【E問E答】什么是硬件設(shè)計？

　　我的理解：硬件設(shè)計就是根據(jù)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(guī)定時間內(nèi)完成符合PRS功能(Function)，性能(Performance)，電源設(shè)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(guī)(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)品不是開發(fā)板)。

　　可以看到，一個成功的硬件設(shè)計，主要功能的實現(xiàn)只是所有環(huán)節(jié)中的一小部分，而且基本來說，主要功能的實現(xiàn)主要是依靠芯片廠商提供的套片方案，一般來說為了降低風(fēng)險，主要是參考套片方案的參考設(shè)計完成，芯片廠商也會提供包括器件封裝，參考設(shè)計，仿真模型，PCB參考等等全部資料，在芯片功能越來越復(fù)雜的今天，一個片子動不動就幾百上千個PIN，對于一個新項目來說，是沒有時間一頁頁去吃透每個PIN，每個輸入輸出的具體功能，電氣參數(shù)的，尤其是對于高速設(shè)計，比如DDR3接口，XAUI接口等等。一般來說芯片廠商提供的參考設(shè)計就是他們經(jīng)過開發(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(shè)計來做，否則硬件可能就有問題，一般來說就是信號完整性問題或者EMC問題。

　　芯片廠商提供越來越周到的服務(wù)，看起來硬件工程師HW(HardwareEngineer)的價值越來越低了，畢竟一個產(chǎn)品的核心功能或者技術(shù)一般都在ASIC或者FPGA里面了，HW一般沒有能力進(jìn)行核心邏輯設(shè)計ICdesign，畢竟這是跟HW設(shè)計并行的另一項工作，另一項也很復(fù)雜的工作。對于這個問題，我也曾經(jīng)困惑過，總是感覺硬件設(shè)計沒有什么好搞的了，不就是抄抄參考設(shè)計，就跟組裝一臺電腦一樣組裝一個單板嘛。當(dāng)然隨著項目經(jīng)驗的增多，尤其從事現(xiàn)在硬件系統(tǒng)級設(shè)計的角色，感覺原來自己考慮更多是從一名原理圖設(shè)計工程師的角度考慮問題。就像開始說的，一個成功的硬件設(shè)計，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一個HW的能力取決于能考慮因素越多，越深入，就越是一個優(yōu)秀的HW工程師。

　　1、成本Cost：

　　任何一個賣硬件產(chǎn)品的公司的主要盈利一般來說就是銷售價格-COGS，而COGS90%取決于設(shè)計，剩下就是生產(chǎn)成本了，這個價格一般來說比較透明，代工廠也很多，競爭激烈。雖然說設(shè)計成本60%也取決于主要芯片的價格(這個主要要靠公司高層跟芯片廠商談判的結(jié)果了，HW的作用有限，更多是系統(tǒng)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(hù)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(dāng)然有參考設(shè)計，不過一般來說參考設(shè)計為了更好體現(xiàn)芯片的良好性能，一般會選用比較貴的，性能更好的器件，這就要結(jié)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產(chǎn)品設(shè)計，看看大家主流是用什么器件，畢竟對于元器件來說，價格跟購買量有很大關(guān)系，不同的采購量導(dǎo)致的價格可能相差幾倍。

　　2、信號完整性SignalIntegrity：

　　主要影響兩方面：EMC和時序Timing，不好的SI設(shè)計會有很強(qiáng)的過沖over/undershoot，尖峰Spike，這會造成對應(yīng)頻率N諧振頻率的發(fā)射;不好的SI設(shè)計會導(dǎo)致High/low不穩(wěn)定，或者上升時間/下降時間RisingTime/FallingTime占數(shù)據(jù)周期過長，或者時鐘不穩(wěn)定，都會導(dǎo)致在接收端采樣Sample時出現(xiàn)誤判斷，實際上，接收端不會出錯，出錯的只是信號。SI設(shè)計在原理圖設(shè)計來說，主要從阻抗匹配(串行電阻)上來解決，輔以適當(dāng)?shù)耐笋顬V波電容;跟主要是在PCB上，一般來說PCB層數(shù)越多，SI會更好，當(dāng)然這里要跟Cost進(jìn)行一個取舍了。

　　3、電源設(shè)計PowerSupply：

　　雖然一般大些的公司都有專門的電源設(shè)計工程師，不過對于HW來說，基本的Power設(shè)計能力還是很重要的，從道理上來說，任何電路都是一種電源，任何電路問題都可以歸結(jié)于一種電源問題，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題，才能想到用模擬電路來設(shè)計一些簡單電路，而不是費力用邏輯電路來搭。

　　4、安規(guī)Safety：

　　對于接口電路來說，主要成本都在與安規(guī)器件，這個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：

　　主要是針對各個國家的相應(yīng)規(guī)范(安規(guī)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，對于歐盟來說一般是EN55022/EN55024，對于美國一般是FCCPart15，歐盟和美國的輻射標(biāo)準(zhǔn)略有不同，歐盟的標(biāo)準(zhǔn)稍微嚴(yán)格一些。

　　6、功耗(PowerConsumption)：

　　現(xiàn)在都提倡環(huán)保，運營商也是，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(zhuǎn)換拓?fù)洹?/p>

　　7、散熱(Thermal/Cooling)：

　　芯片集成度越來越高，單芯片的功耗從幾瓦到現(xiàn)在的幾十瓦，散熱就是一個大問題，而且伴隨著接口的速率提高，接口芯片的功耗也在提高，造成整個系統(tǒng)就是：熱!這就需要好好考慮散熱問題，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，但是帶來的問題就是噪聲，ITU對于通信設(shè)備的噪聲也有明確的規(guī)范，這就需要平衡風(fēng)扇數(shù)量，轉(zhuǎn)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部門能夠采購到的，而且一般也要考慮secondsource的問題，和leadtime的問題，不能說選用一個只有一個小公司生產(chǎn)的稀有器件，萬一這個器件EoL了，你是怎么辦?只能修改設(shè)計了，這就損失大了!

　　10、可靠性(Reliability)：

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

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

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

　　對于參考設(shè)計，我感覺最有用的地方主要是供電電路，退耦濾波電路以及Layout設(shè)計，至于總線連接，復(fù)位電路，時鐘電路，接口電路等等，一般來說都需要根據(jù)公司器件庫，設(shè)計案例以及業(yè)界主流器件/方案進(jìn)行修改。所以千萬不要迷信參考電路，那只是參考，過分迷信參考設(shè)計，自己還沒搞清楚芯片具體功能/參數(shù)呢，就COPY過來，即使能夠工作，肯定在成本方面，生產(chǎn)方面有很多問題。