什么是硬件？什么是硬件設(shè)計(jì)？

1.什么是硬件？

百度百科介紹"硬件（英文名Hardware）是計(jì)算機(jī)硬件的簡(jiǎn)稱(chēng)（中國(guó)大陸及香港用語(yǔ)，臺(tái)灣作硬體），是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子，機(jī)械和光電元件等組成的各種物理裝置的總稱(chēng)。這些物理裝置按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體為計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行提供物質(zhì)基礎(chǔ)。"

也就是說(shuō)硬件是物理層面的，至少是你能看得到摸得著的東西，它是一種物質(zhì)載體，物質(zhì)基礎(chǔ)。廣義來(lái)說(shuō)人類(lèi)都是生活在物質(zhì)基礎(chǔ)之上，你可以把所有你能看到的東西都統(tǒng)稱(chēng)為硬件。當(dāng)然狹義來(lái)說(shuō)，一般我們所說(shuō)的軟件和硬件指的是電子領(lǐng)域的。

軟件代碼也是人編寫(xiě)的，我們所熟知的語(yǔ)言比如C、C++等都是通過(guò)編譯器翻譯成匯編語(yǔ)言，然后匯編語(yǔ)言通過(guò)匯編器翻譯成二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言，機(jī)器語(yǔ)言操控門(mén)電路完成相應(yīng)的動(dòng)作。個(gè)人覺(jué)得，沒(méi)有硬件，軟件就沒(méi)有存在的意義，硬件是一切的基礎(chǔ)，這里可以看出硬件設(shè)計(jì)是多重要。

但軟件和硬件又有明顯的區(qū)分，至少工作內(nèi)容區(qū)別很大。按照行業(yè)內(nèi)描述硬件屬于底層（一般稱(chēng)為底層硬件），軟件稱(chēng)為上層（軟件又分為：底層驅(qū)動(dòng)、上層業(yè)務(wù)以及應(yīng)用層等）。如果非要舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明軟件和硬件， 那最好的例子就是人，硬件指人的軀體，而軟件指人的思維。

其實(shí)對(duì)于非電子領(lǐng)域的人，很難想明白計(jì)算機(jī)是怎么工作的，硬件是怎樣工作的，軟件是怎樣工作的，即使你知道都是0和1，但你沒(méi)做過(guò)相關(guān)工作，你發(fā)現(xiàn)不了其中的神奇之處。其實(shí)你只要知道，軟件驅(qū)動(dòng)硬件工作，驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)是什么？是電訊號(hào)！硬件接收到的這個(gè)電訊號(hào)分為0和1，硬件的響應(yīng)速度非?？?，多快呢？舉個(gè)例子，硬件中常用的串口波特率115200bit per second，一秒鐘115200個(gè)0或者1，英語(yǔ)字母是8個(gè)bit（可在ASCII表看到，這在大學(xué)都學(xué)過(guò)），那就是一秒鐘可打印14400個(gè)字母。你眨下眼睛一萬(wàn)多個(gè)字母就出來(lái)了。當(dāng)然實(shí)際上并沒(méi)有這么多，這只是個(gè)形象的例子。

但在電路設(shè)計(jì)上100kHz屬于比較慢的速率了。再比如顯示器一幅圖的刷新頻率在一秒鐘24個(gè)以上，我們?nèi)搜劬涂床怀鰜?lái)。24幀的數(shù)據(jù)是非常大的，比如1080p30格式輸出，總的數(shù)據(jù)量是一秒鐘1920*1080*12*30= 746496000個(gè)0或者1，也就是7億個(gè)0或者1。

2.什么是硬件設(shè)計(jì)？

一般來(lái)說(shuō)硬件設(shè)計(jì)指的是電路設(shè)計(jì)，這樣說(shuō)是沒(méi)問(wèn)題的，因?yàn)槟闼械墓ぷ鞫际菄@電路設(shè)計(jì)，最終的目標(biāo)也是產(chǎn)出一個(gè)優(yōu)秀的電路，能夠滿足各種要求，經(jīng)歷各種考驗(yàn)。但實(shí)際上我們要求的是產(chǎn)品，而不是單板。

網(wǎng)上有一篇文章講的挺好："硬件設(shè)計(jì)就是根據(jù)產(chǎn)品經(jīng)理的需求PRS（Product Requirement Specification），在COGS（Cost of Goods Sale）的要求下，利用目前業(yè)界成熟的芯片方案或者技術(shù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成符合：

PRS功能（Function）

性能（perrformance）

電源設(shè)計(jì)（power Supply）

功耗（power Consumption）

散熱（Thermal/Cooling）

噪音（Noise）

信號(hào)完整性（Signal Integrity），

電磁輻射（EMC/EMI）

安規(guī)（Safet）

器件采購(gòu)（Component Sourcing）

可靠性（Reliability）

可測(cè)試性（DFT: design for test）

可生產(chǎn)性（DFM：design for manufacture）

等上述要求的硬件產(chǎn)品（注意：是產(chǎn)品不是開(kāi)發(fā)板）?？梢钥吹?，一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì)，主要功能的實(shí)現(xiàn)只是所有環(huán)節(jié)中的一小部分。剛開(kāi)始工作的時(shí)候，覺(jué)得板子電路設(shè)計(jì)完就完成了50%工作，PCB回板主要功能都能實(shí)現(xiàn)了，那就完成了80%的工作。實(shí)際上不是的，PCB回板主要功能都實(shí)現(xiàn)了，連30%工作都沒(méi)有。所以不管是時(shí)間上，還是階段上，產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)漫長(zhǎng)過(guò)程。

而且你在一個(gè)公司做產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)，一般情況下都是參考成熟的方案，主芯片CPU主要功能的實(shí)現(xiàn)最終還是依靠芯片廠商提供的套片方案，一般來(lái)說(shuō)為了降低風(fēng)險(xiǎn)，主要是參考套片方案的參考設(shè)計(jì)完成，芯片廠商也會(huì)提供包括器件封裝，參考設(shè)計(jì)，仿真模型，PCB參考等等全部資料，在芯片功能越來(lái)越復(fù)雜的今天，一個(gè)片子動(dòng)不動(dòng)就幾百上千個(gè)PIN，對(duì)于一個(gè)新項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有時(shí)間一頁(yè)頁(yè)去吃透每個(gè)PIN，每個(gè)輸入輸出的具體功能，電氣參數(shù)的，尤其是對(duì)于高速設(shè)計(jì)，比如DDR3接口，XAUI接口等等。一般來(lái)說(shuō)芯片廠商提供的參考設(shè)計(jì)就是他們經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證，測(cè)試的最佳方案了，很多情況就是你必須按照參考設(shè)計(jì)來(lái)做，否則硬件可能就有問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)就是信號(hào)完整性問(wèn)題或者EMC問(wèn)題。"

那有的人就說(shuō)了，硬件電路設(shè)計(jì)談不上設(shè)計(jì)，都是copy成熟電路。芯片廠商提供越來(lái)越周到的服務(wù)，再加上公司沉淀的技術(shù)積累，硬件設(shè)計(jì)工程師可以完全不動(dòng)腦子進(jìn)行電路設(shè)計(jì)?？雌饋?lái)硬件工程師HWE（Hardware Engineer）的價(jià)值越來(lái)越低了，畢竟一個(gè)產(chǎn)品的核心功能或者技術(shù)一般都在IC或者FPGA里面了，HWE一般沒(méi)有能力進(jìn)行核心邏輯設(shè)計(jì)IC design。那如果按照這個(gè)邏輯軟件設(shè)計(jì)也談不上設(shè)計(jì)，都是copy成熟代碼。試問(wèn)有幾個(gè)軟件開(kāi)發(fā)人員不移植別人的代碼？再深入點(diǎn)，有幾個(gè)軟件工程師能隨意更改uboot、kernel，不百度C語(yǔ)言語(yǔ)法，不移植業(yè)務(wù)程序，不去問(wèn)芯片廠商的技術(shù)支持？即使都是成熟的東西，實(shí)際上工作過(guò)程中我并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)哪個(gè)項(xiàng)目做得很快，同樣一套電路和代碼，成熟產(chǎn)品沒(méi)問(wèn)題，新產(chǎn)品為什么就有問(wèn)題？？最后還是是硬件設(shè)計(jì)去解決。

對(duì)于這上述問(wèn)題，我也曾經(jīng)困惑過(guò)，總是感覺(jué)硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有什么好搞的了，不就是抄抄參考設(shè)計(jì)，就跟組裝一臺(tái)電腦一樣組裝一個(gè)單板嘛。當(dāng)然隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增多，尤其從事現(xiàn)在硬件系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的角色，感覺(jué)原來(lái)自己考慮更多是從一名原理圖設(shè)計(jì)工程師的角度考慮問(wèn)題，看問(wèn)題總是很片面。就像開(kāi)始說(shuō)的，一個(gè)成功的硬件設(shè)計(jì)，功能Function只是一小部分，至于其他的因素和能力，一個(gè)HWE的能力取決于能考慮因素越多，越深入，就越是一個(gè)優(yōu)秀的HWE工程師。

所以HWE是吃經(jīng)驗(yàn)的，對(duì)公司來(lái)說(shuō)培養(yǎng)一個(gè)HWE成本很高，硬件不會(huì)像軟件一樣代碼錯(cuò)了修改一下幾分鐘就可以搞定，硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)了，那有可能全部都要重來(lái)，整個(gè)項(xiàng)目周期可能就要延遲3周甚至一個(gè)月以上。比如最近遇到的SENSOR出圖像，效果不好，亮壞點(diǎn)比較多，硬件電路這邊沒(méi)法跳線，這和布局布線有關(guān)，只有改板。

有個(gè)觀點(diǎn)需要說(shuō)明一下，啥都不懂也可以做出事情，但對(duì)個(gè)人來(lái)說(shuō)會(huì)有發(fā)展天花板。硬件方面就像參考電路一樣，你不知道電路怎么工作的也能把他用起來(lái)，軟件方面就像uboot和kernel一樣你看不懂也能用起來(lái)，但一旦你懂，那就不一樣了。就像一談到硬件設(shè)計(jì)，大家都認(rèn)為是電路設(shè)計(jì)，好簡(jiǎn)單，沒(méi)什么難度，但實(shí)際上不是的，越到底層越難，責(zé)任越大，部門(mén)交流越多。懂得越多，學(xué)的越容易，就能夠走的越遠(yuǎn)。

3.什么是硬件電路設(shè)計(jì)？

顧名思義，硬件電路設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)電路的，能夠熟練使用cadence繪制電路與查看PCB。硬件設(shè)計(jì)中的電路設(shè)計(jì)是HWE最重要的職責(zé)。電路設(shè)計(jì)考驗(yàn)的是HWE的設(shè)計(jì)基本功，即對(duì)一些硬件器件的理解以及靈活應(yīng)用，比如：

CPU

電阻，電容，電感，

二極管，三極管，

保護(hù)器件，接口器件，

邏輯芯片，邏輯功能，

小芯片

電源

因?yàn)楸救耸荅MC專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，所以對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的東西深有感觸，我們上述討論的硬件設(shè)計(jì)的13條東西都應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)候考慮，目前大公司的各種流程保證了設(shè)計(jì)時(shí)各部門(mén)的聯(lián)動(dòng)，還是很好的。

每個(gè)公司都會(huì)有自己的硬件電路設(shè)計(jì)規(guī)范，這個(gè)需要自己好好去看一下，并用在實(shí)踐中。硬件電路設(shè)計(jì)主要針對(duì)電路設(shè)計(jì)，里面涉及的東西比較多，對(duì)電路模塊的設(shè)計(jì)后面會(huì)有單獨(dú)的章節(jié)討論。硬件電路設(shè)計(jì)需要足夠的經(jīng)驗(yàn)與理論知識(shí)。

4.硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

硬件部門(mén)開(kāi)發(fā)流程指定后，需要硬件部門(mén)人員嚴(yán)格按照開(kāi)發(fā)流程完成開(kāi)發(fā)工作。硬件部開(kāi)發(fā)流程主要分為如下幾個(gè)步驟

1） 市場(chǎng)調(diào)研

對(duì)即將進(jìn)行的項(xiàng)目，需要進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研。市

2） 立項(xiàng)

市場(chǎng)調(diào)研完成后后，首先需要進(jìn)行立項(xiàng)工作。

3） 硬件總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目立項(xiàng)后，需要進(jìn)行硬件總體設(shè)計(jì)。

4） 核心器件的實(shí)驗(yàn)及分模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)核心器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且開(kāi)始進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)方案。

5） 電路、程序及外殼設(shè)計(jì)

核心器件的實(shí)驗(yàn)及分模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行電路、程序及外殼設(shè)計(jì)。電路、程序及外殼設(shè)計(jì)按照項(xiàng)目設(shè)。

6） 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

每個(gè)分塊部分調(diào)試完成后，即可進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

7） 內(nèi)部審核、項(xiàng)目驗(yàn)收

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成后，項(xiàng)目即可進(jìn)行內(nèi)部審核、項(xiàng)目驗(yàn)收。

5.什么是硬件工程師？

硬件工程師負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)。這里好久之前在知乎上看到一篇專(zhuān)門(mén)講解硬件工程師的文章，覺(jué)得講的很好，在這里貼出來(lái)：https://www.zhihu.com/question/28610994。

5.1.硬件工程師的職責(zé)

一個(gè)硬件產(chǎn)品的研發(fā)流程，如下圖所示：

公司內(nèi)的所有崗位都同等重要的。雖然各團(tuán)隊(duì)的重要性一致的，但研發(fā)團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的位置應(yīng)該更加核心。研發(fā)人員可以轉(zhuǎn)去做市場(chǎng)、測(cè)試、供應(yīng)鏈或者質(zhì)量管理等，但市場(chǎng)等崗位的人卻很難轉(zhuǎn)做研發(fā)。一來(lái)研發(fā)門(mén)檻高，二來(lái)研發(fā)工作接觸面廣。而在整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，硬件工程師做主導(dǎo)作用。

一般情況下我們所說(shuō)的研發(fā)不僅僅局限于軟件硬件，而是整個(gè)項(xiàng)目組，這里包括基本上所有部門(mén)的產(chǎn)品負(fù)責(zé)人。

而硬件工程師在研發(fā)團(tuán)隊(duì)中是重要的一員，硬件產(chǎn)品的研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以如下圖所示：

當(dāng)然上圖中所展示的并不完全，比如熱設(shè)計(jì)也是非常重要的一員。但需要說(shuō)明的是，在整個(gè)項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)中，有兩個(gè)人和所有人打交道，一個(gè)就是項(xiàng)目經(jīng)理，另一個(gè)就是硬件工程師。硬件工程師需要和各種研發(fā)人員打交道 、協(xié)調(diào)工作，這也要求硬件工程師具有豐富的知識(shí)面和強(qiáng)大的協(xié)調(diào)能力。

硬件工程師的本職工作，如下圖所示：

硬件工程師可以大致分為如下四個(gè)階段：

初級(jí)硬件工程師

在別人的指導(dǎo)下完成階段三、四的部分，這個(gè)是應(yīng)屆畢業(yè)生入職三個(gè)月基本可以達(dá)到。

普通的硬件工程師

獨(dú)立完成階段三、四的工作，一般工作1到2年即可。

資深的硬件工程師

主導(dǎo)完成階段三、四的工作，參與完成階段二總體設(shè)計(jì)的工作。

專(zhuān)家級(jí)硬件工程師

主導(dǎo)完成階段一、二的工作。

5.2.時(shí)間點(diǎn)把握

作為一個(gè)硬件工程師，負(fù)責(zé)整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程。所以必須對(duì)每個(gè)時(shí)間段進(jìn)行精確把握。項(xiàng)目都會(huì)有項(xiàng)目周期，雖然項(xiàng)目經(jīng)理在把控時(shí)間，但具體的操作還是硬件工程師來(lái)搞。因?yàn)楸救酥皇翘幱陔A段三，對(duì)階段二、一沒(méi)什么時(shí)間概念，對(duì)于正常進(jìn)度的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)：

原理圖和詳細(xì)設(shè)計(jì)方案：5周，包括參考設(shè)計(jì)以及原理圖評(píng)審。

PCB布板布線：4周，包括配合結(jié)構(gòu)、PCB進(jìn)行電路調(diào)整或者器件重新選型。

發(fā)板及等待回板：2周，這兩周是最閑的，發(fā)板同時(shí)必須完成BOM上傳，這個(gè)不能忘。多看自己的圖！

回板檢查：1周，將自己的板子跑起來(lái)，能燒錄uboot，網(wǎng)口能ping通。檢查有無(wú)焊接問(wèn)題。聯(lián)系結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)器組裝，查看結(jié)構(gòu)有沒(méi)有問(wèn)題。

驅(qū)動(dòng)調(diào)試：5周，配合完成所有底層功能的調(diào)試。

媒體版本：2周，這個(gè)是驅(qū)動(dòng)調(diào)試之后第一個(gè)整機(jī)跑起來(lái)的版本，準(zhǔn)備拿給測(cè)試進(jìn)行測(cè)試。

信號(hào)測(cè)試：3周，配合信號(hào)測(cè)試人員完成信號(hào)測(cè)試。同時(shí)給做業(yè)務(wù)研發(fā)人員準(zhǔn)備板子給他們研發(fā)。

功能測(cè)試：2周，配合功能測(cè)試人員完成環(huán)境測(cè)試，防護(hù)靜電浪涌測(cè)試，以及其他功能測(cè)試，EMC測(cè)試等。

解BUG等待：2周，解決上述出現(xiàn)的所有BUG！

改板與發(fā)板：2周。

。。。。。。。。。

具體時(shí)間會(huì)隨著產(chǎn)品的復(fù)雜程度而變化，上述只是本人了解的大致時(shí)間=，不能一概而論。

5.3.硬件工程師的本質(zhì)工作

目標(biāo)：產(chǎn)品零缺陷

過(guò)程：設(shè)計(jì)電路、解BUG、部門(mén)溝通交流。

能力：主要集中在解BUG能力。

結(jié)果：一個(gè)字-------忙?。。。?/p>

5.4. 硬件工程師基本素質(zhì)與技術(shù)

這里給出華為硬件工程師手冊(cè)中的定位，看起來(lái)還是不錯(cuò)的。

6.硬件工程師需具備什么樣的性格？

溝通能力 要有邏輯，想法要全面點(diǎn)，這樣才能與其他部門(mén)人員好好溝通，說(shuō)不清會(huì)導(dǎo)致吵架??！

性格溫和 因?yàn)槟銜?huì)和所有部門(mén)交流，不要拉著臉，也不要命令式的，性格偏激會(huì)導(dǎo)致吵架??！

謙虛謹(jǐn)慎 別人的意見(jiàn)即使不采納也要傾聽(tīng)，然后說(shuō)出自己的見(jiàn)解與原因，一意孤行會(huì)導(dǎo)致吵架?。?/p>

認(rèn)真仔細(xì) 設(shè)計(jì)電路要認(rèn)真仔細(xì)，解BUG要認(rèn)真仔細(xì)，因?yàn)橐坏┏鰡?wèn)題這個(gè)責(zé)任只有自己背??！

要有耐心 不論是溝通還是解BUG還是檢查電路，一定要有耐心！

不會(huì)就問(wèn) 不會(huì)的東西就問(wèn)，因?yàn)楫a(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間比較短，不可能給你大把時(shí)間去研究！！

有責(zé)任心 對(duì)電路負(fù)責(zé)，對(duì)產(chǎn)品負(fù)責(zé)，對(duì)BUG負(fù)責(zé)?。?/p>

分清主次 出了問(wèn)題要先想怎樣去解決問(wèn)題，而不是先去追究誰(shuí)的責(zé)任?。?/p>

樂(lè)善好學(xué) 善于幫助別人，善于學(xué)習(xí)，必須有扎實(shí)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與理論知識(shí)?。?！

其實(shí)總結(jié)出來(lái)，上述是作為一個(gè)硬件工程師必須的性格，可以說(shuō)是缺一不可。性格偏激的人不適合做硬件研發(fā)，甚至可以說(shuō)不適合做所有研發(fā)。所以一般情況下硬件工程師做產(chǎn)品經(jīng)理的人很多，因?yàn)檫@個(gè)職位本身要求就很高，良好的性格與經(jīng)驗(yàn)理論知識(shí)會(huì)讓你一直進(jìn)步的。

審核編輯 ：李倩