【E問(wèn)E答】什么是硬件設計？

　　我的理解：硬件設計就是根據產(chǎn)品經(jīng)理的需求PRS(ProductRequirementSpecification)，在COGS(CostofGoodsSale)的要求下，利用目前業(yè)界成熟的芯片方案或者技術(shù)，在規定時(shí)間內完成符合PRS功能(Function)，性能(Performance)，電源設計(PowerSupply)，功耗(PowerConsumption)，散熱(Thermal/Cooling)，噪音(Noise)，信號完整性(SignalIntegrity)，電磁輻射(EMC/EMI)，安規(Safety)，器件采購(ComponentSourcing)，可靠性(Reliability)，可測試性(DFT:designfortest)，可生產(chǎn)性(DFM：designformanufacture)等要求的硬件產(chǎn)品(注意：是產(chǎn)品不是開(kāi)發(fā)板)。

　　可以看到，一個(gè)成功的硬件設計，主要功能的實(shí)現只是所有環(huán)節中的一小部分，而且基本來(lái)說(shuō)，主要功能的實(shí)現主要是依靠芯片廠(chǎng)商提供的套片方案，一般來(lái)說(shuō)為了降低風(fēng)險，主要是參考套片方案的參考設計完成，芯片廠(chǎng)商也會(huì )提供包括器件封裝，參考設計，仿真模型，PCB參考等等全部資料，在芯片功能越來(lái)越復雜的今天，一個(gè)片子動(dòng)不動(dòng)就幾百上千個(gè)PIN，對于一個(gè)新項目來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有時(shí)間一頁(yè)頁(yè)去吃透每個(gè)PIN，每個(gè)輸入輸出的具體功能，電氣參數的，尤其是對于高速設計，比如DDR3接口，XAUI接口等等。一般來(lái)說(shuō)芯片廠(chǎng)商提供的參考設計就是他們經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，驗證，測試的最佳方案了，很多情況就是你必須按照參考設計來(lái)做，否則硬件可能就有問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)就是信號完整性問(wèn)題或者EMC問(wèn)題。

　　芯片廠(chǎng)商提供越來(lái)越周到的服務(wù)，看起來(lái)硬件工程師HW(HardwareEngineer)的價(jià)值越來(lái)越低了，畢竟一個(gè)產(chǎn)品的核心功能或者技術(shù)一般都在A(yíng)SIC或者FPGA里面了，HW一般沒(méi)有能力進(jìn)行核心邏輯設計ICdesign，畢竟這是跟HW設計并行的另一項工作，另一項也很復雜的工作。對于這個(gè)問(wèn)題，我也曾經(jīng)困惑過(guò)，總是感覺(jué)硬件設計沒(méi)有什么好搞的了，不就是抄抄參考設計，就跟組裝一臺電腦一樣組裝一個(gè)單板嘛。當然隨著(zhù)項目經(jīng)驗的增多，尤其從事現在硬件系統級設計的角色，感覺(jué)原來(lái)自己考慮更多是從一名原理圖設計工程師的角度考慮問(wèn)題。就像開(kāi)始說(shuō)的，一個(gè)成功的硬件設計，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一個(gè)HW的能力取決于能考慮因素越多，越深入，就越是一個(gè)優(yōu)秀的HW工程師。

　　1、成本Cost：

　　任何一個(gè)賣(mài)硬件產(chǎn)品的公司的主要盈利一般來(lái)說(shuō)就是銷(xiāo)售價(jià)格-COGS，而COGS90%取決于設計，剩下就是生產(chǎn)成本了，這個(gè)價(jià)格一般來(lái)說(shuō)比較透明，代工廠(chǎng)也很多，競爭激烈。雖然說(shuō)設計成本60%也取決于主要芯片的價(jià)格(這個(gè)主要要靠公司高層跟芯片廠(chǎng)商談判的結果了，HW的作用有限，更多是系統工程師做決策用什么芯片能符合產(chǎn)品需求和軟件功能需求)，但是剩下的電阻，電容，電感，二極管，三極管，保護器件，接口器件，邏輯芯片，邏輯功能，小芯片，電源電路全都是HW做主了，當然有參考設計，不過(guò)一般來(lái)說(shuō)參考設計為了更好體現芯片的良好性能，一般會(huì )選用比較貴的，性能更好的器件，這就要結合公司的器件庫進(jìn)行取舍了。我的經(jīng)驗是多看看公司的同類(lèi)產(chǎn)品設計，看看大家主流是用什么器件，畢竟對于元器件來(lái)說(shuō)，價(jià)格跟購買(mǎi)量有很大關(guān)系，不同的采購量導致的價(jià)格可能相差幾倍。

　　2、信號完整性SignalIntegrity：

　　主要影響兩方面：EMC和時(shí)序Timing，不好的SI設計會(huì )有很強的過(guò)沖over/undershoot，尖峰Spike，這會(huì )造成對應頻率N諧振頻率的發(fā)射;不好的SI設計會(huì )導致High/low不穩定，或者上升時(shí)間/下降時(shí)間RisingTime/FallingTime占數據周期過(guò)長(cháng)，或者時(shí)鐘不穩定，都會(huì )導致在接收端采樣Sample時(shí)出現誤判斷，實(shí)際上，接收端不會(huì )出錯，出錯的只是信號。SI設計在原理圖設計來(lái)說(shuō)，主要從阻抗匹配(串行電阻)上來(lái)解決，輔以適當的退耦濾波電容;跟主要是在PCB上，一般來(lái)說(shuō)PCB層數越多，SI會(huì )更好，當然這里要跟Cost進(jìn)行一個(gè)取舍了。

　　3、電源設計PowerSupply：

　　雖然一般大些的公司都有專(zhuān)門(mén)的電源設計工程師，不過(guò)對于HW來(lái)說(shuō)，基本的Power設計能力還是很重要的，從道理上來(lái)說(shuō)，任何電路都是一種電源，任何電路問(wèn)題都可以歸結于一種電源問(wèn)題，只有對于電源電路理解深入了，才能對于電路板理解跟深入，尤其是對于模擬電路問(wèn)題，才能想到用模擬電路來(lái)設計一些簡(jiǎn)單電路，而不是費力用邏輯電路來(lái)搭。

　　4、安規Safety：

　　對于接口電路來(lái)說(shuō)，主要成本都在與安規器件，這個(gè)接口究竟要抗多大的電壓，電流打擊?這就要好好考慮用什么器件了，fuse?PTC?TVS?高壓電容?

　　5、電磁兼容EMC/EMI：

　　主要是針對各個(gè)國家的相應規范(安規也是)，對于各種可能產(chǎn)生輻射的信號都充分考慮好退耦，濾波，對于歐盟來(lái)說(shuō)一般是EN55022/EN55024，對于美國一般是FCCPart15，歐盟和美國的輻射標準略有不同，歐盟的標準稍微嚴格一些。

　　6、功耗(PowerConsumption)：

　　現在都提倡環(huán)保，運營(yíng)商也是，HW也必須考慮省電，比如用效率更高的電源電路，用PWM替代LDO，效率更高的轉換拓撲。

　　7、散熱(Thermal/Cooling)：

　　芯片集成度越來(lái)越高，單芯片的功耗從幾瓦到現在的幾十瓦，散熱就是一個(gè)大問(wèn)題，而且伴隨著(zhù)接口的速率提高，接口芯片的功耗也在提高，造成整個(gè)系統就是：熱!這就需要好好考慮散熱問(wèn)題，從PCB的布局，到散熱片Heatsink的使用，到風(fēng)扇的使用，都有很多考慮。

　　8、噪音(Noise)：

　　風(fēng)扇是散熱最好的辦法，但是帶來(lái)的問(wèn)題就是噪聲，ITU對于通信設備的噪聲也有明確的規范，這就需要平衡風(fēng)扇數量，轉速，風(fēng)向，控制等因素。

　　9、器件采購(ComponentSourcing)：

　　HW選用的器件必須得是Sourcing部門(mén)能夠采購到的，而且一般也要考慮secondsource的問(wèn)題，和leadtime的問(wèn)題，不能說(shuō)選用一個(gè)只有一個(gè)小公司生產(chǎn)的稀有器件，萬(wàn)一這個(gè)器件EoL了，你是怎么辦?只能修改設計了，這就損失大了!

　　10、可靠性(Reliability)：

　　整個(gè)系統MTBF的數值多少?風(fēng)險最大的器件是什么?每個(gè)器件的工作Margin是百分之多少?

　　11、可測試性(DFT:designfortest)/可生產(chǎn)性(DFM：designformanufacture)：

　　主要針對于工廠(chǎng)的考慮，必須考慮到方便工廠(chǎng)的生產(chǎn)測試，方便生產(chǎn)，如果你的測試很復雜，會(huì )大大降低生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能和良率，進(jìn)而影響供貨以及生產(chǎn)成品。

　　對于參考設計，我感覺(jué)最有用的地方主要是供電電路，退耦濾波電路以及Layout設計，至于總線(xiàn)連接，復位電路，時(shí)鐘電路，接口電路等等，一般來(lái)說(shuō)都需要根據公司器件庫，設計案例以及業(yè)界主流器件/方案進(jìn)行修改。所以千萬(wàn)不要迷信參考電路，那只是參考，過(guò)分迷信參考設計，自己還沒(méi)搞清楚芯片具體功能/參數呢，就COPY過(guò)來(lái)，即使能夠工作，肯定在成本方面，生產(chǎn)方面有很多問(wèn)題。