好的硬件開(kāi)發(fā)工程師需要掌握什么技術(shù)

好的硬件開(kāi)發(fā)工程師需要掌握什么技術(shù)

一個(gè)好的硬件工程師實(shí)際上就是一個(gè)項目經(jīng)理，你需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實(shí)現。還要跟眾多的芯片和方案供應商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成后，你需要組織同事來(lái)進(jìn)行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來(lái)完成PCB的設計。與此同時(shí)，要準備好BOM清單，開(kāi)始采購和準備物料，聯(lián)系加工廠(chǎng)家完成板的貼裝。”
 

 

1、基本知識

1）基本設計規范。       相關(guān)文章：《智能硬件app開(kāi)發(fā)解決方案應用哪些技術(shù)？》

2）CPU基本知識、架構、性能及選型指導

3）MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知識、性能詳解及選型指導

4）網(wǎng)絡(luò )處理器的基本知識、架構、性能及選型

5）常用總線(xiàn)的基本知識、性能詳解

6）各種存儲器的詳細性能介紹、設計要點(diǎn)及選型

7）Datacom、Telecom領(lǐng)域常用物理層接口芯片基本知識，性能、設計要點(diǎn)及選型

8）常用器件選型要點(diǎn)與精華

9）FPGA、CPLD、EPLD的詳細性能介紹、設計要點(diǎn)及選型指導

10）VHDL和VerilogHDL

11）網(wǎng)絡(luò )基礎

12）國內大型通信設備公司硬件研究開(kāi)發(fā)流程

2、熟練掌握并使用業(yè)界最新、最流行的專(zhuān)業(yè)設計工具

1）ViewDraw，PowerPCB，Cam350

2）OrCad，Allegro；AD；PADS

3）各種電路仿真工具

4）學(xué)習熟練使用VIEWDRAW、ORCAD、POWERPCB、SPECCTRA、ALLEGRO、CAM350、等工具；

5）FPGA設計工具，各個(gè)廠(chǎng)家的。

一、硬件總體設計

啟動(dòng)一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)項目，原始的推動(dòng)力會(huì )來(lái)自于很多方面，比如市場(chǎng)的需要，基于整個(gè)系統架構的需要，應用軟件部門(mén)的功能實(shí)現需要，提高系統某方面能力的需要等等，所以作為一個(gè)硬件系統的設計者，要主動(dòng)的去了解各個(gè)方面的需求，并且綜合起來(lái)，提出最合適的硬件解決方案。

比如A項目的原始推動(dòng)力來(lái)自于公司內部的一個(gè)高層軟件小組，他們在實(shí)際當中發(fā)現原有的處理器板IP轉發(fā)能力不能滿(mǎn)足要求，從而對于系統的配置和使用都會(huì )造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。根據這個(gè)目標，硬件方案中就針對性的選用了兩個(gè)高性能網(wǎng)絡(luò )處理器，然后還需要深入的和軟件設計者交流，以確定內存大小，內部結構，對外接口和調試接口的數量及類(lèi)型等等細節，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數據通路完全分開(kāi)來(lái)，這樣在確定內部數據走向的時(shí)候要慎重考慮。

項目開(kāi)始之初是需要召開(kāi)很多的討論會(huì )議的，應該盡量邀請所有相關(guān)部門(mén)來(lái)參與，好處有三個(gè)，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統設計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個(gè)部門(mén)了解這個(gè)項目的情況，提早做好時(shí)間和人員上協(xié)作的準備，第三是從感情方面講，在設計之初各個(gè)部門(mén)就參與了進(jìn)來(lái)，這個(gè)項目就變成了大家共同的一個(gè)心血結晶，會(huì )得到大家的呵護和良好合作，對完成工作是很有幫助的。

掌握硬件總體設計所必須具備的硬件設計經(jīng)驗與設計思路

1）產(chǎn)品需求分析

2）開(kāi)發(fā)可行性分析

3）系統方案調研

4）總體架構，CPU選型，總線(xiàn)類(lèi)型

5）數據通信與電信領(lǐng)域主流CPU：M68k系列，

PowerPC860，PowerPC8240，8260體系結構，性能及對比

6）總體硬件結構設計及應注意的問(wèn)題

7）通信接口類(lèi)型選擇

8）任務(wù)分解

9）最小系統設計

10）PCI總線(xiàn)知識與規范

11）如何在總體設計階段避免出現致命性錯誤

12）如何合理地進(jìn)行任務(wù)分解以達到事半功倍的效果？

13）項目案例：中、低端路由器等

二．硬件原理圖設計技術(shù)

目的：通過(guò)具體的項目案例，詳細進(jìn)行原理圖設計全部經(jīng)驗，設計要點(diǎn)與精髓揭密。

1）電信與數據通信領(lǐng)域主流CPU的原理設計經(jīng)驗與精華

2）Intel公司PC主板的原理圖設計精髓

3）網(wǎng)絡(luò )處理器的原理設計經(jīng)驗與精華

4）總線(xiàn)結構原理設計經(jīng)驗與精華

5）內存系統原理設計經(jīng)驗與精華

6）數據通信與電信領(lǐng)域通用物理層接口的原理設計經(jīng)驗與精華

7）電信與數據通信設備常用的WATCHDOG的原理設計經(jīng)驗與精華

8）電信與數據通信設備系統帶電插拔原理設計經(jīng)驗與精華

9）晶振與時(shí)鐘系統原理設計經(jīng)驗與精華

10）PCI總線(xiàn)的原理圖設計經(jīng)驗與精華

11）項目案例：中、低端路由器等
 

 

原理圖設計中要注意的問(wèn)題：

原理圖設計中要有“拿來(lái)主義”，現在的芯片廠(chǎng)家一般都可以提供參考設計的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設計的基礎上，做一些自己的發(fā)揮。當主要的芯片選定以后，最關(guān)鍵的外圍設計包括了電源，時(shí)鐘和芯片間的互連。

電源是保證硬件系統正常工作的基礎，設計中要詳細的分析：系統能夠提供的電源輸入；單板需要產(chǎn)生的電源輸出；各個(gè)電源需要提供的電流大??；電源電路效率；各個(gè)電源能夠允許的波動(dòng)范圍；整個(gè)電源系統需要的上電順序等等。比如A項目中的網(wǎng)絡(luò )處理器需要1.25V作為核心電壓，要求精度在+5%--3%之間，電流需要12A左右，根據這些要求，設計中采用5V的電源輸入，利用Linear的開(kāi)關(guān)電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應電路，精度要求決定了輸出電容的ESR選擇，并且為防止電流過(guò)大造成的電壓跌落，加入了遠端反饋的功能。

時(shí)鐘電路的實(shí)現要考慮到目標電路的抖動(dòng)等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開(kāi)始的時(shí)候使用一個(gè)內部帶鎖相環(huán)的零延時(shí)時(shí)鐘分配芯片提供100MHz時(shí)鐘，結果GE鏈路上出現了丟包，后來(lái)?yè)Q成簡(jiǎn)單的時(shí)鐘Buffer器件就解決了丟包問(wèn)題，分析起來(lái)就是內部的鎖相環(huán)引入了抖動(dòng)。

芯片之間的互連要保證數據的無(wú)誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線(xiàn)具有速率高，好布線(xiàn)，信號完整性好等特點(diǎn)，A項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線(xiàn)，在調試和測試中沒(méi)有出現問(wèn)題。

需要熟悉各種電平標準，保證電平匹配。

三．硬件PCB圖設計

目的：通過(guò)具體的項目案例，進(jìn)行PCB設計全部經(jīng)驗揭密，使你迅速成長(cháng)為優(yōu)秀的硬件工程師

1）高速CPU板PCB設計經(jīng)驗與精華

2）普通PCB的設計要點(diǎn)與精華

3）PowerPC、ARM、MIPS、單片機的PCB設計精華

4）Intel公司PC主板的PCB設計精華

5）PC主板、工控機主板、電信設備用主板的PCB設計經(jīng)驗精華

6）國內著(zhù)名通信公司PCB設計規范與工作流程

7）PCB設計中生產(chǎn)、加工工藝的相關(guān)要求

8）高速PCB設計中的傳輸線(xiàn)問(wèn)題

9）電信與數據通信領(lǐng)域主流CPU（PowerPC系列）的PCB設計經(jīng)驗與精華

10）電信與數據通信領(lǐng)域通用物理層接口（百兆、千兆以太網(wǎng)，ATM等）的PCB設計經(jīng)驗與精華

11）網(wǎng)絡(luò )處理器的PCB設計經(jīng)驗與精華

12）PCB步線(xiàn)的拓撲結構極其重要性

13）PCI步線(xiàn)的PCB設計經(jīng)驗與精華

14）SDRAM、DDRSDRAM（125/133MHz）的PCB設計經(jīng)驗與精華

15）項目案例：中端路由器PCB設計

PCB設計中要注意的問(wèn)題：

PCB設計中要做到目的明確，對于重要的信號線(xiàn)要非常嚴格的要求布線(xiàn)的長(cháng)度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線(xiàn)就可以放在稍低的布線(xiàn)優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內存的時(shí)鐘線(xiàn)，控制線(xiàn)和數據線(xiàn)的長(cháng)度要求；高速差分線(xiàn)的布線(xiàn)等等。

項目中使用內存芯片實(shí)現了1G大小的DDRmemory，針對這個(gè)部分的布線(xiàn)是非常關(guān)鍵的，要考慮到控制線(xiàn)和地址線(xiàn)的拓撲分布，數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)的長(cháng)度差別控制等方面，在實(shí)現的過(guò)程中，根據芯片的數據手冊和實(shí)際的工作頻率可以得出具體的布線(xiàn)規則要求，比如同一組內的數據線(xiàn)長(cháng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil，每個(gè)通路之間的長(cháng)度相差不能超過(guò)多少個(gè)mil等等。當這些要求確定后就可以明確要求PCB設計人員來(lái)實(shí)現了，如果設計中所有的重要布線(xiàn)要求都明確了，可以轉換成整體的布線(xiàn)約束，利用CAD中的自動(dòng)布線(xiàn)工具軟件來(lái)實(shí)現PCB設計，這也是在高速PCB設計中的一個(gè)發(fā)展趨勢。
 

 

四．硬件調試

目的：以具體的項目案例，傳授硬件調試、測試經(jīng)驗與要點(diǎn)

1）硬件調試等同于黑箱調試，如何快速分析、解決問(wèn)題？

2）大量調試經(jīng)驗的傳授；

3）如何加速硬件調試過(guò)程；

4）如何迅速解決硬件調試問(wèn)題；

5）DATACOM終端設備的CE測試要求。

當準備調試一塊板的時(shí)候，一定要先認真的做好目視檢查，檢查在焊接的過(guò)程中是否有可見(jiàn)的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問(wèn)題，然后用萬(wàn)用表測量各個(gè)電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個(gè)好習慣可以避免貿然上電后損壞單板。調試的過(guò)程中要有平和的心態(tài)，遇見(jiàn)問(wèn)題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問(wèn)題出現一定有它的原因”，這樣最后一定能調試成功。

五．軟硬件聯(lián)合調試

1）如何判別是軟件的錯？

2）如何與軟件進(jìn)行聯(lián)合調試？

3）大量的聯(lián)合調試經(jīng)驗的傳授。

現在從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)設計最終都可以做出來(lái)，但是一個(gè)項目的成功與否，不僅僅取決于技術(shù)上的實(shí)現，還與完成的時(shí)間，產(chǎn)品的質(zhì)量，團隊的配合密切相關(guān)，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個(gè)項目的成功。