硬件工程師經(jīng)常犯的幾個典型錯誤

完成一個項目設計，需要考慮的因素很多。對于硬件工程師來說，一不留神就會犯錯，以下總結(jié)了一些在系統(tǒng)成本、低功耗設計、信號完整性、可靠性設計上容易陷入的誤區(qū)，供大家參考。

節(jié)約成本

現(xiàn)象一

這些拉高/拉低的電阻用多大的阻值關(guān)系不大，就選個整數(shù)5kΩ吧

市場上不存在5kΩ的阻值，最接近的是4.99kΩ(精度1%)，其次是5.1kΩ(精度5%)，其成本分別比精度為20%的4.7kΩ高4倍和2倍。

20%精度的電阻阻值只有1、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8幾個類別(含10的整數(shù)倍)。類似地，20%精度的電容也只有以上幾種值，如果選了其它的值就必須使用更高的精度成本就翻了幾倍，卻不能帶來任何好處。

現(xiàn)象二

這點邏輯用74XX的門電路搭也行，但太土，還是用CPLD吧，顯得高檔多了

74XX的門電路只幾毛錢，而CPLD至少也得幾十塊，(GAL/PAL雖然只幾塊錢，但公司不推薦使用)。成本提高了N倍不說，還給生產(chǎn)、文檔等工作增添數(shù)倍的工作。

現(xiàn)象三

我們的系統(tǒng)要求這么高，包括MEM、CPU、FPGA等所有的芯片都要選最快的

在一個高速系統(tǒng)中并不是每一部分都工作在高速狀態(tài)。而器件速度每提高一個等級，價格差不多要翻倍，另外還給信號完整性問題帶來極大的負面影響。

現(xiàn)象四

這板子的PCB設計要求不高，就用細一點的線，自動布吧

自動布線必然要占用更大的PCB面積，同時產(chǎn)生比手動布線多好多倍的過孔。在批量很大的產(chǎn)品中，PCB廠家降價所考慮的因素除了商務因素外，就是線寬和過孔數(shù)量，它們分別影響到PCB的成品率和鉆頭的消耗數(shù)量。節(jié)約了供應商的成本，也就給降價找到了理由。

現(xiàn)象五

程序只要穩(wěn)定就可以了，代碼長一點、效率低一點不是關(guān)鍵

CPU的速度和存儲器的空間都是用錢買來的。如果寫代碼時多花幾天時間提高一下程序效率，那么從降低CPU主頻和減少存儲器容量所節(jié)約的成本絕對是劃算的。CPLD/FPGA設計也類似。

低功耗設計

現(xiàn)象一

我們這系統(tǒng)是220V供電，就不用在乎功耗問題了

低功耗設計并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設備溫度的降低，器件壽命則相應延長。半導體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半。

現(xiàn)象二

這些總線信號都用電阻拉一下，感覺放心些

信號需要上下拉的原因很多，但也不是個個都要拉。上下拉電阻拉一個單純的輸入信號，電流也就幾十微安以下。但拉一個被驅(qū)動了的信號，其電流將達毫安級?，F(xiàn)在的系統(tǒng)常常是地址數(shù)據(jù)各32位，可能還有244/245隔離后的總線及其它信號，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了。

現(xiàn)象三

CPU和FPGA的這些不用的I/O口怎么處理呢？先讓它空著吧，以后再說

不用的I/O口如果懸空的話，受外界的一點點干擾就可能成為反復振蕩的輸入信號了，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個引腳也會有微安級的電流，所以最好的辦法是設成輸出。

現(xiàn)象四

這款FPGA還剩這么多門用不完，可盡情發(fā)揮吧

FGPA的功耗與被使用的觸發(fā)器數(shù)量及其翻轉(zhuǎn)次數(shù)成正比，所以同一型號的FPGA在不同電路不同時刻的功耗可能相差100倍。盡量減少高速翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器數(shù)量是降低FPGA功耗的根本方法。

現(xiàn)象五

這些小芯片的功耗都很低，不用考慮

對于內(nèi)部不太復雜的芯片功耗是很難確定的，它主要由引腳上的電流確定，一個ABT16244，沒有負載的話耗電大概不到1毫安，但它的指標是每個腳可 驅(qū)動60毫安的負載（如匹配幾十歐姆的電阻），即滿負荷的功耗最大可達60*16=960mA，當然只是電源電流這么大，熱量都落到負載身上了。

現(xiàn)象六

這些信號怎么都有過沖啊？只要匹配得好，就可消除了

除了少數(shù)特定信號外(如100BASE-T、CML)，都是有過沖的，只要不是很大，并不一定都需要匹配，即使匹配也并非要匹配得最好。像TTL的輸出阻抗不到50Ω，有的甚至20Ω，如果也用這么大的匹配電阻的話，那電流就非常大了，功耗是無法接受的，另外信號幅度也將小得不能用。再說一般信號在輸出高電平和輸出低電平時的輸出阻抗并不相同，也沒辦法做到完全匹配。所以對TTL、LVDS、422等信號的匹配只要做到過沖可以接受即可。

系統(tǒng)效率

現(xiàn)象一

這主頻100M的CPU只能處理70%，換200M主頻的就沒事了

系統(tǒng)的處理能力牽涉到多種多樣的因素，在通信業(yè)務中其瓶頸一般都在存儲器上，CPU再快，外部訪問快不起來也是徒勞。

現(xiàn)象二

CPU用大一點的CACHE，就應該快了

CACHE的增大，并不一定就導致系統(tǒng)性能的提高，在某些情況下關(guān)閉CACHE反而比使用CACHE還快。原因是搬到CACHE中的數(shù)據(jù)必須得到多次 重復使用才會提高系統(tǒng)效率。所以在通信系統(tǒng)中一般只打開指令CACHE，數(shù)據(jù)CACHE即使打開也只局限在部分存儲空間，如堆棧部分。

同時也要求程序設計 要兼顧CACHE的容量及塊大小，這涉及到關(guān)鍵代碼循環(huán)體的長度及跳轉(zhuǎn)范圍，如果一個循環(huán)剛好比CACHE大那么一點點，又在反復循環(huán)的話，那就慘了。

現(xiàn)象三

這么多任務到底是用中斷還是用查詢呢？還是中斷快些吧

中斷的實時性強，但不一定快。如果中斷任務特別多的話，這個沒退出來，后面又接踵而至，一會兒系統(tǒng)就將崩潰了。如果任務數(shù)量多但很頻繁的話，CPU的很大精力都用在進出中斷的開銷上，系統(tǒng)效率極為低下。如果改用查詢方式反而可極大提高效率，但查詢有時不能滿足實時性要求。所以，最好的辦法是在中斷中查 詢，即進一次中斷就把積累的所有任務都處理完再退出。

現(xiàn)象四

存儲器接口的時序都是廠家默認的配置，不用修改的

BSP對存儲 器接口設置的默認值都是按最保守的參數(shù)設置的，在實際應用中應結(jié)合總線工作頻率和等待周期等參數(shù)進行合理調(diào)配。有時把頻率降低反而可提高效率，如RAM的存取周期是70ns，總線頻率為40M時，設3個周期的存取時間，即75ns即可；若總線頻率為50M時，必須設為4個周期，實際存取時間卻放慢到了 80ns。

現(xiàn)象五

一個CPU處理不過來，就用兩個分布處理，處理能力可提高一倍

對于搬磚頭來說，兩個人應該比一個人的效率高一倍；對于作畫來說，多一個人只能幫倒忙。使用幾個CPU需對業(yè)務有較多的了解后才能確定，盡量減少兩個CPU間協(xié)調(diào)的代價，使1+1盡可能接近2，千萬別小于1。

現(xiàn)象六

這個CPU帶有DMA模塊，用它來搬數(shù)據(jù)肯定快

真正的DMA是由硬件搶占總線后同時啟動兩端設備，在一個周期內(nèi)這邊讀，那邊些。但很多嵌入CPU內(nèi)的DMA只是模擬而已，啟動每一次DMA之前要做不少準備工作（設起始地址和長度等）。

在傳輸時往往是先讀到芯片內(nèi)暫存，然后再寫出去，即搬一次數(shù)據(jù)需兩個時鐘周期，比軟件來搬要快一些（不需要取指令， 沒有循環(huán)跳轉(zhuǎn)等額外工作），但如果一次只搬幾個字節(jié)，還要做一堆準備工作，一般還涉及函數(shù)調(diào)用，效率并不高。所以這種DMA只對大數(shù)據(jù)塊才適用。

信號完整性

現(xiàn)象一

這些信號都經(jīng)過仿真了，絕對沒問題

仿真模型不可能與實物一模一樣，連不同批次加工的實物都有差別，就更別說模型了。再說實際情況千差萬別，仿真也不可能窮舉所有可能，尤其是串擾。其它數(shù)據(jù)也會對WE產(chǎn)生干擾，但干擾在可接受的范圍內(nèi)，可是當8位總線同時由0變1時，附近的信號就招架不住了。結(jié)論是仿真結(jié)果僅供參考，還應留有足夠的余 量。

現(xiàn)象二

100M的數(shù)據(jù)總線應該算高頻信號，至于這個時鐘信號頻率才8K，問題不大

數(shù)據(jù)總線的值一般是由控制信號或時鐘信號的某個邊沿來采樣的，只要針對這個邊沿保持足夠的建立時間和保持時間即可。此范圍之外有干擾也罷過沖也罷都不會有多大影響（當然過沖最好不要超過芯片 所能承受的最大電壓值）。但時鐘信號不管頻率多低（其實頻譜范圍是很寬的），它的邊沿才是關(guān)鍵的，必須保證其單調(diào)性，并且跳變時間需在一定范圍內(nèi)。

現(xiàn)象三

既然是數(shù)字信號，邊沿當然是越陡越好

邊沿越陡，其頻譜范圍就越寬，高頻部分的能量就越大；頻率越高的信號就越容易輻射，也就越容易干擾別的信號，而自身在導線上的傳輸質(zhì)量卻變得越差，因此能用低速芯片的盡量使用低速芯片。

現(xiàn)象四

為保證干凈的電源，去偶電容是多多益善

總的來說去偶電容越多電源當然會更平穩(wěn)，但太多了也有不利因素：浪費成本、布線困難、上電沖擊電流太大等。去偶電容的設計關(guān)鍵是要選對容量并且放對地方，一般的芯片手冊都有爭對去偶電容的設計參考，最好按手冊去做。

現(xiàn)象五

信號匹配真麻煩，如何才能匹配好呢

總的原則是當信號在導線上的傳輸時間超過其跳變時間時，信號的反射問題才顯得重要。信號產(chǎn)生反射的原因是線路阻抗的不均勻造成的，匹配的目的就是為了 使驅(qū)動端、負載端及傳輸線的阻抗變得接近。

但能否匹配得好，與信號線在PCB上的拓撲結(jié)構(gòu)也有很大關(guān)系，傳輸線上的一條分支、一個過孔、一個拐角、一個接 插件、不同位置與地線距離的改變等都將使阻抗產(chǎn)生變化，而且這些因素將使反射波形變得異常復雜，很難匹配。因此，高速信號僅使用點到點的方式，盡可能地減少 過孔、拐角等問題。

可靠性設計

現(xiàn)象一

這塊單板已小批量生產(chǎn)了，經(jīng)過長時間測試沒發(fā)現(xiàn)任何問題

硬件設計和芯片應 用必須符合相關(guān)規(guī)范，尤其是芯片手冊中提到的所有參數(shù)（耐壓、I/O電平范圍、電流、時序、溫度PCB布線、電源質(zhì)量等），不能光靠試驗來驗證。

公司有不少產(chǎn)品都有過慘痛的教訓，產(chǎn)品賣了一兩年，IC廠家換了個生產(chǎn)線，咱們的板子就不轉(zhuǎn)了，原因就是人家的芯片參數(shù)發(fā)生了點變化，但并沒有超出手冊的范圍。如果你以手冊為準，那他怎么變化都不怕，如果參數(shù)變得超出手冊范圍了還可找他索賠（假如這時你的板子還能轉(zhuǎn)，那你的可靠性就更牛了）。

現(xiàn)象二

這部分電路只要要求軟件這樣設計就不會有問題

硬件上很多電氣特性直接受軟件控制，但軟件是經(jīng)常發(fā)生意外的，程序跑飛了之后無法預料會有什么操作。設計者應確保不論軟件做什么樣的操作硬件都不應在短時間內(nèi)發(fā)生永久性損壞。

現(xiàn)象三

用戶操作錯誤發(fā)生問題就不能怪我了

要求用戶嚴格按手冊操作是沒錯的，但用戶是人，就有犯錯的時候，不能說碰錯一個鍵就死機，插錯一個插頭就燒板子。所以對用戶可能犯的各種錯誤必須加以保護。

現(xiàn)象四

這板子壞的原因是對端的板子出問題了，也不是我的責任

對于各種對外的硬件接口應有足夠的兼容性，不能因為對方信號不正常，你就歇著了。它不正常只應影響到與其有關(guān)的那部分功能，而其它功能應能正常工作，不應徹底罷工，甚至永久損壞，而且一旦接口恢復，你也應立即恢復正常。

審核編輯 ：李倩