硬件的總體設(shè)計階段是最鍛煉硬件工程師的。我參與過很多硬件的總體設(shè)計，感覺這個階段對我個人能力的提升鍛煉是非常有幫助的。

首先，硬件按照大致的分類，可以分為：框式、盒式、終端類。

1、框式設(shè)備的總體設(shè)計

框式設(shè)備的總體方案，要看版本和階段。有些大版本，需要重新定義機(jī)框，那么我們有時把機(jī)框的定義，也認(rèn)為是總體設(shè)計階段。這時總體設(shè)計的工作是繁重而高級的。

1.1【定義機(jī)框】

定義機(jī)框工作量大，而且需要考慮產(chǎn)品的迭代升級，產(chǎn)品持續(xù)的競爭力，需要設(shè)計者具備全流程視野和戰(zhàn)略能力以及技術(shù)深度和廣度，對技術(shù)演進(jìn)的預(yù)判能力。因為工作量大，所以繁重；因為對工作能力要求高，所以高級。

定義機(jī)框，首先要做的第一件事情就是：定規(guī)格。

這個規(guī)格包含很多方面：

a、業(yè)務(wù)規(guī)格，這個需要滿足客戶期望、有市場競爭力、最合理的顆粒度。

我記得大學(xué)同學(xué)剛畢業(yè)的時候去烽火通信，去南美市場，銷售光通信，當(dāng)年號稱密集光波分復(fù)用（DWDM），一根光纖傳輸1T帶寬信號，全光通信，遠(yuǎn)距離傳輸。結(jié)果同學(xué)到了厄瓜多爾，一個國家都用不了一根光纖，在那里主要賣“貓”（調(diào)試解調(diào)器）。

所以業(yè)務(wù)規(guī)格很重要，并不是越大越好。我們當(dāng)年我們做企業(yè)網(wǎng)，一開始沒有設(shè)計專門的設(shè)備，認(rèn)為用運(yùn)營商設(shè)備借用到企業(yè)網(wǎng)，實現(xiàn)歸一化。用運(yùn)營商架構(gòu)做企業(yè)通信設(shè)備，除了幾個大銀行能接受這么大規(guī)格的設(shè)備，小公司都沒有這樣的硬件規(guī)格需求。并且由于運(yùn)營商的軟件結(jié)構(gòu)，在企業(yè)網(wǎng)也顯得臃腫。

b、整框的電源、功耗、散熱、可靠性的規(guī)格。當(dāng)業(yè)務(wù)確定之后，需要根據(jù)整機(jī)的使用場景，確定整機(jī)的電源輸入的特性，整體功耗的需求，以及散熱條件。電源需要考慮一次電源轉(zhuǎn)換為二次電源的能力。散熱需要考慮風(fēng)道是否合理，不同槽位的單板散熱的差異，風(fēng)扇失效模型等等。

c、定義背板

有些朋友要質(zhì)疑，很多機(jī)框都是標(biāo)準(zhǔn)的，遵循標(biāo)準(zhǔn)即可，為什么還需要自己考慮定義背板。

第一，有些標(biāo)準(zhǔn)的背板定義并沒有那么詳細(xì)，需要自行定義一些接口。

第二，有些標(biāo)準(zhǔn)并不合理，需要各個廠家共同努力去演進(jìn)。

第三，做硬件的需要有舍我其誰的霸氣，需要參與到標(biāo)準(zhǔn)、專利中去。

1.2【定義單板】

其實很多工程師很奇怪，為什么華為出來的工程師，喜歡把電路板稱為單板。其實沒有特殊含義，就是因為他們大多數(shù)都是做框式設(shè)備出身，這個單板的“單”是相對于機(jī)框來說的“單”。也是相對于“背板”的單板。工種不同。如果你只能做“單板”，沒有整機(jī)思維、系統(tǒng)思維，那說明你的技術(shù)確實很單一。

一旦機(jī)框明確之后，需要設(shè)計單板，需要做的事情就相對比較明確，而且這個事情的責(zé)任屬性，更加“硬件工程師”。

a、定義功能

我們設(shè)計某一塊單板的時候，實際是由整機(jī)的功能拆解下來的。在定義框的時候，其實應(yīng)該考慮到各個單板的功能劃分、軟硬件接口、功能解耦等問題。同時包括不同的單板數(shù)量配置，實現(xiàn)不同的規(guī)格和不同應(yīng)用場景的需求。

b、定義接口

對于框式設(shè)備，我們需要定義單板的面板接口和背板接口。一般來說背板接口是統(tǒng)一的，除了核心交換板之外，其他板應(yīng)該是統(tǒng)一的，這樣單板之間才具備位置互換，混插，替換等特性。這里不僅僅是ATCA架構(gòu)，包括其他各種架構(gòu)，應(yīng)該都有這樣的特性。應(yīng)該有不少朋友用過NI的虛擬儀器，他的PXI機(jī)框應(yīng)該也具備這種特性。面板接口一般是根據(jù)業(yè)務(wù)需求和功能需求去定義的。

c、核心功能器件選型

我們根據(jù)業(yè)務(wù)需求，需要定義我們的核心器件。所以首先需要評估其業(yè)務(wù)能力，最主要的器件是：CPU、DSP、FPGA、內(nèi)存、FLASH、接口芯片等。

在選型CPU的時候，首先我們需要區(qū)分其應(yīng)用場景，是常規(guī)嵌入式應(yīng)用，還是服務(wù)器應(yīng)用。如果是服務(wù)器應(yīng)用，一般是X86或者是服務(wù)器級別的多核ARM，如果是嵌入式，一般是ARM、MIPS、早期的PowerPC、現(xiàn)在流行的RISC-V等內(nèi)核，也包括選擇X86。

如果是服務(wù)器應(yīng)用，需要考慮處理器選型的規(guī)格，一般用于X86專門的評價標(biāo)準(zhǔn),SPEC是由標(biāo)準(zhǔn)性能評價機(jī)構(gòu)“Standard Performance Evaluation Corporation”的簡稱。其下面有SPEC CPU、SPEC POWER等很多測試標(biāo)準(zhǔn)工具，例如：SPEC CPU 2006測試運(yùn)算性能，SPECpower_ssj2008測試功耗。

SPEC CPU是標(biāo)準(zhǔn)性能評價機(jī)構(gòu) (SPEC)開發(fā)的用于評測CPU性能的基準(zhǔn)程序測試組，是一套CPU子系統(tǒng)測試工具。處理器、內(nèi)存和編譯器都會影響最終的測試結(jié)果，而I/O（磁盤）、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和圖形子系統(tǒng)對SPEC CPU2000的影響非常小。目前，SPEC CPU是業(yè)界首選的CPU評測工具。SPEC CPU包括CINT和CFP兩套基準(zhǔn)測試程序。

SPECCInt即SPE Cpu Integrate的簡寫，SPECCFP即SPE Cpu Float Point的簡寫。前者用于測量和對比CPU的整數(shù)性能，后者用于測量和對比浮點性能。CINT包含十幾個個測試項目，CFP也包含十幾個個測試項目。

我曾經(jīng)測試Intel的新產(chǎn)品的SPEC，發(fā)現(xiàn)有很多規(guī)格并沒有那么理想，如果達(dá)到官方宣稱的數(shù)據(jù)，需要打開很多超頻功能，也需要軟件進(jìn)行配合。

SPEC測試需要注意的還有以下幾點：

①SPEC CPU2006測試所得到的數(shù)據(jù)不能和CPU2000進(jìn)行直接對比，因為它們是基于不同的算法結(jié)構(gòu)；

②其次SPEC測試時，CPU基本是100％跑的，所有基本不能進(jìn)行其他復(fù)雜的數(shù)據(jù)操作或者編譯操作；

③測試過程時間較長，中間是不允許中斷的，除非kill掉和SPEC相關(guān)的所有進(jìn)行，results中的debug文件也只會保留kill進(jìn)程之前的最后一個測試完成的場景結(jié)果。

如果發(fā)現(xiàn)最終的SPEC值過低，可以從以下幾點中查找結(jié)果：

①編譯器是否正確，是否符合進(jìn)行測試的處理器；

②其次是指令集是否為此CPU的最佳指令集；

③內(nèi)存的配置是否符合要求；

④處理器的實際工作頻率是否達(dá)到它應(yīng)有的頻率；

⑤溫度等外在的環(huán)境因素是否導(dǎo)致處理器降頻使用。

如果單板不是用作服務(wù)器應(yīng)用，此時可以用MIPS作為指標(biāo)進(jìn)行評估。此時的MIPS不是處理器架構(gòu)。MIPS(Million Instructions Per Second)：單字長定點指令平均執(zhí)行速度 Million Instructions Per Second的縮寫，每秒處理的百萬級的機(jī)器語言指令數(shù)。這是衡量CPU速度的一個指標(biāo)。像是一個Intel80386 電腦可以每秒處理3百萬到5百萬機(jī)器語言指令，即我們可以說80386是3到5MIPS的CPU。MIPS只是衡量CPU性能的指標(biāo)。

準(zhǔn)確測試cpu的mips或者mflops一般是設(shè)計體系結(jié)構(gòu)時候用cpu模擬器或者verilog前仿得到的。對于用C語言比較準(zhǔn)確的測試mips或者mflops，你可以用一個程序讀取系統(tǒng)時間，然后執(zhí)行第二個程序，第二個程序執(zhí)行完成后再記錄執(zhí)行的時間，然后反匯編第二個程序，統(tǒng)計第二個程序中執(zhí)行的指令條數(shù)，通常第二個程序中執(zhí)行的指令數(shù)是確定的，（分支和循環(huán)的次數(shù)是可確定的）。mips和mflops在RISC CPU的評價中比較有價值。

處理器的主頻提高與業(yè)務(wù)能力不是線性的，同樣其測試結(jié)果也不代表其業(yè)務(wù)能力。有些處理器的實際性能用簡單的評價標(biāo)準(zhǔn)并不能說明其業(yè)務(wù)能力，需要直接測試其業(yè)務(wù)能力。直接在demo板上移植業(yè)務(wù)軟件，評估其業(yè)務(wù)能力是最可信賴的一種方式。例如當(dāng)年我們選擇多核DSP（shannon）時，直接測試其G.711轉(zhuǎn)碼性能，與原先的單核DSP進(jìn)行對比，可以得出具體的業(yè)務(wù)能力。然后根據(jù)其業(yè)務(wù)需求，評估需要在一塊單板上安排多少數(shù)量。當(dāng)然還需要評估成本、功耗、散熱等維度的挑戰(zhàn)。

d、數(shù)據(jù)流

有了核心器件的規(guī)格之后，我們需要根據(jù)單板的業(yè)務(wù)模型，繪制出各種業(yè)務(wù)需求下的數(shù)據(jù)流向，來明確接口是否是瓶頸，同時我們在每個終端器件或者核心器件的存儲空間的需求。

例如上述硬件，F(xiàn)PGA主要對以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行解析，根據(jù)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，進(jìn)行分發(fā)數(shù)據(jù)，將信令分給處理器做處理，將語音或者視頻的編解碼分給DSP進(jìn)行處理。此時我們需要考慮語音如何傳輸、信令如何傳輸。

同時，需要考慮數(shù)據(jù)分發(fā)時，F(xiàn)PGA需要多少邏輯資源。編解碼數(shù)據(jù)和信令數(shù)據(jù)的比例關(guān)系，根據(jù)業(yè)務(wù)模型，評估CPU與DSP的性能匹配關(guān)系。同時根據(jù)業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)特性，評估FPGA外掛的DDR的數(shù)據(jù)帶寬需求，以及存儲數(shù)據(jù)深度的需求，進(jìn)一步評估DDR的速率和容量。同時由于DDR的數(shù)據(jù)接口的特性，還需要評估其傳輸效率，還有吞吐數(shù)據(jù)非連續(xù)性時開銷與連續(xù)地址數(shù)據(jù)開銷的差異。

當(dāng)然這一系列的計算和評估是需要積累和背景，同時也需要各個維度的技能。

2、盒式設(shè)備

一般來說,盒式設(shè)備都面臨白熱化是競爭環(huán)境，例如：交換機(jī)、路由器、統(tǒng)一通信設(shè)備、NVR等等。

盒式設(shè)備一般都是產(chǎn)品組合，用不同的產(chǎn)品整機(jī)形態(tài)應(yīng)對不通的市場規(guī)格需求。如何規(guī)劃好產(chǎn)品的規(guī)格，也是非常重要的。所以盒式設(shè)備的系統(tǒng)工程師和規(guī)劃師往往花費大量的精力到產(chǎn)品組合設(shè)計。

有些企業(yè)通過主板+扣板的形式，實現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化和多規(guī)格。

盒式設(shè)備的散熱一般是自然散熱，其熱仿真需要充分考慮其沒有風(fēng)道的情況下殼體的最高熱容忍度。特別是一些大功率設(shè)備的應(yīng)用。

盒式設(shè)備的噪聲要求、散熱要求會與框式設(shè)備不一樣，有些場景下更像終端類設(shè)備。

盒式設(shè)備的總體設(shè)計與框式設(shè)備在單板設(shè)計部分基本一致，當(dāng)然還有很多不同點，本文不展開，會在我們的新書中展開。

3、終端設(shè)備

終端設(shè)備的典型是手機(jī)、攝像頭、無人機(jī)、機(jī)器人、對講機(jī)、智能穿戴。終端設(shè)備的設(shè)計考慮和理念跟盒式、框式有更大的區(qū)別。

手機(jī)的散熱并不是像框式設(shè)備那樣要充分散熱。手持式設(shè)備需要考慮不能把熱量完全導(dǎo)出來，會影響客戶感受。

穿戴式設(shè)備，還需要考慮人體對無線輻射的接受度和影響。

成本、重量、量產(chǎn)、可生產(chǎn)性等等維度，本文也暫時不展開，后續(xù)我們其他文章再展開。

審核編輯 ：李倩