硬件的總體設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]搞嵌入式，可能自己還做硬件，那么怎么總體規(guī)劃呢？
1、硬件框圖
首先，總體設(shè)計(jì)是需要交付一張硬件框圖的。有的人有強(qiáng)迫癥，需要用visio畫出很多細(xì)節(jié)。有的人，覺得大概把主要的核心器件放一下，示意一下就可以了。自然總體框圖的美觀程度不代表硬件的絕對水平。
當(dāng)然除了表示出芯片，還需要表示出芯片之間的接口?？紤]接口的時候，就需要考慮接口的速率。很久以前看到有同事，想在I2C上走視頻信號，應(yīng)該是沒有仔細(xì)考慮視頻信號的帶寬，和I2C總線能夠承載的最大速率。
工欲善其事,必先利其器是說:工匠想要使他的工作做好，一定要先讓工具鋒利。比喻要做好一件事，準(zhǔn)備工作非常重要。語出《論語·衛(wèi)靈公》：子貢問為仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之賢者，友其士之仁者。” 這個準(zhǔn)備工作，當(dāng)然不只是指工具，還有動手之前的策劃、思考、評估、方案設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)等。
硬件工程師動手畫原理圖之前，需要畫的一個東東就是，用“猥瑣”（Visio）畫出電路板方案框圖。
2、業(yè)務(wù)模型
硬件知識背景的開發(fā)人員，比較容易先關(guān)注芯片選型和接口的選擇。其實(shí)一個總體設(shè)計(jì)，應(yīng)該先從電路板（或者說 產(chǎn)品的角度）怎么使用的角度開始思考。特別是電信設(shè)備的電路板，我們需要考慮對外接口，需要考慮數(shù)據(jù)在整個硬件系統(tǒng)里面的流向，同時需要考慮在電路板內(nèi)部，數(shù)據(jù)的流向和走向。
所以，業(yè)務(wù)模型決定的，數(shù)據(jù)通信的帶寬，也決定了FPGA、DSP等芯片外掛的DDR的帶寬和容量。同時業(yè)務(wù)模型，也決定了處理器的能力需求。
如果是非服務(wù)器模型，我們一般用浮點(diǎn)計(jì)算和整點(diǎn)計(jì)算的算力對芯片的規(guī)格進(jìn)行約束，如果是服務(wù)器模型，我們需要使用Intel定義的一些算力評估方法對處理器能力進(jìn)行評估。
所以業(yè)務(wù)決定硬件，而不是先選定硬件再看能夠承載什么樣的業(yè)務(wù)。脫離業(yè)務(wù)模型的評估硬件需求，都是耍流氓。
4、關(guān)鍵器件分析
我們研發(fā)一個新項(xiàng)目的時候，不可避免的會使用我們沒有使用過的器件，甚至是整個公司都沒有使用過的器件。
我們根據(jù)設(shè)計(jì)需求選定了基本方案之后，需要對新器件、關(guān)鍵器件進(jìn)行應(yīng)用分析，輸出應(yīng)用分析報(bào)告，并召集相關(guān)人員、管理者、有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行評審和分析。
方案分析過程中需要參考和更新器件的Bug List和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。同時收集案例，并給出應(yīng)對解決措施，提前預(yù)防已知問題。
關(guān)鍵器件不僅僅局限于新引入的器件，還包括復(fù)雜的器件、開發(fā)人員及項(xiàng)目組經(jīng)驗(yàn)積累都不足的器件。
這個關(guān)鍵器件的分析，我們需要對器件的datasheet進(jìn)行分析、尋找并Demo板、查閱廠家的errata，尋找已經(jīng)產(chǎn)品化或者已經(jīng)完成過的設(shè)計(jì)，部分電路的改動，需要動手做電路實(shí)驗(yàn)、或者做電路仿真，進(jìn)行驗(yàn)證。
5、預(yù)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)（焦灼與迭代）
我們根據(jù)需求，明確了必要的功能、性能、然后明確了關(guān)鍵器件，也就是電路板上面大功率器件、新器件、復(fù)雜器件都已經(jīng)敲定了。那么我們可以做一個預(yù)布局，明確電路板尺寸，形狀的大致想法。
我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)一個準(zhǔn)確的預(yù)布局，需要輸出一個預(yù)布局原理圖，要求原理圖至少包含主要器件、電源、熱敏感器件和接插件。
預(yù)布局需要把電路板的信號流向、器件功能、主要器件的電源管腳分布、整個電路板的電源的基本分布和流向。
然后把相關(guān)的訴求，提供給ID工程師，給一個基本的ID設(shè)想，然后由結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)化。
如果是成熟的機(jī)框，則這個過程相對簡單一些，例如ATCA、VPX這種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)框。一些個人消費(fèi)電子產(chǎn)品這個過程反復(fù)的可能性非常大。
為了避免這個過程，硬件工程師在完成初步的預(yù)布局，之后應(yīng)該把自己的設(shè)計(jì)訴求，全部記錄在《結(jié)構(gòu)要素圖設(shè)計(jì)說明書》中，提供給結(jié)構(gòu)和ID工程師。
硬件工程師需要提供單板布局和器件熱耗（功耗）表、各器件散熱參數(shù)。數(shù)字器件要注意提供盡量準(zhǔn)確的功耗數(shù)據(jù)，特別是DDR/FPGA等器件要根據(jù)使用場景進(jìn)行計(jì)算。提供的器件的功耗需要準(zhǔn)確，避免過設(shè)計(jì)，也避免散熱風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)存在工程挑戰(zhàn)的時候，硬件需要在預(yù)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)之間進(jìn)行焦灼和迭代。最終達(dá)到一個最佳的平衡的效果，有時候不得已還需要跟需求進(jìn)行平衡。
6、硬件與軟件
應(yīng)用決定軟件、軟件決定硬件。所以硬件選型，特別是CPU的選型，需要充分考慮軟件需求。小公司，需要考慮軟件工程師的開發(fā)能力和已經(jīng)具備的技術(shù)儲備。大公司，需要考慮公司的軟件路標(biāo)、OS的選型規(guī)劃、軟件開發(fā)工作量、軟件的歸一化、商用OS的供應(yīng)商現(xiàn)狀等等。
首先，總體設(shè)計(jì)是需要交付一張硬件框圖的。有的人有強(qiáng)迫癥，需要用visio畫出很多細(xì)節(jié)。有的人，覺得大概把主要的核心器件放一下，示意一下就可以了。自然總體框圖的美觀程度不代表硬件的絕對水平。
當(dāng)然除了表示出芯片，還需要表示出芯片之間的接口?？紤]接口的時候，就需要考慮接口的速率。很久以前看到有同事，想在I2C上走視頻信號，應(yīng)該是沒有仔細(xì)考慮視頻信號的帶寬，和I2C總線能夠承載的最大速率。
工欲善其事,必先利其器是說:工匠想要使他的工作做好，一定要先讓工具鋒利。比喻要做好一件事，準(zhǔn)備工作非常重要。語出《論語·衛(wèi)靈公》：子貢問為仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之賢者，友其士之仁者。” 這個準(zhǔn)備工作，當(dāng)然不只是指工具，還有動手之前的策劃、思考、評估、方案設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)等。
硬件工程師動手畫原理圖之前，需要畫的一個東東就是，用“猥瑣”（Visio）畫出電路板方案框圖。
2、業(yè)務(wù)模型
硬件知識背景的開發(fā)人員，比較容易先關(guān)注芯片選型和接口的選擇。其實(shí)一個總體設(shè)計(jì)，應(yīng)該先從電路板（或者說 產(chǎn)品的角度）怎么使用的角度開始思考。特別是電信設(shè)備的電路板，我們需要考慮對外接口，需要考慮數(shù)據(jù)在整個硬件系統(tǒng)里面的流向，同時需要考慮在電路板內(nèi)部，數(shù)據(jù)的流向和走向。
所以，業(yè)務(wù)模型決定的，數(shù)據(jù)通信的帶寬，也決定了FPGA、DSP等芯片外掛的DDR的帶寬和容量。同時業(yè)務(wù)模型，也決定了處理器的能力需求。
如果是非服務(wù)器模型，我們一般用浮點(diǎn)計(jì)算和整點(diǎn)計(jì)算的算力對芯片的規(guī)格進(jìn)行約束，如果是服務(wù)器模型，我們需要使用Intel定義的一些算力評估方法對處理器能力進(jìn)行評估。
所以業(yè)務(wù)決定硬件，而不是先選定硬件再看能夠承載什么樣的業(yè)務(wù)。脫離業(yè)務(wù)模型的評估硬件需求，都是耍流氓。
4、關(guān)鍵器件分析
我們研發(fā)一個新項(xiàng)目的時候，不可避免的會使用我們沒有使用過的器件，甚至是整個公司都沒有使用過的器件。
我們根據(jù)設(shè)計(jì)需求選定了基本方案之后，需要對新器件、關(guān)鍵器件進(jìn)行應(yīng)用分析，輸出應(yīng)用分析報(bào)告，并召集相關(guān)人員、管理者、有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行評審和分析。
方案分析過程中需要參考和更新器件的Bug List和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。同時收集案例，并給出應(yīng)對解決措施，提前預(yù)防已知問題。
關(guān)鍵器件不僅僅局限于新引入的器件，還包括復(fù)雜的器件、開發(fā)人員及項(xiàng)目組經(jīng)驗(yàn)積累都不足的器件。
這個關(guān)鍵器件的分析，我們需要對器件的datasheet進(jìn)行分析、尋找并Demo板、查閱廠家的errata，尋找已經(jīng)產(chǎn)品化或者已經(jīng)完成過的設(shè)計(jì)，部分電路的改動，需要動手做電路實(shí)驗(yàn)、或者做電路仿真，進(jìn)行驗(yàn)證。
5、預(yù)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)（焦灼與迭代）
我們根據(jù)需求，明確了必要的功能、性能、然后明確了關(guān)鍵器件，也就是電路板上面大功率器件、新器件、復(fù)雜器件都已經(jīng)敲定了。那么我們可以做一個預(yù)布局，明確電路板尺寸，形狀的大致想法。
我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)一個準(zhǔn)確的預(yù)布局，需要輸出一個預(yù)布局原理圖，要求原理圖至少包含主要器件、電源、熱敏感器件和接插件。
預(yù)布局需要把電路板的信號流向、器件功能、主要器件的電源管腳分布、整個電路板的電源的基本分布和流向。
然后把相關(guān)的訴求，提供給ID工程師，給一個基本的ID設(shè)想，然后由結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)化。
如果是成熟的機(jī)框，則這個過程相對簡單一些，例如ATCA、VPX這種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)框。一些個人消費(fèi)電子產(chǎn)品這個過程反復(fù)的可能性非常大。
為了避免這個過程，硬件工程師在完成初步的預(yù)布局，之后應(yīng)該把自己的設(shè)計(jì)訴求，全部記錄在《結(jié)構(gòu)要素圖設(shè)計(jì)說明書》中，提供給結(jié)構(gòu)和ID工程師。
硬件工程師需要提供單板布局和器件熱耗（功耗）表、各器件散熱參數(shù)。數(shù)字器件要注意提供盡量準(zhǔn)確的功耗數(shù)據(jù)，特別是DDR/FPGA等器件要根據(jù)使用場景進(jìn)行計(jì)算。提供的器件的功耗需要準(zhǔn)確，避免過設(shè)計(jì)，也避免散熱風(fēng)險(xiǎn)。
當(dāng)存在工程挑戰(zhàn)的時候，硬件需要在預(yù)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)之間進(jìn)行焦灼和迭代。最終達(dá)到一個最佳的平衡的效果，有時候不得已還需要跟需求進(jìn)行平衡。
6、硬件與軟件
應(yīng)用決定軟件、軟件決定硬件。所以硬件選型，特別是CPU的選型，需要充分考慮軟件需求。小公司，需要考慮軟件工程師的開發(fā)能力和已經(jīng)具備的技術(shù)儲備。大公司，需要考慮公司的軟件路標(biāo)、OS的選型規(guī)劃、軟件開發(fā)工作量、軟件的歸一化、商用OS的供應(yīng)商現(xiàn)狀等等。
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