一個(gè)硬件高手的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享(ZT)

一：成本節(jié)約
現(xiàn)象一：這些拉高/拉低的電阻用多大的阻值關(guān)系不大，就選個(gè)整數(shù)5K吧
點(diǎn)評(píng)：市場(chǎng)上不存在5K的阻值，最接近的是4.99K（精度1%），其次是5.1K（精度5%），其成本分別比精度為20%的4.7K高4倍和2倍。20%精度的電阻阻值只有1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8幾個(gè)類別（含10的整數(shù)倍）；類似地，20%精度的電容也只有以上幾種值，如果選了其它的值就必須使用更高的精度，成本就翻了幾倍，卻不能帶來任何好處。

現(xiàn)象二：面板上的指示燈選什么顏色呢？我覺得藍(lán)色比較特別，就選它吧
點(diǎn)評(píng)：其它紅綠黃橙等顏色的不管大?。?MM以下）封裝如何，都已成熟了幾十年，價(jià)格一般都在5毛錢以下，而藍(lán)色卻是近三四年才發(fā)明的東西，技術(shù)成熟度和供貨穩(wěn)定度都較差，價(jià)格卻要貴四五倍。目前藍(lán)色指示燈只用在不能用其它顏色替代的場(chǎng)合，如顯示視頻信號(hào)
等。

現(xiàn)象三：這點(diǎn)邏輯用74XX的門電路搭也行，但太土，還是用CPLD吧，顯得高檔多了點(diǎn)評(píng)：74XX的門電路只幾毛錢，而CPLD至少也得幾十塊，（GAL/PAL雖然只幾塊錢，但公司不推薦使用）。成本提高了N倍不說，還給生產(chǎn)、文檔等工作增添數(shù)倍的工作。

現(xiàn)象四：我們的系統(tǒng)要求這么高，包括MEM、CPU、FPGA等所有的芯片都要選最快的點(diǎn)評(píng)：在一個(gè)高速系統(tǒng)中并不是每一部分都工作在高速狀態(tài)，而器件速度每提高一個(gè)等級(jí)，價(jià)格差不多要翻倍，另外還給信號(hào)完整性問題帶來極大的負(fù)面影響。

現(xiàn)象五：這板子的PCB設(shè)計(jì)要求不高，就用細(xì)一點(diǎn)的線，自動(dòng)布吧
點(diǎn)評(píng)：自動(dòng)布線必然要占用更大的PCB面積，同時(shí)產(chǎn)生比手動(dòng)布線多好多倍的過孔，在批量很大的產(chǎn)品中，PCB廠家降價(jià)所考慮的因素除了商務(wù)因素外，就是線寬和過孔數(shù)量，它們分別影響到PCB的成品率和鉆頭的消耗數(shù)量，節(jié)約了供應(yīng)商的成本，也就給降價(jià)找到了理由。

現(xiàn)象六：程序只要穩(wěn)定就可以了，代碼長(zhǎng)一點(diǎn)，效率低一點(diǎn)不是關(guān)鍵
點(diǎn)評(píng)：CPU的速度和存儲(chǔ)器的空間都是用錢買來的，如果寫代碼時(shí)多花幾天時(shí)間提高一下程序效率，那么從降低CPU主頻和減少存儲(chǔ)器容量所節(jié)約的成本絕對(duì)是劃算的。CPLD/FPGA設(shè)計(jì)也類似。

二：低功耗設(shè)計(jì)
現(xiàn)象一：我們這系統(tǒng)是220V供電，就不用在乎功耗問題了
點(diǎn)評(píng)：低功耗設(shè)計(jì)并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設(shè)備溫度的降低，器件壽命則相應(yīng)延長(zhǎng)（半導(dǎo)體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半）

現(xiàn)象二：這些總線信號(hào)都用電阻拉一下，感覺放心些
點(diǎn)評(píng)：信號(hào)需要上下拉的原因很多，但也不是個(gè)個(gè)都要拉。上下拉電阻拉一個(gè)單純的輸入信號(hào)，電流也就幾十微安以下，但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號(hào)，其電流將達(dá)毫安級(jí)，現(xiàn)在的系統(tǒng)常常是地址數(shù)據(jù)各32位，可能還有244/245隔離后的總線及其它信號(hào)，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了（不要用8毛錢一度電的觀念來對(duì)待這幾瓦的功耗）。

現(xiàn)象三：CPU和FPGA的這些不用的I/O口怎么處理呢？先讓它空著吧，以后再說
點(diǎn)評(píng)：不用的I/O口如果懸空的話，受外界的一點(diǎn)點(diǎn)干擾就可能成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)了，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個(gè)引腳也會(huì)有微安級(jí)的電流，所以最好的辦法是設(shè)成輸出（當(dāng)然外面不能接其它有驅(qū)動(dòng)的信號(hào)）

現(xiàn)象四：這款FPGA還剩這么多門用不完，可盡情發(fā)揮吧
點(diǎn)評(píng)：FGPA的功耗與被使用的觸發(fā)器數(shù)量及其翻轉(zhuǎn)次數(shù)成正比，所以同一型號(hào)的FPGA在不同電路不同時(shí)刻的功耗可能相差100倍。盡量減少高速翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器數(shù)量是降低FPGA功耗的根本方法。

現(xiàn)象五：這些小芯片的功耗都很低，不用考慮
點(diǎn)評(píng)：對(duì)于內(nèi)部不太復(fù)雜的芯片功耗是很難確定的，它主要由引腳上的電流確定，一個(gè)ABT16244，沒有負(fù)載的話耗電大概不到1毫安，但它的指標(biāo)是每個(gè)腳可驅(qū)動(dòng)60毫安的負(fù)載（如匹配幾十歐姆的電阻），即滿負(fù)荷的功耗最大可達(dá)60*16=960mA，當(dāng)然只是電源電流這么大，熱量都落到負(fù)載身上了。

現(xiàn)象六：存儲(chǔ)器有這么多控制信號(hào)，我這塊板子只需要用OE和WE信號(hào)就可以了，片選就接地吧，這樣讀操作時(shí)數(shù)據(jù)出來得快多了。
點(diǎn)評(píng)：大部分存儲(chǔ)器的功耗在片選有效時(shí)（不論OE和WE如何）將比片選無效時(shí)大100倍以上，所以應(yīng)盡可能使用CS來控制芯片，并且在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。

現(xiàn)象七：這些信號(hào)怎么都有過沖?。恐灰ヅ涞煤?，就可消除了
點(diǎn)評(píng)：除了少數(shù)特定信號(hào)外（如100BASE-T、CML），都是有過沖的，只要不是很大，并不一定都需要匹配，即使匹配也并非要匹配得最好。象TTL的輸出阻抗不到50歐姆，有的甚至20歐姆，如果也用這么大的匹配電阻的話，那電流就非常大了，功耗是無法接受的，另外信號(hào)幅度也將小得不能用，再說一般信號(hào)在輸出高電平和輸出低電平時(shí)的輸出阻抗并不相同，也沒辦法做到完全匹配。所以對(duì)TTL、LVDS、422等信號(hào)的匹配只要做到過沖可以接受即可。

現(xiàn)象八：降低功耗都是硬件人員的事，與軟件沒關(guān)系
點(diǎn)評(píng)：硬件只是搭個(gè)舞臺(tái)，唱戲的卻是軟件，總線上幾乎每一個(gè)芯片的訪問、每一個(gè)信號(hào)的翻轉(zhuǎn)差不多都由軟件控制的，如果軟件能減少外存的訪問次數(shù)（多使用寄存器變量、多使用內(nèi)部CACHE等）、及時(shí)響應(yīng)中斷（中斷往往是低電平有效并帶有上拉電阻）及其它爭(zhēng)對(duì)具體單板的特定措施都將對(duì)降低功耗作出很大的獻(xiàn)。

三：系統(tǒng)效率
現(xiàn)象一：這主頻100M的CPU只能處理70%，換200M主頻的就沒事了
點(diǎn)評(píng)：系統(tǒng)的處理能力牽涉到多種多樣的因素，在通信業(yè)務(wù)中其瓶頸一般都在存儲(chǔ)器上，CPU再快，外部訪問快不起來也是徒勞。

現(xiàn)象二：CPU用大一點(diǎn)的CACHE，就應(yīng)該快了
點(diǎn)評(píng)：CACHE的增大，并不一定就導(dǎo)致系統(tǒng)性能的提高，在某些情況下關(guān)閉CACHE反而比使用CACHE還快。原因是搬到CACHE中的數(shù)據(jù)必須得到多次重復(fù)使用才會(huì)提高系統(tǒng)效率。所以在通信系統(tǒng)中一般只打開指令CACHE，數(shù)據(jù)CACHE即使打開也只局限在部分存儲(chǔ)空間，如堆棧部分。同時(shí)也要求程序設(shè)計(jì)要兼顧C(jī)ACHE的容量及塊大小，這涉及到關(guān)鍵代碼循環(huán)體的長(zhǎng)度及跳轉(zhuǎn)范圍，如果一個(gè)循環(huán)剛好比CACHE大那么一點(diǎn)點(diǎn)，又在反復(fù)循環(huán)的話，那就慘了。

現(xiàn)象三：這么多任務(wù)到底是用中斷還是用查詢呢？還是中斷快些吧
點(diǎn)評(píng)：中斷的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但不一定快。如果中斷任務(wù)特別多的話，這個(gè)沒退出來，后面又接踵而至，一會(huì)兒系統(tǒng)就將崩潰了。如果任務(wù)數(shù)量多但很頻繁的話，CPU的很大精力都用在進(jìn)出中斷的開銷上，系統(tǒng)效率極為低下，如果改用查詢方式反而可極大提高效率，但查詢有時(shí)不能滿足實(shí)時(shí)性要求，所以最好的辦法是在中斷中查詢，即進(jìn)一次中斷就把積累的所有任務(wù)都處理完再退出。

現(xiàn)象四：存儲(chǔ)器接口的時(shí)序都是廠家默認(rèn)的配置，不用修改的
點(diǎn)評(píng)：BSP對(duì)存儲(chǔ)器接口設(shè)置的默認(rèn)值都是按最保守的參數(shù)設(shè)置的，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合總線工作頻率和等待周期等參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)配。有時(shí)把頻率降低反而可提高效率，如RAM的存取周期是70ns，總線頻率為40M時(shí)，設(shè)3個(gè)周期的存取時(shí)間，即75ns即可；若總線頻率為50M時(shí)，必須設(shè)為4個(gè)周期，實(shí)際存取時(shí)間卻放慢到了80ns。

現(xiàn)象五：一個(gè)CPU處理不過來，就用兩個(gè)分布處理，處理能力可提高一倍
點(diǎn)評(píng)：對(duì)于搬磚頭來說，兩個(gè)人應(yīng)該比一個(gè)人的效率高一倍；對(duì)于作畫來說，多一個(gè)人只能幫倒忙。使用幾個(gè)CPU需對(duì)業(yè)務(wù)有較多的了解后才能確定，盡量減少兩個(gè)CPU間協(xié)調(diào)的代價(jià)，使1+1盡可能接近2，千萬別小于1。

現(xiàn)象六：這個(gè)CPU帶有DMA模塊，用它來搬數(shù)據(jù)肯定快
點(diǎn)評(píng)：真正的DMA是由硬件搶占總線后同時(shí)啟動(dòng)兩端設(shè)備，在一個(gè)周期內(nèi)這邊讀，那邊些。但很多嵌入CPU內(nèi)的DMA只是模擬而已，啟動(dòng)每一次DMA之前要做不少準(zhǔn)備工作（設(shè)起始地址和長(zhǎng)度等），在傳輸時(shí)往往是先讀到芯片內(nèi)暫存，然后再寫出去，即搬一次數(shù)據(jù)需兩個(gè)時(shí)鐘周期，比軟件來搬要快一些（不需要取指令，沒有循環(huán)跳轉(zhuǎn)等額外工作），但如果一次只搬幾個(gè)字節(jié)，還要做一堆準(zhǔn)備工作，一般還涉及函數(shù)調(diào)用，效率并不高。所以這種DMA只對(duì)大數(shù)據(jù)塊才適用。

四：信號(hào)完整性
現(xiàn)象一：這些信號(hào)都經(jīng)過仿真了，絕對(duì)沒問題
點(diǎn)評(píng)：仿真模型不可能與實(shí)物一模一樣，連不同批次加工的實(shí)物都有差別，就更別說模型了。再說實(shí)際情況千差萬別，仿真也不可能窮舉所有可能，尤其是串?dāng)_。曾經(jīng)有一教訓(xùn)是某單板只有特定長(zhǎng)度的包極易丟包，最后的原因是長(zhǎng)度域的值是0xFF，當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上時(shí)，干擾了相鄰的WE信號(hào)，導(dǎo)致寫不進(jìn)RAM。其它數(shù)據(jù)也會(huì)對(duì)WE產(chǎn)生干擾，但干擾在可接受的范圍內(nèi)，可是當(dāng)8位總線同時(shí)由0邊1時(shí)，附近的信號(hào)就招架不住了。結(jié)論是仿真結(jié)果僅供參考，還應(yīng)留有足夠的余量。

現(xiàn)象二：100M的數(shù)據(jù)總線應(yīng)該算高頻信號(hào)，至于這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)頻率才8K，問題不大
點(diǎn)評(píng)：數(shù)據(jù)總線的值一般是由控制信號(hào)或時(shí)鐘信號(hào)的某個(gè)邊沿來采樣的，只要爭(zhēng)對(duì)這個(gè)邊沿保持足夠的建立時(shí)間和保持時(shí)間即可，此范圍之外有干擾也罷過沖也罷都不會(huì)有多大影響（當(dāng)然過沖最好不要超過芯片所能承受的最大電壓值），但時(shí)鐘信號(hào)不管頻率多低（其實(shí)頻譜范圍是很寬的），它的邊沿才是關(guān)鍵的，必須保證其單調(diào)性，并且跳變時(shí)間需在一定范圍內(nèi)。

現(xiàn)象三：既然是數(shù)字信號(hào)，邊沿當(dāng)然是越陡越好
點(diǎn)評(píng)：邊沿越陡，其頻譜范圍就越寬，高頻部分的能量就越大；頻率越高的信號(hào)就越容易輻射（如微波電臺(tái)可做成手機(jī)，而長(zhǎng)波電臺(tái)很多國(guó)家都做不出來），也就越容易干擾別的信號(hào)，而自身在導(dǎo)線上的傳輸質(zhì)量卻變得越差，因此能用低速芯片的盡量使用低速芯片，。

現(xiàn)象四：為保證干凈的電源，去偶電容是多多益善
點(diǎn)評(píng)：總的來說去偶電容越多電源當(dāng)然會(huì)更平穩(wěn)，但太多了也有不利因素：浪費(fèi)成本、布線困難、上電沖擊電流太大等。去偶電容的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要選對(duì)容量并且放對(duì)地方，一般的芯片手冊(cè)都有爭(zhēng)對(duì)去偶電容的設(shè)計(jì)參考，最好按手冊(cè)去做。

現(xiàn)象五：信號(hào)匹配真麻煩，如何才能匹配好呢？
點(diǎn)評(píng)：總的原則是當(dāng)信號(hào)在導(dǎo)線上的傳輸時(shí)間超過其跳變時(shí)間時(shí)，信號(hào)的反射問題才顯得重要。信號(hào)產(chǎn)生反射的原因是線路阻抗的不均勻造成的，匹配的目的就是為了使驅(qū)動(dòng)端、負(fù)載端及傳輸線的阻抗變得接近，但能否匹配得好，與信號(hào)線在PCB上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系，傳輸線上的一條分支、一個(gè)過孔、一個(gè)拐角、一個(gè)接插件、不同位置與地線距離的改變等都將使阻抗產(chǎn)生變化，而且這些因素將使反射波形變得異常復(fù)雜，很難匹配，因此高速信號(hào)僅使用點(diǎn)到點(diǎn)的方式，盡可能地減少過孔、拐角等問題。

五：可靠性設(shè)計(jì)
現(xiàn)象一：這塊單板已小批量生產(chǎn)了，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試沒發(fā)現(xiàn)任何問題
點(diǎn)評(píng)：硬件設(shè)計(jì)和芯片應(yīng)用必須符合相關(guān)規(guī)范，尤其是芯片手冊(cè)中提到的所有參數(shù)（耐壓、I/O電平范圍、電流、時(shí)序、溫度PCB布線、電源質(zhì)量等），不能光靠試驗(yàn)來驗(yàn)證。公司有不少產(chǎn)品都有過慘痛的教訓(xùn)，產(chǎn)品賣了一兩年，IC廠家換了個(gè)生產(chǎn)線，咱們的板子就不轉(zhuǎn)了，原因就是人家的芯片參數(shù)發(fā)生了點(diǎn)變化，但并沒有超出手冊(cè)的范圍。如果你以手冊(cè)為準(zhǔn)，那他怎么變化都不怕，如果參數(shù)變得超出手冊(cè)范圍了還可找他索賠（假如這時(shí)你的板子還能轉(zhuǎn)，那你的可靠性就更牛了）。

現(xiàn)象二：這部分電路只要要求軟件這樣設(shè)計(jì)就不會(huì)有問題
點(diǎn)評(píng)：硬件上很多電氣特性直接受軟件控制，但軟件是經(jīng)常發(fā)生意外的，程序跑飛了之后無法預(yù)料會(huì)有什么操作。設(shè)計(jì)者應(yīng)確保不論軟件做什么樣的操作硬件都不應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生永久性損壞。

現(xiàn)象三：用戶操作錯(cuò)誤發(fā)生問題就不能怪我了
點(diǎn)評(píng)：要求用戶嚴(yán)格按手冊(cè)操作是沒錯(cuò)的，但用戶是人，就有犯錯(cuò)的時(shí)候，不能說碰錯(cuò)一個(gè)鍵就死機(jī)，插錯(cuò)一個(gè)插頭就燒板子。所以對(duì)用戶可能犯的各種錯(cuò)誤必須加以保護(hù)。

現(xiàn)象四：這板子壞的原因是對(duì)端的板子出問題了，也不是我的責(zé)任
點(diǎn)評(píng)：對(duì)于各種對(duì)外的硬件接口應(yīng)有足夠的兼容性，不能因?yàn)閷?duì)方信號(hào)不正常，你就歇著了。它不正常只應(yīng)影響到與其有關(guān)的那部分功能，而其它功能應(yīng)能正常工作，不應(yīng)徹底罷工，甚至永久損壞，而且一旦接口恢復(fù)，你也應(yīng)立即恢復(fù)正常。