介绍
编写有效的硬件需求规范是确保硬件产品按预期运行、与其他系统无缝集成以及满足性能、安全性和合规性标准的关键步骤。与软件需求不同，硬件需求必须考虑物理约束、环境条件和精确的技术性能指标。
无论您开发的是嵌入式系统、电子产品还是大型实体产品，一份结构良好的硬件需求规范 (HRS) 文档都能帮助您协调跨职能团队，减少返工，并确保产品成功交付。本指南详细介绍了编写硬件规范的完整流程，涵盖了基本组件、最佳实践、实际示例和模板，并帮助您避免最常见的错误。
让我们探索如何创建一个清晰、全面且可追溯的硬件需求文档 (HRD)，以支持工程项目的整个生命周期。
什么是硬件需求规范 (HRS)？
硬件需求规范 (HRS) 是一份正式文档，用于定义硬件系统或组件的技术和功能需求。它概述了硬件必须执行的操作、性能表现以及运行必须遵循的约束条件。HRS 是硬件开发、验证、确认和生命周期管理的重要基础。
HRS 的目的是：
向工程团队清楚地传达硬件设计要求
确保与客户、系统和业务需求保持一致
为硬件性能验证和合规性提供基础
在整个开发过程中实现需求可追溯性和版本控制
结构良好的 HRS 可以减少歧义、避免昂贵的重新设计，并简化与复杂系统中的软件和机械组件的集成。
硬件规格类型
有效的 HRS 通常包括：
功能要求
：描述硬件必须执行的操作。例如，输入/输出处理、电源调节、信号处理等。
非功能性需求：定义性能基准、环境条件、耐用性、尺寸、重量、功耗、热限制等。
了解功能性和非功能性硬件需求之间的区别对于涵盖系统预期用途和操作限制的全部范围至关重要。
与 SRS 和工程要求的关系
系统需求规范 (SRS) 概述了系统层面的硬件和软件需求。HRS 由此衍生，专注于硬件的工程需求，将系统级预期分解为精确、可操作的硬件级设计参数。
HRS 确保硬件开发：
可追溯至系统级目标
与软件和固件开发同步
受 IEEE 830 和其他行业特定框架等标准的约束
硬件规范文档的关键组成部分
完整且结构良好的硬件需求规范 (HRS) 文档可确保硬件系统的所有关键方面均已定义、可追溯且可验证。以下是每个硬件需求文档 (HRD) 应包含的基本部分：
简介和范围
本节定义了硬件项目的目的、范围和背景。它概述了规范涵盖的内容和不涵盖的内容，以便从一开始就协调所有利益相关者。
产品概述
描述产品的预期用途、在大型系统中的位置以及高级功能。这为所有技术要求提供了背景信息。
功能要求
详细说明硬件必须执行的操作。例如，处理信号、管理电源分配、连接传感器或支持特定的输入/输出操作。
非功能性需求
定义与性能、功耗、延迟、热限制、可靠性和耐用性相关的约束。这些要求决定了硬件的质量和可用性。
硬件接口和依赖关系
概述硬件必须支持的所有外部和内部接口（电气、机械、软件或通信），并列出对其他系统或组件的依赖关系。
设计约束
指定在开发过程中必须考虑的限制，例如尺寸、重量、材料、制造限制、成本目标或技术边界。
环境与合规要求
涵盖操作环境（温度、湿度、冲击、振动）和法规遵从性需求，例如 FCC、CE、RoHS 或 MIL-STD。
验证和确认标准
描述如何测试或验证每项要求以确保其得到满足。这可以包括检查方法、模拟、实验室测试或现场试验。
可追溯性矩阵
需求可追溯性矩阵 (RTM) 将硬件需求与系统级需求和验证步骤联系起来，确保完整的需求生命周期覆盖并降低错过功能的风险。
包含所有这些组件可确保您的硬件需求规范完整、可追溯且符合行业标准，从而使整个硬件生命周期的开发和验证过程更加顺畅。
分步流程：如何编写硬件需求规范
创建清晰、准确且全面的硬件需求规范 (HRS) 需要系统化的方法。以下分步流程可确保您的硬件需求文档 (HRD) 符合利益相关者的需求、技术约束和合规性要求。
定义范围和预期用途
首先概述硬件的用途、范围和操作环境。明确规范是否涵盖整个系统、子组件或接口。尽早定义这些内容可以设定清晰的界限，避免范围蔓延。
收集利益相关者和系统级输入
与跨职能利益相关者（包括工程、产品、质量保证、合规性和最终用户）沟通，了解他们的期望。确保硬件需求与系统需求规范 (SRS) 保持一致，以确保可追溯性和完整性。
指定功能需求
列出硬件必须执行的所有操作和行为，例如输入/输出处理、数据处理或通信任务。这些功能需求应该清晰、可测试，并与系统的预期用途相一致。
定义非功能性和性能参数
记录关键的非功能性需求，包括：
能量消耗
速度和延迟
热公差和机械公差
可靠性和正常运行时间
这些定义了硬件在各种条件下的性能。
文档接口和硬件依赖关系
指定硬件必须支持的所有电气、机械和软件接口。包括引脚排列、总线类型、连接器以及对固件、驱动程序或外部组件的任何依赖关系。
包括监管、合规和环境要求
确定相关标准和法规（例如 FCC、CE、RoHS、MIL-STD）。包括工作温度、抗振性或 EMI 屏蔽等环境要求。
添加可追溯性和版本控制元素
使用需求可追溯性矩阵 (RTM) 将每个硬件需求与系统级目标和验证方法关联起来。跟踪需求版本和变更，以便在整个开发周期中更好地控制。
审查并验证文档
与利益相关者进行正式的审查和验证会议。检查其完整性、可测试性以及与系统目标的一致性。使用清单和审批流程来最终确定文档。
遵循这个结构化流程将帮助您生成强大、清晰且可测试的硬件需求规范，确保完整的生命周期协调并降低开发和测试期间的风险。
编写硬件需求规范的最佳实践
编写有效的硬件需求规范不仅仅是列出技术细节，更在于创建清晰、可测试且可追溯的文档，以支持整个硬件生命周期的工程和合规性。遵循以下最佳实践，确保您的硬件需求规范 (HRS) 完整可靠。
使用清晰、可衡量的语言
避免使用“快速”或“稳健”等模糊术语。相反，应定义可量化的指标，例如“工作电压为 3.3V ±5%”或“最大响应时间为 200 毫秒”。这可确保需求得到验证，并降低误解的风险。
符合 IEEE 830 标准
根据行业认可的指南（例如 IEEE 830 标准）构建您的 HRS，以提升一致性、清晰度和完整性。这种一致性使您的文档更易于审核、维护，并与系统级文档集成。
保持跨系统和产品级别的一致性
确保您的硬件需求文档 (HRD) 与总体系统需求规范 (SRS) 保持一致。将每项硬件需求追溯到系统级需求，以确保覆盖完整的需求生命周期并消除差距。
使用表格、图形和硬件图
框图、接口表和连接器引脚排列等可视化元素有助于提升理解力，减少歧义。使用标准化符号和注释，确保工程团队之间的清晰理解。
确保维护硬件生命周期文档
在整个硬件开发生命周期中捕获变更、论证和版本历史记录。这支持可追溯性、合规性和未来增强功能，尤其是在航空航天、汽车和医疗设备等受监管行业。
通过遵循这些最佳实践，您的硬件需求规范不仅可以有效地指导开发，还可以为整个产品生命周期的可追溯性、验证和合规性奠定坚实的基础。
编写硬件需求规范时常见的错误有哪些？如何避免？
编写不当的硬件需求规范可能会导致项目延期、返工，甚至失败。避免在规范阶段出现常见错误，对于确保开发流程成功且可追溯至关重要。以下列出了一些关键错误及其解决方法。
含糊不清或模糊的语言
错误： 使用不明确的术语，例如“应该很快”、“足够的电压”或“轻量级”。
为什么这是一个问题： 这些术语的解释各不相同，使得验证变得困难，并增加了预期不匹配的风险。
如何避免： 使用清晰、可衡量且可测试的语言。定义准确的值、单位和公差（例如，“工作温度：-20°C 至 70°C”）。
忽视非功能性需求
错误： 只关注硬件应该做什么（功能要求），而忽略性能、功率、可靠性或热限制。
为什么这是一个问题： 非功能性间隙可能导致过热、电源故障或无法满足用户或环境的期望。
如何避免： 包括所有非功能性需求，并对电力使用、尺寸、延迟、耐用性和环境抵抗力进行精确规范。
忽略硬件配置规格
错误： 未能定义允许的硬件配置、引脚排列或组件级兼容性。
为什么这是一个问题： 这会导致集成问题、组件不兼容以及测试或制造过程中的返工。
如何避免： 详细记录硬件配置规范，涵盖硬件变体、组件选择和接口配置。
未包含验证和合规标准
错误： 忽略了如何验证或确认每个要求，并且未能解决行业合规标准（例如，FCC，CE，MIL-STD）。
为什么这是一个问题： 如果没有明确的验证标准，团队可能会实现无法测试的功能。合规性漏洞可能会延迟认证或阻碍市场准入。
如何避免： 对于每项需求，请包含测试方法和合规性目标。集成需求可追溯性矩阵，将规范与验证程序关联起来。
避免这些错误将显著提高硬件需求规范 (HRS) 的清晰度、准确性和成功率，从而实现更好的需求生命周期覆盖、产品质量和监管批准。
硬件需求规范的模板和示例
使用结构化模板，创建高质量的硬件需求规范 (HRS) 会更加轻松。无论您开发的是嵌入式系统、电子元件还是大型硬件平台，使用清晰、标准化的格式都能节省时间并减少错误。
来自真实硬件项目的示例部分
以下是典型的硬件需求文档 (HRD) 模板包含的内容：
简介和范围
硬件的用途
目标用户和系统边界
产品概述
高级架构图
功能块描述
功能要求
“该板应支持12位ADC，最低采样率为200 kS/s。”
非功能性需求
“系统必须在-20°C至+70°C之间运行，满载时功耗低于3W。”
硬件接口
USB 3.0、SPI、I2C、GPIO 映射
接口引脚表和连接器规格
设计约束
PCB尺寸限制、元件限制和安装指南
合规性和环境要求
必须符合 CE、FCC Part 15B、RoHS 标准
根据 MIL-STD-810G 进行振动测试
验证和确认标准
“EMC合规性需在认证实验室进行测试”
“通过压力测试验证了热分布”
可追溯性矩阵
将每个需求映射到系统级目标和测试程序
针对特定行业定制模板的技巧
每个行业都有独特的硬件规格需求。以下是如何定制您的 HRS：
航空航天与国防：包括严格的环境和合规性要求（例如，MIL-STD、DO-254），以及详细的验证计划和版本控制。
汽车：强调安全关键硬件，包括 ISO 26262 一致性，并列出 ECU 接口规格和热负荷测试要求。
医疗器械：遵循 IEC 60601 标准，包括风险分析的可追溯性，以及符合 FDA 或 EU MDR 的文档生命周期控制。
消费类电子产品：关注电源效率、尺寸限制以及多设备硬件接口兼容性。
使用适合您领域的结构化模板可确保一致性、提高需求可追溯性并加速验证和认证，这在高风险硬件工程环境中至关重要。
系统和嵌入式工程中的硬件要求
在现代产品开发中，硬件需求并非孤立存在，而是深度融入更广泛的系统工程和嵌入式开发工作流程中。清晰、可追溯且结构良好的硬件需求规范 (HRS) 可确保硬件、软件和系统级目标之间的无缝衔接。
将硬件规格集成到系统工程工作流程中
在系统工程中，所有组件（硬件、软件、固件和机械）都是相互连接的。硬件要求必须满足：
源自系统需求规范 (SRS)
通过需求可追溯性矩阵 (RTM) 链接
经过高水平性能、安全性和合规性目标的验证
这种集成确保了完整的需求生命周期覆盖，能够尽早发现冲突、做出更好的决策并实现更顺畅的跨领域协作。
计费示例： 如果系统级要求规定便携式设备的功耗小于 2W，则 HRS 必须将其分解为硬件级要求，例如低功耗微控制器、调节器和高效的 PCB 布局。
嵌入式系统要求和硬件要求规范的重要性
在嵌入式系统中，硬件与软件紧密耦合。定义准确的硬件需求对于以下方面至关重要：
确保实时性能
优化内存、电源和处理资源
避免后期设计变更
典型的嵌入式系统要求包括：
处理器速度和架构
内存容量和启动配置
外围接口规格（SPI、I2C、UART）
供电范围和效率
移动或物联网设备的环境耐受性
强大的产品硬件规范可确保嵌入式系统在受限环境中可靠运行，尤其是在针对汽车、医疗或航空航天应用时。
通过将硬件要求嵌入到系统工程流程中，并使其与嵌入式设计约束保持一致，团队可以构建可扩展、可认证且面向未来的产品。
结语
编写高质量的硬件需求规范对于交付可靠、合规且高性能的硬件系统至关重要。通过定义清晰的功能性和非功能性需求、记录接口和依赖关系，并与系统级目标保持一致，您可以确保覆盖完整的需求生命周期，并减少开发过程中代价高昂的错误。
无论您从事的是嵌入式系统、电子产品还是复杂的工程项目，遵循结构化、标准驱动的方法，并通过可追溯性和验证来支持，为成功交付产品奠定了基础。
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