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硬件总体设计模板

硬件总体设计方案

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……

……

……

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2.0

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表目录

图目录

单板总体设计方案

关键词：

能够体现文档描述内容主要方面的词汇。

摘要：

缩略语清单：

对本文所用缩略语进行说明，要求提供每个缩略语的英文全名和中文解释。

缩略语

英文全名

中文解释

1

概述

2

2.1文档版本说明

2.2

<如果该文档不是第一版本，应说明导致文档升级的主要设计更改和指出这些改变在本文档中的章节位置。

>

单板名称及版本号

2.3

<说明本文档当前版本对应的单板的正式名称及版本>

开发目标

2.4

<说明开发该单板的具体目标。

具体目标可能包括这几种情况：

一，面向产品，实现产品功能；二，面向方案，包括关键器件或电路的方案选择等；三，面向试验，通过单板的调试过程决定某些可选功能（及相关电路和/或软件模块）的增删。

可以引用上一级设计文件（产品设计规格书）中的相关内容，并根据需要适当补充。

>

背景说明

2.5

<包括与以前相关开发预研课题或产品的继承关系、改变等。

如果牵涉到重用技术，建议在这里进行说明。

>

位置、作用、

2.6

<简要说明单板在系统中的位置和主要作用，最好用框图表示（应与产品设计规格书保持一致）>

采用标准

2.7

<简要说明单板采用的标准（与产品设计规格一致，并细化）。

注意遵循公司所有有关的开发设计技术规范。

>

单板尺寸（单位）

2.8

<说明单板的尺寸（含扣板、特殊器件）和单位。

在采用非标准尺寸或尺寸要求特别严格的情况下，应说明使用该尺寸的足够理由。

>

单板功能描述和主要性能指标

3

<单板的功能和性能要求主要来自产品设计规格书，以引用其中的相关内容，并作详细解释。

注意区分相关单板的功能划分和性能差异。

>

单板功能描述

3.1

<本节主要是从单板整体角度说明单板完成的功能，不区分单元电路>

随着越来越多的高清相机的应用，所得图像分辨率很大提高，数据速率达到~Gbs，所以，如何提高数据传输速率，带宽是现在电子中效率要求很高的。

（高清）

本项目实现一种基于FPGA和DSP高清视频图像系统，最高支持分辨率为1280×720，每秒25帧的MPEG-4实时视频编解码，码速率在5Mbps以下。

并可通过上行遥控指令动态切换图像分辨率和视频码率，同时实现了视频数据与遥测数据的组帧传输。

（设计要求）

单板运行环境说明

3.2

<需要说明各种可能的物理环境和逻辑环境、软件支持环境等。

>

重要性能指标

3.3

<列出单板的主要性能指标，例如处理器性能，缓存容量，端口通信速率等等这些指标；说明指标分配的计算过程和设计思路等。

应该说明这些指标的参考标准，比如时钟方面、EMC方面等>

表1性能指标描述表

性能指标名称

性能指标要求

说明

单板总体框图及各功能单元说明

4

<说明各硬件单元、逻辑电路的划分，并说明单板软件、业务软件与硬件的支撑关系；建议采用框图和说明文字相结合的方式。

不同的单元划分方式通常会影响各项性能指标、单板的可生产性和PCB设计的难易程度，如果功能单元划分的设计对这些方面有较大促进，应在此说明。

需要说明各单元与其他单元的配合接口关系，主要接口类型和信息流向、处理关系等。

各单元的实现方案中需要说明方案对功能和性能的支撑依据，以及与其他方案比较本方案是否最合适、可重用技术分析等。

>

单板总体框图

4.1

<本节主要说明单板的物理实体的连接关系，主要是以关键器件、组件为核心，说明单板上各单元分别实现哪些功能，单元之间的接口关系>

图1单板物理架构框图

图2

系统采用FPGA内部逻辑单元，实现上图所示功能模块，

单板数据和控制通道流程和图表说明

4.1.1

<本节需要说明单板的逻辑架构与物理架构的对应关系。

对主要业务处理流程和各功能单元间配合关系进行分析说明；应给出单板逻辑功能框图、单板数据通道流程和图表、单板管理通道流程和图表、有关CPU总线连接关系图、逻辑功能模块接口定义标准、模块间通信协议和标准。

应该在图中说明各信息流分支的功能、标准等关键特征。

如果在一张图中能够同时表达上述信息，可以用一张图表示，否则要用多张图表示。

>

单板信息处理逻辑架构框图

图3

逻辑功能模块接口和通信协议和标准说明

4.1.2

EMIF接口：

DM642采用第二代增强型超长指令集（VelociTI1.2），它的EMIFA接口数据总线宽度为64位，最高数据存取频率133MHz，可直接与大容量、低成本的SDRAM芯片、异步存储器SRAM/EPROM、同步存储器（SBSRM、ZBTSRAM、FIFO）无缝连接，外部存储器最大可寻址空间为1024MB。

EMIF可以同时支持3种类型的存储器（SBSAM、SDRAM、异步设备），其中，SDRAM在SDCLK时钟下运行，SBSRAM在SSCLK时钟下工作。

EMIF信号说明：

EMIF接口信号参考图：

本方案通过EMIF实现异步接口与FPGA通信。

GXB接口：

StratixV集成内部可变类型的GT、GX和GS收发器结构、收发通道和TX、RX数据链路通道。

StratixVGT设备GT通道串行数据速率范围20Gbps～28Gbps，GX通道最大速率可达到12.5Gbps。

GX和GS设备GX通道串行数据速率范围为600Mbps～14.1Gbps。

下图为GX内部结构：

其他说明

4.1.3

单板重用和配套技术分析

4.2

<本节主要考虑本单板是否可能借用以前成熟的技术方案或电路单元。

如果有必要，也应尽量考虑本单板中的部分单元是否可能设计成标准化的共享模块，供将来的单板借用。

本节还需要说明在单板上需要其他部门、其他项目人员配套设计的情况>

4.3FPGA控制单元

4.4

<本节需要说明单板中其中一个单元（例如CPU控制单元、线路切换处理单元等）的功能和实现框架方案。

如果单板有性能指标要求，需要说明（证明）单元的设计怎样能保证满足性能需求。

需要说明单元的物理实体与逻辑信息处理功能的对应关系。

需标识出与本功能模块相关的下载接口，调试接口指示灯。

本节的编写内容主要是从可实现性的角度说明单元的关键技术、业务功能配合关系；不需要说明单元内的具体连线>

数据采集单元将转化为数字信号传递给FPGA，FPGA将预处理后的原始数字视频数据传递给DSP进行实时视频编码；同时上行遥控指令进入FPGA，对图像分辨率、视频码率进行控制。

4.5数据采集单元

4.6

4.7存储器配置单元

4.8

4.9数据转发接口

4.10

DSP与FPGA之间通过DSP的EMIFA接口通讯，FPGA内部开辟FIFO空间，DSP通过EMIFA接口读写FIFO寄存器内的数据实现数据传输。

关键器件选型

5

<考虑单板关键器件的选型，说明关键器件的选型是如何满足需求的（分析其功能、性能、质量、成本、商务条件、技术可行性、供货风险和应对措施等）；器件封装类型（考虑可加工性）。

（选用新接插件要考虑线缆之匹配，并进行可装配性分析，与单板工艺设计配套考虑）>

FPGA芯片选型：

收发器

（SerDer）

外部存储器接口

逻辑单元

LE

功能

性能

嵌入处理器类型

封装

（Package）

高端

中端

低端

StratixV是Altera面向高端应用产品的一款FPGA，它采用了业界最新的28-nm技术，还具有增强型内核结构，唯一集成28.05Gbps收发器内核的FPGA，在这些创新的因素下，StratixVFPGA系列向最优化的应用目标产品发展：

Ø以宽带为中心的应用和协议，包括PCI-e、Gen3

Ø

Ø为40G/100G提供数据密集型应用

Ø

Ø高性能、高精度DSP应用

Ø

DSP芯片选型：

DSP选用TI公司的高性能超长指令集的TMS320DM642，也支持C64x的8位和64为定点型数据格式。

片内采用L1/L2两级缓存结构，支持500-，600-，700-MHZ时钟频率，对应最大处理速率4000，4800，5760MIPS（MillionInstructionsPerSecond）。

64-bit外部存储器接口（EMIF），可以与SDRAM、FIFO、ZBTSRAM等无缝连接。

视频解码芯片选型：

推荐两款：

模拟图像传感器和数字图像传感器。

TVP5150可以接收N制和P制视频数据流，把输入视频流转化为8位ITU-RBT.656格式的视频数据。

MT9T001是一款高性能帧曝光CMOS图像传感器，分辨率为2048×1536像素，它支持多种图像格式，且帧频可编程，QXGA、UXGA、VGA，12帧/秒、20帧/秒、93帧/秒。

单板主要接口定义、与相关板的关系

6

外部接口

6.1

<详细说明该单板的所有外部接口的设计要求，包括接口名、接口逻辑位置（指与系统中其他哪些模块相连）、接口硬件和软件特性和连接方式等。

对模拟接口，应说明电压特性、频率特性和负载特性等；对数字接口，应说明电平特性、时序特性，必要的话可加上某些通讯协议特性等；对电源接口，应说明电压特性、噪声容限要求、额定功率等等。

如果这些外部接口已经在其他文档中统一说明（如母板/总线详细设计文档或通信协议文档），应指明这些文档的名称，以免重复设计导致互相矛盾。

说明各接口依据的标准。

>

外部接口类型1

6.1.1

外部接口类型2

6.1.2

内部接口

6.2

<内部接口包括相对独立的模块化设计的单元之间的接口、显示接口（LED、LCD、VFD等用于显示的接口），应对所有这些接口详细说明其设计要求。

本节只需要说明各单元间的重点接口。

>

内部接口类型1

6.2.1

内外部接口类型2

6.2.2

……

调测接口

6.3

<如用于下载软件的串行口、测试点等）、设置接口（跳线、拨码开关、复位开关、电源开关等>

单板软件需求和配套方案

7

<本章与单板硬件详细设计报告中的对应章节的区别在于，本章主要说明硬件与软件的配套功能，不需要说明具体参数；而在详细设计报告中要说明具体执行参数。

其中部分内容需要结合可测试性、告警、FMEA分析、故障管理的方案来考虑。

可以在相关章节完成后，再补充修订相关内容>

硬件对单板软件的需求

7.1

<本节需要对单板内的所有与硬件可能相关的软件提出配套需求。

>

功能需求

7.1.1

<逐一列出与单板软件相关的详细功能需求，对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

注：

功能需求包含外部接口需求。

>

性能需求

7.1.2

<从支撑硬件运行、保证配套性和设计方案优化的角度出发，详细阐述功能模块对单板软件提出的各项性能需求，如要达到多大的转发/业务处理能力、保护倒换/恢复时间和对时钟的性能需求等，并与硬件的配套功能和性能做比较，评估两方面的配套方案是否较优化：

如果发现配套性或差异较大、执行效率较低，应考虑调整方案，例如修改算法或把部分软件功能改为硬件执行；作为软件优化/测试的目标；对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

>

其他需求

7.1.3

<功能需求和性能需求之外需要补充说明的需求（例如可测试性、可维护性需求），对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

>

需求列表

7.1.4

<列出本文档中的所有需求并进行标识，此外还应包括优先级（分为三级：

必须的、重要的、最好有的）、类别（功能需求/性能需求/其他需求）。

如果项目组采用完整的需求跟踪表进行跟踪，本节可以省略（但要说明需求跟踪表的名称），否则需要详细列出。

如果这些需求分别由单板业务软件和单板BIOS软件等几个软件模块来实现，应分别用几个表格来列出>

表2硬件对单板软件的需求列表

需求标识

需求描述

优先级

类别

业务处理软件对单板硬件的需求可实现性评估

7.2

<本节需结合产品设计规格书中有关的内容，并与软件开发项目组商议，确定在本板上运行的业务软件（包括用于整机控制、数据和协议处理的高层软件和DSP算法软件）和底层驱动软件的概要接口关系，并确定各软件模块对硬件的处理能力的需求配套性，给出框架配套方案。

本节主要是需要证实相关模块的方案是配套的，并且经过理论和实验的验证是可行的、能够达到系统功能和性能要求>

单板软件与硬件的接口关系和实现方案

7.3

<如果单板含软件，本节应说明与硬件直接相关的底层软件（主要是直接操作物理地址的软件）的具体功能和实现方式（包括数据、信号流向图在内的主要流程）。

单板软硬件接口说明主要可以从以下几个方面入手：

1、单板片选信号分配及说明；

2、中断信号分配及说明；

3、通信端口分配及说明；

4、寄存器分配及说明；

5、关键器件操作说明；

（注：

其中，第1条中包括CPU的地址资源分配说明；以上各条在单板总体设计阶段酌情处理，原则上在单板总体方案中确定功能和业务流程方案，在详细设计中确定具体参数。

最终在《单板硬件详细设计报告》中完善即可）

单板对外的数据接口和板内CPU之间的通信，应在这里规定基本的通信协议或指定说明该协议的有关文档。

采用流程图、SDL（软件描述语言）或框图方式说明软件功能模块的划分。

如果单板软件概要设计文档名称已确定，请在此说明。

>

单板软件简要框图

图4

单板基本逻辑需求和配套方案

8

<本节由硬件开发人员完成。

关于基本逻辑（即：

GlueLogic）的参考定义：

主要用于实现电路信号连接和切换控制的逻辑，规模较小，基本上不包括业务数据处理功能的逻辑称为基本逻辑。

本章只需要考虑基本逻辑，不需要考虑大规模逻辑。

>

单板内可编程逻辑设计需求

8.1

功能需求

8.1.1

<逐一列出与逻辑相关的详细功能需求，如外围芯片的时序控制、特殊功能如时钟、开销的处理等；对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

>

性能需求

8.1.2

<详细阐述系统对逻辑提出的各项性能需求，包括：

容量、I/O数、处理能力、对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

>

其他需求

8.1.3

<其他功能需求和性能需求之外需要补充说明的需求（例如可测试性、可维护性需求），对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

>

支持的接口类型及接口速率

8.1.4

<逐一列出逻辑需实现的各种接口需求，对每个需求进行优先级分类（分为三级：

必须的、重要的、最好有的），并对每条需求进行可实现性分析。

包括对CPU的接口。

>

需求列表

8.1.5

<列出本文档中的所有需求并进行标识，此外还应包括优先级（分为三级：

必须的、重要的、最好有的）、类别（外部接口需求/功能需求/性能需求/其他需求）。

如果项目组采用完整的需求跟踪表进行跟踪，本节可以省略，否则需要详细列出。

>

表3逻辑设计需求列表

需求标识

需求描述

优先级

类别

单板逻辑的配套方案

8.2

基本逻辑的功能方案说明

8.2.1

<本节需说明单板逻辑的配套功能实现方案（包括数据、信号流向图在内的主要流程），并对逻辑设计的规模、复杂性进行综合评估。

然后确定选用的逻辑器件型号、逻辑的大致框图等。

注意必须保证逻辑器件的选型和实现方案能够与外围电路配套，并保留少量的资源余量。

本节主要是需要证实相关模块的方案是配套的，并且经过理论和实验的验证是可行的、能够达到系统功能和性能要求>

单板逻辑简要框图

图5

基本逻辑的支持方案

8.2.2

<加载方式，编译工具，编译环境参数，升级方式>

单板大规模逻辑需求

9

<本章可参考逻辑项目组输出的《逻辑设计规格书》。

定义：

包含较复杂的业务数据处理功能的逻辑，称为大规模（可编程）逻辑。

本章主要是考虑怎样保证大规模逻辑与单板硬件设计配套，不需要分析大规模逻辑内部的实现技术。

如果不牵涉大规模逻辑设计，本章可省略。

>

功能需求

9.1

<对大规模逻辑芯片需要实现的功能、接口和应用进行总体描述。

>

性能需求

9.2

<在上节的基础上，罗列芯片的所有性能指标，如包转发速率等。

对关键性能指标，以及可能引起歧义的指标，给出详细描述；>

其它需求

9.3

<给出在上述功能需求和性能需求之外其它需要补充说明的需求。

>

大规模逻辑与其他单元的接口

9.4

<给出单板与大规模逻辑之间的接口说明。

主要可以从以下几个方面入手：

1、加载说明：

FPGA支持的加载模式，为了支持这些加载模式，单板应该在硬件上有什么配合等；

2、FPGA的时钟要求：

FPGA有哪些输入时钟，这些时钟应该满足哪些要求；

3、CPU接口的要求：

寄存器的配置次序等；

4、业务接口的要求：

业务配置可以有哪些方案，哪些配置是不支持的等。

本节应给出框架配套方案。

本节主要是需要证实相关模块的方案是配套的，并且经过理论和实验的验证是可行的、能够达到系统功能和性能要求>

单板的产品化设计方案

10

<本章主要是考虑单板的设计如何满足、支撑产品系统（整机）的工程设计要求，大部分内容必须与产品整机系统的工程设计方案配套考虑>

可靠性综合设计

10.1

<为满足系统可靠性要求，给出单板设计的可靠性的综合要求（本节只是给出综合指标和方案。

对于支撑实际可靠性的具体专项的细节，在其他章节中说明）。

给出各单板失效率（FITs）、故障定位率要求，并给出达到这些指标要求的措施。

本节由硬件开发人员负责，可靠性工程师提供指导和审核。

>

单板可靠性指标要求

10.1.1

<根据产品需要满足的任务可靠性指标（可用度）和基本可靠性指标（产品平均年返修率）要求，分解分配得到各单板的基本可靠性指标要求（失效率或单板年返修率）。

注意：

本节给出的失效率估算数据，是根据器件本身特性，在假定工作条件良好的情况下的数据。

实际的数据，则会受到实际条件的影响；要求有关热设计、EMC、信号质量、等影响因素，必须保证器件手册和相关规范的要求，才能使单板可靠性达到甚至超过估算值。

这个估算值，作为单板可靠性指标的评估和可靠性试验的参考标准（即设计要求）。

>

1）产品规格书文件中对本板的可靠性指标要求（直接引用）：

2）单板失效率（FITs）估算表，1FIT＝1×10exp（-9）（1/h）

<本节需要填写单板的估计器件数量。

最右边一列利用表格文件的公式计算功能，不要手工计算。

>

表4单板失效率估算表

单板型号

预计人员

注意：

一般情况下只需要填写“器件数量”一列；如有必要，可以修改下列λ经验值，或增加新的特殊器件（替换“其他”项，并修改λ经验值）。

1FIT＝10exp（-9）（1/h）

器件类型

估计器件数量（N）

单个器件故障率λ经验值（FIT）

所有该类器件的故障率N×λ（FIT）

电阻

0

0.1

电容器

0

0.2

二次模块电源

0

100

专用集成芯片

0

20

数字逻辑电路芯片、接口电路芯片、线性电路芯片

0

5

厚膜、音频及通信网口变压器

0

5

感性器件

0

1

继电器及接触器

0

8

晶体振荡器

0

40

滤波器

0

15

接插件

0

12

开关、保险管套件、显示器件

0

10

晶体管、光电耦合器

0

4

传感器

0

40

光电器件

0

1800

激光驱动器

0

700

光分路器

0

1200

波分复用器

0

500

光纤衰减器

0

300

光开关

0

600

射频功率放大器IC

0

80

射频开关

0

100

电池

0

25

风扇

0

3000

其他1

0

0

其他2

0

0

总计λ（10（exp-9）·1/h）

估计等效MTBF＝1/总计λ（小时）

注意：

如果以上的单元格发生了更改，请务必选定最右列，然后按F9，更新计算结果。

提示：

上表中的数据仅用于估算，不需要严格准确。

一般要求关键器件（单个FIT值较大的）应当精确到一个；对于数量较多、单个FIT值较小的阻容类元件和普通集成电路，数量误差小于20％即可。

估算结果是否能符合系统产品规格书文件中要求的标准：

<上述估算的准确性，主要是为了区分失效率较高的单元和关键器件，原则上只需要精确到数量级一致；其中个别特殊器件/单元可以单独估算比较。

如果发现不能符合要求（差别很大），请务必及时向系统工程师和硬件经理反馈，并讨论制订补偿优化措施。

几种参考措施如下：

1、修改器件选型方案，把最失效率最高的器件换成其他功能性能相近的器件，例如采用更高等级的器件、其他供应商的器件等；

2、修改电路方案，必要时可修改系统方案。

例如进行单元电路备份设计，或改变电路实现原理（避开失效率较高的器件）等；

3、强化降额设计。

即；比通用的降额标准更进一步降额；

4、增强故障管理、可维护性设计。

把容易损坏的器件或电路单元，通过系统监控电路和软件，进行重点监控，并且进行易于维护更换的设计，一旦损坏，可以立即更换，从而把器件损坏造成的业务影响降到最低。

需要软件配合实现。

>

有关本板可靠性指标的实际保障措施参见本章其他各小节。

3）故障定位率

<对于致命故障（I类）、严重故障（II类）故障定位到单个现场可更换单元（如单板）通常要求为100％，对于一般故障（III类）通常要求为85％。

对轻微故障（IV类）通常不做要求；目标值：

>

措施：

单板故障管理设计

10.1.2

<说明单板设计对故障检测、故障隔离、故障恢复等故障管理的要求。

本节属于板间信号级FMEA分析，介于系统级FMEA和器件级FMEA之间。

其中器件级FMEA在详细设计中完成。

本部分需要事先完成产品系统级FMEA分析，相关内容可引述《系统级可靠性FMEA分析报告》的描述。

>

1）主要故障模式（FMEA）和检测措施分析

<需要给出本单板不同故障严酷度级别的定义（各产品的严酷度级别是各自定义的），与背板接口信号的可靠性系统级FMEA（故障模式影响分析）分析，以及经过可靠性分析对软件、硬件分别提出的故障管理需求和对测试提出的故障验证需求。

并给出减小发生故障可能性的方案。

注意参考相关的器件失效分析案例。

有关严酷度的概念和评估原则，参见可靠性系统工程培训材料。

本节需要给出本板所有外部接口信号的具体故障模式分析。

可以引用单板系统级（接口信号）的FMEA分析报告。

>

板间接口信号故障模式分析表

表5

<对于较简单的情况，请直接在下表中填写；对于较复杂的情况，请填写《板间