Swapping Pins, Pairs and Parts in a Design

Możliwość zamiany wyprowadzeń komponentów w projekcie może znacznie ułatwić projektowanie układu połączeń i pomóc zmniejszyć liczbę warstw PCB (a tym samym jej koszt). Niestety projektant PCB może nie dysponować wszystkimi informacjami niezbędnymi do prawidłowego skonfigurowania zamiany wyprowadzeń, ponieważ nie zawsze zna wszystkie założenia autora projektu. Najlepiej, aby osoba, która opracowała schemat, uczestniczyła również w konfigurowaniu danych dotyczących zamiany wyprowadzeń — pozwoli to wiernie uwzględnić założenia i ograniczenia projektu.

System zamiany wyprowadzeń, par różnicowych i części komponentów współpracuje z funkcjami interaktywnego trasowania oraz wyprowadzania połączeń spod układów BGA w Altium Designer. Funkcja ta zapewnia wszystkie zalety tradycyjnych systemów zamiany wyprowadzeń, a jednocześnie wykorzystuje szczegółową wiedzę Altium Designer o przypisaniu sieci w projekcie. Podczas zamiany wyprowadzeń Altium Designer analizuje sieć przypisaną do wybranego wyprowadzenia i dynamicznie zmienia przypisanie sieci do tego wyprowadzenia oraz wszystkich połączonych z nim elementów miedzianych.

Taki zakres funkcjonalności umożliwia zamianę częściowo wytrasowanych sieci oraz wcześniej wytrasowanych, wielowarstwowych połączeń wyprowadzonych spod złożonych układów BGA. Możliwa jest również zamiana par różnicowych z wykorzystaniem informacji o różnicowych parach wyprowadzeń w układach FPGA.

Na poziomie PCB system zawiera zaawansowany automatyczny optymalizator, który wykorzystuje te informacje do dynamicznej zmiany przypisania sieci w celu ułatwienia trasowania. System może na przykład ponownie przypisać połączenia wielu układów, spod których wyprowadzono połączenia na kilku warstwach. Przy przypisywaniu uwzględnia zgodność warstw wyprowadzenia połączeń, najkrótszą odległość trasowania według metryki Manhattan oraz minimalną liczbę skrzyżowań na każdej warstwie.

Dodanie możliwości zamiany częściowo wytrasowanych sieci wraz z automatycznym optymalizatorem pozwala stosować hierarchiczną, iteracyjną strategię trasowania: najpierw wyprowadzać połączenia spod układów, następnie trasować je do krawędzi danego obszaru, a na końcu łączyć te sekcje ze sobą. W dowolnym momencie można ponownie uruchomić automatyczną zamianę, aby zoptymalizować projekt na podstawie aktualnych informacji o częściowo wytrasowanych sieciach.

Istnieją trzy kategorie zamiany:

• Zamiana wyprowadzeń
• Zamiana par różnicowych
• Zamiana części komponentów.

Konfigurowanie grup zamiany

W każdej kategorii zamiany swap groups określają, co można, a czego nie można zamieniać w obrębie komponentu. W przypadku zamiany wyprowadzeń można zamieniać między sobą wyprowadzenia komponentu, które mają wspólną wartość pin group. Podobnie w przypadku zamiany par i części komponentów wartości pair group oraz part group określają możliwość zamiany odpowiednio pary różnicowej lub części komponentu. Grupy zamiany komponentu konfiguruje się w oknie dialogowym Configure Pin Swapping, pokazanym na ilustracji poniżej. Można je otworzyć na następujące sposoby:

• W dokumencie PCB kliknij komponent prawym przyciskiem myszy, a następnie wybierz Component Actions » Configure Pin/Part Swapping.
• W dokumencie schematu kliknij komponent prawym przyciskiem myszy, a następnie wybierz Part Actions » Configure Pin Swapping.
• W dokumencie schematu kliknij przycisk Configure Component na dole okna dialogowego Konfigurowanie informacji o zamianie w komponentach (Tools » Configure Pin Swapping).
• W dokumencie PCB kliknij przycisk Configure Component na dole okna dialogowego Configure Swapping Information In Components (Tools » Pin/Part Swapping » Configure).
• Kliknij dwukrotnie dowolny komponent w oknie dialogowym Configure Swapping Information In Components.

Grupy wyprowadzeń

Wyprowadzenie komponentu można zamienić z innym wyprowadzeniem tego samego komponentu, jeśli należy do tej samej grupy pin group (ma tę samą wartość pin group). pin group jest atrybutem każdego wyprowadzenia komponentu, a jego wartością może być dowolny ciąg alfanumeryczny. Grupy pin groups dla całego komponentu konfiguruje się w oknie dialogowym Konfiguracja zamiany wyprowadzeń.

Schemat zawierający komponent z dwiema pięciowejściowymi bramkami NOR o logice dodatniej. Wszystkie wyprowadzenia wejściowe w obrębie każdej sekcji są logicznie równoważne, co stwarza idealne warunki do zamiany wyprowadzeń.

Rozważmy schemat przedstawiony na powyższej ilustracji, zawierający dwie pięciowejściowe bramki NOR komponentu SNJ54S260. Ze względu na działanie bramki NOR sieci od INA0 do INA4 można wzajemnie zamieniać. Podobnie można zamieniać sieci od INB0 do INB4, jednak sieci INAx nie można zamienić z siecią INBx.

Ograniczenia zamiany dla bramki NOR definiuje się w oknie dialogowym Configure Pin Swapping. Przypisanie sieci INAx do grupy zamiany 1, a sieci INBx do grupy zamiany 2 zapewnia, że system będzie wykonywał zamiany wyłącznie w sposób zgodny z logiką komponentu. Pozostawienie pustej wartości grupy wyprowadzeń dla danego wyprowadzenia oznacza, że nie można go zamieniać.

Grupy sekcji i identyfikatory sekwencji

Komponenty często składają się z kilku funkcjonalnie równoważnych sekcji. Zamiana sekcji pozwala zamieniać sieci takich równoważnych sekcji. Rozważmy ponownie komponent przedstawiony na powyższej ilustracji. Obie bramki NOR mają identyczną funkcjonalność, a sieci (INA0, INA1, INA2, INA3, INA4, OUTA) można zamienić z sieciami (INB0, INB1, INB2, INB3, INB4, OUTB).

Zamianę sekcji komponentu konfiguruje się za pomocą atrybutów part group i sequence ID. Oba są atrybutami tekstowymi i są dostępne na karcie Part Swapping okna dialogowego Konfiguracja zamiany wyprowadzeń, jak pokazano poniżej. Poniższa ilustracja przedstawia również ustawienia part group i sequence ID odpowiadające komponentowi z powyższej ilustracji. part group wskazuje, które sekcje można ze sobą zamieniać. Obie sekcje można zamieniać, dlatego na poniższej ilustracji ich atrybutom part groups przypisano tę samą wartość 1.

Atrybut sequence ID określa równoważność wyprowadzeń między sekcjami, które można zamieniać. W przykładzie z bramką NOR ważne jest, aby podczas zamiany sekcji nie zamienić wyprowadzeń wejściowych z wyjściowymi. Na poniższej ilustracji wartości sequence ID ustawiono tak, aby OUTA było zamieniane z OUTB, INA0 z INB0, INA1 z INB1 itd.

Konfigurowanie grup zamiany sekcji w oknie dialogowym Konfiguracja zamiany wyprowadzeń dla komponentu z dwiema pięciowejściowymi bramkami NOR.

Pamiętaj, że zamiana sekcji jest dostępna tylko dla komponentów zaprojektowanych jako wielosekcyjne, ponieważ polega na zamianie wszystkich sieci między dwiema sekcjami.

Grupy par

Zamianą par różnicowych steruje wartość pair group przypisana do pary różnicowej. Atrybut pair group jest dostępny na karcie Differential Pair Swapping okna dialogowego Konfiguracja zamiany wyprowadzeń. Na karcie Differential Pair Swapping dostępne są trzy tryby, które można wybrać z listy rozwijanej w lewym dolnym rogu.

• Show All Pins — system wyświetli wszystkie wyprowadzenia komponentu.

• Show Pairs From Directives — system użyje dyrektyw par różnicowych umieszczonych na schemacie, aby uzupełnić tabelę parami różnicowymi.

  Gdy w oknie dialogowym wybrana jest opcja Show All Pins, wszystkie wyprowadzenia należące do par różnicowych, które można ze sobą zamieniać, muszą być przypisane do tej samej grupy par.

Konfigurowanie grup zamiany par w oknie dialogowym Konfiguracja zamiany wyprowadzeń.

Określanie sposobu wykonywania zamian na schemacie

W edytorze PCB zamiany wyprowadzeń, par i sekcji są wykonywane przez zamianę sieci przypisanych do pól lutowniczych komponentów i odpowiadających im elementów miedzianych. Podczas przenoszenia zmian na schematy zamianę wyprowadzeń można obsłużyć na dwa sposoby: zamieniając wyprowadzenia na symbolu komponentu lub zamieniając etykiety sieci na przewodach podłączonych do tych wyprowadzeń. Każde z tych podejść ma swoje zalety i wady.

Zamiana wyprowadzeń na schemacie zawsze zadziała, ale może spowodować, że dane wystąpienie symbolu komponentu nie będzie już zgodne z definicją w bibliotece. W takiej sytuacji symbolu nie można zaktualizować z biblioteki, a inne wystąpienia tego samego komponentu w projekcie będą miały inny układ wyprowadzeń. Dlatego to podejście jest idealne dla prostych komponentów, takich jak sieci rezystorowe.

Zamianę na schemacie przez zamianę etykiet sieci można wykonać tylko wtedy, gdy połączenia są definiowane za pomocą etykiet sieci, a wyprowadzenia nie są połączone ze sobą bezpośrednio przewodami. Zaletą tego podejścia jest to, że symbol komponentu nie zmienia się i można go później zaktualizować z biblioteki. Jest to najlepszy wybór w przypadku złożonych komponentów, takich jak FPGA, gdzie fizyczne przemieszczenie dwóch wyprowadzeń na symbolu mogłoby spowodować nieprawidłowe przedstawienie symbolu zorganizowanego według banków wejść/wyjść.

Sposób wykonywania zamian można określić, wybierając opcję Adding / Removing Net-Labels lub Changing Schematic Pins w sekcji Allow Pin Swapping Using these Methods okna dialogowego Opcje projektu — Opcje, jak pokazano poniżej.

Te opcje projektu określają sposób aktualizacji zamian wyprowadzeń w dokumentach schematu.

Włączanie zamiany wyprowadzeń, par i sekcji na PCB

Na poziomie komponentu opcje zamiany dla danego komponentu PCB konfiguruje się w panelu Properties, który wyświetla właściwości komponentu po jego zaznaczeniu w obszarze projektowym. Opcje te znajdują się w sekcji Swapping Options na karcie General .

Opcje zamiany dla komponentów PCB można również definiować w oknie dialogowym Configure Swapping Information in Components , które zawiera listę wszystkich komponentów użytych w projekcie (lub bibliotece) wraz z ich bieżącymi ustawieniami zamiany. Po otwarciu z poziomu edytora PCB okno dialogowe zawiera dodatkową kolumnę o nazwie Enable in PCB, służącą do włączania i wyłączania zamiany dla poszczególnych komponentów na płytce.

Okno dialogowe Configure Swapping Information in Components można otworzyć z poziomu edytora schematów, edytora bibliotek schematowych oraz edytora PCB w następujący sposób:

• Schematic Editor/Schematic Library Editor — wybierając polecenie Tools » Configure Pin Swapping z menu głównego.
• PCB Editor — wybierając polecenie Tools » Pin/Part Swapping » Configure z menu głównego.

Użyj okna dialogowego Configure Swapping Information in Components, aby szybko zdefiniować ustawienia zamiany dla komponentów. Okno to zawiera rozbudowane menu dostępne po kliknięciu prawym przyciskiem myszy, które ułatwia szybkie kopiowanie ustawień z jednego komponentu do drugiego oraz włączanie lub wyłączanie zamiany dla wielu komponentów jednym kliknięciem.

Okno dialogowe Configure Swapping Information In Components .

Wykonywanie zamiany pinów, par i części

Interaktywna zamiana pinów, par i części

Zamiana interaktywna umożliwia zamianę pojedynczych pinów, par różnicowych lub podczęści w edytorze PCB. Polecenia zamiany interaktywnej znajdują się w podmenu Tools » Pin/Part Swapping (polecenia Interactive Pin/Net Swapping, Interactive Differential-Pair Swapping i Interactive Part Swapping). Po wybraniu polecenia z menu wszystkie obiekty w obszarze projektowym PCB zostają zamaskowane (przygaszone), z wyjątkiem tych, które można zamienić. Obserwuj Status Bar — pojawią się tam wskazówki dotyczące następnej czynności. Kroki wymagane do wykonania zamiany są wyświetlane w wierszu stanu:

1. Pierwszym krokiem jest wybranie jednego z podświetlonych pinów jako źródła zamiany. W przypadku zamiany par lub części zamieniona zostanie para różnicowa lub podczęść, do której należy ten pin.

2. Drugim krokiem jest wybranie docelowego pinu do zamiany. W przypadku zamiany par lub części pin ten reprezentuje parę różnicową lub podczęść.

   Istnieją dwa warunki, które uniemożliwiają podświetlenie pinu dopuszczonego do zamiany: pin ma już wytrasowane połączenie (sprawdź połączenia z płaszczyznami zasilania lub poligonami) i/lub opcja Pin Swapping nie jest włączona (dostępna w trybie Interactive Routing panelu Preferences). 

Etapy interaktywnej zamiany części komponentu zawierającego dwie 5-wejściowe bramki NOR przedstawiono na dwóch poniższych ilustracjach. Można zamienić dwie podczęści, co oznacza, że można wybrać dowolny z ich pięciu pinów, jak pokazano na powyższej ilustracji. Wybrano pin 8, odpowiadający podczęści U2B. Następnie system podświetla piny podczęści U2A, które można zamienić.

  Pierwsza ilustracja, krok 1 — wybierz pin do zamiany; dostępne piny zostaną podświetlone. Druga ilustracja, krok 2 — wybierz pin docelowy.

Automatyczny optymalizator pinów/sieci

Automatyczny optymalizator pinów/sieci jest narzędziem działającym w dwóch etapach. Wybierz Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Pin/Net Optimizer z menu edytora PCB, aby przeprowadzić automatyczną optymalizację.

Automatyczny optymalizator wyprowadzeń i sieci najpierw uruchamia szybki algorytm jednoprzebiegowy, który próbuje zminimalizować liczbę skrzyżowań i długość połączeń, ale w rzeczywistości może je zwiększyć. Po zakończeniu tego etapu pojawi się pytanie, czy chcesz uruchomić optymalizator iteracyjny. Wykonuje on wiele przebiegów, próbując zmniejszyć liczbę skrzyżowań i długość połączeń.

Przekazywanie zmian z powrotem do schematu

Podczas konfigurowania swap groups w oknie dialogowym Konfiguracja zamiany wyprowadzeń wprowadzane zmiany są natychmiast stosowane do komponentów na schemacie, niezależnie od tego, który edytor był aktywny w chwili uruchomienia polecenia. Natomiast zmiany projektu wynikające z zamiany wyprowadzeń, par różnicowych lub sekcji komponentów w edytorze PCB są przekazywane z powrotem do schematu przy użyciu standardowego procesu Design Update.

Przekazywanie zmian z PCB do schematu

Zamiany wyprowadzeń, par i sekcji komponentów są przekazywane z powrotem do schematu tak samo jak inne zmiany projektu — przez wybranie z menu polecenia Design » Update. W zależności od konfiguracji opcji Zezwalaj na zamianę wyprowadzeń w Project Options - Options dialog zamiany będą realizowane następująco:

• Zmiana nazw wyprowadzeń — ta zmiana powoduje zamianę wyprowadzeń na symbolu. Wyprowadzenia nie są fizycznie przesuwane na symbolu, ale wizualnie wygląda to tak, jakby zostały przesunięte lub zamieniły się miejscami.
• Przeniesienie wyprowadzeń do innych sieci — ta zmiana powoduje zamianę etykiet sieci na podłączonych przewodach.
• Zmiana identyfikatora sekcji komponentu — ta zmiana powoduje zmianę indeksu sekcji podczas zamiany sekcji komponentu.

Pierwszy obraz przedstawia zamianę wyprowadzeń odwzorowaną na schemacie przez zamianę wyprowadzeń symbolu. Drugi obraz przedstawia tę samą zamianę odwzorowaną przez przeniesienie etykiet sieci.

Jeśli schemat nie zostanie zaktualizowany i nie pokazuje zamienionych wyprowadzeń lub sekcji komponentów, naciśnij klawisz End, aby odświeżyć widok.

Wykorzystanie nowego systemu zamiany wyprowadzeń i sekcji komponentów w projektach z układami FPGA

Oprócz oczywistych korzyści płynących z inteligentnej zamiany wyprowadzeń, par i sekcji komponentów możliwość zamiany częściowo poprowadzonych fragmentów sieci otwiera nowe możliwości, idealne do pracy z układami FPGA o dużej pojemności. Dynamiczne przypisywanie sieci umożliwia stosowanie wieloetapowego procesu projektowania, w którym przypisania wyprowadzeń do sieci są stopniowo dopracowywane.

Wstępne przypisanie wejść/wyjść

Na tym etapie sieci są przypisywane do wyprowadzeń układów FPGA i innych elementów w sposób najwygodniejszy na poziomie schematu. Zwykle oznacza to po prostu dodanie do wyprowadzeń FPGA etykiet sieci w kolejności numeracji sygnałów magistrali. Funkcja Inteligentne wklejanie w edytorze schematów idealnie nadaje się do tego zadania.

Wstępna optymalizacja połączeń

Projekt można przenieść do edytora PCB, gdzie ze względu na przypadkowe przypisania na poziomie schematu pojawi się wiele skrzyżowań połączeń. Uruchomienie polecenia Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Net/Pin Optimizer , które wykorzystuje informacje o wyprowadzeniach i sieciach do dynamicznego przypisywania sieci i ułatwienia trasowania, szybko znacznie zmniejszy liczbę skrzyżowań. System może na przykład zmienić połączenia między wieloma układami BGA, których ścieżki wyprowadzające zostały już poprowadzone na wielu warstwach dokumentu PCB. Wynik nie musi być jeszcze idealny, ponieważ na tym etapie chodzi przede wszystkim o uzyskanie bardziej czytelnego układu połączeń na PCB.

Po uruchomieniu polecenia uruchamiany jest automatyczny optymalizator wyprowadzeń i sieci. Jest to narzędzie dwuetapowe, które najpierw uruchamia szybki algorytm jednoprzebiegowy próbujący zminimalizować liczbę skrzyżowań i długość połączeń, choć w rzeczywistości może je zwiększyć. Po zakończeniu tego etapu pojawi się pytanie, czy chcesz uruchomić optymalizator iteracyjny. Wykonuje on wiele przebiegów, próbując zmniejszyć liczbę skrzyżowań i długość połączeń. Wyniki optymalizacji są wyświetlane po zakończeniu pracy optymalizatora.

Trasowanie wyprowadzeń poza obrys komponentu

Można teraz wykonać rozprowadzenie wyprowadzeń (fanout) i trasowanie ścieżek poza obrys dużych komponentów na PCB (kliknij komponent prawym przyciskiem myszy, aby wykonać te operacje dla wybranego komponentu). Może to pogorszyć wcześniej zoptymalizowane przypisania, ale na tym etapie nie ma to znaczenia.

Optymalizacja połączeń po wyprowadzeniu ścieżek

Ponownie uruchom automatyczny optymalizator. Tym razem wykorzysta on wcześniej poprowadzone odcinki ścieżek rozprowadzających i wyprowadzających.

Trasowanie ręczne

Możesz teraz traktować końce ścieżek wyprowadzających jako „cele”, w kierunku których prowadzisz ścieżki. Zignoruj aktualne linie połączeń — możesz prowadzić ścieżki od drugich końców sieci w kierunku najbliższej ścieżki wyprowadzającej sygnał wejścia/wyjścia na PCB (pod względem położenia i warstwy), zamiast kierować je do ścieżki należącej do tej samej sieci. Połączenia nie będą się pokrywać. Zamiast tego pozostanie szereg niewielkich przerw między ścieżkami wyprowadzonymi z wyprowadzeń wejścia/wyjścia FPGA a ścieżkami poprowadzonymi z innych części PCB. Poniższy obraz przedstawia prosty przykład takiej sytuacji.

Końcowa optymalizacja

Ponownie uruchom automatyczny optymalizator, a przypisze on poprowadzone fragmenty sieci do najbliższych możliwych wyprowadzeń wejścia/wyjścia z wyprowadzonymi ścieżkami. Pozostanie wtedy zestaw bardzo krótkich połączeń do dokończenia. Automatyczny optymalizator ma specjalne procedury zapewniające dobry wynik w takiej sytuacji. Te połączenia można teraz poprowadzić interaktywnie lub automatycznie.

Ręczna zamiana wyprowadzeń

Użyj narzędzia do interaktywnej zamiany, aby wykonać potrzebne zamiany konkretnych wyprowadzeń.

Przekazywanie zmian z powrotem do schematu

Gdy zechcesz przekazać te przypisania wyprowadzeń z powrotem do schematu, warto wyłączyć zmiany wyprowadzeń na symbolach schematowych. Układy FPGA są bowiem często przedstawiane jako komponenty wielosekcyjne, w których każdy bank wyprowadzeń stanowi osobną sekcję na schemacie. Przenoszenie wyprowadzeń między sekcjami sprawiłoby, że symbole stałyby się logicznie niepoprawne, ponieważ symbol banku zawierałby wyprowadzenia, które do niego nie należą. W tej sytuacji właściwym rozwiązaniem jest realizowanie zamiany wyprowadzeń przez zmianę etykiet sieci.

Powtarzanie w razie potrzeby

Ten proces można powtarzać dowolną liczbę razy i na dowolnym etapie projektowania.