一個(gè)高級硬件工程師的知識與能力要求

知識

基本知識

• 基本設計規范

• CPU基本知識、架構、性能及選型指導

• MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知識、性能詳解及選型指導

• 網(wǎng)絡(luò )處理器的基本知識、架構、性能及選型

• 常用總線(xiàn)的基本知識、性能詳解

• 各種存儲器的詳細性能介紹、設計要點(diǎn)及選型

• 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

• 常用器件選型要點(diǎn)與精華

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

• VHDL和Verilog HDL

• 網(wǎng)絡(luò )基礎

• 國內大型通信設備公司硬件研究開(kāi)發(fā)流程

• 熟練掌握并使用業(yè)界最新、最流行的專(zhuān)業(yè)設計工具：ViewDraw、PowerPCB、Cam350、OrCad， Allegro、AD、PADS、VIEWDRAW、ORCAD、POWERPCB、SPECCTRA、ALLEGRO、CAM350、FPGA設計工具

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，相關(guān)文章:梳理單片機學(xué)習方法、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。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：

• 產(chǎn)品需求分析

• 開(kāi)發(fā)可行性分析

• 系統方案調研

• 總體架構，CPU選型，總線(xiàn)類(lèi)型

• 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

• 總體硬件結構設計及應注意的問(wèn)題

• 通信接口類(lèi)型選擇

• 任務(wù)分解

• 最小系統設計

• PCI總線(xiàn)知識與規范

• 如何在總體設計階段避免出現致命性錯誤

• 如何合理地進(jìn)行任務(wù)分解以達到事半功倍的效果？

• 項目案例：中、低端路由器等

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。

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

• Intel公司PC主板的原理圖設計精髓

• 網(wǎng)絡(luò )處理器的原理設計經(jīng)驗與精華

• 總線(xiàn)結構原理設計經(jīng)驗與精華

• 內存系統原理設計經(jīng)驗與精華

• 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

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

• 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

• 晶振與時(shí)鐘系統原理設計經(jīng)驗與精華

• PCI總線(xiàn)的原理圖設計經(jīng)驗與精華

• 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。

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。

• 高速CPU板PCB設計經(jīng)驗與精華

• 普通PCB的設計要點(diǎn)與精華

• PowerPC、ARM、MIPS、單片機的PCB設計精華

• Intel公司PC主板的PCB設計精華

• PC主板、工控機主板、電信設備用主板的PCB設計經(jīng)驗精華

• 國內著(zhù)名通信公司PCB設計規范與工作流程

• PCB設計中生產(chǎn)、加工工藝的相關(guān)要求

• 高速PCB設計中的傳輸線(xiàn)問(wèn)題

• 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

• 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

• 網(wǎng)絡(luò )處理器的PCB設計經(jīng)驗與精華

• PCB步線(xiàn)的拓撲結構極其重要性

• PCI布線(xiàn)的PCB設計經(jīng)驗與精華

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

• 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DDR memory，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。

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)

硬件調試等同于黑箱調試，如何快速分析、解決問(wèn)題？

• 大量調試經(jīng)驗的傳授

• 如何加速硬件調試過(guò)程

• 如何迅速解決硬件調試問(wèn)題

• 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。

軟硬件聯(lián)合調試

• 如何判別是軟件的錯

• 如何與軟件進(jìn)行聯(lián)合調試

• 大量的聯(lián)合調試經(jīng)驗的傳授

能力

快速學(xué)習的能力

一方面，通信技術(shù)，標準，芯片更新的太快了，快到你根本來(lái)不及系統的了解它，只能通過(guò)特定的項目，需求進(jìn)行了解；另一方面對于公司來(lái)說(shuō)，需要做的硬件 產(chǎn)品也是變化很快，客戶(hù)需要T1， E1， PDH， SDH，Ethernet， VoIP， Switch， Router， 沒(méi)有人是什么都懂的，都需要能夠結合客戶(hù)的需求，選擇的芯片方案進(jìn)行詳細了解，尤其對于接口協(xié)議和電氣特性。

通信協(xié)議和標準的理解

通信設備，顧名思義，就是用來(lái)實(shí)現多種通信協(xié)議（比如T1， E1， V.35，PDH， SDH/SONET， ATM， USB， VoIP， WiFi， Ethernet， TCP/IP，RS232等等常用協(xié)議）實(shí)現通信的設備，各種電路，PCB板，電源都是為了通信協(xié)議服務(wù)的。

通信協(xié)議一般都是由芯片實(shí)現，要么是成熟的 ASIC，要么是自己開(kāi)發(fā)的FPGA/CPLD，芯片工程師或者FPGA工程師比硬件工程師更靠近通信協(xié)議，他們需要對于通信協(xié)議理解很透徹，實(shí)現各種邏 輯上的狀態(tài)機以及滿(mǎn)足協(xié)議規定的電氣參數標準。按照OSI的七層模型，硬件工程師尤其需要專(zhuān)注于一層物理層和二層數據鏈路層的協(xié)議標準，以 Ethernet舉例，物理層是由PHY/transceiver芯片完成，數據鏈路層是由MAC/switch 芯片完成，對于從事Ethernet相關(guān)開(kāi)發(fā)的硬件工程師來(lái)說(shuō)，需要對于PHY和Switch芯片理解透徹，從編碼方式，電氣參數，眼圖標準，模板，信號 頻率到幀格式，轉發(fā)處理邏輯，VLAN等等。對于傳統PDH/SDH/SONET設備就更是如此，PDH/SDH/SONET是更硬件的設備，就是說(shuō)主要協(xié)議都是通過(guò)ASIC實(shí)現的，軟件的功能 主要是管理，配置，監視，告警，性能，對于硬件工程師來(lái)說(shuō)，必須要熟悉使用的相關(guān)協(xié)議和接口標準，尤其對于電氣規范，眼圖模板，這樣在設計驗證的時(shí)候才能胸有成竹。

寫(xiě)文檔的能力

誠如軟件設計一樣，好的軟件設計需要好的設計文檔，明確需求，實(shí)現什么功能，達到什么驗收標準，相關(guān)文章推薦:工程師最討厭寫(xiě)技術(shù)文檔？隨著(zhù)芯片集成度的增加，接口速率的提高，單板復雜度的提高，硬件設計也越來(lái)越復雜以及對應熱穩定性，可靠性，電磁兼容，環(huán)境保護的要求，已經(jīng)不是通過(guò)小米加步槍的游擊戰可以解決了。

每一個(gè)硬件項目都是一 場(chǎng)戰爭，都需要好好的規劃，好好的分析，這就需要好好做文檔。

對于硬件工程師來(lái)說(shuō)，最重要的文檔有兩個(gè)：一個(gè)是硬件設計規范（HDS ：hardware design specification）和硬件測試報告（一般叫EVT：Engineering Validation& Test report或者DVT：Design Validation & Test report），對于HDS的要求是內容詳實(shí)，明確，主芯片的選擇/硬件初始化，CPU的選擇和初始化，接口芯片的選擇/初始化/管理，各芯片之間連接關(guān) 系框圖（Block Diagram），DRAM類(lèi)型/大小/速度，FLASH類(lèi)型/大小/速度，片選，中斷，GPIO的定義，復位邏輯和拓撲圖，時(shí)鐘/晶振選擇/拓 撲，RTC的使用，內存映射（Memory map）關(guān)系， I2C器件選擇/拓撲，接口器件/線(xiàn)序定義，LED的大小/顏色/驅動(dòng)，散熱片，風(fēng)扇，JTAG，電源拓撲/時(shí)序/電路等等。

對于DVT來(lái)說(shuō)，要求很簡(jiǎn)單也很復雜：板卡上有什么接口，芯片，主要器件，電路，就要測試什么，尤其在板卡正常工作的情況下的電源/電壓/紋波/時(shí) 序，業(yè)務(wù)接口的眼圖/模板，內部數據總線(xiàn)的信號完整性和時(shí)序（如MII， RGMII， XAUI， PCIe，PCM bus， Telecom Bus， SERDES， UART等等），CPU子系統（如時(shí)鐘，復位，SDRAM/DDR，FLASH接口）。

好的硬件工程師無(wú)論是做的文檔還是報道都是令人一目了然，這個(gè)硬件系統需要用什么方案和電路，最后驗證測試的結果如何。內容詳實(shí)，不遺漏各種接口/電路；簡(jiǎn)單明了，不說(shuō)廢話(huà)；圖文并茂，需要的時(shí)候一個(gè)時(shí)序圖，一個(gè)示波器抓圖就很能說(shuō)明問(wèn)題了。

儀表/軟件的使用能力

儀表包括電烙鐵，萬(wàn)用表，示波器，邏輯分析儀，誤碼儀，傳輸分析儀，以太網(wǎng)測試儀Smartbits/IXIA，熱量計，衰減器，光功率計，射頻信號 強度計等等；軟件包括Office（Outlook，Word， Excel， PowerPoint， Project， Visio），PDF，常用原理圖軟件Pads或者OrCAD，常用PCB軟件Pads或者Allegro，Allegro Viewer，電路仿真軟件PSPICE，信號仿真軟件HyperLynx等等。

無(wú)論儀表還是軟件，在政治經(jīng)濟學(xué)里說(shuō)都是生產(chǎn)工具，都是促進(jìn)生產(chǎn)力提高的，作為硬件工程師來(lái)說(shuō)，這些儀表和軟件就是手中的木。倉炮，硬件工程師很大一 部分能力的體現都在與儀表和軟件的使用上，尤其對于原理圖軟件和示波器的使用，更是十分重要，原理圖軟件的使用是硬件設計的具體實(shí)現，通過(guò)一個(gè)個(gè)器件的擺 放，一個(gè)個(gè)NET的連接，構成了是十分復雜的硬件邏輯軟件，是整個(gè)硬件設計的核心工作，任何一個(gè)原理圖上的失誤和錯誤造成的損失都是巨大的，真是“如履薄冰，戰戰兢兢”。

另外，原理圖軟件的使用還體現在原理圖的美觀(guān)上，好的設計，簡(jiǎn)單明了，注釋明確，無(wú)論是誰(shuí)，順著(zhù)思路就能很快搞清楚設計意圖，需要特別注意之處，不好的設計，東一個(gè)器件，西一個(gè)器件，沒(méi)有邏輯，命名怪異，難以理解，日后維護起來(lái)相當麻煩，相關(guān)文章:盤(pán)點(diǎn)優(yōu)秀PCB工程師的好習慣。

示波器在所有測試儀表之中，對于硬件工程師是最重要的，無(wú)論原理圖還是PCB都是設計工作，但是任何設計都需要仔細的驗證測試，尤其在信號方面，都需要大量的示波器工作，不會(huì )正確的使用示波器根本談不上正確的驗證，接 地有沒(méi)有接好，測試點(diǎn)的選擇，觸發(fā)的選擇，延時(shí)的選擇，幅度、時(shí)間的選擇，都決定著(zhù)測試的結果。如果錯誤的使用示波器必然帶來(lái)錯誤的測試結果，這種情況 下，有可能本來(lái)是錯誤的設計被誤認為是正確的，帶來(lái)巨大的隱患；本來(lái)是正確的設計被誤認為是錯誤的，帶來(lái)大量的時(shí)間精力浪費。

電路設計的能力

隨著(zhù)芯片集成度的提高，硬件設計似乎變簡(jiǎn)單了。首先是邏輯連接，其次考慮信號完整性需要的串行電阻選擇和并行電容選擇，電源濾波，退耦。不過(guò)對于好的 硬件工程師來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的邏輯連接（這個(gè)芯片的同樣總線(xiàn)的輸出接另一個(gè)芯片的輸入，等等），只是硬件設計的最基本技能，電路是芯片功能，通信協(xié)議和各種軟件 的載體，沒(méi)有對電路的深入理解，根本談不上對硬件設計的深入理解，尤其對于芯片后面列的電氣性能參數或者離散器件各種參數的理解，胡亂亂接，可能在 3.3V的總線(xiàn)上可以工作，但是現在工作電壓已經(jīng)降到1V了，什么概念，信號線(xiàn)上的噪聲都已經(jīng)大到可以使采樣出現誤判了，隨著(zhù)信號速率的提高和工作電壓的 降低，數字信號已經(jīng)越來(lái)越模擬化了，這就需要對于PCB的阻抗，容抗，感抗，離散器件（電阻，電容，電感，二極管，三極管，MOSFET，變壓器 等），ASIC的接口電氣參數深入了解，這都需要對電路原理，模擬電路甚至電磁場(chǎng)理論深入學(xué)習，電路可以說(shuō)是電磁場(chǎng)理論的子集，沒(méi)有電磁場(chǎng)理論的理解，根 本談不上對于電容，電感，串擾，電磁輻射的理解。

尤其對于電源電路設計上，現在芯片電壓多樣化，電壓越來(lái)越低，電流越來(lái)越大，運營(yíng)商對于通信設備功耗的嚴格要求，散熱要求，對于電源設計的挑戰越來(lái)越大?？梢哉f(shuō)，對于一個(gè)硬件設計來(lái)說(shuō)，40%的工作都是在于電源電路的原理圖/PCB設計和后期測試驗證，電源電路設計是硬件工程師電路能力的集中體現，各種被動(dòng)器件、半導體器件、保護器件、DC/DC轉換典型拓撲，都有很多參數，公式需要考慮到、計算到。相關(guān)文章:如何成為高級嵌入式硬件工程師？

溝通和全局控制的能力

硬件工程師在一個(gè)硬件項目中，一般處于Team leader的作用，要對這個(gè)硬件項目全權負責，需要協(xié)調好PCB工程師，結構工程師，信號完整性工程師，電磁兼容工程師等各種資源，并與產(chǎn)品經(jīng)理，項目經(jīng)理，軟件工程師，生產(chǎn)工程師，采購工程師緊密配合，確保各個(gè)環(huán)節按部就班，需要對整個(gè)項目計劃了然于胸，各個(gè)子任務(wù)的發(fā)布時(shí)間，對于可能出現的技術(shù)難題和風(fēng)險的估計，控制。