硬件行業(yè)知識體系的簡(jiǎn)要分析

最近有不少軟件領(lǐng)域的牛人進(jìn)軍硬件行業(yè)，但不知從何處入手。相信每個(gè)人面對一個(gè)龐大的知識體系時(shí)都一樣迷茫。最佳的應對策略就是找一個(gè)最貼近自己需求的切入點(diǎn)，然后向四面八方鋪開(kāi)去逐漸認識整個(gè)知識網(wǎng)絡(luò )。該文可以讓你在這個(gè)知識網(wǎng)里面找到自己現在的位置，然后有目的有方向地選擇下一步。

簡(jiǎn)單來(lái)講硬件的體系像軟件一樣也分層。

最底層是包含電學(xué)現象在內的微觀(guān)物理現象，幾乎是純粹的抽象理論集合，能看得見(jiàn)摸得著(zhù)的實(shí)物不多。比如半導體摻雜特定雜質(zhì)后，其原子核俘獲自由電子的能力增強或減弱。由此帶來(lái)的PN結的應用。再比如帶電粒子在磁場(chǎng)中的受力情況(洛侖茲力)，由此延伸出陰極射線(xiàn)管、霍爾效應等應用。還有通電導線(xiàn)以及螺線(xiàn)管產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀，這個(gè)應用就多了去了。再比如波動(dòng)的發(fā)射源與接收點(diǎn)之間距離變化造成接收到的頻率變化(多普勒效應)，由此延伸出測速雷達之類(lèi)的應用……基本上從初中物理到大學(xué)物理，所有與電相關(guān)的知識都涵蓋在里面。物理與數學(xué)作為基礎學(xué)科與這些基本物理現象一脈相承，是整個(gè)硬件行業(yè)乃至軟件行業(yè)的基石?，F在很多硬件工程師并不熟悉這些基礎學(xué)科，這在解決問(wèn)題時(shí)會(huì )給他們帶來(lái)很大的局限，一是無(wú)法迅速找到最合適的方案，二是無(wú)法分析手中的方案來(lái)龍去脈是什么，怎樣優(yōu)化現有方案。

向上一層是分立電子元件。電阻、電容、電感、二極管這些稱(chēng)為無(wú)源器件，三極管、場(chǎng)效應管這些是有源器件，這些器件的特性反應在輸出信號隨著(zhù)輸入信號變化的特性上，而要這些特性體現出來(lái)，必須在輸入信號之外另行提供電源，因此叫做有源器件。分立電子元件是板級硬件工程師選材的基本單位。

這一層分為理論和實(shí)踐兩個(gè)方面，實(shí)踐不難，找幾個(gè)典型的電子元件摸一摸，拿萬(wàn)用表測一下。以后看見(jiàn)了能認識就行。理論這方面，合格的模電工程師必須熟練掌握這些元件的自身特性和典型應用。數字硬件工程師往往不太注重這些基本知識，有人不會(huì )畫(huà)N-MOSFET和P-MOSFET的電路符號，有人不懂計算晶體三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。還有人RC電路的零狀態(tài)響應理解不夠透徹，不懂怎樣計算數字集成電路的復位阻容網(wǎng)絡(luò )時(shí)間常數。這些多少都會(huì )構成硬傷。學(xué)習這一層理論最好參考通用的大學(xué)《電工學(xué)》教材，高等教育出版社上下冊。如果對上面講過(guò)的最底層的物理學(xué)有足夠深入的了解，會(huì )大大增進(jìn)你對分立電子元件的認識。比如對電阻率、電磁感應的認識能夠幫助你理解為何簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的一根導線(xiàn)都要衍伸出雜散電容電感這么多亂七八糟的問(wèn)題，到底什么時(shí)候要當作等勢體去看待，什么時(shí)候要考慮它的位置和形狀。高速電路工程師和射頻工程師經(jīng)常要面對這些問(wèn)題。你的目標是哪個(gè)群體?

再上一層是集成電子元件。也就是包含集成電路(IC)和各式集成傳感器在內的電子元件。上述一層的分立元件用導線(xiàn)和電路板連接起來(lái)會(huì )帶來(lái)體積龐大、特性離散、溫度分布不均、導線(xiàn)距離過(guò)長(cháng)造成信號反射等諸多問(wèn)題。所以杰克·基爾比和和羅伯特·諾伊思才想到把它們微縮到很小的半導體基材上。幾乎所有集成電路都是有源器件。集成電子元件有兩個(gè)方向，上游的是芯片級的微電子產(chǎn)業(yè)，也就是設計、生產(chǎn)電子元器件的。他們側重前面講過(guò)的基礎學(xué)科。板級硬件工程師選修的課程，對他們而言是必修。比如光繪之類(lèi)與流片工藝相關(guān)的所有知識。細分也有很多不同的職業(yè)，這里不贅述。下游的就是板級硬件工程師，他們是拿著(zhù)上游產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)出來(lái)的成品去應用的。

我讀初中的時(shí)候翻書(shū)看了幾個(gè)邏輯門(mén)元件說(shuō)明，就瞎尋思有沒(méi)有一本書(shū)上面囊括了世界上所有型號的集成電路，那時(shí)候我以為一個(gè)合格的工程師必須在腦子里記住所有集成電路的使用說(shuō)明才能干活。而實(shí)際上每天都有新的集成電路被研制出來(lái)，型號多得那些專(zhuān)門(mén)賣(mài)元件的網(wǎng)站都很難更新過(guò)來(lái)。所以總有你不認識的陌生型號，但這不代表你不能做一名合格的工程師。如果你熟練掌握了基本分立元器件的原理和常見(jiàn)電路結構，那么新的集成電路拿在手里看，最基本的結構也無(wú)非是這些東西，只是重新組合了一遍而已。

集成電子元件這一層同樣分為理論與實(shí)踐兩個(gè)方面，這一層的實(shí)踐，初期就是拿幾個(gè)常見(jiàn)的芯片認識一下封裝。常見(jiàn)的封裝類(lèi)別會(huì )認就OK了。接下來(lái)就要去看理論，最后回過(guò)頭來(lái)實(shí)踐就是針對你所選具體IC的實(shí)戰應用了。

理論方面，上面說(shuō)的《電工學(xué)》那套教材里也涉及了運算放大器、數字邏輯方面的知識。像邏輯運算式的化簡(jiǎn)這些知識無(wú)論在使用4000系列邏輯集成電路的時(shí)候還是在做CPLD/FPGA設計的時(shí)候都會(huì )體現出它的重要性，寫(xiě)程序的時(shí)候也少不了邏輯運算。掌握這一層知識，重點(diǎn)除了底層的基礎之外就是英語(yǔ)。你和集成電路打交道的時(shí)候多數是在看說(shuō)明文檔。你需要的東西到底要滿(mǎn)足什么條件，你選到的東西到底具備什么條件，怎么使用，都靠這些。英語(yǔ)對于軟件工程師而言應該不是大問(wèn)題，畢竟搞軟件的時(shí)候多數人都見(jiàn)過(guò)RTFM這個(gè)詞了，老外對沒(méi)頭沒(méi)腦的提問(wèn)者常說(shuō)的一句話(huà)：Read the fucking manual!

特別指出，集成電路這一層包含了可編程元器件，包括微控制器、CPLD/FPGA、DSP、獨立的處理器(CPU、GPU等)、存儲器以及定制的可編程混合信號電路等等。對于這些可編程器件，就有了更高的一層，也就是硬件抽象層(HAL)。這一層屬于軟件，模擬工程師就不用碰了。但是數字工程師，尤其是嵌入式操作系統工程師操作底層硬件的時(shí)候必須和它打交道。寫(xiě)驅動(dòng)的工程師有時(shí)候不得不翻閱硬件手冊去了解自己所用的硬件模塊具備什么物理特性，接下來(lái)才能繼續編寫(xiě)自己的代碼。這一層往上就是軟件工程師的地盤(pán)了，那個(gè)領(lǐng)域枝繁葉茂，我也沒(méi)法接著(zhù)講了。

多數希望學(xué)習硬件的人都是帶著(zhù)具體需求來(lái)的?？赡苁种杏袀€(gè)項目需要做一個(gè)平臺，或者是對某個(gè)特定的器件非常感興趣。這樣的話(huà)最好的切入點(diǎn)就是你手里這個(gè)具體的東西?？匆豢此鼘儆谏鲜龅哪囊粚?，然后向外輻射開(kāi)來(lái)，了解它的來(lái)龍去脈。從相關(guān)的實(shí)物開(kāi)始建立對整個(gè)行業(yè)的感性認識。對實(shí)物熟悉了再去學(xué)習背后的理論。不同的理論最終在大腦里相互交匯起來(lái)組成一套有條理的理論體系。

很多硬件工程師從小學(xué)起就開(kāi)始學(xué)習了，一路動(dòng)手學(xué)過(guò)來(lái)的。學(xué)好硬件，最原始的動(dòng)力來(lái)自于對自然科學(xué)的好奇心，還要享受動(dòng)手的樂(lè )趣。這些都不是一夜之間就能掌握的，學(xué)個(gè)差不多少說(shuō)要兩三年，而且硬件領(lǐng)域也有不同分支，相互之間有時(shí)候甚至可以說(shuō)隔行如隔山。精力有限，你能掌握多少取決于你有毅力走多遠。