一個高級硬件工程師的知識與能力要求

知識

基本知識

• 基本設(shè)計規(guī)范

• CPU基本知識、架構(gòu)、性能及選型指導(dǎo)

• MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知識、性能詳解及選型指導(dǎo)

• 網(wǎng)絡(luò)處理器的基本知識、架構(gòu)、性能及選型

• 常用總線的基本知識、性能詳解

• 各種存儲器的詳細(xì)性能介紹、設(shè)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(shè)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(xì)性能介紹、設(shè)計要點(diǎn)及選型指導(dǎo)

• VHDL和Verilog HDL

• 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

• 國內(nèi)大型通信設(shè)備公司硬件研究開發(fā)流程

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

硬件總體設(shè)計

啟動一個硬件開發(fā)項(xiàng)目，原始的推動力會來自于很多方面，比如市場的需要，基于整個系統(tǒng)架構(gòu)的需要，應(yīng)用軟件部門的功能實(shí)現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等，相關(guān)文章:梳理單片機(jī)學(xué)習(xí)方法、產(chǎn)品開發(fā)流程。作為一個硬件系統(tǒng)的設(shè)計者，要主動的去了解各個方面的需求，并且綜合起來，提出最合適的硬件解決方案。

比如A項(xiàng)目的原始推動力來自于公司內(nèi)部的一個高層軟件小組，他們在實(shí)際當(dāng)中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉(zhuǎn)發(fā)能力不能滿足要求，從而對于系統(tǒng)的配置和使用都會造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。根據(jù)這個目標(biāo)，硬件方案中就針對性的選用了兩個高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，然后還需要深入的和軟件設(shè)計者交流，以確定內(nèi)存大小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對外接口和調(diào)試接口的數(shù)量及類型等等細(xì)節(jié)，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據(jù)通路完全分開來，這樣在確定內(nèi)部數(shù)據(jù)走向的時候要慎重考慮。

項(xiàng)目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應(yīng)該盡量邀請所有相關(guān)部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設(shè)計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項(xiàng)目的情況，提早做好時間和人員上協(xié)作的準(zhǔn)備，第三是從感情方面講，在設(shè)計之初各個部門就參與了進(jìn)來，這個項(xiàng)目就變成了大家共同的一個心血結(jié)晶，會得到大家的呵護(hù)和良好合作，對完成工作是很有幫助的。

掌握硬件總體設(shè)計所必須具備的硬件設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計思路：

• 產(chǎn)品需求分析

• 開發(fā)可行性分析

• 系統(tǒng)方案調(diào)研

• 總體架構(gòu)，CPU選型，總線類型

• 數(shù)據(jù)通信與電信領(lǐng)域主流CPU：M68k系列，PowerPC860，PowerPC8240，8260體系結(jié)構(gòu)，性能及對比

• 總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)注意的問題

• 通信接口類型選擇

• 任務(wù)分解

• 最小系統(tǒng)設(shè)計

• PCI總線知識與規(guī)范

• 如何在總體設(shè)計階段避免出現(xiàn)致命性錯誤

• 如何合理地進(jìn)行任務(wù)分解以達(dá)到事半功倍的效果？

• 項(xiàng)目案例：中、低端路由器等

硬件原理圖設(shè)計技術(shù)

目的：通過具體的項(xiàng)目案例，詳細(xì)進(jìn)行原理圖設(shè)計全部經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計要點(diǎn)與精髓揭密。

• 電信與數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域主流CPU的原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• Intel公司PC主板的原理圖設(shè)計精髓

• 網(wǎng)絡(luò)處理器的原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 總線結(jié)構(gòu)原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 內(nèi)存系統(tǒng)原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 數(shù)據(jù)通信與電信領(lǐng)域通用物理層接口的原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 電信與數(shù)據(jù)通信設(shè)備常用的WATCHDOG的原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 電信與數(shù)據(jù)通信設(shè)備系統(tǒng)帶電插拔原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 晶振與時鐘系統(tǒng)原理設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• PCI總線的原理圖設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 項(xiàng)目案例：中、低端路由器等

原理圖設(shè)計中要注意的問題：

原理圖設(shè)計中要有“拿來主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)上，做一些自己的發(fā)揮。當(dāng)主要的芯片選定以后，最關(guān)鍵的外圍設(shè)計包括了電源，時鐘和芯片間的互連。

電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計中要詳細(xì)的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入；單板需要產(chǎn)生的電源輸出；各個電源需要提供的電流大小；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動范圍；整個電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。比如A項(xiàng)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(jù)這些要求，設(shè)計中采用5V的電源輸入，利用Linear的開關(guān)電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應(yīng)電路，精度要求決定了輸出電容的ESR選擇，并且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠(yuǎn)端反饋的功能。

時鐘電路的實(shí)現(xiàn)要考慮到目標(biāo)電路的抖動等要求，A項(xiàng)目中用到了GE的PHY器件，剛開始的時候使用一個內(nèi)部帶鎖相環(huán)的零延時時鐘分配芯片提供100MHz 時鐘，結(jié)果GE鏈路上出現(xiàn)了丟包，后來換成簡單的時鐘Buffer器件就解決了丟包問題，分析起來就是內(nèi)部的鎖相環(huán)引入了抖動。

芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線具有速率高，好布線，信號完整性好等特點(diǎn)，A項(xiàng)目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線，在調(diào)試和測試中沒有出現(xiàn)問題。需要熟悉各種電平標(biāo)準(zhǔn)，保證電平匹配。

硬件PCB圖設(shè)計

目的：通過具體的項(xiàng)目案例，進(jìn)行PCB設(shè)計全部經(jīng)驗(yàn)揭密，使你迅速成長為優(yōu)秀的硬件工程師。

• 高速CPU板PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 普通PCB的設(shè)計要點(diǎn)與精華

• PowerPC、ARM、MIPS、單片機(jī)的PCB設(shè)計精華

• Intel公司PC主板的PCB設(shè)計精華

• PC主板、工控機(jī)主板、電信設(shè)備用主板的PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)精華

• 國內(nèi)著名通信公司PCB設(shè)計規(guī)范與工作流程

• PCB設(shè)計中生產(chǎn)、加工工藝的相關(guān)要求

• 高速PCB設(shè)計中的傳輸線問題

• 電信與數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域主流CPU（PowerPC系列）的PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 電信與數(shù)據(jù)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(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 網(wǎng)絡(luò)處理器的PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• PCB步線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極其重要性

• PCI布線的PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• SDRAM、DDR SDRAM（125/133MHz）的PCB設(shè)計經(jīng)驗(yàn)與精華

• 項(xiàng)目案例：中端路由器PCB設(shè)計

PCB設(shè)計中要注意的問題：

PCB設(shè)計中要做到目的明確，對于重要的信號線要非常嚴(yán)格的要求布線的長度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內(nèi)存的時鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長度要求；高速差分線的布線等等。

項(xiàng)目中使用內(nèi)存芯片實(shí)現(xiàn)了1G大小的DDR memory，針對這個部分的布線是非常關(guān)鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓?fù)浞植?，?shù)據(jù)線和時鐘線的長度差別控制等方面，在實(shí)現(xiàn)的過程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊和實(shí)際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求，比如同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)線長度相差不能超過多少個mil，每個通路之間的長度相差不能超過多少個mil等等。當(dāng)這些要求確定后就可以明確要求PCB設(shè)計人員來實(shí)現(xiàn)了，如果設(shè)計中所有的重要布線要求都明確了，可以轉(zhuǎn)換成整體的布線約束，利用CAD中的自動布線工具軟件來實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計，這也是在高速PCB設(shè)計中的一個發(fā)展趨勢。

硬件調(diào)試

目的：以具體的項(xiàng)目案例，傳授硬件調(diào)試、測試經(jīng)驗(yàn)與要點(diǎn)

硬件調(diào)試等同于黑箱調(diào)試，如何快速分析、解決問題？

• 大量調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的傳授

• 如何加速硬件調(diào)試過程

• 如何迅速解決硬件調(diào)試問題

• DATACOM終端設(shè)備的CE測試要求

當(dāng)準(zhǔn)備調(diào)試一塊板的時候，一定要先認(rèn)真的做好目視檢查，檢查在焊接的過程中是否有可見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，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個好習(xí)慣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過程中要有平和的心態(tài)，遇見問題是非常正常的，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“問題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調(diào)試成功。

軟硬件聯(lián)合調(diào)試

• 如何判別是軟件的錯

• 如何與軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試

• 大量的聯(lián)合調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的傳授

能力

快速學(xué)習(xí)的能力

一方面，通信技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)，芯片更新的太快了，快到你根本來不及系統(tǒng)的了解它，只能通過特定的項(xiàng)目，需求進(jìn)行了解；另一方面對于公司來說，需要做的硬件 產(chǎn)品也是變化很快，客戶需要T1， E1， PDH， SDH，Ethernet， VoIP， Switch， Router， 沒有人是什么都懂的，都需要能夠結(jié)合客戶的需求，選擇的芯片方案進(jìn)行詳細(xì)了解，尤其對于接口協(xié)議和電氣特性。

通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的理解

通信設(shè)備，顧名思義，就是用來實(shí)現(xiàn)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(xiàn)通信的設(shè)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(xiàn)，要么是成熟的 ASIC，要么是自己開發(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(xiàn)各種邏 輯上的狀態(tài)機(jī)以及滿足協(xié)議規(guī)定的電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按照OSI的七層模型，硬件工程師尤其需要專注于一層物理層和二層數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以 Ethernet舉例，物理層是由PHY/transceiver芯片完成，數(shù)據(jù)鏈路層是由MAC/switch 芯片完成，對于從事Ethernet相關(guān)開發(fā)的硬件工程師來說，需要對于PHY和Switch芯片理解透徹，從編碼方式，電氣參數(shù)，眼圖標(biāo)準(zhǔn)，模板，信號 頻率到幀格式，轉(zhuǎn)發(fā)處理邏輯，VLAN等等。對于傳統(tǒng)PDH/SDH/SONET設(shè)備就更是如此，PDH/SDH/SONET是更硬件的設(shè)備，就是說主要協(xié)議都是通過ASIC實(shí)現(xiàn)的，軟件的功能 主要是管理，配置，監(jiān)視，告警，性能，對于硬件工程師來說，必須要熟悉使用的相關(guān)協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，尤其對于電氣規(guī)范，眼圖模板，這樣在設(shè)計驗(yàn)證的時候才能胸有成竹。

寫文檔的能力

誠如軟件設(shè)計一樣，好的軟件設(shè)計需要好的設(shè)計文檔，明確需求，實(shí)現(xiàn)什么功能，達(dá)到什么驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)文章推薦:工程師最討厭寫技術(shù)文檔？隨著芯片集成度的增加，接口速率的提高，單板復(fù)雜度的提高，硬件設(shè)計也越來越復(fù)雜以及對應(yīng)熱穩(wěn)定性，可靠性，電磁兼容，環(huán)境保護(hù)的要求，已經(jīng)不是通過小米加步槍的游擊戰(zhàn)可以解決了。

每一個硬件項(xiàng)目都是一 場戰(zhàn)爭，都需要好好的規(guī)劃，好好的分析，這就需要好好做文檔。

對于硬件工程師來說，最重要的文檔有兩個：一個是硬件設(shè)計規(guī)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(nèi)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類型/大小/速度，F(xiàn)LASH類型/大小/速度，片選，中斷，GPIO的定義，復(fù)位邏輯和拓?fù)鋱D，時鐘/晶振選擇/拓 撲，RTC的使用，內(nèi)存映射（Memory map）關(guān)系， I2C器件選擇/拓?fù)洌涌谄骷?線序定義，LED的大小/顏色/驅(qū)動，散熱片，風(fēng)扇，JTAG，電源拓?fù)?時序/電路等等。

對于DVT來說，要求很簡單也很復(fù)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 序，業(yè)務(wù)接口的眼圖/模板，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的信號完整性和時序（如MII， RGMII， XAUI， PCIe，PCM bus， Telecom Bus， SERDES， UART等等），CPU子系統(tǒng)（如時鐘，復(fù)位，SDRAM/DDR，F(xiàn)LASH接口）。

好的硬件工程師無論是做的文檔還是報道都是令人一目了然，這個硬件系統(tǒng)需要用什么方案和電路，最后驗(yàn)證測試的結(jié)果如何。內(nèi)容詳實(shí)，不遺漏各種接口/電路；簡單明了，不說廢話；圖文并茂，需要的時候一個時序圖，一個示波器抓圖就很能說明問題了。

儀表/軟件的使用能力

儀表包括電烙鐵，萬用表，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(qiáng)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。

無論儀表還是軟件，在政治經(jīng)濟(jì)學(xué)里說都是生產(chǎn)工具，都是促進(jìn)生產(chǎn)力提高的，作為硬件工程師來說，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(xiàn)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(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)，通過一個個器件的擺 放，一個個NET的連接，構(gòu)成了是十分復(fù)雜的硬件邏輯軟件，是整個硬件設(shè)計的核心工作，任何一個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(zhàn)戰(zhàn)兢兢”。

另外，原理圖軟件的使用還體現(xiàn)在原理圖的美觀上，好的設(shè)計，簡單明了，注釋明確，無論是誰，順著思路就能很快搞清楚設(shè)計意圖，需要特別注意之處，不好的設(shè)計，東一個器件，西一個器件，沒有邏輯，命名怪異，難以理解，日后維護(hù)起來相當(dāng)麻煩，相關(guān)文章:盤點(diǎn)優(yōu)秀PCB工程師的好習(xí)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，無論原理圖還是PCB都是設(shè)計工作，但是任何設(shè)計都需要仔細(xì)的驗(yàn)證測試，尤其在信號方面，都需要大量的示波器工作，不會正確的使用示波器根本談不上正確的驗(yàn)證，接 地有沒有接好，測試點(diǎn)的選擇，觸發(fā)的選擇，延時的選擇，幅度、時間的選擇，都決定著測試的結(jié)果。如果錯誤的使用示波器必然帶來錯誤的測試結(jié)果，這種情況 下，有可能本來是錯誤的設(shè)計被誤認(rèn)為是正確的，帶來巨大的隱患；本來是正確的設(shè)計被誤認(rèn)為是錯誤的，帶來大量的時間精力浪費(fèi)。

電路設(shè)計的能力

隨著芯片集成度的提高，硬件設(shè)計似乎變簡單了。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。不過對于好的 硬件工程師來說，簡單的邏輯連接（這個芯片的同樣總線的輸出接另一個芯片的輸入，等等），只是硬件設(shè)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，沒有對電路的深入理解，根本談不上對硬件設(shè)計的深入理解，尤其對于芯片后面列的電氣性能參數(shù)或者離散器件各種參數(shù)的理解，胡亂亂接，可能在 3.3V的總線上可以工作，但是現(xiàn)在工作電壓已經(jīng)降到1V了，什么概念，信號線上的噪聲都已經(jīng)大到可以使采樣出現(xiàn)誤判了，隨著信號速率的提高和工作電壓的 降低，數(shù)字信號已經(jīng)越來越模擬化了，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(shù)深入了解，這都需要對電路原理，模擬電路甚至電磁場理論深入學(xué)習(xí)，電路可以說是電磁場理論的子集，沒有電磁場理論的理解，根 本談不上對于電容，電感，串?dāng)_，電磁輻射的理解。

尤其對于電源電路設(shè)計上，現(xiàn)在芯片電壓多樣化，電壓越來越低，電流越來越大，運(yùn)營商對于通信設(shè)備功耗的嚴(yán)格要求，散熱要求，對于電源設(shè)計的挑戰(zhàn)越來越大?？梢哉f，對于一個硬件設(shè)計來說，40%的工作都是在于電源電路的原理圖/PCB設(shè)計和后期測試驗(yàn)證，電源電路設(shè)計是硬件工程師電路能力的集中體現(xiàn)，各種被動器件、半導(dǎo)體器件、保護(hù)器件、DC/DC轉(zhuǎn)換典型拓?fù)?，都有很多參?shù)，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

硬件工程師在一個硬件項(xiàng)目中，一般處于Team leader的作用，要對這個硬件項(xiàng)目全權(quán)負(fù)責(zé)，需要協(xié)調(diào)好PCB工程師，結(jié)構(gòu)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(xiàng)目經(jīng)理，軟件工程師，生產(chǎn)工程師，采購工程師緊密配合，確保各個環(huán)節(jié)按部就班，需要對整個項(xiàng)目計劃了然于胸，各個子任務(wù)的發(fā)布時間，對于可能出現(xiàn)的技術(shù)難題和風(fēng)險的估計，控制。