干貨 | 硬件開發(fā)流程詳述

1概述

1.1硬件開發(fā)過程簡介

1.1.1硬件開發(fā)的基本過程

產(chǎn)品硬件項目的開發(fā)，首先是要明確硬件總體需求情況，如CPU處理能力、存儲容量及速度，I/O端口的分配、接口要求、電平要求、特殊電路（厚膜等）要求等等。 其次，根據(jù)需求分析制定硬件總體方案，尋求關鍵器件及其技術資料、技術途徑、技術支持，要比較充分地考慮技術可能性、可靠性以及成本控制，并對開發(fā)調(diào)試工具提出明確的要求，關鍵器件索取樣品。 第三，總體方案確定且評審通過后，撰寫硬件和單板軟件的詳細設計，包括繪制硬件原理圖、單板軟件功能框圖及編碼、PCB布線，同時完成開發(fā)物料清單、新器件編碼申請、物料申領等工作。 第四，PCB裸板回板及物料采購到貨后由焊工焊好1～2塊單板，作單板調(diào)試，對原理設計中的各功能進行調(diào)測，必要時修改原理圖并作記錄。 第五，軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，一般的單板需硬件人員、單板軟件人員的配合，特殊的單板（如主機板）需比較大型軟件的開發(fā)，參與聯(lián)調(diào)的軟件人員更多。 一般地，經(jīng)過單板調(diào)試后在原理及PCB布線方面有些調(diào)整，需經(jīng)過多次投板迭代測試。第六，內(nèi)部驗收及轉中試，硬件項目完成開發(fā)過程。

1.1.2硬件開發(fā)的規(guī)范化

上節(jié)硬件開發(fā)的基本過程應遵循硬件開發(fā)流程規(guī)范文件執(zhí)行，不僅如此，硬件開發(fā)涉及到技術的應用、器件的選擇等，必須遵照相應的規(guī)范化措施才能達到質(zhì)量保障的要求。 這主要表現(xiàn)在，技術的采用要經(jīng)過項目組的評審，器件和廠家的選擇要參照物料認證的相關要求和規(guī)范，開發(fā)過程完成相應的規(guī)定文檔，另外，常用的硬件電路要采用通用的標準設計。

1.2硬件組成員職責與基本技能

1.2.1硬件組成員職責

一個技術領先、運行可靠的硬件平臺是公司產(chǎn)品質(zhì)量的基礎，硬件工程師職責神圣，責任重大。 1、硬件工程師應勇于嘗試新的先進技術之應用，在產(chǎn)品硬件設計中大膽創(chuàng)新。 2、堅持采用開放式的硬件架構，把握硬件技術的主流和未來發(fā)展，在設計中考慮將來的技術升級。 3、充分利用公司現(xiàn)有的成熟技術，保持產(chǎn)品技術上的繼承性。 4、在設計中考慮成本，控制產(chǎn)品的性能價格比達到最優(yōu)。 5、技術開放，資源共享，促進我司整體的技術提升。

1.2.2硬件組成員基本技能

硬件工程師應掌握如下基本技能： 第一、具備需求分析、總體方案設計、詳細設計的創(chuàng)造能力； 第二、熟練運用設計工具，如CadenceOrCAD/Allegro、Auto CAD等，設計原理圖、EPLD、FPGA調(diào)試程序的能力； 第三、熟練運用信號發(fā)生器、示波器、邏輯分析儀等測試儀器，有一定硬件調(diào)測的能力； 第四、掌握常用的標準電路的設計能力； 第五、硬件故障定位、解決問題的能力； 第六、各種技術文檔的寫作技能； 第七、良好的職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)道德，接觸外協(xié)合作方，保守秘密的能力。

2硬件開發(fā)流程及要求

2.1硬件開發(fā)流程

硬件開發(fā)流程對硬件開發(fā)的全過程進行了科學分解，規(guī)范了硬件開發(fā)的五大關鍵任務：

硬件需求分析及總體方案制定

單板設計方案及單板詳細設計

原理圖設計及PCB設計

調(diào)試及驗收

開發(fā)文檔規(guī)范及歸檔要求

硬件開發(fā)流程是指導硬件工程師按規(guī)范化方式進行開發(fā)的準則，不但規(guī)范化了硬件開發(fā)的全過程，同時也從總體上，規(guī)定了硬件開發(fā)所應完成的各階段任務。 目的是規(guī)范硬件開發(fā)過程控制，保證硬件開發(fā)質(zhì)量，確保硬件開發(fā)能按預定目標完成。 做為一名硬件工程師深刻領會硬件開發(fā)流程中各項內(nèi)容，在日常工作中自覺按流程辦事，是非常重要的，否則若大一個公司就會走向混亂。 所有硬件工程師應把學流程、按流程辦事、發(fā)展完善流程、監(jiān)督流程的執(zhí)行作為自己的一項職責，為公司的管理規(guī)范化做出貢獻。

2.2硬件需求分析及總體方案制定

2.2.1硬件需求分析

硬件開發(fā)真正起始應在立項后，即接到項目立項任務書后，但在實際工作中，一般在項目立項之前，硬件工程師即協(xié)助開展前期調(diào)研，盡早了解明確總體需求，如系統(tǒng)功能、性能指標、工作原理、環(huán)境指標、結構條件、價格、設計時間、產(chǎn)品壽命等。 立項完成后，項目組就已有了產(chǎn)品需求說明書及項目總體方案書，這些文件都已進行過評審。項目組接到任務后，首先要做的硬件開發(fā)工作就是要進行硬件需求分析，撰寫《硬件需求說明書》。硬件需求分析在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中是非常重要的一環(huán)，硬件開發(fā)人員必須重視該過程。 一項產(chǎn)品的功能/性能往往是由軟件和硬件共同完成的，哪些是由硬件完成，哪些是由軟件完成，項目組必須在需求分析時加以細致考慮。硬件需求分析還可以明確硬件開發(fā)任務，并從總體上論證現(xiàn)在的硬件水平，包括公司的硬件技術水平是否能滿足需求。硬件需求說明書主要有下列內(nèi)容：

系統(tǒng)工程組網(wǎng)及使用說明

基本配置及其互連方法

運行環(huán)境

硬件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標

硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要功能指標

功能模塊的劃分

關鍵技術的攻關

外購硬件的名稱型號、生產(chǎn)單位、主要技術指標

主要儀器設備

內(nèi)部合作，對外合作，國內(nèi)外同類產(chǎn)品硬件技術介紹

可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容討論

電源、工藝結構設計

硬件測試方案

硬件需求分析完成后，項目組即可進行硬件總體設計，并撰寫《硬件總體設計方案》。硬件總體設計的主要任務就是從總體上進一步劃分各單板的功能以及硬件的總體結構描述，規(guī)定各單板間的接口及有關的技術指標。 不但給出項目硬件開發(fā)總的任務框架，也引導項目組對開發(fā)任務有更深入和具體的分析，更好地來制定開發(fā)計劃。硬件總體設計方案主要有下列內(nèi)容：

系統(tǒng)功能及功能指標

系統(tǒng)總體結構圖及功能劃分

單板命名

系統(tǒng)邏輯框圖

組成系統(tǒng)各功能塊的邏輯框圖，電路結構圖及單板組成

單板邏輯框圖和電路結構圖

關鍵技術討論

關鍵器件

綜上可見，硬件開發(fā)總體方案，把整個系統(tǒng)進一步具體化，硬件開發(fā)總體設計是最重要的環(huán)節(jié)之一，總體設計做不好，可能出現(xiàn)致命的問題，造成的損失多數(shù)是無法挽回的。 另外，總體方案設計對各個單板的任務以及相關的關系進一步明確，單板的設計要以總體設計方案為依據(jù)。而產(chǎn)品的好壞特別是系統(tǒng)的設計合理性、科學性、可靠性、穩(wěn)定性與總體設計關系密切。 硬件需求分析和硬件總體設計完成后，項目組要組織相關人員分別對其進行評審。一個好的產(chǎn)品，特別是大型復雜產(chǎn)品，總體方案進行反復論證是不可缺少的。只有經(jīng)過多次反復論證的方案，才可能成為好方案。 總體方案評審包括兩部分，一是對有關文檔的格式，內(nèi)容的科學性，描述的準確性以及詳簡情況進行審查。再就是對總體方案設計中技術合理性、可行性等進行審查。如果評審不能通過，項目組必須對自己的方案重新進行修訂。 硬件總體設計方案通過后，即可著手關鍵器件的申購，主要工作由項目組來完成，關鍵元器件往往是一個項目能否順利實施的重要目標。

2.3單板設計方案及單板詳細設計

2.3.1單板設計方案及評審

對于復雜的系統(tǒng)將硬件總體設計方案和單板設計方案分兩次進行評審，而簡單的項目（如一塊功能單板）可以將硬件總體方案和單板設計方案合并為一個文檔進行評審。單板設計方案主要包括下列內(nèi)容：

單板在整機中的的位置：單板功能描述

單板尺寸

單板邏輯圖及各功能模塊說明

單板軟件功能描述

單板軟件功能模塊劃分

接口定義及與相關板的關系

重要性能指標、功耗及采用標準

開發(fā)用儀器儀表等

完成方案設計后需要申請方案評審。只有單板設計方案通過后，才可以進行單板詳細設計。

2.3.2單板詳細設計及評審

單板設計方案評審通過后，硬件工程師需要根據(jù)分系統(tǒng)指標及硬件工作原理完成詳細實施方案設計，詳細說明硬件功能模塊的劃分、各功能模塊的指標、功能模塊的詳細設計、元器件選擇及性能、設計依據(jù)及工作原理，需要闡述清楚分系統(tǒng)是如何滿足分系統(tǒng)設計指標的。詳細方案設計還需要對應用到一些的關鍵技術進行論證，確定其可行性。單板詳細設計包括兩大部分：

單板硬件詳細設計

在單板硬件進入到詳細設計階段，應提交單板硬件詳細設計報告。在單板硬件詳細設計中應著重體現(xiàn)：單板邏輯框圖及各功能模塊詳細說明，各功能模塊實現(xiàn)方式、地址分配、控制方式、接口方式、存貯器空間、中斷方式、接口管腳信號詳細定義、時序說明、性能指標、指示燈說明、外接線定義、可編程器件圖、功能模塊說明、原理圖、詳細物料清單以及單板測試、調(diào)試計劃。 有時候一塊單板的硬件和軟件分別由兩個開發(fā)人員開發(fā)，因此這時候單板硬件詳細設計便為軟件設計者提供了一個詳細的指導，因此單板硬件詳細設計報告至關重要。 尤其是地址分配、控制方式、接口方式、中斷方式是編制單板軟件的基礎，一定要詳細寫出。

單板軟件詳細設計

在單板軟件設計完成后應相應完成單板軟件詳細設計報告，在報告中應列出完成單板軟件的編程語言，編譯器的調(diào)試環(huán)境，硬件描述與功能要求及數(shù)據(jù)結構等。 要特別強調(diào)的是：要詳細列出詳細的設計細節(jié)，其中包括中斷、主程序、子程序的功能、入口參數(shù)、出口參數(shù)、局部變量、函數(shù)調(diào)用和流程圖。在有關通訊協(xié)議的描述中，應說明物理層，鏈路層通訊協(xié)議和高層通訊協(xié)議由哪些文檔定義。 單板軟、硬件詳細設計，要遵循公司的硬件設計技術規(guī)范，必須對物料選用、成本控制等加以重視。 階段完成標志：《單板硬件詳細設計》、《單板軟件詳細設計》及關鍵（主要）器件訂貨清單。 詳細設計報告必須經(jīng)過評審通過。要由項目組召集相關人員進行評審，在申請評審前，應首先完成文檔規(guī)范自檢，并將規(guī)范完成情況表和評審文檔、主要元器件訂貨清單一并交予項目組申請評審。 如果評審通過，方可進行PCB板設計，如果通不過，則返回硬件需求分析，重新進行整個過程。這樣做的目的在于讓項目組重新審查一下，某個單板詳細設計通不過，是否會引起項目整體設計的改動。

2.4原理圖設計及PCB設計

2.4.1原理圖設計及評審

原理圖設計開始于硬件詳細設計評審通過，原理圖設計是硬件設計的首要步驟。原理圖設計之前，首先要對元器件建庫，參照“3.2中心庫設計規(guī)范”，還應根據(jù)任務需求對一些關鍵信號進行布線前仿真，以確定是否需要對這些信號進行特殊處理，如增加匹配電阻或者電容等。 在原理圖繪制完成后，硬件組應組織項目組相關人員進行評審。評審時需要對設計中的關鍵點進行審核，如時鐘單元、電源單元、DSP或FPGA等關鍵器件的配置等。原理圖評審通過后，經(jīng)項目負責人簽字批準方可進入PCB設計工作。

2.4.2PCB方案設計及評審

在開始PCB物理實現(xiàn)（布線）之前，首先需要對PCB進行方案設計。PCB設計方案主要考慮其結構特點，電磁兼容性、信號完整性、電源完整性、熱設計、可制造性、可調(diào)試性等特點，完成PCB的布局。 其中部分工作如信號完整性、電源完整性及熱設計可與硬件詳細設計交叉進行。PCB設計方案應對原理圖中關鍵指標（阻抗、時延、抗干擾等）是如何實現(xiàn)的提出具體措施。完成標志：《PCB設計方案》，《硬件測試方案》，《信號完整性仿真報告》。完成PCB方案設計及與原理圖的反饋后，可以申請方案評審。在申請評審前，應首先完成文檔規(guī)范自檢，并將規(guī)范完成情況表和評審文檔一并交予項目組申請評審。所有文檔需項目惡人簽字批準。方案通過后，方可進行PCB布線工作。

2.4.3PCB設計及投板申請

PCB設計須按照PCB設計規(guī)范進行，PCB布局確定之后，總的布局規(guī)劃禁止改動，功能模塊內(nèi)可以進行位置調(diào)整，如功能模塊進行較大調(diào)整，須向組里提出申請組織討論，討論通過后方可進行布線工作。 在PCB投產(chǎn)前設計者要向項目組提出投板申請。首先由硬件組負責PCB設計規(guī)范的檢查，并給出規(guī)范完成情況表與PCB圖一并交予室里，由設計組組織人員對關鍵部分的設計要求進行評審檢查。PCB投板申請需由項目負責人簽字批準。

2.5調(diào)試及驗收

2.5.1調(diào)試方案及評審

硬件調(diào)試是對硬件的功能和性能進行驗證，保證其設計正確性，認真細致的調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)單板以及整體設計的不足，也是驗證設計目標是否達成的唯一方法。 PCB進行方案設計時，就需要進行硬件調(diào)試（測試）方案的設計，需要根據(jù)《硬件需求說明書》和《硬件總體設計方案》中的指標要求制定調(diào)試（測試）方案，同時制定調(diào)試（測試）詳細記錄表，對整個調(diào)試過程進行實時記錄。 印制板正式調(diào)試之前，需要對硬件調(diào)試（測試）方案進行評審，也可在PCB方案設計評審時同時進行。如簡單的印制板設計，調(diào)試（測試）方案可以與PCB設計方案合并為一個文件。

2.5.2硬件調(diào)試、軟件調(diào)試及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

硬件調(diào)試過程中，每次所投PCB板，工程師應提交一份過程文檔，以便管理階層了解進度，進行考評，另外也給其他相關工程師留下一份有參考價值的技術文檔。每次所投PCB板時應制作此文檔。 這份文檔應包括以下內(nèi)容：單板硬件功能模塊劃分，單板硬件各模塊調(diào)試進度，調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方法，原始數(shù)據(jù)記錄、系統(tǒng)方案修改說明、單板方案修改說明、器件改換說明、原理圖、PCB圖修改說明、可編程器件修改說明、調(diào)試工作階段總結、調(diào)試進展說明、下階段調(diào)試計劃以及測試方案的修改等。 軟件調(diào)試過程中，每月收集一次單板軟件過程調(diào)試文檔，或調(diào)試完畢（指不滿一月）收集，盡可能清楚，完整列出軟件調(diào)試修改過程。 單板軟件過程調(diào)試文檔應當包括以下內(nèi)容：單板軟件功能模塊劃分及各功能模塊調(diào)試進度、單板軟件調(diào)試出現(xiàn)問題及解決、下階段的調(diào)試計劃、測試方案修改。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中，應出單板系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告。單板系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告包括這些內(nèi)容：系統(tǒng)功能模塊劃分、系統(tǒng)功能模塊調(diào)試進展、系統(tǒng)接口信號的測試原始記錄及分析、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)問題及解決、調(diào)試技巧集錦、整機性能評估等。 在單板調(diào)試完之后，申請內(nèi)部驗收之前，應先進行自測以確保每個功能都能實現(xiàn)，每項指標都能滿足。 自測完畢應出單板硬件測試文檔，單板硬件測試文檔包括以下內(nèi)容：單板功能模塊劃分、各功能模塊設計輸入輸出信號及性能參數(shù)、各功能模塊測試點確定、各測試參考點實測原始記錄及分析、板內(nèi)高速信號線測試原始記錄及分析、系統(tǒng)I/O口信號線測試原始記錄及分析，整板性能測試結果分析。

2.5.3驗收

由于現(xiàn)在軟硬件聯(lián)系密切，無法簡單的區(qū)別硬件與軟件的工作，因此硬件驗收的界定較為復雜。 一般來說硬件調(diào)試需要完成的工作有如下幾方面內(nèi)容：電源調(diào)試、時鐘源調(diào)試、各功能電路工作正常、可編程器件可正常工作、CPU工作自啟動正常以及輸入輸出指標正常（需要編寫接口控制程序）等。 硬件驗收即需要硬件設計人員提供上述各方面的調(diào)試（測試）記錄，記錄數(shù)據(jù)和實際測試數(shù)據(jù)達到任務要求方可通過硬件驗收。 對于某些硬件需要與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)以驗證功能和性能的，需要硬件設計人員與總體協(xié)調(diào)。

2.6開發(fā)文檔規(guī)范及歸檔要求

2.6.1開發(fā)文檔規(guī)范

為規(guī)范硬件開發(fā)過程中文檔的編寫，明確文檔的格式和內(nèi)容，規(guī)定硬件開發(fā)過程中所需文檔清單，與《硬件開發(fā)流程》對應制定了《硬件開發(fā)文檔編制規(guī)范》。 開發(fā)人員在寫文檔時往往會漏掉一些該寫的內(nèi)容，編制規(guī)范在開發(fā)人員寫文檔時也有一定的提示作用?！队布_發(fā)文檔編制規(guī)范》適用于硬件相關項目的開發(fā)階段及測試階段的文檔編制。規(guī)范中共列出以下文檔的規(guī)范：

硬件需求說明書

硬件總體設計方案

單板設計方案

單板硬件詳細設計

單板軟件詳細設計

單板硬件過程調(diào)試文檔

單板軟件過程調(diào)試文檔

單板系統(tǒng)聯(lián)調(diào)報告

單板硬件測試文檔

單板硬件歸檔詳細文檔

單板軟件歸檔詳細文檔

硬件總體方案歸檔詳細文檔

硬件單板方案歸檔詳細文檔

硬件信息庫

這些規(guī)范的具體內(nèi)容可在項目共享資料庫中找到，對應每個文檔規(guī)范都有相應的模板可供開發(fā)人員在寫文檔時參考使用。

2.6.2硬件信息庫

為了共享技術資料，我們希望建立一個共享資料庫，每一塊單板都可以將的最有價值最有特色的資料歸入此庫。

硬件信息庫包括以下內(nèi)容：典型應用電路、特色電路、特色芯片技術介紹、特色芯片的使用說明、驅動程序的流程圖、源程序、相關硬件電路說明、PCB布板注意事項、單板調(diào)試中出現(xiàn)的典型及解決、軟硬件設計及調(diào)試技巧。

審核編輯 ：李倩