在他的硬件創(chuàng)業(yè)系列文章中，作者介紹了硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，以及不進(jìn)行適當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將如何導(dǎo)致麻煩。為了使這個(gè)問(wèn)題更加清晰，他使用了一個(gè)他最近處理過(guò)的現(xiàn)實(shí)生活中的例子，以便更好地理解。當(dāng)我們建造房子時(shí)，通常我們不會(huì)直接去設(shè)計(jì)房子。我們首先得到建筑師的幫助，以獲得房子的輪廓(現(xiàn)在一天3d 渲染的房子) ，并得到所有需要的功能解決之前，我們進(jìn)入下一階段的規(guī)劃或創(chuàng)建一個(gè)房子平面圖。同樣，在完成詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，創(chuàng)建一個(gè)電子產(chǎn)品需要基本的架構(gòu)設(shè)計(jì)。一個(gè)成功的設(shè)計(jì)需要適當(dāng)?shù)募軜?gòu)設(shè)計(jì)和良好的電路設(shè)計(jì)。

但是，在開(kāi)始實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之前，您需要經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的深度來(lái)設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)。我最近觀察到的是，一旦團(tuán)隊(duì)凍結(jié)了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的決定，他們就從電路設(shè)計(jì)開(kāi)始，這就會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。我看到的一些關(guān)鍵問(wèn)題是:

1. 產(chǎn)品性能不符合要求

2. 產(chǎn)品成本增加

3. 在不同環(huán)境下工作時(shí)遇到的問(wèn)題

4. 產(chǎn)品升級(jí)的困難

設(shè)計(jì)產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)首先有助于提升產(chǎn)品。當(dāng)您進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，您不應(yīng)該擔(dān)心將使用什么組件，而應(yīng)該只擔(dān)心產(chǎn)品的功能。一旦架構(gòu)完成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)就變得更加容易。

第二種風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)是專(zhuān)注于“技術(shù)”，并為使用該技術(shù)而定制設(shè)計(jì)。很多次我聽(tīng)到創(chuàng)業(yè)者告訴我，“先生，微控制器很好，所以我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)基于它的產(chǎn)品?！钡@種謬論只會(huì)導(dǎo)致后來(lái)的麻煩。俗話說(shuō)，你應(yīng)該買(mǎi)合適尺寸的鞋子，而不是為了你喜歡的鞋子而剪腳！

在設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備、航空電子設(shè)備和工業(yè)設(shè)備時(shí)，架構(gòu)變得最為關(guān)鍵，所有這些設(shè)備都以安全為主要標(biāo)準(zhǔn)。由于這些都是受監(jiān)管的行業(yè)(中央機(jī)構(gòu)將最終批準(zhǔn)您的產(chǎn)品) ，因此體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和故障安全分析至關(guān)重要，因?yàn)楸仨殞?duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行審查。

大多數(shù)設(shè)計(jì)師在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前并不了解開(kāi)發(fā)架構(gòu)的好處。設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)首先在以下產(chǎn)品中有所幫助:

1. 滿足需求的可預(yù)測(cè)性能

2. 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低

3. 易于支持和升級(jí)的未來(lái)

順便說(shuō)一下，設(shè)計(jì)一個(gè)架構(gòu)不是一個(gè)火箭科學(xué)。它只需要將產(chǎn)品功能分解為單個(gè)部分并創(chuàng)建單個(gè)塊來(lái)處理這些功能的基本思想。

為什么產(chǎn)品架構(gòu)是至關(guān)重要的

一個(gè)架構(gòu)良好的產(chǎn)品是健壯的，并且按照規(guī)范執(zhí)行。這有效地導(dǎo)致了一個(gè)成功的產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命。請(qǐng)記住，對(duì)于一個(gè)壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品(醫(yī)療設(shè)備、航空電子設(shè)備和工業(yè)設(shè)備) ，

這些需求需要一個(gè)設(shè)計(jì)良好的體系結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)壽產(chǎn)品有它們自己的問(wèn)題，特別是陳舊過(guò)時(shí)。今天，七到十年是半導(dǎo)體的平均壽命。因此，如果產(chǎn)品需要更長(zhǎng)的壽命，設(shè)計(jì)就需要特別針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)。

第二個(gè)方面是產(chǎn)品的成本。隨著產(chǎn)品的老化，消費(fèi)者希望成本下降，此外還有對(duì)產(chǎn)品過(guò)時(shí)的擔(dān)心，導(dǎo)致產(chǎn)品價(jià)格不斷下降。一個(gè)結(jié)構(gòu)良好的產(chǎn)品可以降低生產(chǎn)成本并且易于維護(hù)。

除此之外，產(chǎn)品的軟件開(kāi)發(fā)也受到體系結(jié)構(gòu)的影響。定義良好的體系結(jié)構(gòu)有助于更簡(jiǎn)單和健壯的軟件。當(dāng)軟件不使用任何實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而是作為一個(gè)裸金屬軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，這是很有幫助的。在裸金屬軟件中，對(duì)硬件的依賴性很高，設(shè)計(jì)良好的體系結(jié)構(gòu)使得裸金屬代碼的編寫(xiě)簡(jiǎn)單緊湊。

一個(gè)很好的架構(gòu)示例

為了解釋一個(gè)好的架構(gòu)的重要性，這里有一個(gè)產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)例子，這個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)沒(méi)有一個(gè)好的架構(gòu)，而且電路的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)周期。這種設(shè)計(jì)是為國(guó)防應(yīng)用而創(chuàng)建的，以取代現(xiàn)有的機(jī)械控制成為電子控制。該系統(tǒng)的主要功能是從第一個(gè)繼電器開(kāi)始，逐個(gè)關(guān)閉一系列的31個(gè)繼電器。關(guān)閉操作以按下按鈕開(kāi)始。電位計(jì) p1和 p2被用來(lái)設(shè)定下列功能:

P1設(shè)置繼電器在按下按鈕后開(kāi)始閉合的延遲時(shí)間。

P2設(shè)定繼電器閉合之間的時(shí)間，從繼電器1開(kāi)始到繼電器3。

原始設(shè)計(jì)如圖1所示。你可以看到有兩個(gè)微控制器，系統(tǒng)有兩個(gè) pcb，由于在現(xiàn)有的外殼改裝要求。這導(dǎo)致了22個(gè)互連針之間的印刷電路板。繼電器的延遲和閉合所涉及的時(shí)間以秒為單位，設(shè)計(jì)者仍然采用傳統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)3個(gè)繼電器的設(shè)計(jì)方法。這樣就沒(méi)有空間用來(lái)連接(需要 adc) ，他們添加了另一個(gè)微控制器來(lái)完成這個(gè)功能，并且用兩個(gè)微控制器使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。整個(gè)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜和昂貴的維護(hù)與兩個(gè)軟件在同一個(gè)產(chǎn)品。如果設(shè)計(jì)師在架構(gòu)上花費(fèi)一兩天的時(shí)間，這一步本來(lái)是可以避免的。

圖1: 應(yīng)用程序的原始設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師來(lái)找我們尋求指導(dǎo)，幫助我們重新設(shè)計(jì)，使整個(gè)設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)研究的要求(主要的限制是現(xiàn)有的外殼是15厘米直徑和10厘米長(zhǎng)的柱體和多氯聯(lián)苯必須安裝在這個(gè)有限的空間，我們的團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，使整個(gè)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，如圖2所示。我們花了大約一天的時(shí)間來(lái)理解這個(gè)需求，并做了一個(gè)自下而上的新設(shè)計(jì)。正如你所看到的，新設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:

1. 一個(gè)微控制器和更簡(jiǎn)單的軟件

2. Pcb 之間的互連從22減少到4，使工程簡(jiǎn)單和制造更容易

3. 這種結(jié)構(gòu)為下一代系統(tǒng)增加更多的繼電器提供了一個(gè)開(kāi)放的選擇。

4. 最重要的是，作為一個(gè)長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)可以支持不需要太多的努力。

圖2: 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與重新設(shè)計(jì)的架構(gòu)

什么是需要考慮的因素

當(dāng)設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)產(chǎn)品架構(gòu)時(shí)，需要考慮以下因素:

1. 處理器的選擇以及不同內(nèi)存大小和不同軟件包的變化。

2. PCB數(shù)量和按功能塊劃分系統(tǒng)，以確保最佳設(shè)計(jì)。

3. 如果系統(tǒng)是電池驅(qū)動(dòng)的，那么架構(gòu)設(shè)計(jì)就變得至關(guān)重要，因?yàn)殡姵貕勖耆Q于操作的速度和電子設(shè)備消耗的靜態(tài)電流，而靜態(tài)電流與處理器的速度成正比。

4. 如果產(chǎn)品面向受監(jiān)管的行業(yè)，那么架構(gòu)應(yīng)該是“容錯(cuò)的”或“故障安全的”在容錯(cuò)系統(tǒng)的情況下，體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該不間斷地工作，這在醫(yī)療和電信系統(tǒng)中是很典型的。這可能需要使用兩個(gè)處理器。在故障安全系統(tǒng)的情況下，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)入安全狀態(tài)而不傷害用戶。

5. 花時(shí)間了解可用的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，以及它們是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。通常，大多數(shù)免費(fèi)工具或開(kāi)源工具不符合任何安全要求，必須使用特殊工具。

6. 了解處理器的時(shí)鐘速度和產(chǎn)品性能需要避免選擇一個(gè)動(dòng)力不足的速度，可能會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)的技巧

為電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)完整的過(guò)程，因?yàn)樗瑫r(shí)影響到硬件和軟件。然而，這里有一些小貼士可以使用。

1. 當(dāng)產(chǎn)品構(gòu)思出來(lái)時(shí)，用功能塊構(gòu)建產(chǎn)品，每個(gè)功能塊都有一個(gè)獨(dú)特的功能。

2. 使用信號(hào)組來(lái)規(guī)劃塊之間的相互連接(如果在上面的例子中設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)完成了這一步，他們就會(huì)發(fā)現(xiàn)他們遇到了一個(gè)挑戰(zhàn)) ，將數(shù)據(jù)、電源、時(shí)鐘等分開(kāi)。這給出了一個(gè)清晰的信號(hào)概述，并帶出了任何缺失的信號(hào)。

3. 如果產(chǎn)品必須設(shè)計(jì)與多種多氯聯(lián)苯(任何電子產(chǎn)品的用戶界面總是有一個(gè)單獨(dú)的 PCB 顯示) ，確定哪塊將去哪個(gè) PCB。再次訪問(wèn)互連，因?yàn)楝F(xiàn)在你將有更多的信號(hào)來(lái)連接

4. 始終選擇一個(gè)控制器，有不同的內(nèi)存選項(xiàng)和不同的選擇。這有助于用最少的硬件和軟件更改定制產(chǎn)品。

5. 當(dāng)你設(shè)計(jì)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案時(shí)，物品數(shù)量會(huì)很大，所以成本必須很低。然而，每個(gè)“東西”都將與網(wǎng)關(guān)或云有互連。必須正確地選擇互聯(lián)方式。由于錯(cuò)誤的界面選擇和錯(cuò)誤的組件，許多設(shè)計(jì)都會(huì)遇到成本和性能問(wèn)題。

6. 如果您使用的是供應(yīng)商提供的參考硬件或軟件，首先要了解設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些都是為了演示，其成本和內(nèi)存大小永遠(yuǎn)不會(huì)得到優(yōu)化。