认识硬件工程师:工作内容和职责
0 2023-12-01

什么是硬件

狭义来说,一般我们所说的软件和硬件指的是电子领域的。

软件代码也是人编写的,我们所熟知的语言比如C、C++等都是通过编译器翻译成汇编语言,然后汇编语言通过汇编器翻译成二进制机器语言,机器语言操控门电路完成相应的动作。个人觉得,没有硬件,软件就没有存在的意义,硬件是一切的基础,这里可以看出硬件设计是多重要。

但软件和硬件又有明显的区分,至少工作内容区别很大。按照行业内描述硬件属于底层(一般称为底层硬件),软件称为上层(软件又分为:底层驱动、上层业务以及应用层等)。如果非要举个例子来说明软件和硬件, 那最好的例子就是人,硬件指人的躯体,而软件指人的思维。

其实对于非电子领域的人,很难想明白计算机是怎么工作的,硬件是怎样工作的,软件是怎样工作的,即使你知道都是0和1,但你没做过相关工作,你发现不了其中的神奇之处。其实你只要知道,软件驱动硬件工作,驱动的激励是什么?是电讯号!硬件接收到的这个电讯号分为0和1,硬件的响应速度非常快,多快呢?举个例子,硬件中常用的串口波特率115200bit per second,一秒钟115200个0或者1,英语字母是8个bit(可在ASCII表看到,这在大学都学过),那就是一秒钟可打印14400个字母。你眨下眼睛一万多个字母就出来了。当然实际上并没有这么多,这只是个形象的例子。

什么是硬件设计

一般来说硬件设计指的是电路设计,这样说是没问题的,因为你所有的工作都是围绕电路设计,最终的目标也是产出一个优秀的电路,能够满足各种要求,经历各种考验。但实际上我们要求的是产品,而不是单板。

网上有一篇文章讲的挺好:"硬件设计就是根据产品经理的需求PRS(Product Requirement Specification),在COGS(Cost of Goods Sale)的要求下,利用目前业界成熟的芯片方案或者技术,在规定时间内完成硬件产品,而且要符合以下要求

  • PRS功能(Function)

  • 性能(perrformance)

  • 电源设计(power Supply)

  • 功耗(power Consumption)

  • 散热(Thermal/Cooling)

  • 噪音(Noise)

  • 信号完整性(Signal Integrity),

  • 电磁辐射(EMC/EMI)

  • 安规(Safet)

  • 器件采购(Component Sourcing)

  • 可靠性(Reliability)

  • 可测试性(DFT: design for test)

  • 可生产性(DFM:design for manufacture)

可以看到,一个成功的硬件设计,主要功能的实现只是所有环节中的一小部分。刚开始工作的时候,觉得板子电路设计完就完成了50%工作,PCB回板主要功能都能实现了,那就完成了80%的工作。实际上不是的,PCB回板主要功能都实现了,连30%工作都没有。所以不管是时间上,还是阶段上,产品的硬件设计时一个漫长过程。

而且你在一个公司做产品硬件设计,一般情况下都是参考成熟的方案,主芯片CPU主要功能的实现最终还是依靠芯片厂商提供的套片方案,一般来说为了降低风险,主要是参考套片方案的参考设计完成,芯片厂商也会提供包括器件封装,参考设计,仿真模型,PCB参考等等全部资料,在芯片功能越来越复杂的今天,一个片子动不动就几百上千个PIN,对于一个新项目来说,是没有时间一页页去吃透每个PIN,每个输入输出的具体功能,电气参数的,尤其是对于高速设计,比如DDR3接口,XAUI接口等等。一般来说芯片厂商提供的参考设计就是他们经过开发,验证,测试的最佳方案了,很多情况就是你必须按照参考设计来做,否则硬件可能就有问题,一般来说就是信号完整性问题或者EMC问题。"

那有的人就说了,硬件电路设计谈不上设计,都是copy成熟电路。芯片厂商提供越来越周到的服务,再加上公司沉淀的技术积累,硬件设计工程师可以完全不动脑子进行电路设计。看起来硬件工程师HWE(Hardware Engineer)的价值越来越低了,毕竟一个产品的核心功能或者技术一般都在IC或者FPGA里面了,HWE一般没有能力进行核心逻辑设计IC design。那如果按照这个逻辑软件设计也谈不上设计,都是copy成熟代码。试问有几个软件开发人员不移植别人的代码?再深入点,有几个软件工程师能随意更改uboot、kernel,不百度C语言语法,不移植业务程序,不去问芯片厂商的技术支持?即使都是成熟的东西,实际上工作过程中我并没有发现哪个项目做得很快,同样一套电路和代码,成熟产品没问题,新产品为什么就有问题??最后还是是硬件设计去解决。

对于这上述问题,我也曾经困惑过,总是感觉硬件设计没有什么好搞的了,不就是抄抄参考设计,就跟组装一台电脑一样组装一个单板嘛。当然随着项目经验的增多,尤其从事现在硬件系统级设计的角色,感觉原来自己考虑更多是从一名原理图设计工程师的角度考虑问题,看问题总是很片面。就像开始说的,一个成功的硬件设计,功能Function只是一小部分,至于其他的因素和能力,一个HWE的能力取决于能考虑因素越多,越深入,就越是一个优秀的HWE工程师。

所以HWE是吃经验的,对公司来说培养一个HWE成本很高,硬件不会像软件一样代码错了修改一下几分钟就可以搞定,硬件设计错了,那有可能全部都要重来,整个项目周期可能就要延迟3周甚至一个月以上。比如最近遇到的SENSOR出图像,效果不好,亮坏点比较多,硬件电路这边没法跳线,这和布局布线有关,只有改板。

有个观点需要说明一下,啥都不懂也可以做出事情,但对个人来说会有发展天花板。硬件方面就像参考电路一样,你不知道电路怎么工作的也能把他用起来,软件方面就像uboot和kernel一样你看不懂也能用起来,但一旦你懂,那就不一样了。就像一谈到硬件设计,大家都认为是电路设计,好简单,没什么难度,但实际上不是的,越到底层越难,责任越大,部门交流越多。懂得越多,学的越容易,就能够走的越远。

什么是硬件电路设计

硬件电路设计就是设计电路的,能够熟练使用cadence等EDA软件绘制电路与查看PCB。硬件设计中的电路设计是HWE最重要的职责。电路设计考验的是HWE的设计基本功,即对一些硬件器件的理解以及灵活应用,比如:

  • CPU

  • 电阻,电容,电感,

  • 二极管,三极管,

  • 保护器件,接口器件,

  • 逻辑芯片,逻辑功能,

  • 小芯片

  • 电源

上述讨论的硬件设计的相关事项,都应该在设计时候考虑,目前大公司的各种流程保证了设计时各部门的联动,还是很好的。

每个公司都会有自己的硬件电路设计规范,这个需要自己好好去看一下,并用在实践中。硬件电路设计主要针对电路设计,里面涉及的东西比较多,对电路模块的设计后面会有单独的章节讨论。硬件电路设计需要足够的经验与理论知识。

硬件设计开发流程

硬件部门开发流程指定后,需要硬件部门人员严格按照开发流程完成开发工作。硬件部开发流程主要分为如下几个步骤。

  • 市场调研

对即将进行的项目,需要进行市场调研。

  • 立项

市场调研完成后后,首先需要进行立项工作。

  • 硬件总体设计

项目立项后,需要进行硬件总体设计。

  • 核心器件的实验及分模块的详细设计

总体设计完成后,需对核心器件进行实验并且开始进行分模块设计方案。

  • 电路、程序及外壳设计

核心器件的实验及分模块的详细设计完成后,进行电路、程序及外壳设计。电路、程序及外壳设计按照项目设。

  • 系统联调

每个分块部分调试完成后,即可进行系统联调。

  • 内部审核、项目验收

系统联调完成后,项目即可进行内部审核、项目验收。

什么是硬件工程师

工作职责

硬件工程师负责整个产品的硬件设计。

一个硬件产品的研发流程,如下图所示:

公司内的所有岗位都同等重要的。虽然各团队的重要性一致的,但研发团队在产品开发中的位置应该更加核心。研发人员可以转去做市场、测试、供应链或者质量管理等,但市场等岗位的人却很难转做研发。一来研发门槛高,二来研发工作接触面广。而在整个研发团队中,硬件工程师做主导作用。

一般情况下我们所说的研发不仅仅局限于软件硬件,而是整个项目组,这里包括基本上所有部门的产品负责人。

而硬件工程师在研发团队中是重要的一员,硬件产品的研发团队可以如下图所示:

当然上图中所展示的并不完全,比如热设计也是非常重要的一员。但需要说明的是,在整个项目研发团队中,有两个人和所有人打交道,一个就是项目经理,另一个就是硬件工程师。硬件工程师需要和各种研发人员打交道 、协调工作,这也要求硬件工程师具有丰富的知识面和强大的协调能力。

硬件工程师的本职工作,如下图所示:

硬件工程师可以大致分为如下四个阶段:

  • 初级硬件工程师

在别人的指导下完成阶段三、四的部分,这个是应届毕业生入职三个月基本可以达到。

  • 普通的硬件工程师

独立完成阶段三、四的工作,一般工作1到2年即可。

  • 资深的硬件工程师

主导完成阶段三、四的工作,参与完成阶段二总体设计的工作。

  • 专家级硬件工程师

主导完成阶段一、二的工作。

作为一个硬件工程师,负责整个产品的研发过程。所以必须对每个时间段进行精确把握。项目都会有项目周期,虽然项目经理在把控时间,但具体的操作还是硬件工程师来搞。

工作能力

硬件工程师的目标是零缺陷。

在这个过程中,需要设计电路、解BUG、部门沟通交流,各方面能力都需要提高。

关于硬件工程师基本素质与技术,在里给出华为硬件工程师手册中的定位,如下图所示。

自我修养

最后说下硬件工程师等自我修养。

  • 沟通能力    要有逻辑,想法要全面点,这样才能与其他部门人员好好沟通,说不清会导致吵架!!

  • 性格温和    因为你会和所有部门交流,不要拉着脸,也不要命令式的,性格偏激会导致吵架!!

  • 谦虚谨慎    别人的意见即使不采纳也要倾听,然后说出自己的见解与原因,一意孤行会导致吵架!!

  • 认真仔细    设计电路要认真仔细,解BUG要认真仔细,因为一旦出问题这个责任只有自己背!!

  • 要有耐心    不论是沟通还是解BUG还是检查电路,一定要有耐心!

  • 不会就问    不会的东西就问,因为产品开发时间比较短,不可能给你大把时间去研究!!

  • 有责任心    对电路负责,对产品负责,对BUG负责!!

  • 分清主次    出了问题要先想怎样去解决问题,而不是先去追究谁的责任!!

  • 乐善好学    善于帮助别人,善于学习,必须有扎实的经验知识与理论知识!!!

其实总结出来,上述是作为一个硬件工程师必须的性格,可以说是缺一不可。性格偏激的人不适合做硬件研发,甚至可以说不适合做所有研发。所以一般情况下硬件工程师做产品经理的人很多,因为这个职位本身要求就很高,良好的性格与经验理论知识会让你一直进步的。


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