Hoán đổi Chân, Cặp và Linh kiện trong một Thiết kế

Khả năng hoán đổi chân các linh kiện trong thiết kế có thể tạo ra sự khác biệt lớn về mức độ phức tạp của thách thức bố trí và giúp giảm số lớp (và do đó là chi phí) của bảng mạch in (PCB). Thật không may, Kỹ sư bố trí có thể không có đầy đủ thông tin cần thiết để thiết lập các thông số hoán đổi chân một cách hợp lý, vì họ không phải lúc nào cũng có thể chắc chắn nắm rõ toàn bộ ý định của nhà thiết kế. Lý tưởng nhất là người đã ghi lại bản thiết kế cũng nên tham gia vào việc thiết lập dữ liệu hoán đổi chân để đảm bảo ý định thiết kế và các ràng buộc được ghi lại chính xác.

Hoạt động hài hòa với các tính năng định tuyến tương tác và định tuyến thoát BGA của Altium Designer là hệ thống hoán đổi chân, cặp vi sai và linh kiện. Tính năng này mang lại tất cả các lợi ích của các hệ thống hoán đổi chân truyền thống, nhưng tận dụng sự hiểu biết sâu sắc của Altium Designer về việc gán mạng trong thiết kế. Trong quá trình hoán đổi chân, Altium Designer phân tích mạng được gán cho chân đã chọn và tự động gán lại mạng trên chân đó cùng bất kỳ vùng đồng nào kết nối với nó.

Mức độ chức năng này cho phép hoán đổi các mạng đã được định tuyến một phần và các đường thoát đa lớp đã được định tuyến trước từ các thiết bị BGA phức tạp. Các cặp tín hiệu vi sai cũng có thể được hoán đổi, tận dụng kiến thức về các cặp chân vi sai trên FPGA.

Ở cấp độ PCB, hệ thống bao gồm một công cụ tối ưu hóa tự động mạnh mẽ sử dụng thông tin này để gán lại mạng một cách động nhằm cải thiện khả năng định tuyến. Ví dụ, hệ thống có thể thực hiện việc kết nối lại trên nhiều thiết bị đã được định tuyến thoát trên nhiều lớp. Hệ thống sẽ phân bổ các mạng này dựa trên sự khớp nhau của các lớp đường thoát, khoảng cách định tuyến Manhattan ngắn nhất và số lần giao cắt tối thiểu trên mỗi lớp.

Việc bổ sung tính năng hoán đổi mạng đã định tuyến một phần, cùng với trình tối ưu hóa tự động, cho phép bạn áp dụng chiến lược định tuyến theo cấp bậc và lặp đi lặp lại, trước tiên định tuyến thoát cho các thiết bị, sau đó định tuyến đến rìa của một khu vực nhất định, cuối cùng kết nối các phần này lại với nhau. Bất cứ lúc nào, công cụ hoán đổi tự động cũng có thể được chạy lại để tối ưu hóa lại, dựa trên thông tin cập nhật được cung cấp bởi các mạng đã định tuyến một phần.

Có ba loại hoán đổi:

• Hoán đổi chân
• Hoán đổi cặp vi sai
• Hoán đổi phần con.

Cấu hình nhóm hoán đổi

Đối với mỗi loại hoán đổi, swap groups quy định những gì có thể và những gì không thể hoán đổi trong một thành phần. Trong trường hợp hoán đổi chân cắm, các chân cắm trong một thành phần có chung pin group có thể được hoán đổi lẫn nhau. Tương tự đối với hoán đổi cặp và hoán đổi bộ phận, đó là pair group và part group quyết định xem một cặp vi sai hoặc bộ phận con có thể được hoán đổi hay không. Các nhóm hoán đổi cho một linh kiện được cấu hình trong Configure Pin Swapping hộp thoại, như được hiển thị trong hình bên dưới. Bạn có thể truy cập hộp thoại này theo các cách sau:

• Trong tài liệu PCB, nhấp chuột phải vào linh kiện rồi chọn Component Actions » Configure Pin/Part Swapping.
• Trong tài liệu sơ đồ, nhấp chuột phải vào linh kiện rồi chọn Part Actions » Configure Pin Swapping.
• Trong tài liệu sơ đồ, nhấp vào Configure Component nút ở phía dưới của hộp thoại "Cấu hình thông tin hoán đổi trong linh kiện" (Tools » Configure Pin Swapping).
• Trong tài liệu PCB, nhấp vào Configure Component nút ở phía dưới của Configure Swapping Information In Components hộp thoại (Tools » Pin/Part Swapping » Configure).
• Nhấp đúp vào bất kỳ linh kiện nào trong Configure Swapping Information In Components hộp thoại.

Nhóm chân cắm

Một chân linh kiện có thể hoán đổi với một chân khác trong cùng linh kiện đó khi chúng thuộc cùng một pin group (có cùng pin group ). pin group là một thuộc tính của mỗi chân trong thành phần và giá trị của nó có thể là bất kỳ chuỗi ký tự chữ và số nào. Các pin groups cho toàn bộ thành phần được thiết lập trong hộp thoại "Configure Pin Swapping".

Sơ đồ mạch chứa linh kiện Cổng NOR dương 5 đầu vào kép. Mỗi chân đầu vào của cả hai bộ phận con đều tương đương về mặt logic và tạo ra một tình huống lý tưởng để hoán đổi chân.

Hãy xem xét sơ đồ mạch được hiển thị trong hình trên, trong đó chứa hai cổng NOR 5 đầu vào của linh kiện SNJ54S260. Mỗi mạng, từ INA0 đến INA4, có thể được hoán đổi với nhau do bản chất của cổng NOR. Tương tự, mỗi mạng từ INB0 đến INB4 cũng có thể được hoán đổi, tuy nhiên một mạng INAx không thể được hoán đổi với một mạng INBx.

Các ràng buộc hoán đổi cho cổng NOR được định nghĩa trong Configure Pin Swapping hộp thoại. Việc gán nhóm hoán đổi 1 cho các đường dẫn INAx và nhóm hoán đổi 2 cho các đường dẫn INBx đảm bảo rằng hệ thống chỉ thực hiện hoán đổi theo cách phù hợp với logic của linh kiện. Để trống giá trị Nhóm chân (Pin Group) cho một chân có nghĩa là chân đó không thể được hoán đổi.

Nhóm bộ phận và ID trình tự

Thông thường, một thành phần bao gồm nhiều bộ phận con có chức năng tương đương. Tính năng hoán đổi bộ phận cho phép hoán đổi các mạng của các bộ phận con tương đương đó. Hãy xem lại thành phần được hiển thị trong hình trên. Cả hai cổng NOR đều có chức năng giống hệt nhau và các mạng (INA0, INA1, INA2, INA3, INA4, OUTA) có thể được hoán đổi với các mạng (INB0, INB1, INB2, INB3, INB4, OUTB).

Tính năng hoán đổi thành phần được cấu hình bằng part group và sequence ID . Cả hai đều là thuộc tính văn bản và có thể truy cập trong Part Swapping của hộp thoại Configure Pin Swapping, như được hiển thị bên dưới. Hình ảnh bên dưới cũng hiển thị part group và sequence ID tương ứng với linh kiện được hiển thị trong hình trên. Thuộc tính part group cho biết các bộ phận con nào có thể hoán đổi cho nhau. Hai bộ phận con này có thể hoán đổi cho nhau và do đó, trong hình dưới đây, part groups được gán cùng một giá trị là 1.

Thuộc tính sequence ID thuộc tính này xác định sự tương đương của các chân giữa các bộ phận con có thể hoán đổi. Trong ví dụ về cổng NOR, điều quan trọng là các chân đầu vào không được hoán đổi với các chân đầu ra khi xảy ra việc hoán đổi bộ phận. Hình ảnh bên dưới cho thấy các sequence ID được thiết lập sao cho OUTA hoán đổi với OUTB, INA0 hoán đổi với INB0, INA1 hoán đổi với INB1 và v.v.

Thiết lập các nhóm hoán đổi bộ phận trong hộp thoại "Configure Pin Swapping" cho thành phần Cổng NOR kép 5 đầu vào.

Lưu ý rằng tính năng Đổi chỗ bộ phận chỉ khả dụng cho các thành phần được thiết kế dưới dạng các bộ phận con vì tính năng này dựa trên việc đổi chỗ tất cả các mạng giữa hai bộ phận con.

Nhóm cặp

Việc hoán đổi các cặp vi sai được điều chỉnh bởi giá trị của pair group cho một cặp vi sai. Thuộc tính pair group có thể được truy cập trong Differential Pair Swapping trong tab của hộp thoại Configure Pin Swapping. Có ba chế độ trong Differential Pair Swapping tab này có thể được thiết lập bằng cách truy cập menu thả xuống ở góc dưới bên trái.

• Show All Pins – Hệ thống sẽ hiển thị tất cả các chân linh kiện.

• Show Pairs From Directives – hệ thống sẽ sử dụng các chỉ thị cặp vi sai được đặt trên sơ đồ mạch để điền các cặp vi sai vào bảng.

  Khi Show All Pins tùy chọn này được chọn trong hộp thoại, tất cả các chân thuộc các cặp vi sai có thể hoán đổi phải được gán vào cùng một nhóm cặp.

Thiết lập các nhóm hoán đổi cặp trong hộp thoại Cấu hình hoán đổi chân.

Kiểm soát cách thực hiện việc hoán đổi trên sơ đồ

Trong trình chỉnh sửa PCB, việc hoán đổi chân, cặp và linh kiện được thực hiện bằng cách trao đổi các mạng trên các pad linh kiện và đồng tương ứng. Khi các thay đổi được hợp nhất vào sơ đồ mạch, có hai cách để xử lý việc hoán đổi chân: hoặc bằng cách hoán đổi các chân trên biểu tượng linh kiện, hoặc bằng cách hoán đổi nhãn mạng trên các dây nối với các chân. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng.

Việc hoán đổi chân luôn hoạt động trên sơ đồ mạch, nhưng điều này có thể đồng nghĩa với việc bản sao hiện tại của biểu tượng linh kiện không còn trùng khớp với định nghĩa ban đầu trong thư viện. Trong tình huống này, điều đó có nghĩa là biểu tượng không thể được cập nhật từ thư viện, và cũng có nghĩa là các bản sao khác của cùng một linh kiện trong thiết kế này sẽ có cách bố trí chân khác nhau. Do đó, phương pháp này lý tưởng cho các linh kiện đơn giản, chẳng hạn như mảng điện trở.

Việc hoán đổi trên sơ đồ bằng cách hoán đổi nhãn mạng chỉ có thể thực hiện được nếu kết nối được thiết lập thông qua các nhãn mạng và các chân không được nối cứng với nhau. Ưu điểm của phương pháp này là biểu tượng linh kiện không thay đổi và có thể được cập nhật từ thư viện vào một thời điểm sau này. Phương pháp này là lựa chọn tốt nhất cho các linh kiện phức tạp, chẳng hạn như FPGA, nơi việc di chuyển vật lý hai chân trên biểu tượng có thể dẫn đến việc biểu tượng dựa trên ngân hàng I/O hiển thị không chính xác.

Bạn có thể xác định cách thực hiện việc hoán đổi bằng cách chọn Adding / Removing Net-Labels hoặc Changing Schematic Pins trong Allow Pin Swapping Using these Methods phần Tùy chọn Dự án - Tùy chọn, như được hiển thị bên dưới.

Các tùy chọn dự án này quy định cách cập nhật việc hoán đổi chân trong các tài liệu sơ đồ.

Kích hoạt tính năng hoán đổi chân, cặp chân và linh kiện trên PCB

Ở cấp độ linh kiện, các tùy chọn hoán đổi cho một linh kiện PCB cụ thể được cấu hình trong bảng Thuộc tính, bảng này hiển thị các thuộc tính của linh kiện đó khi nó được chọn trong không gian thiết kế. Các tùy chọn này có thể được tìm thấy trong Swapping Options khu vực của General tab.

Các tùy chọn hoán đổi cho các thành phần PCB cũng có thể được định nghĩa thông qua Configure Swapping Information in Components hộp thoại, nơi liệt kê tất cả các linh kiện được sử dụng trong thiết kế (hoặc thư viện) cùng với cài đặt hoán đổi hiện tại của chúng. Khi truy cập từ trình chỉnh sửa PCB, hộp thoại này bao gồm một cột bổ sung để bật/tắt tính năng hoán đổi cho từng linh kiện trên bảng mạch, được gọi là Enable in PCB.

Hộp Configure Swapping Information in Components có thể được truy cập từ Trình chỉnh sửa sơ đồ, Trình chỉnh sửa thư viện sơ đồ và Trình chỉnh sửa PCB như sau:

• Schematic Editor/Schematic Library Editor - bằng cách chọn lệnh Tools » Configure Pin Swapping lệnh từ các menu chính.
• PCB Editor - bằng cách chọn Tools » Pin/Part Swapping » Configure lệnh từ các menu chính.

Sử dụng Configure Swapping Information in Components hộp thoại này để nhanh chóng định nghĩa việc hoán đổi giữa các thành phần. Hộp thoại này bao gồm một menu chuột phải mạnh mẽ, giúp bạn dễ dàng sao chép nhanh các cài đặt từ thành phần này sang thành phần khác, hoặc bật/tắt nhiều thành phần chỉ bằng một cú nhấp chuột.

Hộp Configure Swapping Information In Components hộp thoại.

Thực hiện hoán đổi chân, cặp và bộ phận

Hoán đổi chân, cặp và linh kiện tương tác

Chức năng hoán đổi tương tác cho phép hoán đổi chân, cặp vi sai hoặc các bộ phận con từng cái một trong trình chỉnh sửa PCB. Các lệnh hoán đổi tương tác nằm trong Tools » Pin/Part Swapping ( Interactive Pin/Net Swapping, Interactive Differential-Pair Swapping và Interactive Part Swapping ). Sau khi chọn lệnh từ menu, mọi thứ trong không gian thiết kế PCB sẽ bị che khuất (mờ đi), ngoại trừ các đối tượng có thể hoán đổi. Hãy chú ý đến Status Bar, nó sẽ nhắc bạn thực hiện thao tác tiếp theo. Các bước cần thiết để thực hiện hoán đổi được hiển thị trên dòng trạng thái:

1. Bước đầu tiên là chọn một trong các chân được đánh dấu sẽ trở thành nguồn của thao tác hoán đổi chân. Trong trường hợp hoán đổi cặp hoặc linh kiện, cặp vi sai hoặc linh kiện con mà chân đó thuộc về sẽ được hoán đổi tiếp theo.

2. Bước thứ hai là chọn chân đích cho việc hoán đổi. Đối với việc hoán đổi cặp hoặc linh kiện, chân này sẽ đại diện cho một cặp vi sai hoặc một linh kiện con.

   Có hai điều kiện khiến chân có thể hoán đổi không được đánh dấu: đã có kết nối được định tuyến đến chân đó (kiểm tra các kết nối với mặt phẳng nguồn hoặc đa giác), và/hoặc tùy chọn Pin Swapping tùy chọn này chưa được bật (có sẵn trong chế độ Định tuyến Tương tác của bảng Tùy chọn). 

Các giai đoạn hoán đổi linh kiện tương tác cho thành phần cổng NOR kép 5 đầu vào được thể hiện trong hai hình ảnh bên dưới. Có hai bộ phận con có thể được hoán đổi, nghĩa là mỗi trong số năm chân của chúng đều có thể được chọn, như được hiển thị trong hình ảnh phía trên. Chân 8 được chọn tương ứng với bộ phận con U2B. Hệ thống sau đó làm nổi bật các chân của bộ phận con U2A có thể được hoán đổi.

  Hình đầu tiên, bước 1 - chọn một chân cần hoán đổi, các chân có sẵn sẽ được đánh dấu. Hình thứ hai, bước 2 - chọn chân đích.

Trình tối ưu hóa chân/mạng tự động

Trình tối ưu hóa chân/mạng tự động là một công cụ gồm hai giai đoạn. Chọn Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Pin/Net Optimizer từ menu trình chỉnh sửa PCB để thực hiện tối ưu hóa tự động.

Trình tối ưu hóa chân/mạng tự động trước tiên sẽ chạy một trình tối ưu hóa một lần nhanh nhằm cố gắng giảm thiểu các điểm giao nhau và độ dài kết nối, nhưng trên thực tế có thể làm tăng chúng lên. Khi quá trình này hoàn tất, bạn sẽ được hỏi liệu có muốn chạy trình tối ưu hóa lặp hay không. Trình tối ưu hóa lặp sẽ thực hiện nhiều lần nhằm cố gắng giảm số lượng các điểm giao nhau và độ dài kết nối.

Chuyển các thay đổi trở lại sơ đồ mạch

Khi bạn định cấu hình swap groups trong hộp thoại "Configure Pin Swapping ", các chỉnh sửa bạn thực hiện sẽ được áp dụng ngay lập tức cho các thành phần sơ đồ, bất kể trình chỉnh sửa nào đang hoạt động khi lệnh được khởi chạy. Tuy nhiên, các thay đổi thiết kế phát sinh từ việc bạn thực hiện hoán đổi chân, cặp vi sai hoặc bộ phận con trong trình chỉnh sửa PCB sẽ được truyền ngược lại sơ đồ thông qua quy trình tiêu chuẩn Design Update .

Đẩy các thay đổi từ PCB trở lại sơ đồ mạch

Việc hoán đổi chân, cặp và bộ phận được truyền trở lại sơ đồ mạch theo cách tương tự như việc chuyển các thay đổi thiết kế khác - bằng cách chọn Design » Update từ các menu. Tùy thuộc vào cách cấu hình các tùy chọn “Cho phép hoán đổi chân ” trong Project Options - Options dialog, việc hoán đổi chân sẽ được thực hiện như sau:

• Thay đổi tên chân - thay đổi này sẽ di chuyển các chân trên biểu tượng. Các chân không thực sự được di chuyển trên biểu tượng, nhưng có thể thấy rõ rằng hai chân đã di chuyển hoặc hoán đổi vị trí.
• Di chuyển chân sang các mạng khác - thay đổi này sẽ hoán đổi nhãn mạng trên các dây nối.
• Thay đổi ID bộ phận con - thay đổi này sẽ thay đổi chỉ số bộ phận con khi thực hiện hoán đổi bộ phận.

Hình ảnh đầu tiên cho thấy việc hoán đổi chân được giải quyết trong sơ đồ mạch bằng cách hoán đổi các chân. Hình ảnh thứ hai cho thấy việc hoán đổi được giải quyết bằng cách di chuyển các nhãn mạng.

Nếu sơ đồ mạch không cập nhật để hiển thị các chân hoặc linh kiện đã được hoán đổi, hãy nhấn phím End để làm mới màn hình.

Tận dụng hệ thống hoán đổi chân/linh kiện mới trong thiết kế FPGA

Ngoài những lợi ích rõ ràng mà tính năng hoán đổi chân, cặp chân và linh kiện thông minh mang lại, khả năng hoán đổi các mạng con đã được định tuyến một phần mở ra một chiều hướng mới cho việc hoán đổi, rất lý tưởng khi làm việc với các FPGA có dung lượng lớn. Việc gán lại mạng động cho phép bạn sử dụng quy trình thiết kế nhiều giai đoạn với việc gán chân/mạng được tinh chỉnh dần dần

Gán I/O ban đầu

Ở giai đoạn này, các chân cắm của FPGA và các thiết bị khác được thiết lập phân bổ mạng theo cách dễ dàng nhất ở cấp độ sơ đồ mạch. Thông thường, điều này chỉ đơn giản là thêm nhãn mạng theo thứ tự bus số vào các chân cắm trên FPGA. Tính năng Smart Paste trong Trình chỉnh sửa sơ đồ mạch là công cụ lý tưởng để thực hiện việc này.

Tối ưu hóa kết nối ban đầu

Thiết kế có thể được chuyển sang bố cục PCB, nơi sẽ có rất nhiều điểm giao nhau do việc gán ngẫu nhiên ở cấp độ sơ đồ. Chạy lệnh Tools » Pin/Part Swapping » Automatic Net/Pin Optimizer lệnh này, sử dụng thông tin chân và mạng để gán lại mạng một cách động và cải thiện khả năng định tuyến, sẽ nhanh chóng giúp giảm đáng kể số lượng điểm giao nhau. Ví dụ, hệ thống có thể kết nối lại nhiều thiết bị BGA đã được định tuyến thoát trên nhiều lớp của tài liệu PCB. Kết quả lúc này chưa cần phải hoàn hảo, vì mục đích chính là giúp các kết nối trở nên dễ quản lý hơn về mặt trực quan ở cấp độ PCB.

Sau khi khởi chạy lệnh, Trình tối ưu hóa chân/mạng tự động sẽ được thực thi. Đây là công cụ hai giai đoạn: trước tiên, nó chạy một trình tối ưu hóa một lượt nhanh nhằm cố gắng giảm thiểu các điểm giao nhau và độ dài kết nối, nhưng trên thực tế có thể làm tăng chúng. Khi quá trình này hoàn tất, bạn sẽ được hỏi liệu có muốn chạy trình tối ưu hóa lặp hay không. Trình tối ưu hóa lặp sẽ thực hiện nhiều lần để cố gắng giảm số lượng điểm giao nhau và độ dài kết nối. Kết quả tối ưu hóa sẽ được hiển thị sau khi quá trình chạy trình tối ưu hóa hoàn tất.

Định tuyến thoát

Hiện tại, có thể thực hiện định tuyến Fanout và Escape trên các thiết bị lớn trên PCB (nhấp chuột phải vào thành phần để thực hiện định tuyến fanout/escape có chọn lọc). Điều này có thể làm xấu đi các phân công đã được tối ưu hóa trước đó, nhưng điều đó không quan trọng ở thời điểm này.

Tối ưu hóa kết nối thoát

Chạy trình tối ưu hóa tự động một lần nữa. Lần này, trình tối ưu hóa sẽ tận dụng các phần đã được định tuyến trước của định tuyến fanout/escape.

Định tuyến thủ công

Bạn hiện có thể coi các đầu của các đường thoát là 'điểm đích' để định tuyến tới. Bỏ qua các đường kết nối thực tế, vì bạn có thể định tuyến từ các đầu khác của mạng tới đường I/O thoát gần nhất (cả về không gian và theo lớp) trên PCB, thay vì đường nằm trên cùng một mạng. Các kết nối sẽ không thẳng hàng. Thay vào đó, bạn sẽ có một loạt các khoảng trống nhỏ giữa đường dẫn thoát khỏi các chân I/O của FPGA, cũng như đường dẫn của bạn đến từ các phần khác của PCB. Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ đơn giản về điều này.

Tối ưu hóa cuối cùng

Chạy trình tối ưu hóa tự động một lần nữa và nó sẽ gán các mạng con đã được định tuyến đến chân I/O thoát gần nhất có thể. Điều này sẽ giúp bạn chỉ còn lại một tập hợp các kết nối rất ngắn để hoàn thành. Trình tối ưu hóa tự động có các quy trình đặc biệt để tạo ra kết quả tốt trong trường hợp này. Giờ đây, các kết nối này có thể được định tuyến theo cách tương tác hoặc tự động.

Hoán đổi chân cắm thủ công

Sử dụng công cụ hoán đổi tương tác để thực hiện bất kỳ thay đổi hoán đổi chân cụ thể nào mà bạn cần.

Truyền các thay đổi trở lại sơ đồ mạch

Khi bạn đã sẵn sàng truyền các gán chân này trở lại sơ đồ mạch, bạn nên tắt tính năng thay đổi chân trên các ký hiệu sơ đồ mạch. Điều này là do FPGA thường được trình bày dưới dạng các thành phần nhiều phần, với mỗi dãy chân là một phần sơ đồ mạch riêng biệt. Việc di chuyển chân từ bộ phận này sang bộ phận khác sẽ dẫn đến việc các ký hiệu này trở nên không chính xác về mặt logic, vì ký hiệu ngân hàng sẽ bao gồm các chân không thuộc về ngân hàng đó. Trong tình huống này, thực hiện hoán đổi chân bằng cách thay đổi nhãn mạng là cách tiếp cận đúng đắn.

Lặp lại bao nhiêu lần tùy ý

Quá trình này có thể được thực hiện bao nhiêu lần tùy ý và vào bất kỳ thời điểm nào trong quá trình thiết kế.