硬件的總體設計階段是最鍛煉硬件工程師的。我參與過很多硬件的總體設計，感覺這個階段對我個人能力的提升鍛煉是非常有幫助的。

首先，硬件按照大致的分類，可以分為：框式、盒式、終端類。

1、框式設備的總體設計

框式設備的總體方案，要看版本和階段。有些大版本，需要重新定義機框，那么我們有時把機框的定義，也認為是總體設計階段。這時總體設計的工作是繁重而高級的。

1.1【定義機框】

定義機框工作量大，而且需要考慮產品的迭代升級，產品持續的競爭力，需要設計者具備全流程視野和戰略能力以及技術深度和廣度，對技術演進的預判能力。因為工作量大，所以繁重；因為對工作能力要求高，所以高級。

定義機框，首先要做的第一件事情就是：定規格。

這個規格包含很多方面：

a、業務規格，這個需要滿足客戶期望、有市場競爭力、最合理的顆粒度。

我記得大學同學剛畢業的時候去烽火通信，去南美市場，銷售光通信，當年號稱密集光波分復用（DWDM），一根光纖傳輸1T帶寬信號，全光通信，遠距離傳輸。結果同學到了厄瓜多爾，一個國家都用不了一根光纖，在那里主要賣“貓”（調試解調器）。

所以業務規格很重要，并不是越大越好。我們當年我們做企業網，一開始沒有設計專門的設備，認為用運營商設備借用到企業網，實現歸一化。用運營商架構做企業通信設備，除了幾個大銀行能接受這么大規格的設備，小公司都沒有這樣的硬件規格需求。并且由于運營商的軟件結構，在企業網也顯得臃腫。

b、整框的電源、功耗、散熱、可靠性的規格。當業務確定之后，需要根據整機的使用場景，確定整機的電源輸入的特性，整體功耗的需求，以及散熱條件。電源需要考慮一次電源轉換為二次電源的能力。散熱需要考慮風道是否合理，不同槽位的單板散熱的差異，風扇失效模型等等。

c、定義背板

有些朋友要質疑，很多機框都是標準的，遵循標準即可，為什么還需要自己考慮定義背板。

第一，有些標準的背板定義并沒有那么詳細，需要自行定義一些接口。

第二，有些標準并不合理，需要各個廠家共同努力去演進。

第三，做硬件的需要有舍我其誰的霸氣，需要參與到標準、專利中去。

1.2【定義單板】

其實很多工程師很奇怪，為什么華為出來的工程師，喜歡把電路板稱為單板。其實沒有特殊含義，就是因為他們大多數都是做框式設備出身，這個單板的“單”是相對于機框來說的“單”。也是相對于“背板”的單板。工種不同。如果你只能做“單板”，沒有整機思維、系統思維，那說明你的技術確實很單一。

一旦機框明確之后，需要設計單板，需要做的事情就相對比較明確，而且這個事情的責任屬性，更加“硬件工程師”。

a、定義功能

我們設計某一塊單板的時候，實際是由整機的功能拆解下來的。在定義框的時候，其實應該考慮到各個單板的功能劃分、軟硬件接口、功能解耦等問題。同時包括不同的單板數量配置，實現不同的規格和不同應用場景的需求。

b、定義接口

對于框式設備，我們需要定義單板的面板接口和背板接口。一般來說背板接口是統一的，除了核心交換板之外，其他板應該是統一的，這樣單板之間才具備位置互換，混插，替換等特性。這里不僅僅是ATCA架構，包括其他各種架構，應該都有這樣的特性。應該有不少朋友用過NI的虛擬儀器，他的PXI機框應該也具備這種特性。面板接口一般是根據業務需求和功能需求去定義的。

c、核心功能器件選型

我們根據業務需求，需要定義我們的核心器件。所以首先需要評估其業務能力，最主要的器件是：CPU、DSP、FPGA、內存、FLASH、接口芯片等。

在選型CPU的時候，首先我們需要區分其應用場景，是常規嵌入式應用，還是服務器應用。如果是服務器應用，一般是X86或者是服務器級別的多核ARM，如果是嵌入式，一般是ARM、MIPS、早期的PowerPC、現在流行的RISC-V等內核，也包括選擇X86。

如果是服務器應用，需要考慮處理器選型的規格，一般用于X86專門的評價標準,SPEC是由標準性能評價機構“Standard Performance Evaluation Corporation”的簡稱。其下面有SPEC CPU、SPEC POWER等很多測試標準工具，例如：SPEC CPU 2006測試運算性能，SPECpower_ssj2008測試功耗。

SPEC CPU是標準性能評價機構 (SPEC)開發的用于評測CPU性能的基準程序測試組，是一套CPU子系統測試工具。處理器、內存和編譯器都會影響最終的測試結果，而I/O（磁盤）、網絡、操作系統和圖形子系統對SPEC CPU2000的影響非常小。目前，SPEC CPU是業界首選的CPU評測工具。SPEC CPU包括CINT和CFP兩套基準測試程序。

SPECCInt即SPE Cpu Integrate的簡寫，SPECCFP即SPE Cpu Float Point的簡寫。前者用于測量和對比CPU的整數性能，后者用于測量和對比浮點性能。CINT包含十幾個個測試項目，CFP也包含十幾個個測試項目。

我曾經測試Intel的新產品的SPEC，發現有很多規格并沒有那么理想，如果達到官方宣稱的數據，需要打開很多超頻功能，也需要軟件進行配合。

SPEC測試需要注意的還有以下幾點：

①SPEC CPU2006測試所得到的數據不能和CPU2000進行直接對比，因為它們是基于不同的算法結構；

②其次SPEC測試時，CPU基本是100％跑的，所有基本不能進行其他復雜的數據操作或者編譯操作；

③測試過程時間較長，中間是不允許中斷的，除非kill掉和SPEC相關的所有進行，results中的debug文件也只會保留kill進程之前的最后一個測試完成的場景結果。

如果發現最終的SPEC值過低，可以從以下幾點中查找結果：

①編譯器是否正確，是否符合進行測試的處理器；

②其次是指令集是否為此CPU的最佳指令集；

③內存的配置是否符合要求；

④處理器的實際工作頻率是否達到它應有的頻率；

⑤溫度等外在的環境因素是否導致處理器降頻使用。

如果單板不是用作服務器應用，此時可以用MIPS作為指標進行評估。此時的MIPS不是處理器架構。MIPS(Million Instructions Per Second)：單字長定點指令平均執行速度 Million Instructions Per Second的縮寫，每秒處理的百萬級的機器語言指令數。這是衡量CPU速度的一個指標。像是一個Intel80386 電腦可以每秒處理3百萬到5百萬機器語言指令，即我們可以說80386是3到5MIPS的CPU。MIPS只是衡量CPU性能的指標。

準確測試cpu的mips或者mflops一般是設計體系結構時候用cpu模擬器或者verilog前仿得到的。對于用C語言比較準確的測試mips或者mflops，你可以用一個程序讀取系統時間，然后執行第二個程序，第二個程序執行完成后再記錄執行的時間，然后反匯編第二個程序，統計第二個程序中執行的指令條數，通常第二個程序中執行的指令數是確定的，（分支和循環的次數是可確定的）。mips和mflops在RISC CPU的評價中比較有價值。

處理器的主頻提高與業務能力不是線性的，同樣其測試結果也不代表其業務能力。有些處理器的實際性能用簡單的評價標準并不能說明其業務能力，需要直接測試其業務能力。直接在demo板上移植業務軟件，評估其業務能力是最可信賴的一種方式。例如當年我們選擇多核DSP（shannon）時，直接測試其G.711轉碼性能，與原先的單核DSP進行對比，可以得出具體的業務能力。然后根據其業務需求，評估需要在一塊單板上安排多少數量。當然還需要評估成本、功耗、散熱等維度的挑戰。

d、數據流

有了核心器件的規格之后，我們需要根據單板的業務模型，繪制出各種業務需求下的數據流向，來明確接口是否是瓶頸，同時我們在每個終端器件或者核心器件的存儲空間的需求。

例如上述硬件，FPGA主要對以太網協議進行解析，根據數據包的內容，進行分發數據，將信令分給處理器做處理，將語音或者視頻的編解碼分給DSP進行處理。此時我們需要考慮語音如何傳輸、信令如何傳輸。

同時，需要考慮數據分發時，FPGA需要多少邏輯資源。編解碼數據和信令數據的比例關系，根據業務模型，評估CPU與DSP的性能匹配關系。同時根據業務量和數據特性，評估FPGA外掛的DDR的數據帶寬需求，以及存儲數據深度的需求，進一步評估DDR的速率和容量。同時由于DDR的數據接口的特性，還需要評估其傳輸效率，還有吞吐數據非連續性時開銷與連續地址數據開銷的差異。

當然這一系列的計算和評估是需要積累和背景，同時也需要各個維度的技能。

2、盒式設備

一般來說,盒式設備都面臨白熱化是競爭環境，例如：交換機、路由器、統一通信設備、NVR等等。

盒式設備一般都是產品組合，用不同的產品整機形態應對不通的市場規格需求。如何規劃好產品的規格，也是非常重要的。所以盒式設備的系統工程師和規劃師往往花費大量的精力到產品組合設計。

有些企業通過主板+扣板的形式，實現了產品多樣化和多規格。

盒式設備的散熱一般是自然散熱，其熱仿真需要充分考慮其沒有風道的情況下殼體的最高熱容忍度。特別是一些大功率設備的應用。

盒式設備的噪聲要求、散熱要求會與框式設備不一樣，有些場景下更像終端類設備。

盒式設備的總體設計與框式設備在單板設計部分基本一致，當然還有很多不同點，本文不展開，會在我們的新書中展開。

3、終端設備

終端設備的典型是手機、攝像頭、無人機、機器人、對講機、智能穿戴。終端設備的設計考慮和理念跟盒式、框式有更大的區別。

手機的散熱并不是像框式設備那樣要充分散熱。手持式設備需要考慮不能把熱量完全導出來，會影響客戶感受。

穿戴式設備，還需要考慮人體對無線輻射的接受度和影響。

成本、重量、量產、可生產性等等維度，本文也暫時不展開，后續我們其他文章再展開。

審核編輯 ：李倩