硬件的总体设计

[导读]搞嵌入式，可能自己还做硬件，那么怎么总体规划呢？

1、硬件框图
首先，总体设计是需要交付一张硬件框图的。有的人有强迫症，需要用visio画出很多细节。有的人，觉得大概把主要的核心器件放一下，示意一下就可以了。自然总体框图的美观程度不代表硬件的绝对水平。

当然除了表示出芯片，还需要表示出芯片之间的接口。考虑接口的时候，就需要考虑接口的速率。很久以前看到有同事，想在I2C上走视频信号，应该是没有仔细考虑视频信号的带宽，和I2C总线能够承载的最大速率。
工欲善其事,必先利其器是说:工匠想要使他的工作做好，一定要先让工具锋利。比喻要做好一件事，准备工作非常重要。语出《论语·卫灵公》：子贡问为仁。子曰：“工欲善其事，必先利其器。居是邦也，事其大夫之贤者，友其士之仁者。” 这个准备工作，当然不只是指工具，还有动手之前的策划、思考、评估、方案设计、架构设计等。
硬件工程师动手画原理图之前，需要画的一个东东就是，用“猥琐”（Visio）画出电路板方案框图。

2、业务模型
硬件知识背景的开发人员，比较容易先关注芯片选型和接口的选择。其实一个总体设计，应该先从电路板（或者说产品的角度）怎么使用的角度开始思考。特别是电信设备的电路板，我们需要考虑对外接口，需要考虑数据在整个硬件系统里面的流向，同时需要考虑在电路板内部，数据的流向和走向。

所以，业务模型决定的，数据通信的带宽，也决定了FPGA、DSP等芯片外挂的DDR的带宽和容量。同时业务模型，也决定了处理器的能力需求。
如果是非服务器模型，我们一般用浮点计算和整点计算的算力对芯片的规格进行约束，如果是服务器模型，我们需要使用Intel定义的一些算力评估方法对处理器能力进行评估。
所以业务决定硬件，而不是先选定硬件再看能够承载什么样的业务。脱离业务模型的评估硬件需求，都是耍流氓。
4、关键器件分析
我们研发一个新项目的时候，不可避免的会使用我们没有使用过的器件，甚至是整个公司都没有使用过的器件。
我们根据设计需求选定了基本方案之后，需要对新器件、关键器件进行应用分析，输出应用分析报告，并召集相关人员、管理者、有经验的工程师进行评审和分析。
方案分析过程中需要参考和更新器件的Bug List和设计注意事项。同时收集案例，并给出应对解决措施，提前预防已知问题。
关键器件不仅仅局限于新引入的器件，还包括复杂的器件、开发人员及项目组经验积累都不足的器件。
这个关键器件的分析，我们需要对器件的datasheet进行分析、寻找并Demo板、查阅厂家的errata，寻找已经产品化或者已经完成过的设计，部分电路的改动，需要动手做电路实验、或者做电路仿真，进行验证。
5、预布局、结构设计、热设计（焦灼与迭代）
我们根据需求，明确了必要的功能、性能、然后明确了关键器件，也就是电路板上面大功率器件、新器件、复杂器件都已经敲定了。那么我们可以做一个预布局，明确电路板尺寸，形状的大致想法。
我们为了实现一个准确的预布局，需要输出一个预布局原理图，要求原理图至少包含主要器件、电源、热敏感器件和接插件。
预布局需要把电路板的信号流向、器件功能、主要器件的电源管脚分布、整个电路板的电源的基本分布和流向。
然后把相关的诉求，提供给ID工程师，给一个基本的ID设想，然后由结构工程师进行结构设计的细化。
如果是成熟的机框，则这个过程相对简单一些，例如ATCA、VPX这种标准机框。一些个人消费电子产品这个过程反复的可能性非常大。
为了避免这个过程，硬件工程师在完成初步的预布局，之后应该把自己的设计诉求，全部记录在《结构要素图设计说明书》中，提供给结构和ID工程师。
硬件工程师需要提供单板布局和器件热耗（功耗）表、各器件散热参数。数字器件要注意提供尽量准确的功耗数据，特别是DDR/FPGA等器件要根据使用场景进行计算。提供的器件的功耗需要准确，避免过设计，也避免散热风险。
当存在工程挑战的时候，硬件需要在预布局、结构设计、热设计之间进行焦灼和迭代。最终达到一个最佳的平衡的效果，有时候不得已还需要跟需求进行平衡。
6、硬件与软件
应用决定软件、软件决定硬件。所以硬件选型，特别是CPU的选型，需要充分考虑软件需求。小公司，需要考虑软件工程师的开发能力和已经具备的技术储备。大公司，需要考虑公司的软件路标、OS的选型规划、软件开发工作量、软件的归一化、商用OS的供应商现状等等。