认识硬件工程师及其工作内容

只看该作者 · 2022-12-5 14:45

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。关于C语言与C++区别可以移步此文:假如C与C++是两把菜刀。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，相关文章:深度长文：STM32单片机是如何软硬件结合的。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产品零缺陷。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，在这里给出华为硬件工程师手册中的定位，如下图所示。