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高級硬件工程師的知識與能力要求

倩倩 ? 來源:硬件筆記本 ? 作者:硬件筆記本 ? 2022-04-14 16:00 ? 次閱讀

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

MOTOROLA公司的PowerPC系列基本知識、性能詳解及選型指導

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

各種存儲器的詳細性能介紹、設(shè)計要點及選型

Datacom、Telecom領(lǐng)域常用物理層接口芯片基本知識,性能、設(shè)計要點及選型

常用器件選型要點與精華

FPGA、CPLD、EPLD的詳細性能介紹、設(shè)計要點及選型指導

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、OrCadAllegro、ADPADS、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(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,他們在實際當中發(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,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(shè)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(jié)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(shè)計所必須具備的硬件設(shè)計經(jīng)驗與設(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

如何合理地進行任務(wù)分解以達到事半功倍的效果?

項目案例:中、低端路由器等

硬件原理圖設(shè)計

目的:通過具體的項目案例,詳細進行原理圖設(shè)計全部經(jīng)驗,設(shè)計要點與精髓揭密。

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)驗與精華

總線結(jié)構(gòu)原理設(shè)計經(jīng)驗與精華

內(nèi)存系統(tǒng)原理設(shè)計經(jīng)驗與精華

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)驗與精華

晶振與時鐘系統(tǒng)原理設(shè)計經(jīng)驗與精華

PCI總線的原理圖設(shè)計經(jīng)驗與精華

項目案例: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?。?a href="http://www.xsypw.cn/soft/data/4-5/" target="_blank">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(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(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,A項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準,保證電平匹配。

硬件PCB設(shè)計

目的:通過具體的項目案例,進行PCB設(shè)計全部經(jīng)驗揭密,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)驗與精華

普通PCB的設(shè)計要點與精華

PowerPC、ARM、MIPS、單片機的PCB設(shè)計精華

Intel公司PC主板的PCB設(shè)計精華

PC主板、工控機主板、電信設(shè)備用主板的PCB設(shè)計經(jīng)驗精華

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)驗與精華

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

PCB步線的拓撲結(jié)構(gòu)極其重要性

PCI布線的PCB設(shè)計經(jīng)驗與精華

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

項目案例: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。

項目中使用內(nèi)存芯片實現(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撲分布,數(shù)據(jù)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(jù)芯片的數(shù)據(jù)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(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。當這些要求確定后就可以明確要求PCB設(shè)計人員來實現(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:以具體的項目案例,傳授硬件調(diào)試、測試經(jīng)驗與要點。

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

當準備調(diào)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(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

如何與軟件進行聯(lián)合調(diào)試

大量的聯(lián)合調(diào)試經(jīng)驗的傳授

能力

快速學習的能力

一方面,通信技術(shù),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(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,選擇的芯片方案進行詳細了解,尤其對于接口協(xié)議和電氣特性。

通信協(xié)議和標準的理解

通信設(shè)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(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(jù)鏈路層的協(xié)議標準,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),眼圖標準,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)議和接口標準,尤其對于電氣規(guī)范,眼圖模板,這樣在設(shè)計驗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(shè)計也越來越復雜以及對應(yīng)熱穩(wěn)定性,可靠性,電磁兼容,環(huán)境保護的要求,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,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,復位邏輯和拓撲圖,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/拓撲,接口器件/線序定義,LED的大小/顏色/驅(qū)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(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(jié)果如何。內(nèi)容詳實,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)濟學里說都是生產(chǎn)工具,都是促進生產(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(shè)計工作,但是任何設(shè)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(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)計被誤認為是正確的,帶來巨大的隱患;本來是正確的設(shè)計被誤認為是錯誤的,帶來大量的時間精力浪費。

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。相關(guān)推薦:如何成為高級硬件設(shè)計工程師?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(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,運營商對于通信設(shè)備功耗的嚴格要求,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、半導體器件、保護器件、DC/DC轉(zhuǎn)換典型拓撲,都有很多參數(shù),公式需要考慮到,計算到。

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Team leader的作用,要對這個硬件項目全權(quán)負責,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)難題和風險的估計,控制。

審核編輯 :李倩

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