作者：郎思呈

學號：16020188007

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【嵌牛導讀】：硬件開發(fā)是IT行業(yè)重要的一環(huán)

【嵌牛鼻子】：硬件開發(fā)知識

【嵌牛提問】：硬件開發(fā)需要了解什么？

【嵌牛正文】：

最近有不少軟件領(lǐng)域的牛人進軍硬件行業(yè)愚隧，但不知從何處入手敞恋。相信每個人面對一個龐大的知識體系時都一樣迷茫玄坦。最佳的應對策略就是找一個最貼近自己需求的切入點，然后向四面八方鋪開去逐漸認識整個知識網(wǎng)絡铺厨。我隨便寫一個帖子就是為了讓你在這個知識網(wǎng)里面找到自己現(xiàn)在的位置荣暮，然后有目的有方向地選擇下一步。

　　簡單來講硬件的體系像軟件一樣也分層这揣。

　　最底層是包含電學現(xiàn)象在內(nèi)的微觀物理現(xiàn)象，幾乎是純粹的抽象理論集合影斑，能看得見摸得著的實物不多给赞。比如半導體摻雜特定雜質(zhì)后，其原子核俘獲自由電子的能力增強或減弱矫户。由此帶來的PN結(jié)的應用片迅。再比如帶電粒子在磁場中的受力情況（洛侖茲力），由此延伸出陰極射線管皆辽、霍爾效應等應用柑蛇。還有通電導線以及螺線管產(chǎn)生的磁場形狀，這個應用就多了去了膳汪。再比如波動的發(fā)射源與接收點之間距離變化造成接收到的頻率變化（多普勒效應）唯蝶，由此延伸出測速雷達之類的應用……基本上從初中物理到大學物理，所有與電相關(guān)的知識都涵蓋在里面遗嗽。物理與數(shù)學作為基礎學科與這些基本物理現(xiàn)象一脈相承，是整個硬件行業(yè)乃至軟件行業(yè)的基石」难眩現(xiàn)在很多硬件工程師并不熟悉這些基礎學科痹换，這在解決問題時會給他們帶來很大的局限，一是無法迅速找到最合適的方案都弹，二是無法分析手中的方案來龍去脈是什么娇豫，怎樣優(yōu)化現(xiàn)有方案。

　　向上一層是分立電子元件畅厢。電阻冯痢、電容、電感、二極管這些稱為無源器件浦楣，三極管袖肥、場效應管這些是有源器件，這些器件的特性反應在輸出信號隨著輸入信號變化的特性上振劳，而要這些特性體現(xiàn)出來椎组，必須在輸入信號之外另行提供電源，因此叫做有源器件历恐。分立電子元件是板級硬件工程師選材的基本單位寸癌。

　　這一層分為理論和實踐兩個方面，實踐不難弱贼，找?guī)讉€典型的電子元件摸一摸蒸苇，拿萬用表測一下。以后看見了能認識就行吮旅。理論這方面填渠，合格的模電工程師必須熟練掌握這些元件的自身特性和典型應用。數(shù)字硬件工程師往往不太注重這些基本知識鸟辅，有人不會畫N-MOSFET和P-MOSFET的電路符號氛什，有人不懂計算晶體三極管的靜態(tài)工作點。還有人RC電路的零狀態(tài)響應理解不夠透徹匪凉，不懂怎樣計算數(shù)字集成電路的復位阻容網(wǎng)絡時間常數(shù)枪眉。這些多少都會構(gòu)成硬傷。學習這一層理論最好參考通用的大學《電工學》教材再层，高等教育出版社上下冊贸铜。如果對上面講過的最底層的物理學有足夠深入的了解，會大大增進你對分立電子元件的認識聂受。比如對電阻率蒿秦、電磁感應的認識能夠幫助你理解為何簡簡單單的一根導線都要衍伸出雜散電容電感這么多亂七八糟的問題，到底什么時候要當作等勢體去看待蛋济，什么時候要考慮它的位置和形狀棍鳖。高速電路工程師和射頻工程師經(jīng)常要面對這些問題。你的目標是哪個群體碗旅？

　　再上一層是集成電子元件渡处。也就是包含集成電路（IC）和各式集成傳感器在內(nèi)的電子元件。上述一層的分立元件用導線和電路板連接起來會帶來體積龐大祟辟、特性離散医瘫、溫度分布不均、導線距離過長造成信號反射等諸多問題旧困。所以杰克·基爾比和和羅伯特·諾伊思才想到把它們微縮到很小的半導體基材上醇份。幾乎所有集成電路都是有源器件稼锅。集成電子元件有兩個方向，上游的是芯片級的微電子產(chǎn)業(yè)僚纷，也就是設計撇他、生產(chǎn)電子元器件的卖丸。他們側(cè)重前面講過的基礎學科柒傻。板級硬件工程師選修的課程晶乔，對他們而言是必修。比如光繪之類與流片工藝相關(guān)的所有知識侵状。細分也有很多不同的職業(yè)赞弥，這里不贅述。下游的就是板級硬件工程師趣兄，他們是拿著上游產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)出來的成品去應用的绽左。

　　我讀初中的時候翻書看了幾個邏輯門元件說明，就瞎尋思有沒有一本書上面囊括了世界上所有型號的集成電路艇潭，那時候我以為一個合格的工程師必須在腦子里記住所有集成電路的使用說明才能干活拼窥。而實際上每天都有新的集成電路被研制出來，型號多得那些專門賣元件的網(wǎng)站都很難更新過來蹋凝。所以總有你不認識的陌生型號鲁纠，但這不代表你不能做一名合格的工程師。如果你熟練掌握了基本分立元器件的原理和常見電路結(jié)構(gòu)鳍寂，那么新的集成電路拿在手里看改含，最基本的結(jié)構(gòu)也無非是這些東西，只是重新組合了一遍而已迄汛。

　　集成電子元件這一層同樣分為理論與實踐兩個方面捍壤，這一層的實踐，初期就是拿幾個常見的芯片認識一下封裝鞍爱。常見的封裝類別會認就OK了鹃觉。接下來就要去看理論，最后回過頭來實踐就是針對你所選具體IC的實戰(zhàn)應用了睹逃。

　　理論方面盗扇，上面說的《電工學》那套教材里也涉及了運算放大器、數(shù)字邏輯方面的知識唯卖。像邏輯運算式的化簡這些知識無論在使用4000系列邏輯集成電路的時候還是在做CPLD/FPGA設計的時候都會體現(xiàn)出它的重要性粱玲，寫程序的時候也少不了邏輯運算。掌握這一層知識拜轨，重點除了底層的基礎之外就是英語。你和集成電路打交道的時候多數(shù)是在看說明文檔允青。你需要的東西到底要滿足什么條件橄碾，你選到的東西到底具備什么條件卵沉，怎么使用，都靠這些法牲。英語對于軟件工程師而言應該不是大問題史汗，畢竟搞軟件的時候多數(shù)人都見過RTFM這個詞了，老外對沒頭沒腦的提問者常說的一句話：Read?the?fucking?manual拒垃！

　　特別指出停撞，集成電路這一層包含了可編程元器件，包括微控制器悼瓮、CPLD/FPGA戈毒、DSP、獨立的處理器（CPU横堡、GPU等）埋市、存儲器以及定制的可編程混合信號電路等等。對于這些可編程器件命贴，就有了更高的一層道宅，也就是硬件抽象層（HAL）。這一層屬于軟件胸蛛，模擬工程師就不用碰了污茵。但是數(shù)字工程師，尤其是嵌入式操作系統(tǒng)工程師操作底層硬件的時候必須和它打交道葬项。寫驅(qū)動的工程師有時候不得不翻閱硬件手冊去了解自己所用的硬件模塊具備什么物理特性泞当，接下來才能繼續(xù)編寫自己的代碼。這一層往上就是軟件工程師的地盤了玷室，那個領(lǐng)域枝繁葉茂零蓉，我也沒法接著講了。

　　多數(shù)希望學習硬件的人都是帶著具體需求來的穷缤〉蟹洌可能手中有個項目需要做一個平臺，或者是對某個特定的器件非常感興趣津肛。這樣的話最好的切入點就是你手里這個具體的東西章喉。看一看它屬于上述的哪一層身坐，然后向外輻射開來秸脱，了解它的來龍去脈。從相關(guān)的實物開始建立對整個行業(yè)的感性認識部蛇。對實物熟悉了再去學習背后的理論摊唇。不同的理論最終在大腦里相互交匯起來組成一套有條理的理論體系。

　　很多硬件工程師從小學起就開始學習了涯鲁，一路動手學過來的巷查。學好硬件有序，最原始的動力來自于對自然科學的好奇心，還要享受動手的樂趣岛请。這些都不是一夜之間就能掌握的旭寿，學個差不多少說要兩三年，而且硬件領(lǐng)域也有不同分支崇败，相互之間有時候甚至可以說隔行如隔山盅称。精力有限，你能掌握多少取決于你有毅力走多遠后室。