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(guān)鍵器件及其技術(shù)資料、技術(shù)途徑、技術(shù)支持，要比較充分地考慮技術(shù)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(guān)鍵器件索取樣品。 第三，總體方案確定且評審?fù)ㄟ^后，撰寫硬件和單板軟件的詳細(xì)設(shè)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(lǐng)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(shè)計中的各功能進(jìn)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(jī)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(zhuǎn)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(yīng)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(shù)的應(yīng)用、器件的選擇等，必須遵照相應(yīng)的規(guī)范化措施才能達(dá)到質(zhì)量保障的要求。 這主要表現(xiàn)在，技術(shù)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(rèn)證的相關(guān)要求和規(guī)范，開發(fā)過程完成相應(yīng)的規(guī)定文檔，另外，常用的硬件電路要采用通用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

1.2硬件組成員職責(zé)與基本技能

1.2.1硬件組成員職責(zé)

一個技術(shù)領(lǐng)先、運(yùn)行可靠的硬件平臺是公司產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，硬件工程師職責(zé)神圣，責(zé)任重大。 1、硬件工程師應(yīng)勇于嘗試新的先進(jìn)技術(shù)之應(yīng)用，在產(chǎn)品硬件設(shè)計中大膽創(chuàng)新。 2、堅持采用開放式的硬件架構(gòu)，把握硬件技術(shù)的主流和未來發(fā)展，在設(shè)計中考慮將來的技術(shù)升級。 3、充分利用公司現(xiàn)有的成熟技術(shù)，保持產(chǎn)品技術(shù)上的繼承性。 4、在設(shè)計中考慮成本，控制產(chǎn)品的性能價格比達(dá)到最優(yōu)。 5、技術(shù)開放，資源共享，促進(jìn)我司整體的技術(shù)提升。

1.2.2硬件組成員基本技能

硬件工程師應(yīng)掌握如下基本技能： 第一、具備需求分析、總體方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計的創(chuàng)造能力； 第二、熟練運(yùn)用設(shè)計工具，如CadenceOrCAD/Allegro、Auto CAD等，設(shè)計原理圖、EPLD、FPGA調(diào)試程序的能力； 第三、熟練運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)電路的設(shè)計能力； 第五、硬件故障定位、解決問題的能力； 第六、各種技術(shù)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(jìn)行了科學(xué)分解，規(guī)范了硬件開發(fā)的五大關(guān)鍵任務(wù)：

硬件需求分析及總體方案制定

單板設(shè)計方案及單板詳細(xì)設(shè)計

原理圖設(shè)計及PCB設(shè)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(dǎo)硬件工程師按規(guī)范化方式進(jìn)行開發(fā)的準(zhǔn)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(yīng)完成的各階段任務(wù)。 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(yù)定目標(biāo)完成。 做為一名硬件工程師深刻領(lǐng)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(yīng)把學(xué)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(zé)，為公司的管理規(guī)范化做出貢獻(xiàn)。

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(yīng)在立項后，即接到項目立項任務(wù)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(biāo)、工作原理、環(huán)境指標(biāo)、結(jié)構(gòu)條件、價格、設(shè)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(jìn)行過評審。項目組接到任務(wù)后，首先要做的硬件開發(fā)工作就是要進(jìn)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(xì)致考慮。硬件需求分析還可以明確硬件開發(fā)任務(wù)，并從總體上論證現(xiàn)在的硬件水平，包括公司的硬件技術(shù)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(yùn)行環(huán)境

硬件整體系統(tǒng)的基本功能和主要性能指標(biāo)

硬件分系統(tǒng)的基本功能和主要功能指標(biāo)

功能模塊的劃分

關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)

外購硬件的名稱型號、生產(chǎn)單位、主要技術(shù)指標(biāo)

主要儀器設(shè)備

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

可靠性、穩(wěn)定性、電磁兼容討論

電源、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件測試方案

硬件需求分析完成后，項目組即可進(jìn)行硬件總體設(shè)計，并撰寫《硬件總體設(shè)計方案》。硬件總體設(shè)計的主要任務(wù)就是從總體上進(jìn)一步劃分各單板的功能以及硬件的總體結(jié)構(gòu)描述，規(guī)定各單板間的接口及有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。 不但給出項目硬件開發(fā)總的任務(wù)框架，也引導(dǎo)項目組對開發(fā)任務(wù)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(shè)計方案主要有下列內(nèi)容：

系統(tǒng)功能及功能指標(biāo)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖及單板組成

單板邏輯框圖和電路結(jié)構(gòu)圖

關(guān)鍵技術(shù)討論

關(guān)鍵器件

綜上可見，硬件開發(fā)總體方案，把整個系統(tǒng)進(jìn)一步具體化，硬件開發(fā)總體設(shè)計是最重要的環(huán)節(jié)之一，總體設(shè)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(shè)計對各個單板的任務(wù)以及相關(guān)的關(guān)系進(jìn)一步明確，單板的設(shè)計要以總體設(shè)計方案為依據(jù)。而產(chǎn)品的好壞特別是系統(tǒng)的設(shè)計合理性、科學(xué)性、可靠性、穩(wěn)定性與總體設(shè)計關(guān)系密切。 硬件需求分析和硬件總體設(shè)計完成后，項目組要組織相關(guān)人員分別對其進(jìn)行評審。一個好的產(chǎn)品，特別是大型復(fù)雜產(chǎn)品，總體方案進(jìn)行反復(fù)論證是不可缺少的。只有經(jīng)過多次反復(fù)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(guān)文檔的格式，內(nèi)容的科學(xué)性，描述的準(zhǔn)確性以及詳簡情況進(jìn)行審查。再就是對總體方案設(shè)計中技術(shù)合理性、可行性等進(jìn)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(jìn)行修訂。 硬件總體設(shè)計方案通過后，即可著手關(guān)鍵器件的申購，主要工作由項目組來完成，關(guān)鍵元器件往往是一個項目能否順利實施的重要目標(biāo)。

2.3單板設(shè)計方案及單板詳細(xì)設(shè)計

2.3.1單板設(shè)計方案及評審

對于復(fù)雜的系統(tǒng)將硬件總體設(shè)計方案和單板設(shè)計方案分兩次進(jìn)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(shè)計方案合并為一個文檔進(jìn)行評審。單板設(shè)計方案主要包括下列內(nèi)容：

單板在整機(jī)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(guān)板的關(guān)系

重要性能指標(biāo)、功耗及采用標(biāo)準(zhǔn)

開發(fā)用儀器儀表等

完成方案設(shè)計后需要申請方案評審。只有單板設(shè)計方案通過后，才可以進(jìn)行單板詳細(xì)設(shè)計。

2.3.2單板詳細(xì)設(shè)計及評審

單板設(shè)計方案評審?fù)ㄟ^后，硬件工程師需要根據(jù)分系統(tǒng)指標(biāo)及硬件工作原理完成詳細(xì)實施方案設(shè)計，詳細(xì)說明硬件功能模塊的劃分、各功能模塊的指標(biāo)、功能模塊的詳細(xì)設(shè)計、元器件選擇及性能、設(shè)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(shè)計指標(biāo)的。詳細(xì)方案設(shè)計還需要對應(yīng)用到一些的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論證，確定其可行性。單板詳細(xì)設(shè)計包括兩大部分：

單板硬件詳細(xì)設(shè)計

在單板硬件進(jìn)入到詳細(xì)設(shè)計階段，應(yīng)提交單板硬件詳細(xì)設(shè)計報告。在單板硬件詳細(xì)設(shè)計中應(yīng)著重體現(xiàn)：單板邏輯框圖及各功能模塊詳細(xì)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(xì)定義、時序說明、性能指標(biāo)、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(xì)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(xì)設(shè)計便為軟件設(shè)計者提供了一個詳細(xì)的指導(dǎo)，因此單板硬件詳細(xì)設(shè)計報告至關(guān)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(chǔ)，一定要詳細(xì)寫出。

單板軟件詳細(xì)設(shè)計

在單板軟件設(shè)計完成后應(yīng)相應(yīng)完成單板軟件詳細(xì)設(shè)計報告，在報告中應(yīng)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(jié)構(gòu)等。 要特別強(qiáng)調(diào)的是：要詳細(xì)列出詳細(xì)的設(shè)計細(xì)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(guān)通訊協(xié)議的描述中，應(yīng)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(xì)設(shè)計，要遵循公司的硬件設(shè)計技術(shù)規(guī)范，必須對物料選用、成本控制等加以重視。 階段完成標(biāo)志：《單板硬件詳細(xì)設(shè)計》、《單板軟件詳細(xì)設(shè)計》及關(guān)鍵（主要）器件訂貨清單。 詳細(xì)設(shè)計報告必須經(jīng)過評審?fù)ㄟ^。要由項目組召集相關(guān)人員進(jìn)行評審，在申請評審前，應(yīng)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?fù)ㄟ^，方可進(jìn)行PCB板設(shè)計，如果通不過，則返回硬件需求分析，重新進(jìn)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(xì)設(shè)計通不過，是否會引起項目整體設(shè)計的改動。

2.4原理圖設(shè)計及PCB設(shè)計

2.4.1原理圖設(shè)計及評審

原理圖設(shè)計開始于硬件詳細(xì)設(shè)計評審?fù)ㄟ^，原理圖設(shè)計是硬件設(shè)計的首要步驟。原理圖設(shè)計之前，首先要對元器件建庫，參照“3.2中心庫設(shè)計規(guī)范”，還應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求對一些關(guān)鍵信號進(jìn)行布線前仿真，以確定是否需要對這些信號進(jìn)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(yīng)組織項目組相關(guān)人員進(jìn)行評審。評審時需要對設(shè)計中的關(guān)鍵點進(jìn)行審核，如時鐘單元、電源單元、DSP或FPGA等關(guān)鍵器件的配置等。原理圖評審?fù)ㄟ^后，經(jīng)項目負(fù)責(zé)人簽字批準(zhǔn)方可進(jìn)入PCB設(shè)計工作。

2.4.2PCB方案設(shè)計及評審

在開始PCB物理實現(xiàn)（布線）之前，首先需要對PCB進(jìn)行方案設(shè)計。PCB設(shè)計方案主要考慮其結(jié)構(gòu)特點，電磁兼容性、信號完整性、電源完整性、熱設(shè)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(shè)計可與硬件詳細(xì)設(shè)計交叉進(jìn)行。PCB設(shè)計方案應(yīng)對原理圖中關(guān)鍵指標(biāo)（阻抗、時延、抗干擾等）是如何實現(xiàn)的提出具體措施。完成標(biāo)志：《PCB設(shè)計方案》，《硬件測試方案》，《信號完整性仿真報告》。完成PCB方案設(shè)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(yīng)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(zhǔn)。方案通過后，方可進(jìn)行PCB布線工作。

2.4.3PCB設(shè)計及投板申請

PCB設(shè)計須按照PCB設(shè)計規(guī)范進(jìn)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(jìn)行位置調(diào)整，如功能模塊進(jìn)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(jìn)行布線工作。 在PCB投產(chǎn)前設(shè)計者要向項目組提出投板申請。首先由硬件組負(fù)責(zé)PCB設(shè)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(shè)計組組織人員對關(guān)鍵部分的設(shè)計要求進(jìn)行評審檢查。PCB投板申請需由項目負(fù)責(zé)人簽字批準(zhǔn)。

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(jìn)行驗證，保證其設(shè)計正確性，認(rèn)真細(xì)致的調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)單板以及整體設(shè)計的不足，也是驗證設(shè)計目標(biāo)是否達(dá)成的唯一方法。 PCB進(jìn)行方案設(shè)計時，就需要進(jìn)行硬件調(diào)試（測試）方案的設(shè)計，需要根據(jù)《硬件需求說明書》和《硬件總體設(shè)計方案》中的指標(biāo)要求制定調(diào)試（測試）方案，同時制定調(diào)試（測試）詳細(xì)記錄表，對整個調(diào)試過程進(jìn)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(jìn)行評審，也可在PCB方案設(shè)計評審時同時進(jìn)行。如簡單的印制板設(shè)計，調(diào)試（測試）方案可以與PCB設(shè)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(yīng)提交一份過程文檔，以便管理階層了解進(jìn)度，進(jìn)行考評，另外也給其他相關(guān)工程師留下一份有參考價值的技術(shù)文檔。每次所投PCB板時應(yīng)制作此文檔。 這份文檔應(yīng)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(jìn)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(jié)、調(diào)試進(jìn)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(yīng)當(dāng)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(jī)性能評估等。 在單板調(diào)試完之后，申請內(nèi)部驗收之前，應(yīng)先進(jìn)行自測以確保每個功能都能實現(xiàn)，每項指標(biāo)都能滿足。 自測完畢應(yīng)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(shè)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(jié)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(fù)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(biāo)正常（需要編寫接口控制程序）等。 硬件驗收即需要硬件設(shè)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(dá)到任務(wù)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(shè)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(yīng)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(guān)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(shè)計方案

單板設(shè)計方案

單板硬件詳細(xì)設(shè)計

單板軟件詳細(xì)設(shè)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(xì)文檔

單板軟件歸檔詳細(xì)文檔

硬件總體方案歸檔詳細(xì)文檔

硬件單板方案歸檔詳細(xì)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(yīng)每個文檔規(guī)范都有相應(yīng)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(shù)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(yīng)用電路、特色電路、特色芯片技術(shù)介紹、特色芯片的使用說明、驅(qū)動程序的流程圖、源程序、相關(guān)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(shè)計及調(diào)試技巧。

審核編輯 ：李倩