硬件工程师遇到的问题总结

对于一个硬件工程来说，要完成一个硬件工程，考察的是硬件工程师各方面的能力，不单单是会设计原图、画板，下面分享一些经验总结。
一、节约成本
现象1

我们的系统要求这么高的工作频率，RAM、ROM、CPU、FPGA所有的芯片都选最快的。

A: 在一个高速系统中并不是每一部分都工作在高速状态，器件速度每提高一个等级，价格就可能会翻一倍，而且还有可能带来信号完整性方面的问题。

现象2

简单的逻辑电路用74xx门电路搭一下就行，但太low，还是用MCU或者CPLD显的高档。

A:提这个问题的小伙，感情公司不是你家开的吧，74xx的门路贼便宜，MCU和CPLD都是几十块钱，成本估计一下子就提高了N倍，还给生产、文档等工作增加了大量工作量。

现象3
程序只要实现功能，测试下来稳定就可以了，代码长短，效率高低，不是关键

A:CPU和存储器的速度都是和钱挂钩，如果在系统设计时多优化一下代码结构，提高程序效率，可以降低CPU的主频、减少存储器的容量，这两点所节约的成本绝对是划算的。

现象4

所有的电源芯片都用国外的（ADI，TI，MPS等），纹波和瞬态响应比较好，国产的太差了。
A:欧美品牌的电源管理纹波和瞬态响应是特别好，到某些国产的电源也是ok的，像贝岭、润石，以及电源管理IC，像全志、瑞芯微等，只要满足负载端的电源纹波要求，也完全是可以采用的。

                         二、低功耗设计

现象1
系统是220V交流供电，就不用在乎功耗问题了。
A:低功耗设计不单单是为了省电，更多时候是降低电源模块和以及散热系统的成本，由于电流减小，也减小了电磁辐射和热噪声，也有助于延长电子器件的寿命（电子元件的工作温度每提高10℃，寿命则缩短一半）。

现象2
这些总线信号都用电阻拉一下，感觉放心些。
A:信号需要上下拉的原因有很多，也不是每个都需要上下拉。上下拉电阻拉一个单纯输入的信号，电流也就十几微安以下，但是拉一个被驱动了的信号，其电流可以达到毫安。现在的系统地址和数据都是32位，可能还有244/245隔离后的总线及其他信号，消耗的功耗达到几瓦。

现象3
这些小芯片功耗这么低，不用考虑
A:对于内部复杂芯片的功耗是很难确定的，它主要由引脚上的电流来确定。

现象4
降低功耗是硬件人员的事，与软件没有关系
A:一个系统组成主要是硬件+软件，硬件是平台，相当于人的身体，软件也是思想逻辑，相当于人的大脑，试想如果身体不动，大脑在努力的想问题，同样感觉到累，但如果什么都不思考，很少能感觉到累。
总线上每一片芯片的访问，每个信号都翻转差不多都需要软件控制。如果软件能连上外存访问的次数（多使用寄存器变量、多使用内部CACHE 等），以及响应中断（中断往往是低电平有效并带走上拉电阻）以及其他针对单板的措施都对降低功耗有突出的贡献。

                         三、系统效率

现象1
系统主频选用越高越好，对外界任务处理的越快。
A：系统处理能力与很多因素有关，在通信应用中瓶颈一般与存储器有关，存储器的速度快不起来，处理器再快也是徒劳。

现象2
cpu用大一些的CACHE，系统就能处理的快了
A:CACHE的增大，不一定能提高系统的性能。因为只有搬到CACHE中的数据必须多次重复利用才能提高系统效率。所以在通信系统中一般只打开指令CACHE，数据CACHE即使打开也只局限在部分存储空间，如堆栈部分。

现象3
多任务到底是中断还是查询，中断即时响应更好。
A:用中断还是查询，要具体情况具体分析。中断实时性强，但不一定快，如果中断任务很多，前一个没退出来，后一个就到来，一会儿系统就崩溃了。所以要根据具体情况来决定用哪一种，如果任务很多，那么最好的方法是在
中断中查询，即进一次中断，就把积累的所有任务都处理完再退出。

现象4
存储器的接口时序都是厂家默认的配置，不用修改。
A：BSP对存储器接口设置的默认值都是最保守的，在实际工作中应结合总线工作频率和等待周期等参数进行合理调配。有时把频率降低反而能提高效率。如RAM的存取周期是70ns,当总线频率为40 MHz时，设3个周期的存取时间，周期为75ns即可。总线频率为50MHz时，必须设为4个存取周期，实际存取时间为85ns（CPU对RAM的数据通信必须大于等于RAM的存取周期）
现象5
一个CPU处理不过来，就用两个分布处理，处理能力可提高一倍。
A是否采用两个CPU，必须要根据实际使用情况来确定，如果在系统运行过程中，两个cpu之间一直在互相协调处理任务，那么效率就可能低于单个cpu。

                         四、信号完整性

现象1
这些信号都是低速信号，不用考虑仿真和阻抗匹配。
A：首先信号是高速还是低速，不能只看信号频率，还要看信号的上升沿，（一般而言，在信号传输路径的长度（即信号线的长度）小于信号有效波长的1/6时，可认为在该传输路径上，各点的电平状态近似相同，即低速信号，反之为高速信号。）所以，是否进行阻抗匹配，还要看信号要求。

现象2
这些信号都经过仿真，绝对没问题。
A：仿真模型不可能和实物一模一样，不同生产批次实物都会有差别。实际情况千差万别，仿真结果都是在理想条件下的数据，尤其是像串扰，网上看到这样一个例子，单板测试时，只有特定长度的包极易丢包，最后确定的原因是，极易丢包的数据是0xff，当这个数据出现在总线上时，干扰了相邻的we信号，导致无法写入RAM，其他信号也会对we产生干扰，但影响都在可接受的范围内，当8位总线同时由0变1时，旁边的we信号就受到了干扰，所以仿真结果只能用来参考，还要预留有足够的余量。

现象3
数字信号越陡峭越好
A: 边沿越陡峭，其频谱范围就越宽，高频的就越多，能量就越大，频率越高的地方越容易产生辐射，越容易干扰别的信号，而自身在导线上的传输质量会变的越差，所以能用低速芯片，优先用低速芯片，如果低速满足不了需求，再选用速度较高速度的芯片。

现象4
为保证干净的电源，去耦电容多多益善。
A ：整体来讲电容越多电源越平稳，但是增多的话，也会带来其他方面的影响，比如说成本增加、布线难度增加、上电冲击电流大，去耦电容

现象5
信号匹配真麻烦，如何才能匹配好？
A：关于信号匹配总原则是当信号的传输时间超过其跳变时间，信号的反射问题才显得重要。信号产生反射的原因是线路阻抗不均匀所致，匹配的目的就是为了使驱动端、负载端和传输线的阻抗变的接近，但能否匹配得好，与信号在PCB上的拓扑有很大关系，传输线上的
一条分支，一个过孔，一个拐角，一个插接件，不同位置与地线的距离的改变，都可使阻抗距离变化，而这些波形使反射波形变得异常复杂，很难匹配。因此高速信号仅使用点到点的方式，尽可能减少过孔、拐角等。

                        五、可靠性

可靠性问题主要是指板子在运行过程中，能否在使用环境、软件升级、外部通信等场景中稳定运行，使用环境就是高低温变化，外部接口是否有足够的兼容性。

现象1
这部分IO口、电源使能引脚只需要在软件上做好配置就行，不需要硬件配置。
A: 某些关键的引脚/io，除了软件上需要做好配置外，硬件必须要在关键的引脚或信号上做上下拉，避免在软件运行来之前，电平不对造成其他影响。

现象2
这块单板已经小批量生产了，经过长时间测试没有任何问题。
A：硬件设计和芯片应用必须符合相关规范，尤其是芯片手册中提到的所有参数（耐压，io口电平范围，电流，时序，温度，PCB布线，电源质量等），不能只靠试验来验证。网上有个例子，卖出板子运行了两年没有问题，但是IC厂更换了生产线，板子就不正常工作了，原因是人家芯片参发生了一些变化，但并没有超出手册的范围。所以硬件设计还是要以手册为准。

现象3
用户操作问题，就不能怪我了
A：要求用户严格按手册要求是没有错的，但用户也是人，人都有犯错的时候，不能说插错一个线头就烧板子、轻微摔一下就死机，所以硬件设计要对用户可能犯的问题加以保护。

现象4
板子坏的原因是外部连接的板子信号出问题了，不能把责任归于我。
A：板子对外的接口要有足够的兼容性，不能因为对方信号不正常，就罢工了，一般来讲，硬件都需要按模块来划分，如果某个信号不正常，它只能影响与它相关的那部分功能，而其他功能应该正常工作，不应该罢工或者永久损坏，一旦外部接口的信号正常，相关功能也应该恢复正常工作。

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