一個好的硬件工程師實際上就是一個項目經理，你需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成后，你需要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來完成的設計。與此同時，要準備好BOM清單，開始采購和準備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝?！?/p>
基本知識
1)基本設計規(guī)范
2)CPU基本知識、架構、性能及選型指導
3)MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知識、性能詳解及選型指導
4)網絡處理器的基本知識、架構、性能及選型
5)常用總線的基本知識、性能詳解
6)各種存儲器的詳細性能介紹、設計要點及選型
7)Datacom、Telecom領域常用物理層接口芯片基本知識，性能、設計要點及選型
8)常用器件選型要點與精華
9)FPGA、CPLD、EPLD的詳細性能介紹、設計要點及選型指導
10)VHDL和VerilogHDL
11)網絡基礎
12)國內大型通信設備公司硬件研究開發(fā)流程
2、熟練掌握并使用業(yè)界最新、最流行的專業(yè)設計工具
1)ViewDraw，Power，Cam350
2)OrCad，Allegro;AD;PADS
3)各種電路仿真工具
4)學習熟練使用VIEWDRAW、ORCAD、POWER、SPECCTRA、ALLEGRO、CAM350、等工具;
5)FPGA設計工具，各個廠家的。
一、硬件總體設計
啟動一個硬件開發(fā)項目，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)架構的需要，應用軟件部門的功能實現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等，所以作為一個硬件系統(tǒng)的設計者，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項目的原始推動力來自于公司內部的一個高層軟件小組，他們在實際當中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉發(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。根據這個目標，硬件方案中就針對性的選用了兩個高性能網絡處理器，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(shù)量及類型等等細節(jié)，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據通路完全分開來，這樣在確定內部數(shù)據走向的時候要慎重考慮。
項目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應該盡量邀請所有相關部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項目的情況，提早做好時間和人員上協(xié)作的準備，第三是從感情方面講，在設計之初各個部門就參與了進來，這個項目就變成了大家共同的一個心血結晶，會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驗與設計思路
1)產品需求分析
2)開發(fā)可行性分析
3)系統(tǒng)方案調研
4)總體架構，CPU選型，總線類型
5)數(shù)據通信與電信領域主流CPU：M68k系列，
PowerPC860，PowerPC8240，8260體系結構，性能及對比
6)總體硬件結構設計及應注意的問題
7)通信接口類型選擇
8)任務分解
9)最小系統(tǒng)設計
10)PCI總線知識與規(guī)范
11)如何在總體設計階段避免出現(xiàn)致命性錯誤
12)如何合理地進行任務分解以達到事半功倍的效果?
13)項目案例：中、低端路由器等
二.硬件原理圖設計技術
目的：通過具體的項目案例，詳細進行原理圖設計全部經驗，設計要點與精髓揭密。
1)電信與數(shù)據通信領域主流CPU的原理設計經驗與精華
2)Intel公司PC主板的原理圖設計精髓
3)網絡處理器的原理設計經驗與精華
4)總線結構原理設計經驗與精華
5)內存系統(tǒng)原理設計經驗與精華
6)數(shù)據通信與電信領域通用物理層接口的原理設計經驗與精華
7)電信與數(shù)據通信設備常用的WATCHDOG的原理設計經驗與精華
8)電信與數(shù)據通信設備系統(tǒng)帶電插拔原理設計經驗與精華
9)晶振與時鐘系統(tǒng)原理設計經驗與精華
10)PCI總線的原理圖設計經驗與精華
11)項目案例：中、低端路由器等
原理圖設計中要注意的問題：
原理圖設計中要有“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，最關鍵的外圍設計包括了電源，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，設計中要詳細的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入;單板需要產生的電源輸出;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項目中的網絡處理器需要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的開關電源控制器和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，并且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠端反饋的功能。
時鐘電路的實現(xiàn)要考慮到目標電路的抖動等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開始的時候使用一個內部帶鎖相環(huán)的零延時時鐘分配芯片提供100MHz時鐘，結果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，分析起來就是內部的鎖相環(huán)引入了抖動。
芯片之間的互連要保證數(shù)據的無誤傳輸，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，A項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線，在調試和測試中沒有出現(xiàn)問題。
需要熟悉各種電平標準，保證電平匹配。
三.硬件PCB圖設計
目的：通過具體的項目案例，進行PCB設計全部經驗揭密，使你迅速成長為優(yōu)秀的硬件工程師
1)高速CPU板PCB設計經驗與精華
2)普通PCB的設計要點與精華
3)PowerPC、ARM、MIPS、單片機的PCB設計精華
4)Intel公司PC主板的PCB設計精華
5)PC主板、工控機主板、電信設備用主板的PCB設計經驗精華
6)國內著名通信公司PCB設計規(guī)范與工作流程
7)PCB設計中生產、加工工藝的相關要求
8)高速PCB設計中的傳輸線問題
9)電信與數(shù)據通信領域主流CPU(PowerPC系列)的PCB設計經驗與精華
10)電信與數(shù)據通信領域通用物理層接口(百兆、千兆以太網，ATM等)的PCB設計經驗與精華
11)網絡處理器的PCB設計經驗與精華
12)PCB步線的拓撲結構極其重要性
13)PCI步線的PCB設計經驗與精華
14)SDRAM、DDRSDRAM(125/133MHz)的PCB設計經驗與精華
15)項目案例：中端路由器PCB設計
PCB設計中要注意的問題：
PCB設計中要做到目的明確，對于重要的信號線要非常嚴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;內存的時鐘線，控制線和數(shù)據線的長度要求;高速差分線的布線等等。
項目中使用內存芯片實現(xiàn)了1G大小的DDRmemory，針對這個部分的布線是非常關鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓撲分布，數(shù)據線和時鐘線的長度差別控制等方面，在實現(xiàn)的過程中，根據芯片的數(shù)據手冊和實際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求，比如同一組內的數(shù)據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。當這些要求確定后就可以明確要求PCB設計人員來實現(xiàn)了，如果設計中所有的重要布線要求都明確了，可以轉換成整體的布線約束，利用CAD中的自動布線工具軟件來實現(xiàn)PCB設計，這也是在高速PCB設計中的一個發(fā)展趨勢。
四.硬件調試
目的：以具體的項目案例，傳授硬件調試、測試經驗與要點
1)硬件調試等同于黑箱調試，如何快速分析、解決問題?
2)大量調試經驗的傳授;
3)如何加速硬件調試過程;
4)如何迅速解決硬件調試問題;
5)DATACOM終端設備的CE測試要求。
當準備調試一塊板的時候，一定要先認真的做好目視檢查，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，這個好習慣可以避免貿然上電后損壞單板。調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”，這樣最后一定能調試成功。
五.軟硬件聯(lián)合調試
1)如何判別是軟件的錯?
2)如何與軟件進行聯(lián)合調試?
3)大量的聯(lián)合調試經驗的傳授。
總結：
現(xiàn)在從技術的角度來說，每個設計最終都可以做出來，但是一個項目的成功與否，不僅僅取決于技術上的實現(xiàn)，還與完成的時間，產品的質量，團隊的配合密切相關，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個項目的成功。
一個好的硬件工程師實際上就是一個項目經理，他/她需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成后，他/她要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來完成PCB的設計。與此同時，還要準備好BOM清單，開始采購和準備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調試的過程中他/她要組織好軟件工程師來一起攻關調試，配合測試工程師一起解決測試中發(fā)現(xiàn)的問題，等到產品推出到現(xiàn)場，如果出現(xiàn)問題，還需要做到及時的支持。所以做一個硬件設計人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對壓力的調節(jié)能力，同一時間處理多個事務的協(xié)調和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。
能力要求
還有細心和認真，因為硬件設計上的一個小疏忽往往就會造成非常大的經濟損失，比如以前碰到一塊板在PCB設計完備出制造文件的時候誤操作造成了電源層和地層連在了一起，PCB板制造完畢后又沒有檢查直接上生產線貼裝，到測試的時候才發(fā)現(xiàn)短路問題，但是元器件已經都焊接到板上了，結果造成了幾十萬的損失。所以細心和認真的檢查，負責任的測試，不懈的學習和積累，才能使得一個硬件設計人員持續(xù)不斷的進步，而后術業(yè)有所小成。
工程開發(fā)一個重要特點就是“踩在前人的足跡”，就是通過過去幾十上百年的工程實踐，對于各種情況有了很多經驗數(shù)據和經驗方法，比如對于PCBlayout來說，基本上每個公司都有自己的designguidelines/checklist，這就是公司在過去很多項目中總結出來的，每一條可以說都付出了“血”的代價，這是對于板級設計來說了;對于核心芯片和器件，就更是如此了，芯片或器件公司幾十數(shù)百人歷時數(shù)年搞出來的一款芯片和器件，又豈是你通過幾百頁datasheet可以徹底理解的。
大多數(shù)情況下，知道主要接口，參數(shù)，功能和性能就足夠了，尤其是芯片/器件公司提供的designguidelines或者applicationnotes，里面一般都是芯片/器件工程師的肺腑之言，經驗之談，一般來說沒有個十年二十年工作經驗的工程師是寫不了這些東西的?？雌饋黼m然很簡單，看起來像是廢話，但是細細分析，結合電路定理和電磁定律，略微分析，就會發(fā)現(xiàn)簡直字字珠璣。剛畢業(yè)的好學生(一般來說學習好，喜歡啃難題，學習能力強，求知欲強)初干硬件設計，就會發(fā)現(xiàn)涉及的知識點和技術要點太多了，如果這個知識點想要理解透徹，那個知識點也要理解透徹，會發(fā)現(xiàn)一天24小時根本不夠用，但是對不起，公司請你過來不是讓你學習的，是要干硬件設計的，過一個月就要見原理圖了，你還在這捧著OrCAD手冊一個命令一個命令學習OrCAD使用技巧，研究為啥要有串行電阻呢，研究這個電容是取0.1uF還是0.01uF.。
有求知欲是好事，但是那是在工作之余，項目之余，虛心向前輩學習，盡量利用各種designguidelines，盡快完成設計工作，記錄自己的知識缺點，在業(yè)余時間努力學習，理解透徹，通過設計驗證/測試，加深對于知識點的了解，這才是正確的工作方法。
我在剛畢業(yè)的時候欣喜的發(fā)現(xiàn)傳輸線理論太重要了，遂花了一個月把傳輸線理論努力了一把，并推導了大量公式進行驗證，其實總結起來就是幾句話，阻抗匹配，如果接收端阻抗大于發(fā)送端，信號會怎么樣;如果小于，信號會怎么樣;如果開路，會怎么樣;如果短路，會怎么樣，這幾條基本每本信號完整性的書上都會介紹，也不會有很復雜的數(shù)學公式推導，知道就行了，然后就是如何平衡發(fā)射端的阻抗，串行電阻，PCB阻抗，匹配阻抗等等，都是簡單的數(shù)學公式。
關于硬件設計的各種技術/標準/芯片/器件都要知道，需要的時候，能夠信手拈來，功能性能，參數(shù)特性，優(yōu)點缺點。
1.快速學習的能力：
一方面，通信技術，標準，芯片更新的太快了，快到你根本來不及系統(tǒng)的了解它，只能通過特定的項目，需求進行了解;另一方面對于公司來說，需要做的硬件產品也是變化很快，客戶需要T1，E1，PDH，SDH，Ethernet，VoIP，Switch，Router，沒有人是什么都懂的，都需要能夠結合客戶的需求，選擇的芯片方案進行詳細了解，尤其對于接口協(xié)議和電氣特性。
2.通信協(xié)議和標準的理解：
通信設備，顧名思義，就是用來實現(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)實現(xiàn)通信的設備，各種電路，PCB板，電源都是為了通信協(xié)議服務的。
通信協(xié)議一般都是由芯片實現(xiàn)，要么是成熟的，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跟靠近通信協(xié)議，他們需要對于通信協(xié)議理解很透徹，實現(xiàn)各種邏輯上的狀態(tài)機以及滿足協(xié)議規(guī)定的電氣參數(shù)標準。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)據鏈路層的協(xié)議標準，以Ethernet距離，物理層是由PHY/transceiver芯片完成，數(shù)據鏈路層是由MAC/switch芯片完成，對于從事Ethernet相關開發(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(tǒng)PDH/SDH/SONET設備就更是如此，PDH/SDH/SONET是更硬件的設備，就是說主要協(xié)議都是通過實現(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協(xié)議和接口標準，尤其對于電氣規(guī)范，眼圖模板，這樣在設計驗證的時候才能胸有成竹。
3.寫文檔的能力：
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，實現(xiàn)什么功能，達到什么驗收標準，隨著芯片集成度的增加，接口速率的提高，單板復雜度的提高，硬件設計也越來越復雜以及對應熱穩(wěn)定性，可靠性，電磁兼容，環(huán)境保護的要求，已經不是通過小米加步木。倉的游擊戰(zhàn)可以解決了，每一個硬件項目都是一場戰(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：一個是硬件設計規(guī)范(HDS：hardwaredesignspecification)和硬件測試報告(一般叫EVT：EngineeringValidation&Testreport或者DVT：DesignValidation&Testreport)，對于HDS的要求是內容詳實，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，各芯片之間連接關系框圖(BlockDiagram)，DRAM類型/大小/速度，F(xiàn)LASH類型/大小/速度，片選，中斷，GPIO的定義，復位邏輯和拓撲圖，時鐘/晶振選擇/拓撲，RTC的使用，內存映射(Memorymap)關系，I2C器件選擇/拓撲，接口器件/線序定義，LED的大小/顏色/驅動，散熱片，風扇，JTAG，電源拓撲/時序/電路等等。
對于DVT來說，要求很簡單也很復雜：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/時序，業(yè)務接口的眼圖/模板，內部數(shù)據總線的信號完整性和時序(如MII，RGMII，XAUI，PCIe，PCMbus，TelecomBus，SERDES，UART等等)，CPU子系統(tǒng)(如時鐘，復位，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，最后驗證測試的結果如何。內容詳實，不遺漏各種接口/電路;簡單名了，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。
4.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，AllegroViewer，電路仿真軟件PSPICE，信號仿真軟件HyperLynx等等。
無論儀表還是軟件，在政治經濟學里說都是生產工具，都是促進生產力提高的，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計的具體實現(xiàn)，通過一個個器件的擺放，一個個NET的連接，構成了是十分復雜的硬件邏輯軟件，是整個硬件設計的核心工作，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計意圖，需要特別注意之處，不好的設計，東一個器件，西一個器件，沒有邏輯，命名怪異，難以理解，日后維護起來相當麻煩;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，不會正確的使用示波器根本談不上正確的驗證，接地有沒有接好，測試點的選擇，觸發(fā)的選擇，延時的選擇，幅度、時間的選擇，都決定著測試的結果。如果錯誤的使用示波器必然帶來錯誤的測試結果，這種情況下，有可能本來是錯誤的設計被誤認為是正確的，帶來巨大的隱患;本來是正確的設計被誤認為是錯誤的，帶來大量的時間精力浪費。
5.電路設計的能力：
隨著芯片集成度的提高，硬件設計似乎變簡單了。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)在工作電壓已經降到1V了，什么概念，信號線上的噪聲都已經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)，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習，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，串擾，電磁輻射的理解。
尤其對于電源電路設計上，現(xiàn)在芯片電壓多樣化，電壓越來越低，電流越來越大，運營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(zhàn)越來越大。可以說，對于一個硬件設計來說，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(xiàn)，各種被動器件、半導體器件、保護器件、DC/DC轉換典型拓撲，都有很多參數(shù)，公式需要考慮到，計算到。
6.溝通和全局控制的能力：
硬件工程師在一個硬件項目中，一般處于Teamleader的作用，要對這個硬件項目全權負責，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，并與產品經理，項目經理，軟件工程師，生產工程師，采購工程師緊密配合，確保各個環(huán)節(jié)按部就班，需要對整個項目計劃了然于胸，各個子任務的發(fā)布時間，對于可能出現(xiàn)的技術難題和風險的估計，控制。
下載文檔
