 架构选择合 理，软硬件 协同设计；c 程序和 Verilog 程序 正确。选题具有一 定难度，能够 完成系统方 案设计；系统 架构选择合 理，软硬件协 同设计；C程 序和 Verilog 程序正确。选题简单，能 够基本完成 系统方案设 计;系统架构 选择基本合 理，有简单 的软件或硬 件设计；C 程序和 Verilog 程 序正确。没有完 成系统 方案设 计；或者 系统架 构选择 不合理， 没有软 件或硬 件设计； 或者程 序不正 确。60完成设计方案的 撰写，能够清晰地 进行陈述发言表 达自己的设计思 想。能独立完成 团队分配的 工作、明确自 己的角色和 责任；设计方 案撰写层次 清晰，论述正 确；方案陈述 清晰，PPT制 作质量高，回 答问题正确。能独立完成 团队分配的 工作、明确自 己的角色和 责任；设计方 案撰写论述 正确；方案陈 述清楚，PPT 制作质量较 高，回答问题 正确。基本能独立 完成团队分 配的工作；设 计方案撰写 论述基本正 确;方案陈述 基本清楚， PPT制作质 量一般，回答 问题基本正 确。不能独 立完成 团队分 配的工 作；设计 方案撰 写条例 不清晰、 论述不 完整；或 者方案 陈述不 合理，回 答问题 有错误。40注：该表格中比例为课程设计成绩比例。