硬件框式设备的总体设计

GReq_mcu168 2022-06-08 1557

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描述

硬件的总体设计阶段是最锻炼硬件工程师的。我参与过很多硬件的总体设计，感觉这个阶段对我个人能力的提升锻炼是非常有帮助的。

首先，硬件按照大致的分类，可以分为：框式、盒式、终端类。

1、框式设备的总体设计

框式设备的总体方案，要看版本和阶段。有些大版本，需要重新定义机框，那么我们有时把机框的定义，也认为是总体设计阶段。这时总体设计的工作是繁重而高级的。

1.1【定义机框】

定义机框工作量大，而且需要考虑产品的迭代升级，产品持续的竞争力，需要设计者具备全流程视野和战略能力以及技术深度和广度，对技术演进的预判能力。因为工作量大，所以繁重；因为对工作能力要求高，所以高级。

定义机框，首先要做的第一件事情就是：定规格。

这个规格包含很多方面：

a、业务规格，这个需要满足客户期望、有市场竞争力、最合理的颗粒度。

我记得大学同学刚毕业的时候去烽火通信，去南美市场，销售光通信，当年号称密集光波分复用（DWDM），一根光纤传输1T带宽信号，全光通信，远距离传输。结果同学到了厄瓜多尔，一个国家都用不了一根光纤，在那里主要卖“猫”（调试解调器）。

所以业务规格很重要，并不是越大越好。我们当年我们做企业网，一开始没有设计专门的设备，认为用运营商设备借用到企业网，实现归一化。用运营商架构做企业通信设备，除了几个大银行能接受这么大规格的设备，小公司都没有这样的硬件规格需求。并且由于运营商的软件结构，在企业网也显得臃肿。

b、整框的电源、功耗、散热、可靠性的规格。当业务确定之后，需要根据整机的使用场景，确定整机的电源输入的特性，整体功耗的需求，以及散热条件。电源需要考虑一次电源转换为二次电源的能力。散热需要考虑风道是否合理，不同槽位的单板散热的差异，风扇失效模型等等。

c、定义背板

有些朋友要质疑，很多机框都是标准的，遵循标准即可，为什么还需要自己考虑定义背板。

第一，有些标准的背板定义并没有那么详细，需要自行定义一些接口。

第二，有些标准并不合理，需要各个厂家共同努力去演进。

第三，做硬件的需要有舍我其谁的霸气，需要参与到标准、专利中去。

1.2【定义单板】

其实很多工程师很奇怪，为什么华为出来的工程师，喜欢把电路板称为单板。其实没有特殊含义，就是因为他们大多数都是做框式设备出身，这个单板的“单”是相对于机框来说的“单”。也是相对于“背板”的单板。工种不同。如果你只能做“单板”，没有整机思维、系统思维，那说明你的技术确实很单一。

一旦机框明确之后，需要设计单板，需要做的事情就相对比较明确，而且这个事情的责任属性，更加“硬件工程师”。

a、定义功能

我们设计某一块单板的时候，实际是由整机的功能拆解下来的。在定义框的时候，其实应该考虑到各个单板的功能划分、软硬件接口、功能解耦等问题。同时包括不同的单板数量配置，实现不同的规格和不同应用场景的需求。

b、定义接口

对于框式设备，我们需要定义单板的面板接口和背板接口。一般来说背板接口是统一的，除了核心交换板之外，其他板应该是统一的，这样单板之间才具备位置互换，混插，替换等特性。这里不仅仅是ATCA架构，包括其他各种架构，应该都有这样的特性。应该有不少朋友用过NI的虚拟仪器，他的PXI机框应该也具备这种特性。面板接口一般是根据业务需求和功能需求去定义的。

c、核心功能器件选型

我们根据业务需求，需要定义我们的核心器件。所以首先需要评估其业务能力，最主要的器件是：CPU、DSP、FPGA、内存、FLASH、接口芯片等。

在选型CPU的时候，首先我们需要区分其应用场景，是常规嵌入式应用，还是服务器应用。如果是服务器应用，一般是X86或者是服务器级别的多核ARM，如果是嵌入式，一般是ARM、MIPS、早期的PowerPC、现在流行的RISC-V等内核，也包括选择X86。

如果是服务器应用，需要考虑处理器选型的规格，一般用于X86专门的评价标准,SPEC是由标准性能评价机构“Standard Performance Evaluation Corporation”的简称。其下面有SPEC CPU、SPEC POWER等很多测试标准工具，例如：SPEC CPU 2006测试运算性能，SPECpower_ssj2008测试功耗。

SPEC CPU是标准性能评价机构 (SPEC)开发的用于评测CPU性能的基准程序测试组，是一套CPU子系统测试工具。处理器、内存和编译器都会影响最终的测试结果，而I/O（磁盘）、网络、操作系统和图形子系统对SPEC CPU2000的影响非常小。目前，SPEC CPU是业界首选的CPU评测工具。SPEC CPU包括CINT和CFP两套基准测试程序。

SPECCInt即SPE Cpu Integrate的简写，SPECCFP即SPE Cpu Float Point的简写。前者用于测量和对比CPU的整数性能，后者用于测量和对比浮点性能。CINT包含十几个个测试项目，CFP也包含十几个个测试项目。

我曾经测试Intel的新产品的SPEC，发现有很多规格并没有那么理想，如果达到官方宣称的数据，需要打开很多超频功能，也需要软件进行配合。

SPEC测试需要注意的还有以下几点：

①SPEC CPU2006测试所得到的数据不能和CPU2000进行直接对比，因为它们是基于不同的算法结构；

②其次SPEC测试时，CPU基本是100％跑的，所有基本不能进行其他复杂的数据操作或者编译操作；

③测试过程时间较长，中间是不允许中断的，除非kill掉和SPEC相关的所有进行，results中的debug文件也只会保留kill进程之前的最后一个测试完成的场景结果。

如果发现最终的SPEC值过低，可以从以下几点中查找结果：

①编译器是否正确，是否符合进行测试的处理器；

②其次是指令集是否为此CPU的最佳指令集；

③内存的配置是否符合要求；

④处理器的实际工作频率是否达到它应有的频率；

⑤温度等外在的环境因素是否导致处理器降频使用。

如果单板不是用作服务器应用，此时可以用MIPS作为指标进行评估。此时的MIPS不是处理器架构。MIPS(Million Instructions Per Second)：单字长定点指令平均执行速度 Million Instructions Per Second的缩写，每秒处理的百万级的机器语言指令数。这是衡量CPU速度的一个指标。像是一个Intel80386 电脑可以每秒处理3百万到5百万机器语言指令，即我们可以说80386是3到5MIPS的CPU。MIPS只是衡量CPU性能的指标。

准确测试cpu的mips或者mflops一般是设计体系结构时候用cpu模拟器或者verilog前仿得到的。对于用C语言比较准确的测试mips或者mflops，你可以用一个程序读取系统时间，然后执行第二个程序，第二个程序执行完成后再记录执行的时间，然后反汇编第二个程序，统计第二个程序中执行的指令条数，通常第二个程序中执行的指令数是确定的，（分支和循环的次数是可确定的）。mips和mflops在RISC CPU的评价中比较有价值。

处理器的主频提高与业务能力不是线性的，同样其测试结果也不代表其业务能力。有些处理器的实际性能用简单的评价标准并不能说明其业务能力，需要直接测试其业务能力。直接在demo板上移植业务软件，评估其业务能力是最可信赖的一种方式。例如当年我们选择多核DSP（shannon）时，直接测试其G.711转码性能，与原先的单核DSP进行对比，可以得出具体的业务能力。然后根据其业务需求，评估需要在一块单板上安排多少数量。当然还需要评估成本、功耗、散热等维度的挑战。

d、数据流

有了核心器件的规格之后，我们需要根据单板的业务模型，绘制出各种业务需求下的数据流向，来明确接口是否是瓶颈，同时我们在每个终端器件或者核心器件的存储空间的需求。

例如上述硬件，FPGA主要对以太网协议进行解析，根据数据包的内容，进行分发数据，将信令分给处理器做处理，将语音或者视频的编解码分给DSP进行处理。此时我们需要考虑语音如何传输、信令如何传输。

同时，需要考虑数据分发时，FPGA需要多少逻辑资源。编解码数据和信令数据的比例关系，根据业务模型，评估CPU与DSP的性能匹配关系。同时根据业务量和数据特性，评估FPGA外挂的DDR的数据带宽需求，以及存储数据深度的需求，进一步评估DDR的速率和容量。同时由于DDR的数据接口的特性，还需要评估其传输效率，还有吞吐数据非连续性时开销与连续地址数据开销的差异。

当然这一系列的计算和评估是需要积累和背景，同时也需要各个维度的技能。

2、盒式设备

一般来说,盒式设备都面临白热化是竞争环境，例如：交换机、路由器、统一通信设备、NVR等等。