硬件的總體設(shè)計(jì)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(jì)，感覺這個(gè)階段對(duì)我個(gè)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(jì)

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(shí)把機(jī)框的定義，也認(rèn)為是總體設(shè)計(jì)階段。這時(shí)總體設(shè)計(jì)的工作是繁重而高級(jí)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(jí)，產(chǎn)品持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)力，需要設(shè)計(jì)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(duì)技術(shù)演進(jìn)的預(yù)判能力。因?yàn)楣ぷ髁看螅苑敝兀灰驗(yàn)閷?duì)工作能力要求高，所以高級(jí)。

定義機(jī)框，首先要做的第一件事情就是：定規(guī)格。

這個(gè)規(guī)格包含很多方面：

a、業(yè)務(wù)規(guī)格，這個(gè)需要滿足客戶期望、有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、最合理的顆粒度。

我記得大學(xué)同學(xué)剛畢業(yè)的時(shí)候去烽火通信，去南美市場(chǎng)，銷售光通信，當(dāng)年號(hào)稱密集光波分復(fù)用（DWDM），一根光纖傳輸1T帶寬信號(hào)，全光通信，遠(yuǎn)距離傳輸。結(jié)果同學(xué)到了厄瓜多爾，一個(gè)國(guó)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(jì)專門的設(shè)備，認(rèn)為用運(yùn)營(yíng)商設(shè)備借用到企業(yè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)歸一化。用運(yùn)營(yíng)商架構(gòu)做企業(yè)通信設(shè)備，除了幾個(gè)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(yíng)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(chǎng)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(gè)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(shí)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(shí)沒有特殊含義，就是因?yàn)樗麄兇蠖鄶?shù)都是做框式設(shè)備出身，這個(gè)單板的“單”是相對(duì)于機(jī)框來說的“單”。也是相對(duì)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(shí)很單一。

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

a、定義功能

我們?cè)O(shè)計(jì)某一塊單板的時(shí)候，實(shí)際是由整機(jī)的功能拆解下來的。在定義框的時(shí)候，其實(shí)應(yīng)該考慮到各個(gè)單板的功能劃分、軟硬件接口、功能解耦等問題。同時(shí)包括不同的單板數(shù)量配置，實(shí)現(xiàn)不同的規(guī)格和不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

b、定義接口

對(duì)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(píng)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(shí)候，首先我們需要區(qū)分其應(yīng)用場(chǎng)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(jí)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),SPEC是由標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)“Standard Performance Evaluation Corporation”的簡(jiǎn)稱。其下面有SPEC CPU、SPEC POWER等很多測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)工具，例如：SPEC CPU 2006測(cè)試運(yùn)算性能，SPECpower_ssj2008測(cè)試功耗。

SPEC CPU是標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu) (SPEC)開發(fā)的用于評(píng)測(cè)CPU性能的基準(zhǔn)程序測(cè)試組，是一套CPU子系統(tǒng)測(cè)試工具。處理器、內(nèi)存和編譯器都會(huì)影響最終的測(cè)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(duì)SPEC CPU2000的影響非常小。目前，SPEC CPU是業(yè)界首選的CPU評(píng)測(cè)工具。SPEC CPU包括CINT和CFP兩套基準(zhǔn)測(cè)試程序。

SPECCInt即SPE Cpu Integrate的簡(jiǎn)寫，SPECCFP即SPE Cpu Float Point的簡(jiǎn)寫。前者用于測(cè)量和對(duì)比CPU的整數(shù)性能，后者用于測(cè)量和對(duì)比浮點(diǎn)性能。CINT包含十幾個(gè)個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，CFP也包含十幾個(gè)個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。

我曾經(jīng)測(cè)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(cè)試需要注意的還有以下幾點(diǎn)：

①SPEC CPU2006測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)不能和CPU2000進(jìn)行直接對(duì)比，因?yàn)樗鼈兪腔诓煌?a target="_blank">算法結(jié)構(gòu)；

②其次SPEC測(cè)試時(shí)，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(cè)試過程時(shí)間較長(zhǎng)，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(huì)保留kill進(jìn)程之前的最后一個(gè)測(cè)試完成的場(chǎng)景結(jié)果。

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

①編譯器是否正確，是否符合進(jìn)行測(cè)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(shí)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(shí)可以用MIPS作為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。此時(shí)的MIPS不是處理器架構(gòu)。MIPS(Million Instructions Per Second)：?jiǎn)巫珠L(zhǎng)定點(diǎn)指令平均執(zhí)行速度 Million Instructions Per Second的縮寫，每秒處理的百萬級(jí)的機(jī)器語言指令數(shù)。這是衡量CPU速度的一個(gè)指標(biāo)。像是一個(gè)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(cè)試cpu的mips或者mflops一般是設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)時(shí)候用cpu模擬器或者verilog前仿得到的。對(duì)于用C語言比較準(zhǔn)確的測(cè)試mips或者mflops，你可以用一個(gè)程序讀取系統(tǒng)時(shí)間，然后執(zhí)行第二個(gè)程序，第二個(gè)程序執(zhí)行完成后再記錄執(zhí)行的時(shí)間，然后反匯編第二個(gè)程序，統(tǒng)計(jì)第二個(gè)程序中執(zhí)行的指令條數(shù)，通常第二個(gè)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(píng)價(jià)中比較有價(jià)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(cè)試結(jié)果也不代表其業(yè)務(wù)能力。有些處理器的實(shí)際性能用簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不能說明其業(yè)務(wù)能力，需要直接測(cè)試其業(yè)務(wù)能力。直接在demo板上移植業(yè)務(wù)軟件，評(píng)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(shí)，直接測(cè)試其G.711轉(zhuǎn)碼性能，與原先的單核DSP進(jìn)行對(duì)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(píng)估需要在一塊單板上安排多少數(shù)量。當(dāng)然還需要評(píng)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(shí)我們?cè)诿總€(gè)終端器件或者核心器件的存儲(chǔ)空間的需求。

例如上述硬件，F(xiàn)PGA主要對(duì)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(shí)我們需要考慮語音如何傳輸、信令如何傳輸。

同時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)，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(píng)估CPU與DSP的性能匹配關(guān)系。同時(shí)根據(jù)業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)特性，評(píng)估FPGA外掛的DDR的數(shù)據(jù)帶寬需求，以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)深度的需求，進(jìn)一步評(píng)估DDR的速率和容量。同時(shí)由于DDR的數(shù)據(jù)接口的特性，還需要評(píng)估其傳輸效率，還有吞吐數(shù)據(jù)非連續(xù)性時(shí)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(jì)算和評(píng)估是需要積累和背景，同時(shí)也需要各個(gè)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)不通的市場(chǎng)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(fèi)大量的精力到產(chǎn)品組合設(shè)計(jì)。

有些企業(yè)通過主板+扣板的形式，實(shí)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(huì)與框式設(shè)備不一樣，有些場(chǎng)景下更像終端類設(shè)備。

盒式設(shè)備的總體設(shè)計(jì)與框式設(shè)備在單板設(shè)計(jì)部分基本一致，當(dāng)然還有很多不同點(diǎn)，本文不展開，會(huì)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(duì)講機(jī)、智能穿戴。終端設(shè)備的設(shè)計(jì)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(huì)影響客戶感受。

穿戴式設(shè)備，還需要考慮人體對(duì)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(shí)不展開，后續(xù)我們其他文章再展開。

審核編輯 ：李倩