一個(gè)工程師的硬件之路

我總是想用最簡短的話語來表達(dá)我的思想，說出我最想對初學(xué)者說的話，但是往往力不能及。也深知大家時(shí)間的寶貴，不愿把時(shí)間浪費(fèi)在毫無意義的事情上，所以我把我最想說的話用提綱的形式列在文章的前頭了，沒有時(shí)間的話，各位看官只需看看前頭就可以了。

優(yōu)秀硬件工程師需要什么（來自網(wǎng)上文章以及自己的總結(jié)）：

1． 對硬件無限的熱情（第一位，本人認(rèn)為）
2． 數(shù)字電路、模擬電路、protel 等（高頻等其他的知識我還沒有用過）
3． C 語言
4． 單片機(jī)（匯編語言）
5． FPGA（包括verilog/vhdl、sopc）
6． ARM（包括嵌入式操作系統(tǒng)，建議先學(xué)UCOS，適合初學(xué)者）
7． DSP

以上并非每一種都要精通，根據(jù)自己的實(shí)際，5、6、7 可以選擇其中的一到兩種，當(dāng)然都會(huì)的話那更好。2-4 本人認(rèn)為這是基礎(chǔ)，必須精通。

硬件需求配置：

1．學(xué)習(xí)單片機(jī)的話，仿真器是必不可少的，有沒有編程器倒是影響不大，建議自己買一塊即插即用的萬能板，自己搭建系統(tǒng)來試驗(yàn)。這樣不用烙鐵焊接了，因?yàn)槲覀冏鳛閷W(xué)習(xí)者，很容易焊錯(cuò)器件或者是引腳。買開發(fā)板的話，就會(huì)對硬件的連接不會(huì)很了解，建議初學(xué)者自己搭建系統(tǒng)以及其他的外擴(kuò)器件。這會(huì)讓你對整體的硬件連接了如指掌。全在自己的掌控之中。還有有一臺(tái)示波器的話那是再理想不過了，那會(huì)幫助我們分析解決問題，特別是在做串口實(shí)驗(yàn)、中斷、I2CEEPROM 讀寫的時(shí)候。

2． 學(xué)習(xí)FPGA，那么就不能像學(xué)習(xí)單片機(jī)一樣找來一片芯片就可以動(dòng)手了。像51 類單片機(jī)的引腳不是很多，但是FPGA 就不一樣了，往往有幾十個(gè)甚至一百多的引腳，我用的altera 的ep1c20 有144 個(gè)引腳，全貼片工藝，所以這個(gè)時(shí)候我們就必須在市場上買一個(gè)開發(fā)板了。我用的是altera 公司的EP1C20cyclone 系列的開發(fā)板，是我們辦公室的人以前買的，現(xiàn)在正好我用。據(jù)說是5000 元，還是大學(xué)計(jì)劃時(shí)候買的。有條件用好的當(dāng)然好，但是對于我們一般初學(xué)者用的話，只要帶有常用功能的開發(fā)板就可以了，市場上1000 元左右的還是有的。

3． ARM 學(xué)習(xí)的話，當(dāng)然也離不開開發(fā)板的購買，上次給我二導(dǎo)提建議給我買一個(gè)，他很爽快的答應(yīng)了，讓我挑選一塊，我選了周立功的smartarm2200，1980 元RMB，貨現(xiàn)在還沒有來。學(xué)習(xí)arm 的話，嵌入式操作系統(tǒng)是少不了的。操作系統(tǒng)有很多，用的最多的是linux ，由之發(fā)展而來的有uclinux、armlinux 等；其次是ucos。本人建議先學(xué)習(xí)ucos，它代碼量少，容易學(xué)習(xí)。要是有altera 的nios 開發(fā)板的話，也可以學(xué)習(xí)ucos，altera 公司的nios ide 支持好幾種RTOS，其中就包括ucos，直接用就ok 了。

4．ＤＳＰ屬于比較高的層次，對人的要求比較高。開發(fā)板價(jià)格應(yīng)該也不菲，我現(xiàn)在還沒有用過。各位同學(xué)看了后會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)這些東西不光是時(shí)間、精力的問題，還涉及到一個(gè)讓我們同學(xué)們很感冒的問題，那就是器件的購買，這些都需要錢，而且價(jià)格都不菲。大部分的我們是沒有這份閑錢的，同學(xué)們可以找?guī)讉€(gè)志同道合的同學(xué)一塊買，還可以一塊討論。要是學(xué)校實(shí)驗(yàn)室有的話就在實(shí)驗(yàn)室搞，要是導(dǎo)師有就找導(dǎo)師要，總之不要放過任何可能的機(jī)會(huì)，同志們要深知我們的命運(yùn)把握在我們自己手中，既然選擇了硬件這條路，就要認(rèn)認(rèn)真真地走下去，不光要走下去，還要想方設(shè)法走的很好。以上都是我的一家之言，同學(xué)們千萬不要全信，僅給諸君一個(gè)初步的認(rèn)識，如若錯(cuò)誤還請一笑了之，純當(dāng)小孩之言，無稽之談。

在啰嗦之前，我想介紹一下我辦公室的人員組成，因?yàn)檫@個(gè)對我有很大的影響。辦公室有四個(gè)人，一個(gè)是擁有十一年工作經(jīng)驗(yàn)且已擁有自己專利的高級工程師（我的導(dǎo)師要他帶我，我習(xí)慣叫他二導(dǎo)，這是我為什么在這個(gè)辦公室的原因），一個(gè)是擁有5 年經(jīng)驗(yàn)熱心助人的工程師，還有兩個(gè)分別是電源和視頻方面的專家或者元老級人物。耳濡目染，自己漸漸的對硬件發(fā)生了濃厚的興趣。從單片機(jī)，F(xiàn)PGA，SOPC 硬件的搭建以及軟件編程，以及現(xiàn)在正在努力研究的ＡＲＭ，我是憑著無限的熱情來做的。

熱情不是唯一的原因，還有另外一個(gè)原因就是試驗(yàn)室給我提供了很好的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)習(xí)單片機(jī)的時(shí)候，試驗(yàn)室有現(xiàn)成的winbond 51 單片機(jī)，有偉福仿真器，有advanced labtool 48uxp 萬能編程器，有一臺(tái)十二萬的示波器，自己買個(gè)萬能板，找本書就在上邊進(jìn)行試驗(yàn)了。從簡單的led 閃爍、數(shù)碼管顯示、pwm 到中斷、串口通信（單片機(jī)與單片機(jī)通信，單片機(jī)與pc 機(jī)通信）、I2Ceeprom 讀寫、A/D轉(zhuǎn)換、溫度的測量等等，給我成就感的是每一個(gè)試驗(yàn)經(jīng)過資料的查找、程序的編寫以及調(diào)試、再到后來問題的解決，那份成就感與喜悅之心只有有過這種經(jīng)歷的人才能夠體會(huì)。正是有這份熱情和愛好，常常在實(shí)驗(yàn)室呆上十二三個(gè)小時(shí)，通常是晚飯?jiān)谑程贸粤撕笾苯拥津?yàn)室，晚上九點(diǎn)半回寢室（辦公樓10 點(diǎn)關(guān)門）。雖說那時(shí)候沒有做過什么大項(xiàng)目，但是這每一個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)也是人生知識的積累，有了這些知識的積累，我想也為以后作更大的項(xiàng)目打下了基礎(chǔ)。

剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，我的二導(dǎo)就給了我一塊開發(fā)版，是altera 公司的nios ep1c20 cyclone 系列開發(fā)板，當(dāng)時(shí)是以大學(xué)計(jì)劃買的，5000RMB。于是就開始了我的fpga 學(xué)習(xí)之路。以前學(xué)習(xí)過verilog，當(dāng)時(shí)只是停留在純粹的理論階段，編幾個(gè)小小的程序，用quartus-ii 自帶的仿真軟件進(jìn)行一下仿真就ok 了。用仿真軟件進(jìn)行仿真，往往能夠得出你所想要的結(jié)果，但是一旦下載到芯片里邊運(yùn)行的話問題就會(huì)接踵而來。和單片機(jī)機(jī)學(xué)習(xí)一樣，萬事開有難。我做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)也是點(diǎn)亮led。自己編寫程序（幾行而已），編譯，引腳分配，仿真，然后就用jtag 下載線連接開發(fā)版板和pc 機(jī)，將sof 文件下載到芯片?，F(xiàn)在想起來這是多么簡單的幾個(gè)步驟，但是對于當(dāng)時(shí)的我來說，是花費(fèi)了很多的時(shí)間和精力來查找資料和埋頭做實(shí)驗(yàn)的。特別是引腳的分配，對著文檔只說需要這么做，然而為什么要這么做呢？當(dāng)時(shí)沒有過多的想法，只想讓我看到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，有了結(jié)果我就有了無限的成就感和對做實(shí)驗(yàn)的熱情，所以當(dāng)看到經(jīng)過我的努力，在我的第一個(gè)fpga 實(shí)驗(yàn)里led 按照我的意圖來動(dòng)作的時(shí)候，那種喜悅之情與當(dāng)初學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)候?qū)崿F(xiàn)led 閃爍的情形是多么的相似。這也是我做實(shí)驗(yàn)的一個(gè)慣例和一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，那就是邊做實(shí)驗(yàn)邊看書，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，遇到不懂的問題或者原理在查找相關(guān)的文檔，我習(xí)慣動(dòng)手，要是讓我坐在實(shí)驗(yàn)室看上哪怕是1 天的純理論書籍，我的腦袋也會(huì)爆炸的，赫赫，因?yàn)闆]有這么看過書，所以腦袋也一直沒有爆炸。以及后來學(xué)習(xí)ucos 嵌入式操作系統(tǒng)我也采用的這個(gè)方法，我把它叫做"階梯成就感"（在寫這篇文章的時(shí)候突然覺得這個(gè)詞語很符合這種情形，臨時(shí)想出來的）。抱著這種熱情，自己后來一點(diǎn)一點(diǎn)地深入的學(xué)習(xí)fpga，一些常規(guī)邏輯電路的設(shè)計(jì)，包括邏輯門電路、數(shù)據(jù)選擇器、編譯碼器、加減乘除運(yùn)算器、移位器，到后來的稍微復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，包括FIFO、數(shù)字跑表、頻率計(jì)、狀態(tài)機(jī)、交通等的控制、卡式電話計(jì)費(fèi)系統(tǒng)以及UART 等。


以上的試驗(yàn)我都是采用的verilog 語言來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)初接觸fpga 的時(shí)候向?qū)W習(xí)VHDL，那時(shí)同學(xué)們都用verilog，以便和他們討論問題的方便，后來就改學(xué)習(xí)verilog 了，一學(xué)不要緊，發(fā)現(xiàn)自己深深地愛上了verilog，因?yàn)閷τ谖襾碚f，他無疑更加適合我。這也是我的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，那就是看看你旁邊的人用的是什么工具，他們用的工具往往不是你最喜歡的或者是不是當(dāng)前最流行的和用的最廣泛的，但是你若要和他們交流討論問題的話，那你還是遷就一下，大環(huán)境是這樣的，和你旁邊的人所用工具一樣，交流起來也會(huì)順暢方便。來實(shí)驗(yàn)室后，因?yàn)槲覀儗?shí)驗(yàn)室的員工用的偉福的仿真器，所以軟件當(dāng)然還是用偉福提供的。偉福的軟件不怎么好，只支持匯編，比起大名鼎鼎的keil c51 那是遜了一大截。但是在前期的時(shí)候我還是選擇了偉福的軟件，因?yàn)槲也幌氲綍r(shí)候我有問題不會(huì)的時(shí)候周邊沒有人幫助我。再后來，經(jīng)過自己的摸索和向身邊的工程師們請教，偉福用的已經(jīng)很熟悉了，匯編也有了自己的一套，這個(gè)時(shí)候我開始在偉福里邊嵌入keil，用c 語言來寫程序，但是調(diào)試的時(shí)候用偉福軟件還是有缺陷，比如說不能夠單步執(zhí)行。所以再后來我下載了keil c51 軟件，從此以后我正式的在keil 的開發(fā)界面下寫程序了。當(dāng)然仿真的時(shí)候也可以在keil 環(huán)境下用偉福仿真器，我想偉福在制造他的產(chǎn)品的時(shí)候就已經(jīng)考慮到這點(diǎn)了，他的一些產(chǎn)品肯定要兼容主流軟件keil 的。用了keil C51 后就不想用偉福編譯軟件了，同樣的用了c 寫程序后，就不想用匯編了。但是匯編是每一個(gè)硬件研發(fā)工程師們都必需的，匯編有c 不可企及之處，有時(shí)候還非用匯編不可。匯編的運(yùn)行效率高，但是寫起來很是繁瑣，繁瑣規(guī)繁瑣，當(dāng)在某些特定的時(shí)刻，匯編發(fā)揮了他不可替代的作用。比如在將usoc 移植到單片機(jī)的時(shí)候，與處理器相關(guān)的程序還真是必須用匯編來完成。


再后來，開始學(xué)習(xí)sopc。從最小系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建，到簡單的led 閃爍程序的編寫，到sof 文件在芯片上跑起來，看著led 的亮與滅，心中一直充滿著無限的熱清。每一次接觸新知識都有一種發(fā)自內(nèi)心的激動(dòng)，每一次接觸的新東西我都是從最簡單的led 閃爍開始，從單片機(jī)到fpga 到sopc 再到ucos，只有每天的一個(gè)小小的進(jìn)步才能讓我擁有對工作的熱情，只有這每天小小的看得見的"階梯成就感"，才能激發(fā)自己對更多知識的追求。本人比較欣賞altera 公司推出的可編程片上系統(tǒng)（即sopc），她解放了我們搭建硬件系統(tǒng)的繁瑣，僅僅需要按照需求在系統(tǒng)里邊加上自己的IP 核和一些必須的外設(shè)。altera公司或者其他的第三方公司已經(jīng)為我們提供了性能和功能很完善的IP 核，我們所要做的只是將這些IP核加入到我們的系統(tǒng)里完成我們需要的功能。硬件系統(tǒng)完成后，需要在altera 公司為我們提供的nios IDE環(huán)境里邊對我們的硬件系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，在這里，完全用c 語言來完成我們所需要的功能。與前邊學(xué)習(xí)單片機(jī)、fpga 一樣，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)還是led 閃爍，然后慢慢的轉(zhuǎn)向一些比較復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)上去，也無非是實(shí)現(xiàn)以前用verilog 實(shí)現(xiàn)過的一些功能。兩者的區(qū)別是：一種完全用verilog 語言來實(shí)現(xiàn)全部功能；一種需要先用sopc builder 搭建硬件系統(tǒng)，然后在nios ide 中進(jìn)行軟件的編程。這兩種方法都能夠?qū)崿F(xiàn)我們需要的功能，但是后者更方便快捷，因?yàn)樵谶@種方法里，我們使用的是"拿來主義"，IP 核已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我們的功能，要做的僅僅是去用它而已。


最近一段時(shí)間在學(xué)習(xí)ucos 嵌入式操作系統(tǒng)，主要是運(yùn)用在FPGA 里面。nios 已經(jīng)為我們移植好了，不需要修改任何文件。在nios 用戶界面里進(jìn)行一些相應(yīng)的設(shè)置，就可以用它了。altera 公司為我們提供的模板里邊有幾個(gè)很好的例子，任務(wù)管理、信號量、郵箱傳遞、事件標(biāo)志、時(shí)間管理等都為我們提供了很好的模板，我們需要作的是認(rèn)真的閱讀它，研究它，必要的話對模板進(jìn)行一些改寫來完成自己的功能，這是模仿的更高的一個(gè)境地了，把他的一些東西進(jìn)行吸收轉(zhuǎn)化成為自己的東西，我想這是一個(gè)硬件愛好者和初學(xué)者非常樂于做的事情。


在進(jìn)行fpga 學(xué)習(xí)的時(shí)候，我遇到過事情停滯不前，沒有進(jìn)展，心情沮喪的時(shí)候。那個(gè)時(shí)候?qū)Φ讓佑布粺o所知，連對基本的原理圖也看不懂，更別說程序在開發(fā)板上是怎么運(yùn)行的了。再到后來進(jìn)行nios 開發(fā)的時(shí)候，這種沮喪感與日俱增，每天一點(diǎn)進(jìn)步也沒有，那是一個(gè)很漫長的日子，現(xiàn)在想起來，依然慶幸自己沒有絕望，沒有對自己熱愛的硬件失去信心。后來事件出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。有一次我和我辦公室的一個(gè)工程師聊天，談到了我的空惑，他建議我先學(xué)習(xí)單片機(jī)，自己搭建硬件平臺(tái)從最小系統(tǒng)做起。這個(gè)工程師熱心助人，學(xué)習(xí)方面的問題他總是很耐心的為我解答，讓我受益匪淺，我很慶幸能夠在這種環(huán)境當(dāng)中學(xué)習(xí)，雖說我不在高校，但是研究所為我提供的學(xué)習(xí)環(huán)境與硬件設(shè)施我想不是每個(gè)高校學(xué)生能夠享受到的。我想說的是，遇到問題的時(shí)候，當(dāng)我們感覺事情沒法進(jìn)展下去的時(shí)候，我們不妨換一種方式，多與周邊的人聊聊天。在我的環(huán)境里，我的導(dǎo)師是一個(gè)擁有近30 年硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的資深研究員，才開始的時(shí)候我什么都不懂（赫赫，感覺現(xiàn)在依然什么都不懂，東西越學(xué)越多，總也學(xué)不完），但是我總喜歡跑到我導(dǎo)師的辦公室和他瞎聊。他和藹可親，容易接近，和他交流的時(shí)候總是給我一些職業(yè)和人生方面的忠告，這些忠告將會(huì)伴隨著我的人生。


人生總是有很多坎坷，我們的學(xué)習(xí)也是的。在這個(gè)時(shí)候我們就要看看任正非寫給華為員工的一封信《要快樂的度過充滿困難的一生》，在那里我們可以找到好好活下去的理由；當(dāng)看中了某件事情的時(shí)候，我們就需要鼓足勇氣，滿腔熱情地去迎接它，遇到困難的時(shí)候多和別人交流，或者是去網(wǎng)上看看李嘉誠的寫給青年的《are you ready》，在那里我們可以學(xué)到謙虛、勇氣、智慧、毅力。


最后送給我們的初學(xué)者一句話?！妒ソ?jīng)》中馬太福音里的一句話：凡有的，還要加給他叫他多余；沒有的，連他所有的也要奪過來。