硬件工程师手册.doc

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1、硬件工程师手册 - 1 - 硬件工程师手册 目 录 第一章第一章 概述概述-3 第一节第一节 硬件开发过程简介硬件开发过程简介-3 1.1.1 硬件开发的基本过程-4 1.1.2 硬件开发的规范化-4 第二节 硬件工程师职责与基本技能-4 1.2.1 硬件工程师职责-4 1.2.1 硬件工程师基本素质与技术-5 第二章第二章 硬件开发规范化管理硬件开发规范化管理-5 第一节 硬件开发流程-5 3.1.1 硬件开发流程文件介绍-5 3.2.2 硬件开发流程详解-6 第二节 硬件开发文档规范-9 2.2.1 硬件开发文档规范文件介绍-9 2.2.2 硬件开发文档编制规范详解 -10 第三节 与硬件

2、开发相关的流程文件介绍 -11 3.3.1 项目立项流程： -11 3.3.2 项目实施管理流程： -12 3.3.3 软件开发流程： -12 3.3.4 系统测试工作流程： -12 3.3.5 中试接口流程 -12 3.3.6 内部验收流程 -13 第三章第三章 硬件硬件 EMC 设计规范设计规范-13 第一节 CAD 辅助设计-14 第二节 可编程器件的使用 -19 3.2.1 FPGA 产品性能和技术参数-19 3.2.2 FPGA 的开发工具的使用：-22 3.2.3 EPLD 产品性能和技术参数-23 3.2.4 MAX + PLUS II 开发工具 -26 3.2.5 VHDL 语

3、音-33 第三节 常用的接口及总线设计 -42 3.3.1 接口标准： -42 3.3.2 串口设计： -43 3.3.3 并口设计及总线设计： -44 3.3.4 RS232 接口总线 -44 3.3.5 RS422 和 RS423 标准接口联接方法 -45 3.3.6 RS485 标准接口与联接方法 -45 3.3.7 20mA 电流环路串行接口与联接方法-47 第四节 单板硬件设计指南 -48 3.4.1 电源滤波： -48 3.4.2 带电插拔座： -48 3.4.3 上下拉电阻： -49 3.4.4 ID 的标准电路-49 硬件工程师手册 - 2 - 3.4.5 高速时钟线设计 -5

4、0 3.4.6 接口驱动及支持芯片 -51 3.4.7 复位电路 -51 3.4.8 Watchdog 电路-52 3.4.9 单板调试端口设计及常用仪器 -53 第五节 逻辑电平设计与转换 -54 3.5.1 TTL、ECL、PECL、CMOS 标准-54 3.5.2 TTL、ECL、MOS 互连与电平转换 -66 第六节 母板设计指南 -67 3.6.1 公司常用母板简介 -67 3.6.2 高速传线理论与设计 -70 3.6.3 总线阻抗匹配、总线驱动与端接 -76 3.6.4 布线策略与电磁干扰 -79 第七节 单板软件开发 -81 3.7.1 常用 CPU 介绍-81 3.7.2 开

5、发环境-82 3.7.3 单板软件调试-82 3.7.4 编程规范-82 第八节 硬件整体设计 -88 3.8.1 接地设计 -88 3.8.2 电源设计 -91 第九节 时钟、同步与时钟分配 -95 3.9.1 时钟信号的作用 -95 3.9.2 时钟原理、性能指标、测试-102 第十节 DSP 技术-108 3.10.1 DSP 概述 -108 3.10.2 DSP 的特点与应用 -109 3.10.3 TMS320 C54X DSP 硬件结构-110 3.10.4 TMS320C54X 的软件编程-114 第四章第四章 常用通信协议及标准常用通信协议及标准-120 第一节 国际标准化组织

6、-120 4.1.1 ISO-120 4.1.2 CCITT 及 ITU-T-121 4.1.3 IEEE -121 4.1.4 ETSI -121 4.1.5 ANSI -122 4.1.6 TIA/EIA-122 4.1.7 Bellcore -122 第二节 硬件开发常用通信标准-122 4.2.1 ISO 开放系统互联模型-122 4.2.2 CCITT G 系列建议-123 4.2.3 I 系列标准-125 4.2.4 V 系列标准 -125 4.2.5 TIA/EIA 系列接口标准 -128 4.2.5 CCITT X 系列建议-130 参考文献 -132 第五章第五章 物料选型与

7、申购物料选型与申购-132 硬件工程师手册 - 3 - 第一节 物料选型的基本原则-132 第二节 IC 的选型 -134 第三节 阻容器件的选型-137 第四节 光器件的选用-141 第五节 物料申购流程-144 第六节 接触供应商须知-145 第七节 MRPII 及 BOM 基础和使用-146 第一章第一章 概述概述 第一节第一节 硬件开发过程简介硬件开发过程简介 1.1.11.1.1 硬件开发的基本过程硬件开发的基本过程 产品硬件项目的开发，首先是要明确硬件总体需求情况，如 CPU 处理能力、 存储容量及速度，I/O 端口的分配、接口要求、电平要求、特殊电路（厚膜等） 要求等等。其次，根

8、据需求分析制定硬件总体方案，寻求关键器件及电咱的技 术资料、技术途径、技术支持，要比较充分地考虑技术可能性、可靠性以及成 本控制，并对开发调试工具提出明确的要求。关键器件索取样品。第三、总体 硬件工程师手册 - 4 - 方案确定后，作硬件和单板软件的详细设计，包括绘制硬件原理图、单板软件 功能框图及编码、PCB 布线，同时完成开发物料清单、新器件编码申请、物料 申领。第四，领回 PCB 板及物料后由焊工焊好 12 块单板，作单板调试，对 原理设计中的各功能进行调测，必要时修改原理图并作记录。第五，软硬件系 统联调，一般的单板需硬件人员、单板软件人员的配合，特殊的单板（如主机 板）需比较大型软件

9、的开发，参与联调的软件人员更多。一般地，经过单板调 试后在原理及 PCB 布线方面有些调整，需第二次投板。第六，内部验收及转中 试，硬件项目完成开发过程。 1.1.21.1.2 硬件开发的规范化硬件开发的规范化 上节硬件开发的基本过程应遵循硬件开发流程规范文件执行，不仅如此， 硬件开发涉及到技术的应用、器件的选择等，必须遵照相应的规范化措施才能 达到质量保障的要求。这主要表现在，技术的采用要经过总体组的评审，器件 和厂家的选择要参照物料认证部的相关文件，开发过程完成相应的规定文档， 另外，常用的硬件电路（如 ID.WDT）要采用通用的标准设计。 第二节第二节 硬件工程师职责与基本技能硬件工程师

10、职责与基本技能 1.2.11.2.1 硬件工程师职责硬件工程师职责 一个技术领先、运行可靠的硬件平台是公司产品质量的基础，硬件工程师 职责神圣，责任重大。 1、硬件工程师应勇于尝试新的先进技术之应用，在产品硬件设计中大胆创 新。 2、坚持采用开放式的硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发展，在设计 中考虑将来的技术升级。 3、充分利用公司现有的成熟技术，保持产品技术上的继承性。 4、在设计中考虑成本，控制产品的性能价格比达至最优。 5、技术开放，资源共享，促进公司整体的技术提升。 硬件工程师手册 - 5 - 1.2.11.2.1 硬件工程师基本素质与技术硬件工程师基本素质与技术 硬件工程师应掌握

11、如下基本技能： 第一、由需求分析至总体方案、详细设计的设计创造能力； 第二、熟练运用设计工具，设计原理图、EPLD、FPGA 调试程序的能力； 第三、运用仿真设备、示波器、逻辑分析仪调测硬件的能力； 第四、掌握常用的标准电路的设计能力，如 ID 电路、WDT 电路、 型滤 波电路、高速信号传输线的匹配电路等； 第五、故障定位、解决问题的能力； 第六、文档的写作技能； 第七、接触供应商、保守公司机密的技能。 第二章第二章 硬件开发规范化管理硬件开发规范化管理 第一节第一节 硬件开发流程硬件开发流程 3.1.13.1.1 硬件开发流程文件介绍硬件开发流程文件介绍 在公司的规范化管理中，硬件开发的规

12、范化是一项重要内容。硬件开发规 范化管理是在公司的硬件开发流程及相关的硬件开发文档规范 、 PCB 投板流程等文件中规划的。硬件开发流程是指导硬件工程师按规范化方式进 硬件工程师手册 - 6 - 行开发的准则，规范了硬件开发的全过程。硬件开发流程制定的目的是规范硬 件开发过程控制，硬件开发质量，确保硬件开发能按预定目的完成。 公司硬件开发流程的文件编号为 4/QM-RSD009，生效时间为 1997 年？月 21 日。 硬件开发流程不但规范化了硬件开发的全过程，同时也从总体上，规定了 硬件开发所应完成的任务。做为一名硬件工程师深刻领会硬件开发流程中各项 内容，在日常工作中自觉按流程办事，是非常

13、重要的，否则若大一个公司就会 走向混乱。所有硬件工程师应把学流程、按流程办事、发展完善流程、监督流 程的执行作为自己的一项职责，为公司的管理规范化做出的贡献。 3.2.23.2.2 硬件开发流程详解硬件开发流程详解 硬件开发流程对硬件开发的全过程进行了科学分解，规范了硬件开发的五 大任务。 硬件需求分析 硬件系统设计 硬件开发及过程控制 系统联调 文档归档及验收申请。 硬件开发真正起始应在立项后，即接到立项任务书后，但在实际工作中， 许多项目在立项前已做了大量硬件设计工作。立项完成后，项目组就已有了产 品规格说明书，系统需求说明书及项目总体方案书，这些文件都已进行过评审。 项目组接到任务后，首

14、先要做的硬件开发工作就是要进行硬件需求分析，撰写 硬件需求规格说明书。硬件需求分析在整个产品开发过程中是非常重要的一环， 硬件工程师更应对这一项内容加以重视。 一项产品的性能往往是由软件和硬件共同完成的，哪些是由硬件完成，哪 些是由软件完成，项目组必须在需求时加以细致考虑。硬件需求分析还可以明 确硬件开发任务。并从总体上论证现在的硬件水平，包括公司的硬件技术水平 是否能满足需求。硬件需求分析主要有下列内容。 系统工程组网及使用说明 基本配置及其互连方法 运行环境 硬件整体系统的基本功能和主要性能指标 硬件分系统的基本功能和主要功能指标 硬件工程师手册 - 7 - 功能模块的划分 关键技术的攻关

15、 外购硬件的名称型号、生产单位、主要技术指标 主要仪器设备 内部合作，对外合作，国内外同类产品硬件技术介绍 可靠性、稳定性、电磁兼容讨论 电源、工艺结构设计 硬件测试方案 从上可见，硬件开发总体方案，把整个系统进一步具体化。硬件开发总体 设计是最重要的环节之一。总体设计不好，可能出现致命的问题，造成的损失 有许多是无法挽回的。另外，总体方案设计对各个单板的任务以及相关的关系 进一步明确，单板的设计要以总体设计方案为依据。而产品的好坏特别是系统 的设计合理性、科学性、可靠性、稳定性与总体设计关系密切。 硬件需求分析和硬件总体设计完成后，总体办和管理办要对其进行评审。 一个好的产品，特别是大型复杂

16、产品，总体方案进行反复论证是不可缺少的。 只有经过多次反复论证的方案，才可能成为好方案。 进行完硬件需求分析后，撰写的硬件需求分析书，不但给出项目硬件开发 总的任务框架，也引导项目组对开发任务有更深入的和具体的分析，更好地来 制定开发计划。 硬件需求分析完成后，项目组即可进行硬件总体设计，并撰写硬件总体方 案书。硬件总体设计的主要任务就是从总体上进一步划分各单板的功能以及硬 件的总体结构描述，规定各单板间的接口及有关的技术指标。硬件总体设计主 要有下列内容： 系统功能及功能指标 系统总体结构图及功能划分 单板命名 系统逻辑框图 组成系统各功能块的逻辑框图，电路结构图及单板组成 单板逻辑框图和电

17、路结构图 关键技术讨论 关键器件 总体审查包括两部分，一是对有关文档的格式，内容的科学性，描述的准 确性以及详简情况进行审查。再就是对总体设计中技术合理性、可行性等进行 审查。如果评审不能通过，项目组必须对自己的方案重新进行修订。 硬件工程师手册 - 8 - 硬件总体设计方案通过后，即可着手关键器件的申购，主要工作由项目组 来完成，计划处总体办进行把关。关键元器件往往是一个项目能否顺利实施的 重要目标。 关键器件落实后，即要进行结构电源设计、单板总体设计。结构电源设计 由结构室、MBC 等单位协作完成，项目组必须准确地把自己的需求写成任务书， 经批准后送达相关单位。 单板总体设计需要项目与 C

18、AD 配合完成。单板总体设计过程中，对电路板 的布局、走线的速率、线间干扰以及 EMI 等的设计应与 CAD 室合作。CAD 室 可利用相应分析软件进行辅助分析。单板总体设计完成后，出单板总体设计方 案书。总体设计主要包括下列内容： 单板在整机中的的位置：单板功能描述 单板尺寸 单板逻辑图及各功能模块说明 单板软件功能描述 单板软件功能模块划分 接口定义及与相关板的关系 重要性能指标、功耗及采用标准 开发用仪器仪表等 每个单板都要有总体设计方案，且要经过总体办和管理办的联系评审。否 则要重新设计。只有单板总体方案通过后，才可以进行单板详细设计。 单板详细设计包括两大部分： 单板软件详细设计 单

19、板硬件详细设计 单板软、硬件详细设计，要遵守公司的硬件设计技术规范，必须对物料选 用，以及成本控制等上加以注意。本书其他章节的大部分内容都是与该部分有 关的，希望大家在工作中不断应用，不断充实和修正，使本书内容更加丰富和 实用。 。 不同的单板，硬件详细设计差别很大。但应包括下列部分： 单板整体功能的准确描述和模块的精心划分。 接口的详细设计。 关键元器件的功能描述及评审，元器件的选择。 符合规范的原理图及 PCB 图。 对 PCB 板的测试及调试计划。 硬件工程师手册 - 9 - 单板详细设计要撰写单板详细设计报告。 详细设计报告必须经过审核通过。单板软件的详细设计报告由管理办组织 审查，而

20、单板硬件的详细设计报告，则要由总体办、管理办、CAD 室联合进行 审查，如果审查通过，方可进行 PCB 板设计，如果通不过，则返回硬件需求分 析处，重新进行整个过程。这样做的目的在于让项目组重新审查一下，某个单 板详细设计通不过，是否会引起项目整体设计的改动。 如单板详细设计报告通过，项目组一边要与计划处配合准备单板物料申购， 一方面进行 PCB 板设计。PCB 板设计需要项目组与 CAD 室配合进行，PCB 原 理图是由项目组完成的，而 PCB 画板和投板的管理工作都由 CAD 室完成。 PCB 投板有专门的 PCB 样板流程。PCB 板设计完成后，就要进行单板硬件过 程调试，调试过程中要注

21、意多记录、总结，勤于整理，写出单板硬件过程调试 文档。当单板调试完成，项目组要把单板放到相应环境进行单板硬件测试，并 撰写硬件测试文档。如果 PCB 测试不通过，要重新投板，则要由项目组、管理 办、总体办、CAD 室联合决定。 在结构电源，单板软硬件都已完成开发后，就可以进行联调，撰写系统联 调报告。联调是整机性能提高，稳定的重要环节，认真周到的联调可以发现各 单板以及整体设计的不足，也是验证设计目的是否达到的唯一方法。因此，联 调必须预先撰写联调计划，并对整个联调过程进行详细记录。只有对各种可能 的环节验证到才能保证机器走向市场后工作的可靠性和稳定性。联调后，必须 经总体办和管理办，对联调结

22、果进行评审，看是不是符合设计要求。如果不符 合设计要求将要返回去进行优化设计。 如果联调通过，项目要进行文件归档，把应该归档的文件准备好，经总体 办、管理办评审，如果通过，才可进行验收。 总之，硬件开发流程是硬件工程师规范日常开发工作的重要依据，全体硬件 工程师必须认真学习。 第二节第二节 硬件开发文档规范硬件开发文档规范 2.2.12.2.1 硬件开发文档规范文件介绍硬件开发文档规范文件介绍 为规范硬件开发过程中文档的编写，明确文档的格式和内容，规定硬件开发过程中所 需文档清单，与硬件开发流程对应制定了硬件开发文档编制规范 。开发人员在写文 档时往往会漏掉一些该写的内容，编制规范在开发人员写

23、文档时也有一定的提示作用。 硬 件开发文档编制规范适用于中央研究部立项项目硬件系统的开发阶段及测试阶段的文档 编制。规范中共列出以下文档的规范： 硬件工程师手册 - 10 - 硬件需求说明书 硬件总体设计报告 单板总体设计方案 单板硬件详细设计 单板软件详细设计 单板硬件过程调试文档 单板软件过程调试文档 单板系统联调报告 单板硬件测试文档 单板软件归档详细文档 单板软件归档详细文档 硬件总体方案归档详细文档 硬件单板总体方案归档详细文档 硬件信息库 这些规范的具体内容可在 HUAWEI 服务器中的“中研部 ISO9000 资料库”中找到， 对应每个文档规范都有相应的模板可供开发人员在写文档时

24、“填空”使用。模块在 rndI 服 务器中的文档管理数据库中。 2.2.22.2.2 硬件开发文档编制规范详解硬件开发文档编制规范详解 1、硬件需求说明书 硬件需求说明书是描写硬件开发目标，基本功能、基本配置，主要性能指标、 运行环 境，约束条件以及开发经费和进度等要求，它的要求依据是产品规格说明书和系统需求说 明书。它是硬件总体设计和制订硬件开发计划的依据， 具体编写的内容有：系统工程组网及使用说明、硬件整体系统的基本功能和主要性能 指标、硬件分系统的基本功能和主要性能指标以及功能模块的划分等。 2、硬件总体设计报告 硬件总体设计报告是根据需求说明书的要求进行总体设计后出的报告，它是硬件详细

25、 设计的依据。编写硬件总体设计报告应包含以下内容： 系统总体结构及功能划分，系统逻辑框图、组成系统各功能模块的逻辑框图，电路结 构图及单板组成，单板逻辑框图和电路结构图，以及可靠性、安全性、电磁兼容性讨论和 硬件测试方案等。 3、单板总体设计方案 在单板的总体设计方案定下来之后应出这份文档，单板总体设计方案应包含单板版本号， 单板在整机中的位置、开发目的及主要功能，单板功能描述、单板逻辑框图及各功能模块 说明，单板软件功能描述及功能模块划分、接口简单定义与相关板的关系，主要性能指标、 功耗和采用标准。 4、单板硬件详细设计 在单板硬件进入到详细设计阶段，应提交单板硬件详细设计报告。在单板硬件详

26、细设 计中应着重体现：单板逻辑框图及各功能模块详细说明，各功能模块实现方式、地址分配、 控制方式、接口方式、存贮器空间、中断方式、接口管脚信号详细定义、时序说明、性能 指标、指示灯说明、外接线定义、可编程器件图、功能模块说明、原理图、详细物料清单 以及单板测试、调试计划。有时候一块单板的硬件和软件分别由两个开发人员开发，因此 这时候单板硬件详细设计便为软件设计者提供了一个详细的指导，因此单板硬件详细设计 报告至关重要。尤其是地址分配、控制方式、接口方式、中断方式是编制单板软件的基础， 一定要详细写出。 5、单板软件详细设计 在单板软件设计完成后应相应完成单板软件详细设计报告，在报告中应列出完成

27、单板 软件的编程语言，编译器的调试环境，硬件描述与功能要求及数据结构等。要特别强调的 硬件工程师手册 - 11 - 是：要详细列出详细的设计细节，其中包括中断、主程序、子程序的功能、入口参数、出 口参数、局部变量、函数调用和流程图。在有关通讯协议的描述中，应说明物理层，链路 层通讯协议和高层通讯协议由哪些文档定义。 6、单板硬件过程调试文档 开发过程中，每次所投 PCB 板，工程师应提交一份过程文档，以便管理阶层了解进度， 进行考评，另外也给其他相关工程师留下一份有参考价值的技术文档。每次所投 PCB 板时 应制作此文档。这份文档应包括以下内容：单板硬件功能模块划分，单板硬件各模块调试 进度，

28、调试中出现的问题及解决方法，原始数据记录、系统方案修改说明、单板方案修改 说明、器件改换说明、原理图、PCB 图修改说明、可编程器件修改说明、调试工作阶段总 结、调试进展说明、下阶段调试计划以及测试方案的修改。 7、单板软件过程调试文档 每月收集一次单板软件过程调试文档，或调试完毕（指不满一月）收集，尽可能清楚， 完整列出软件调试修改过程。单板软件过程调试文档应当包括以下内容：单板软件功能模 块划分及各功能模块调试进度、单板软件调试出现问题及解决、下阶段的调试计划、测试 方案修改。 8、单板系统联调报告 在项目进入单板系统联调阶段，应出单板系统联调报告。单板系统联调报告包括这些 内容：系统功能模块划分、系统功能模块调试进展、系统接口信号的测试原始记录及分析、 系统联调中出现问题及解决、调试技巧集锦、整机性能评估等。 9、单板硬件测试文档 在单板调试完之后，申请内部验收之前，应先进行自测以确保每个功能都能实现，每 项指标都能满足。自测完毕应出单板硬件测试文档，单板硬件测试文档包括以下内容：单 板功能模块划分、各功能模块设计输入输出信号及性能参数、各功能模块测试点确定、各 测试参考点实测原始记录及分析、板内高速信号线测试原始记录及分析、系统 I/O 口信号 线测试原始记录及分析，整板性能测试结果分析。