Permutation de broches, de paires et de composants dans une conception

La possibilité de permuter les broches des composants d'une conception peut considérablement simplifier le placement et le routage, et contribuer à réduire le nombre de couches du PCB (et donc son coût). Malheureusement, l'ingénieur chargé du placement et du routage ne dispose pas toujours de toutes les informations nécessaires pour configurer judicieusement les paramètres de permutation des broches, car il ne peut pas toujours connaître toutes les intentions du concepteur. Idéalement, la personne qui a saisi la conception devrait également participer à la configuration des données de permutation des broches afin de garantir que les intentions et les contraintes de conception sont correctement prises en compte.

Le système de permutation des broches, des paires différentielles et des sous-parties fonctionne en harmonie avec les fonctions de routage interactif et de routage de dégagement des BGA d'Altium Designer. Cette fonctionnalité offre tous les avantages des systèmes traditionnels de permutation des broches, tout en tirant parti de la connaissance approfondie qu'a Altium Designer des affectations de nets dans la conception. Lors d'une permutation de broches, Altium Designer analyse le net affecté à la broche choisie et réaffecte dynamiquement le net à cette broche ainsi qu'à tout le cuivre qui y est connecté.

Ce niveau de fonctionnalité permet de permuter des nets partiellement routés et des pistes de dégagement multicouches préroutées pour des composants BGA complexes. Les paires différentielles peuvent également être permutées, grâce aux informations relatives aux paires de broches différentielles des FPGA.

Au niveau du PCB, le système comprend un puissant outil d'optimisation automatique qui utilise ces informations pour réaffecter dynamiquement les nets et faciliter le routage. Par exemple, le système peut reconnecter plusieurs composants dont le routage de dégagement a été effectué sur plusieurs couches. Il effectue ces affectations en fonction de la correspondance entre les couches de routage de dégagement, de la distance de routage de Manhattan la plus courte et du nombre minimal de croisements sur chaque couche.

L'ajout de la permutation des nets partiellement routés, associé à l'outil d'optimisation automatique, vous permet d'adopter une stratégie de routage hiérarchique et itérative : effectuer d'abord le routage de dégagement des composants, puis router jusqu'au bord d'une zone donnée, pour enfin relier ces sections entre elles. À tout moment, l'outil de permutation automatique peut être relancé pour optimiser à nouveau la conception en fonction des informations actualisées fournies par les nets partiellement routés.

Il existe trois catégories de permutation :

• Permutation des broches
• Permutation des paires différentielles
• Permutation des sous-parties.

Configuration des groupes de permutation

Pour chaque catégorie de permutation, swap groups déterminent ce qui peut ou ne peut pas être permuté au sein d'un composant. Dans le cas de la permutation des broches, les broches d'un composant qui partagent un même pin group peuvent être permutées entre elles. De même, pour la permutation des paires et des sous-parties, ce sont les valeurs pair group et part group qui déterminent respectivement si une paire différentielle ou une sous-partie peut être permutée. Les groupes de permutation d'un composant sont configurés dans la boîte de dialogue Configure Pin Swapping, illustrée ci-dessous. Vous pouvez y accéder des façons suivantes :

• Dans un document PCB, faites un clic droit sur le composant, puis sélectionnez Component Actions » Configure Pin/Part Swapping.
• Dans un document schématique, faites un clic droit sur le composant, puis sélectionnez Part Actions » Configure Pin Swapping.
• Dans un document schématique, cliquez sur le bouton Configure Component en bas de la boîte de dialogue de configuration des informations de permutation dans les composants (Tools » Configure Pin Swapping).
• Dans un document PCB, cliquez sur le bouton Configure Component en bas de la boîte de dialogue Configure Swapping Information In Components (Tools » Pin/Part Swapping » Configure).
• Double-cliquez sur l'un des composants dans la boîte de dialogue Configure Swapping Information In Components.

Groupes de broches

Une broche de composant peut être permutée avec une autre broche du même composant lorsqu'elle appartient au même pin group (possède la même valeur pin group). Le pin group est un attribut de chaque broche du composant et sa valeur peut être une chaîne alphanumérique quelconque. Les pin groups pour l'ensemble du composant sont définis dans la boîte de dialogue Configurer la permutation des broches.

Schéma contenant un composant à deux portes NOR positives à 5 entrées. Les broches d'entrée de chacune des sous-parties sont logiquement équivalentes, ce qui constitue une situation idéale pour la permutation des broches.

Considérons le schéma présenté dans l'image ci-dessus, qui contient les deux portes NOR à 5 entrées du composant SNJ54S260. Les nets INA0 à INA4 peuvent être permutés entre eux en raison de la nature de la porte NOR. De même, les nets INB0 à INB4 peuvent être permutés entre eux, mais un net INAx ne peut pas être permuté avec un net INBx.

Les contraintes de permutation de la porte NOR sont définies dans la boîte de dialogue Configure Pin Swapping. L'attribution du groupe de permutation 1 aux nets INAx et du groupe de permutation 2 aux nets INBx garantit que le système n'effectuera que des permutations compatibles avec la logique du composant. Laisser la valeur du groupe de broches vide pour une broche indique que celle-ci ne peut pas être permutée.

Groupes de sous-parties et identifiants de séquence

Il est courant qu'un composant soit constitué de plusieurs sous-parties fonctionnellement équivalentes. La permutation de sous-parties permet de permuter les nets de ces sous-parties équivalentes. Considérons à nouveau le composant présenté dans l'image ci-dessus. Les deux portes NOR offrent une fonctionnalité identique et les nets (INA0, INA1, INA2, INA3, INA4, OUTA) peuvent être permutés avec les nets (INB0, INB1, INB2, INB3, INB4, OUTB).

La permutation des sous-parties d'un composant est configurée à l'aide des attributs part group et sequence ID. Il s'agit de deux attributs textuels, accessibles dans l'onglet Part Swapping de la boîte de dialogue Configurer la permutation des broches, comme illustré ci-dessous. L'image ci-dessous présente également les paramètres part group et sequence ID correspondant au composant représenté dans l'image ci-dessus. Le part group indique quelles sous-parties peuvent être permutées entre elles. Les deux sous-parties peuvent être permutées et, par conséquent, dans l'image ci-dessous, leurs part groups reçoivent la même valeur de 1.

L'attribut sequence ID détermine l'équivalence des broches entre les sous-parties permutables. Dans l'exemple de la porte NOR, il est important que les broches d'entrée ne soient pas interverties avec les broches de sortie lors d'une permutation de sous-parties. L'image ci-dessous montre que les sequence ID sont définis de sorte que OUTA soit permuté avec OUTB, INA0 avec INB0, INA1 avec INB1, et ainsi de suite.

Configuration des groupes de permutation de sous-parties dans la boîte de dialogue Configurer la permutation des broches pour un composant à deux portes NOR à 5 entrées.

Notez que la permutation de sous-parties n'est disponible que pour les composants conçus avec des sous-parties, car elle repose sur la permutation de tous les nets entre deux sous-parties.

Groupes de paires

La permutation des paires différentielles est régie par la valeur du pair group d'une paire différentielle. L'attribut pair group est accessible dans l'onglet Differential Pair Swapping de la boîte de dialogue Configurer la permutation des broches. L'onglet Differential Pair Swapping propose trois modes, sélectionnables à l'aide de la liste déroulante située dans le coin inférieur gauche.

• Show All Pins – le système affiche toutes les broches du composant.

• Show Pairs From Directives – le système utilise les directives de paires différentielles placées sur le schéma pour renseigner les paires différentielles dans le tableau.

  Lorsque l'option Show All Pins est sélectionnée dans la boîte de dialogue, toutes les broches appartenant aux paires différentielles pouvant être permutées doivent être affectées au même groupe de paires.

Configuration des groupes de permutation de paires dans la boîte de dialogue Configurer la permutation des broches.

Contrôle de la manière dont les permutations sont effectuées sur le schéma

Dans l'éditeur PCB, les permutations de broches, de paires et de sous-parties sont effectuées en échangeant les nets sur les pastilles des composants et les éléments de cuivre correspondants. Lorsque les modifications sont répercutées dans les schémas, une permutation de broches peut être traitée de deux manières : soit en permutant les broches sur le symbole du composant, soit en permutant les étiquettes de net sur les fils reliés aux broches. Chaque approche présente des avantages et des inconvénients.

La permutation des broches fonctionne toujours sur le schéma, mais elle peut rendre cette instance du symbole du composant différente de sa définition dans la bibliothèque. Dans ce cas, le symbole ne peut plus être mis à jour à partir de la bibliothèque, et les autres instances du même composant dans cette conception présenteront une disposition des broches différente. Cette approche est donc idéale pour les composants simples, tels que les réseaux de résistances.

La permutation sur le schéma par échange des étiquettes de net n'est possible que si la connectivité est établie par ces étiquettes et si les broches ne sont pas directement reliées entre elles par des fils. L'avantage de cette approche est que le symbole du composant ne change pas et peut être mis à jour ultérieurement à partir de la bibliothèque. Cette approche est le meilleur choix pour un composant complexe, tel qu'un FPGA, où le déplacement physique de deux broches sur le symbole pourrait rendre incorrecte une représentation organisée par banques d'E/S.

Vous pouvez déterminer la manière dont les permutations sont effectuées en choisissant les options Adding / Removing Net-Labels ou Changing Schematic Pins dans la section Allow Pin Swapping Using these Methods de la boîte de dialogue Options du projet - Options, comme illustré ci-dessous.

Ces options du projet régissent la manière dont les permutations de broches sont répercutées dans les documents schématiques.

Activation de la permutation des broches, des paires et des sous-parties sur le PCB

Au niveau du composant, les options de permutation d’un composant de PCB donné sont configurées dans le panneau Properties, qui présente les propriétés de ce composant lorsqu’il est sélectionné dans l’espace de conception. Ces options se trouvent dans la section Swapping Options de l’onglet General .

Les options de permutation des composants de PCB peuvent également être définies dans la boîte de dialogue Configure Swapping Information in Components , qui répertorie tous les composants utilisés dans la conception (ou la bibliothèque), ainsi que leurs paramètres de permutation actuels. Lorsqu’elle est ouverte depuis l’éditeur de PCB, cette boîte de dialogue comporte une colonne supplémentaire, appelée Enable in PCB, permettant d’activer ou de désactiver la permutation pour chaque composant de la carte.

La boîte de dialogue Configure Swapping Information in Components est accessible depuis l’éditeur de schémas, l’éditeur de bibliothèques de schémas et l’éditeur de PCB, comme suit :

• Schematic Editor/Schematic Library Editor - en choisissant la commande Tools » Configure Pin Swapping dans les menus principaux.
• PCB Editor - en choisissant la commande Tools » Pin/Part Swapping » Configure dans les menus principaux.

Utilisez la boîte de dialogue Configure Swapping Information in Components pour définir rapidement les permutations des composants. Cette boîte de dialogue dispose d’un puissant menu contextuel, qui permet de copier très facilement les paramètres d’un composant vers un autre, ou d’activer ou de désactiver plusieurs composants en un seul clic.

La boîte de dialogue Configure Swapping Information In Components .

Permutation des broches, des paires et des unités

Permutation interactive des broches, des paires et des unités

La permutation interactive permet de permuter les broches, les paires différentielles ou les sous-unités une à une dans l’éditeur de PCB. Les commandes de permutation interactive se trouvent dans le sous-menu Tools » Pin/Part Swapping (les commandes Interactive Pin/Net Swapping, Interactive Differential-Pair Swapping et Interactive Part Swapping). Une fois la commande sélectionnée dans le menu, tous les éléments de l’espace de conception du PCB sont masqués (estompés), à l’exception de ceux qui peuvent être permutés. Surveillez la Status Bar, qui vous indiquera l’action suivante à effectuer. Les étapes nécessaires à la permutation sont affichées dans la ligne d’état :

1. La première étape consiste à sélectionner l’une des broches mises en surbrillance, qui servira de source pour la permutation. Dans le cas d’une permutation de paires ou d’unités, la paire différentielle ou la sous-unité à laquelle appartient la broche sera ensuite permutée.

2. La deuxième étape consiste à sélectionner la broche cible de la permutation. Pour une permutation de paires ou d’unités, cette broche représentera une paire différentielle ou une sous-unité.

   Deux conditions empêchent la mise en surbrillance d’une broche permutable : une connexion routée existe déjà vers cette broche (vérifiez les connexions aux plans d’alimentation ou aux polygones), et/ou l’option Pin Swapping n’est pas activée (disponible dans le mode Interactive Routing du panneau Preferences). 

Les étapes de la permutation interactive des unités d’un composant à deux portes NOR à 5 entrées sont illustrées dans les deux images ci-dessous. Deux sous-unités peuvent être permutées : chacune de leurs cinq broches peut donc être sélectionnée, comme le montre l’image ci-dessus. La broche 8, correspondant à la sous-unité U2B, est sélectionnée. Le système met alors en surbrillance les broches de la sous-unité U2A qui peuvent être permutées.

  Première image, étape 1 : sélectionnez une broche à permuter ; les broches disponibles sont mises en surbrillance. Deuxième image, étape 2 : sélectionnez une broche cible.

Optimiseur automatique de broches et de nets

L’optimiseur automatique de broches et de nets est un outil à deux étapes. Sélectionnez Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Pin/Net Optimizer dans le menu de l’éditeur de PCB pour effectuer une optimisation automatique.

L’optimiseur automatique de broches et de nets exécute d’abord une optimisation rapide en une seule passe, qui tente de réduire les croisements et la longueur des connexions, mais peut en réalité les augmenter. Une fois cette étape terminée, il vous sera demandé si vous souhaitez lancer l’optimiseur itératif. Celui-ci effectuera plusieurs passes pour tenter de réduire le nombre de croisements et la longueur des connexions.

Répercuter les modifications dans le schéma

Lorsque vous configurez le swap groups dans la boîte de dialogue Configure Pin Swapping, vos modifications sont immédiatement appliquées aux composants du schéma, quel que soit l’éditeur actif au lancement de la commande. En revanche, les modifications de conception résultant d’une permutation de broches, de paires différentielles ou de sous-parties dans l’éditeur PCB sont répercutées dans le schéma à l’aide du processus standard Design Update.

Transférer les modifications du PCB vers le schéma

Les permutations de broches, de paires et de parties sont répercutées dans le schéma de la même manière que les autres modifications de conception : en sélectionnant Design » Update dans les menus. Selon la configuration des options Allow Pin-Swapping dans le Project Options - Options dialog, les permutations de broches s’effectueront comme suit :

• Modifier les noms des broches — cette modification déplace les broches sur le symbole. Les broches ne sont pas réellement déplacées sur le symbole, mais visuellement, les deux broches semblent avoir changé de position ou échangé leurs positions.
• Déplacer les broches vers d’autres nets — cette modification permute les étiquettes de net sur les fils raccordés.
• Modifier l’identifiant de sous-partie — cette modification change l’indice de la sous-partie lorsqu’une permutation de parties est effectuée.

La première image montre une permutation résolue dans le schéma en échangeant les broches. La seconde montre une permutation résolue en déplaçant les étiquettes de net.

Si le schéma ne se met pas à jour pour afficher les broches ou les parties permutées, appuyez sur la touche End pour actualiser l’affichage.

Tirer parti du nouveau système de permutation de broches et de parties dans les conceptions à FPGA

Outre les avantages évidents de la permutation intelligente de broches, de paires et de parties, la possibilité de permuter des sous-nets partiellement routés apporte une nouvelle dimension à cette fonction, idéale pour travailler avec des FPGA de grande capacité. La réaffectation dynamique des nets permet d’utiliser un processus de conception en plusieurs étapes, avec des affectations de broches et de nets progressivement affinées.

Affectation initiale des E/S

À cette étape, les nets sont affectés aux broches des FPGA et des autres composants de la manière la plus simple au niveau du schéma. Cela consiste généralement à ajouter des étiquettes de net aux broches du FPGA en suivant l’ordre numérique du bus. La fonction Smart Paste de l’éditeur de schémas est idéale pour cette opération.

Optimisation initiale des connexions

La conception peut être transférée vers l’éditeur PCB, où les connexions présenteront de nombreux croisements en raison de l’affectation aléatoire effectuée au niveau du schéma. L’exécution de la commande Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Net/Pin Optimizer , qui utilise les informations sur les broches et les nets pour réaffecter dynamiquement les nets et faciliter le routage, réduira rapidement et considérablement le nombre de croisements. Par exemple, le système peut reconnecter plusieurs composants BGA dont le routage de sortie a été réalisé sur plusieurs couches d’un document PCB. Le résultat n’a pas besoin d’être idéal à ce stade, car l’objectif principal est de rendre les connexions plus faciles à gérer visuellement au niveau du PCB.

Après le lancement de la commande, l’optimiseur automatique de broches et de nets est exécuté. Cet outil fonctionne en deux étapes : il exécute d’abord une optimisation rapide en une seule passe, qui tente de réduire les croisements et la longueur des connexions, mais peut en réalité les augmenter. Une fois cette étape terminée, il vous sera demandé si vous souhaitez lancer l’optimiseur itératif. Celui-ci effectuera plusieurs passes pour tenter de réduire le nombre de croisements et la longueur des connexions. Les résultats de l’optimisation s’affichent une fois l’exécution de l’optimiseur terminée.

Routage de sortie

Le déploiement des broches et le routage de sortie peuvent maintenant être effectués sur les composants de grande taille du PCB (faites un clic droit sur le composant pour effectuer ces opérations de manière sélective). Cela peut dégrader les affectations précédemment optimisées, mais ce n’est pas important à ce stade.

Optimisation des connexions après le routage de sortie

Exécutez à nouveau l’optimiseur automatique. Cette fois, il exploitera les sections déjà routées lors du déploiement des broches et du routage de sortie.

Routage manuel

Vous pouvez maintenant considérer les extrémités des pistes de sortie comme des « cibles » vers lesquelles router. Ignorez les lignes de connexion réelles : vous pouvez router depuis les autres extrémités des nets vers la piste de sortie d’E/S la plus proche sur le PCB, en tenant compte de la distance et de la couche, plutôt que vers celle qui appartient au même net. Les connexions ne correspondront pas. Vous obtiendrez ainsi une série de petits intervalles entre les pistes de sortie des broches d’E/S du FPGA et les pistes provenant des autres parties du PCB. L’image ci-dessous en présente un exemple simple.

Optimisation finale

Exécutez à nouveau l’optimiseur automatique : il affectera les sous-nets routés aux broches d’E/S disposant d’un routage de sortie les plus proches possible. Il ne vous restera alors qu’un ensemble de connexions très courtes à terminer. L’optimiseur automatique dispose de routines spécifiques pour obtenir un bon résultat dans ce cas. Ces connexions peuvent ensuite être routées de manière interactive ou automatique.

Permutations manuelles de broches

Utilisez l’outil de permutation interactif pour effectuer les permutations de broches spécifiques dont vous avez besoin.

Répercuter les modifications dans le schéma

Lorsque vous êtes prêt à répercuter ces affectations de broches dans le schéma, il est conseillé de désactiver les modifications de broches sur les symboles du schéma. En effet, les FPGA sont souvent représentés sous forme de composants à plusieurs parties, chaque banque de broches constituant une partie distincte dans le schéma. Déplacer des broches d’une partie à une autre rendrait ces symboles incorrects sur le plan logique, puisque le symbole d’une banque contiendrait des broches qui n’appartiennent pas à cette banque. Dans cette situation, la bonne approche consiste à permuter les broches en modifiant les étiquettes de net.

Répéter aussi souvent que nécessaire

Ce processus peut être exécuté autant de fois que nécessaire, à tout moment du processus de conception.