Swapping Pins, Pairs and Parts in a Design

La possibilità di scambiare i pin dei componenti in un progetto può fare un'enorme differenza nella complessità della sfida di layout e può contribuire a ridurre il numero di layer (e quindi il costo) del PCB. Purtroppo, il Layout Engineer potrebbe non disporre di tutte le informazioni necessarie per impostare in modo intelligente le opzioni di pin swapping, poiché non può sempre presumere di conoscere appieno l'intento del progettista. Idealmente, la persona che ha realizzato il design dovrebbe anche contribuire all'impostazione dei dati di Pin Swapping, per garantire che l'intento progettuale e i vincoli siano acquisiti con precisione.

In perfetta sintonia con le funzionalità di routing interattivo e di BGA escape routing di Altium Designer, troviamo il sistema di scambio di pin, coppie differenziali e parti. Questa funzione offre tutti i vantaggi dei tradizionali sistemi di pin swapping, ma sfrutta la conoscenza approfondita che Altium Designer ha delle assegnazioni di net nel progetto. Durante un'operazione di pin swap, Altium Designer analizza la net assegnata al pin scelto e riassegna dinamicamente la net sul pin e su qualsiasi rame collegato.

Questo livello di funzionalità significa che è possibile scambiare net parzialmente instradate e escape multilayer pre-instradati provenienti da dispositivi BGA complessi. Anche le coppie differenziali possono essere scambiate, sfruttando la conoscenza delle coppie di pin differenziali sugli FPGA.

A livello PCB, il sistema include un potente ottimizzatore automatico che utilizza queste informazioni per riassegnare dinamicamente le net e migliorare la instradabilità. Ad esempio, il sistema può eseguire una riconnessione su più dispositivi che sono stati sottoposti a escape routing su più layer. Le assegnazioni verranno effettuate in base alla corrispondenza dei layer di escape routing, alla minima distanza di routing Manhattan e al numero minimo di incroci su ciascun layer.

L'aggiunta dello scambio di net parzialmente instradate, insieme all'ottimizzatore automatico, offre la possibilità di adottare una strategia di routing gerarchica e iterativa: prima l'escape routing dei dispositivi, poi il routing fino al bordo di una determinata area, per arrivare infine a collegare tra loro queste sezioni. In qualsiasi momento, lo swapper automatico può essere eseguito nuovamente per riottimizzare il risultato, sulla base delle informazioni aggiornate fornite dalle net parzialmente instradate.

Esistono tre categorie di swapping:

• Scambio di pin
• Scambio di coppie differenziali
• Scambio di sotto-parti.

Configurazione dei gruppi di scambio

Per ciascuna categoria di swapping, i valori swap groups stabiliscono cosa può e cosa non può essere scambiato all'interno di un componente. Nel caso del pin swapping, i pin all'interno di un componente che condividono un valore pin group comune possono essere scambiati tra loro. Analogamente, per lo scambio di coppie e di parti, sono i valori pair group e part group a determinare rispettivamente se una coppia differenziale o una sotto-parte può essere scambiata. I gruppi di scambio per un componente vengono configurati nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping, mostrata nell'immagine seguente. È accessibile nei modi seguenti:

• In un documento PCB, fare clic con il pulsante destro sul componente e quindi selezionare Component Actions » Configure Pin/Part Swapping.
• In un documento schematico, fare clic con il pulsante destro sul componente e quindi selezionare Part Actions » Configure Pin Swapping.
• In un documento schematico, fare clic sul pulsante Configure Component nella parte inferiore della finestra di dialogo Configure Swapping Information In Components (Tools » Configure Pin Swapping).
• In un documento PCB, fare clic sul pulsante Configure Component nella parte inferiore della finestra di dialogo Configure Swapping Information In Components (Tools » Pin/Part Swapping » Configure).
• Fare doppio clic su uno qualsiasi dei componenti nella finestra di dialogo Configure Swapping Information In Components.

Gruppi di pin

Un pin di un componente è scambiabile con un altro pin di quel componente quando appartiene allo stesso pin group (ha lo stesso valore pin group). Il pin group è un attributo di ciascun pin del componente e il suo valore può essere qualsiasi stringa alfanumerica. I valori pin groups per l'intero componente vengono impostati nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping dialog.

Schema contenente un componente Dual 5-Input Positive-NOR Gate. Ciascuno dei pin di ingresso di entrambe le sotto-parti è logicamente equivalente e rappresenta una situazione ideale per il pin swapping.

Si consideri lo schema mostrato nell'immagine sopra, che contiene le due porte NOR a 5 ingressi del componente SNJ54S260. Ciascuna delle net, da INA0 a INA4, può essere scambiata con le altre per via della natura della porta NOR. Analogamente, ciascuna delle net da INB0 a INB4 può essere scambiata, tuttavia una net INAx non può essere scambiata con una net INBx.

I vincoli di scambio per la porta NOR sono definiti nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping. Assegnare alle net INAx il gruppo di scambio 1 e alle net INBx il gruppo di scambio 2 garantisce che lo scambio venga eseguito dal sistema solo in modo coerente con la logica del componente. Lasciare vuoto il valore Pin Group per un pin indica che quel pin non è disponibile per lo scambio.

Gruppi di parti e Sequence ID

È comune che un componente sia costituito da più sottoparti funzionalmente equivalenti. Il part swapping consente di scambiare le net di tali sottoparti equivalenti. Consideriamo di nuovo il componente mostrato nell’immagine sopra. Entrambe le porte NOR offrono funzionalità identiche e le net (INA0, INA1, INA2, INA3, INA4, OUTA) possono essere scambiate con le net (INB0, INB1, INB2, INB3, INB4, OUTB).

Il part swapping per un componente viene configurato con gli attributi part group e sequence ID. Entrambi sono attributi di testo e sono accessibili nella scheda Part Swapping della finestra di dialogo Configure Pin Swapping dialog, come mostrato di seguito. L’immagine seguente mostra anche le impostazioni part group e sequence ID corrispondenti al componente mostrato nell’immagine sopra. Il part group indica quali sottoparti possono essere scambiate tra loro. Le due sottoparti possono essere scambiate e, di conseguenza, nell’immagine seguente i loro part groups hanno lo stesso valore, 1.

L’attributo sequence ID determina l’equivalenza dei pin tra sottoparti scambiabili. Nell’esempio della porta NOR è importante che i pin di ingresso non vengano scambiati con i pin di uscita quando avviene un part swap. L’immagine seguente mostra che i sequence ID sono impostati in modo che OUTA venga scambiato con OUTB, INA0 con INB0, INA1 con INB1 e così via.

Impostazione dei gruppi di part swap nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping per un componente Dual 5-Input NOR Gate.

Si noti che il Part Swapping è disponibile solo per i componenti progettati come sottoparti, poiché si basa sullo scambio di tutte le net tra due sottoparti.

Gruppi di coppie

Lo scambio di coppie differenziali è regolato dal valore di pair group per una coppia differenziale. L’attributo pair group è accessibile nella scheda Differential Pair Swapping della finestra di dialogo Configure Pin Swapping dialog. Nella scheda Differential Pair Swapping sono disponibili tre modalità, impostabili tramite il menu a discesa nell’angolo inferiore sinistro.

• Show All Pins – il sistema visualizzerà tutti i pin del componente.

• Show Pairs From Directives – il sistema utilizzerà le directive di coppia differenziale posizionate sullo schema per popolare le coppie differenziali nella tabella.

  Quando nell finestra di dialogo è selezionata l’opzione Show All Pins, tutti i pin che appartengono alle coppie differenziali scambiabili devono essere assegnati allo stesso gruppo di coppie.

Impostazione dei gruppi di Pair Swap nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping.

Controllo di come vengono eseguiti gli swap sullo schema

Nell’editor PCB, gli swap di pin, coppie e parti vengono eseguiti scambiando le net sui pad dei componenti e il rame corrispondente. Quando le modifiche vengono unite agli schemi, uno swap di pin può essere gestito in due modi: scambiando i pin sul simbolo del componente oppure scambiando le etichette di net sui fili collegati ai pin. Ciascun approccio presenta vantaggi e svantaggi.

Lo scambio dei pin funzionerà sempre sullo schema, ma può significare che questa istanza del simbolo del componente non è più uguale a come era definita nella libreria. In questa situazione, il simbolo non può essere aggiornato dalla libreria e inoltre altre istanze dello stesso componente in questo progetto avranno una disposizione dei pin diversa. Pertanto, questo approccio è ideale per componenti semplici, come gli array di resistori.

Eseguire lo swap sullo schema scambiando le etichette di net può essere fatto solo se la connettività è stabilita tramite le etichette di net e se i pin non sono collegati rigidamente tra loro. Il vantaggio di questo approccio è che il simbolo del componente non cambia e può essere aggiornato dalla libreria in un secondo momento. Questo approccio è la scelta migliore per un componente complesso, come un FPGA, dove lo spostamento fisico di due pin sul simbolo potrebbe far sì che un simbolo basato su banchi I/O venga rappresentato in modo errato.

È possibile determinare come vengono eseguiti gli swap scegliendo le opzioni Adding / Removing Net-Labels o Changing Schematic Pins nella sezione Allow Pin Swapping Using these Methods della finestra di dialogo Project Options - Options, come mostrato di seguito.

Queste opzioni di progetto regolano il modo in cui gli swap di pin vengono aggiornati nei documenti schematici.

Abilitazione del Pin, Pair e Part Swapping sul PCB

A livello di componente, le opzioni di swapping per un determinato componente PCB vengono configurate nel Properties panel, che presenta le proprietà di quel componente quando è selezionato nell’area di progettazione. Le opzioni si trovano nella sezione Swapping Options della scheda General .

Le opzioni di swapping per i componenti PCB possono anche essere definite tramite la finestra di dialogo Configure Swapping Information in Components , che elenca tutti i componenti utilizzati nel progetto (o nella libreria) con le relative impostazioni di swap correnti. Quando vi si accede dall’editor PCB, la finestra di dialogo include una colonna aggiuntiva per abilitare/disabilitare lo swapping di ciascun componente sulla scheda, denominata Enable in PCB.

La finestra di dialogo Configure Swapping Information in Components può essere aperta da Schematic Editor, Schematic Library Editor e PCB Editor, come segue:

• Schematic Editor/Schematic Library Editor - scegliendo il comando Tools » Configure Pin Swapping dai menu principali.
• PCB Editor - scegliendo il comando Tools » Pin/Part Swapping » Configure dai menu principali.

Utilizzare la finestra di dialogo Configure Swapping Information in Components per definire rapidamente lo swapping tra componenti. La finestra di dialogo include un potente menu contestuale accessibile con il tasto destro, che rende molto semplice copiare rapidamente le impostazioni da un componente a un altro oppure abilitare/disabilitare più componenti con un solo clic.

La finestra di dialogo Configure Swapping Information In Components .

Esecuzione di Pin, Pair e Part Swap

Pin, Pair e Part Swapping interattivo

Lo swapping interattivo consente di scambiare pin, coppie differenziali o sottoparti uno alla volta nell’editor PCB. I comandi di swapping interattivo si trovano nel sottomenu Tools » Pin/Part Swapping (i comandi Interactive Pin/Net Swapping, Interactive Differential-Pair Swapping e Interactive Part Swapping ). Una volta selezionato il comando dal menu, tutto nell’area di progettazione PCB viene mascherato (attenuato), ad eccezione delle entità che possono essere scambiate. Tenere d’occhio il Status Bar, che richiederà l’azione successiva. I passaggi necessari per eseguire uno swap sono visualizzati nella riga di stato:

1. Il primo passaggio consiste nel selezionare uno dei pin evidenziati che diventerà l’origine del pin swap. Nel caso di pair o part swapping, verrà successivamente scambiata la coppia differenziale o la sottoparte a cui appartiene il pin.

2. Il secondo passaggio consiste nel selezionare il pin di destinazione per lo swap. Per il pair o part swapping, questo pin sarà rappresentativo di una coppia differenziale o di una sottoparte.

   Esistono due condizioni che impediscono l’evidenziazione di un pin scambiabile : esiste già una connessione instradata verso quel pin (verificare eventuali connessioni a power plane o polygon) e/o l’opzione Pin Swapping non è abilitata (disponibile nella modalità Interactive Routing del pannello Preferences). 

Le fasi dello scambio interattivo di parte del componente Dual 5-input NOR gate sono mostrate nelle due immagini seguenti. Sono presenti due sottoparti che possono essere scambiate, il che significa che ciascuno dei loro cinque pin può essere selezionato, come mostrato nell’immagine sopra. È selezionato il pin 8, corrispondente alla sottoparte U2B. Il sistema evidenzia quindi i pin della sottoparte U2A che possono essere scambiati.

  Prima immagine, passaggio 1 - selezionare un pin da scambiare; i pin disponibili verranno evidenziati. Seconda immagine, passaggio 2 - selezionare un pin di destinazione.

Ottimizzatore automatico Pin/Net

L’Automatic Pin/Net Optimizer è uno strumento in due fasi. Selezionare Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Pin/Net Optimizer dal menu dell’editor PCB per eseguire un’ottimizzazione automatica.

L’Automatic Pin/Net Optimizer esegue innanzitutto un ottimizzatore rapido a passaggio singolo che tenta di ridurre al minimo gli incroci e le lunghezze delle connessioni, ma potrebbe in realtà aumentarli. Al termine, verrà chiesto se si desidera eseguire l’ottimizzatore iterativo. L’ottimizzatore iterativo eseguirà più passaggi nel tentativo di ridurre il numero di incroci e le lunghezze delle connessioni.

Riportare le modifiche allo schematico

Quando si configura il swap groups nella finestra di dialogo Configure Pin Swapping, le modifiche apportate vengono applicate immediatamente ai componenti dello schematico, indipendentemente da quale editor fosse attivo quando è stato avviato il comando. Tuttavia, le modifiche al progetto risultanti dall’esecuzione di uno scambio di pin, coppia differenziale o sottoparte nell’editor PCB vengono propagate allo schematico tramite il processo standard Design Update.

Invio delle modifiche dal PCB allo schematico

Gli scambi di pin, coppie e parti vengono riportati allo schematico nello stesso modo in cui vengono trasferite le altre modifiche di progetto: selezionando Design » Update dai menu. A seconda di come sono configurate le opzioni Allow Pin-Swapping in Project Options - Options dialog, gli scambi di pin verranno eseguiti come:

• Modifica dei nomi dei pin - questa modifica sposterà i pin sul simbolo. I pin non vengono effettivamente spostati sul simbolo, ma sarà visivamente evidente che i due pin hanno cambiato o scambiato posizione.
• Sposta i pin su reti diverse - questa modifica scambierà le etichette di rete sui fili collegati.
• Modifica ID sottoparte - questa modifica cambierà l’indice della sottoparte quando viene eseguito uno scambio di parte.

La prima immagine mostra uno scambio di pin risolto nello schematico scambiando i pin. La seconda immagine mostra lo scambio risolto spostando le etichette di rete.

Se lo schematico non si aggiorna per mostrare i pin o le parti scambiati, premere il tasto End per aggiornare la visualizzazione.

Sfruttare il nuovo sistema di scambio Pin/Part con i progetti FPGA

Oltre agli evidenti vantaggi offerti dallo scambio intelligente di pin, coppie e parti, la possibilità di scambiare subnet parzialmente instradate aggiunge una nuova dimensione allo scambio, ideale per lavorare con FPGA ad alta capacità. La riassegnazione dinamica delle reti consente di utilizzare un processo di progettazione multi-fase con assegnazioni pin/rete progressivamente più raffinate

Assegnazione iniziale degli I/O

In questa fase, le assegnazioni di rete dei pin delle FPGA e degli altri dispositivi vengono impostate nel modo più semplice a livello di schematico. Di solito, questo significa semplicemente aggiungere etichette di rete ai pin della FPGA in ordine numerico di bus. La funzione Smart Paste nell’editor schematico è ideale per farlo.

Ottimizzazione iniziale delle connessioni

Il progetto può essere trasferito al layout PCB, dove saranno presenti molti incroci di connessioni a causa dell’assegnazione casuale a livello di schematico. L’esecuzione del comando Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Net/Pin Optimizer , che utilizza le informazioni di pin e rete per riassegnare dinamicamente le reti e migliorare la sbrogliabilità, consentirà rapidamente una forte riduzione del numero di incroci. Ad esempio, il sistema può ricollegare più dispositivi BGA che sono stati sottoposti a escape routing su più layer di un documento PCB. Il risultato non deve ancora essere ideale, poiché serve principalmente a rendere le connessioni più gestibili visivamente a livello PCB.

Dopo aver avviato il comando, viene eseguito l’Automatic Pin/Net Optimizer. Si tratta di uno strumento in due fasi che esegue prima un ottimizzatore rapido a passaggio singolo che tenta di ridurre al minimo gli incroci e le lunghezze delle connessioni, ma potrebbe in realtà aumentarli. Al termine, verrà chiesto se si desidera eseguire l’ottimizzatore iterativo. L’ottimizzatore iterativo eseguirà più passaggi nel tentativo di ridurre il numero di incroci e le lunghezze delle connessioni. I risultati dell’ottimizzazione vengono visualizzati al termine dell’esecuzione dell’ottimizzatore.

Escape Routing

Ora è possibile eseguire fanout ed escape routing su dispositivi di grandi dimensioni sul PCB (fare clic con il pulsante destro sul componente per eseguire selettivamente fanout/escape routing). Questo potrebbe peggiorare le assegnazioni precedentemente ottimizzate, ma a questo punto non è un problema.

Ottimizzazione delle connessioni con escape routing

Eseguire nuovamente l’ottimizzatore automatico. Questa volta sfrutterà le sezioni pre-instradate del fanout/escape routing.

Instradamento manuale

Ora è possibile trattare le estremità delle route di escape come “target” verso cui instradare. Ignorando le linee di connessione effettive, grazie al fatto che è possibile instradare dalle altre estremità delle reti verso la route I/O con escape più vicina (spazialmente e per layer) sul PCB, anziché verso quella che si trova sulla stessa rete. Le connessioni non si allineeranno. Si otterrà invece una serie di piccoli gap tra l’escape routing dai pin I/O della FPGA e l’instradamento proveniente da altre parti del PCB. L’immagine seguente mostra un semplice esempio di ciò.

Ottimizzazione finale

Eseguire nuovamente l’ottimizzatore automatico e questo assegnerà le subnet instradate al pin I/O con escape più vicino possibile. Questo lascerà un insieme di connessioni molto corte da completare. L’ottimizzatore automatico dispone di routine speciali per produrre un buon risultato in questo caso. Queste possono ora essere instradate in modo interattivo o automatico.

Scambi manuali dei pin

Utilizzare lo strumento di scambio interattivo per eseguire eventuali modifiche specifiche di scambio pin necessarie.

Propagare le modifiche allo schematico

Quando si è pronti a propagare queste assegnazioni dei pin allo schematico, è consigliabile disabilitare le modifiche dei pin sui simboli schematici. Questo perché le FPGA sono spesso rappresentate come componenti multi-part, con ciascun banco di pin come parte schematica separata. Spostare pin da una parte all’altra renderebbe questi simboli logicamente errati, poiché il simbolo del banco includerebbe pin che non appartengono a quel banco. In questa situazione, l’approccio corretto consiste nell’eseguire gli scambi di pin modificando le etichette di rete.

Ripetere tutte le volte necessarie

Questo processo può essere eseguito tutte le volte necessarie e in qualsiasi momento durante il processo di progettazione.