¿Cuál es el criterio para elegir un patrón de pin dado en los CI?

Question

Por ejemplo, ¿por qué en el Atmega328P u otros MCUs, el grupo de puertos no es contiguo? Como PORTC y PORTB en el ejemplo de Atmega:

Otro ejemplo es este MC9S12ZV:

En particular, al revisar los puertos PPn, el PP4 está lejos del PP5 y PP2, y sin embargo todos ellos tienen funcionalidades alternativas similares (KWP y PWM), así que no veo otras funcionalidades que estén agrupadas espacialmente. Parecen aleatorias, sin embargo por supuesto no lo son, pero no entiendo por qué.

Answer 1

Es un tema complejo que solo el fabricante puede responder completamente. Hay muchas decisiones cuando se trata de pin bonding, pero en resumen, se trata de EMC, suministros internos y relojes internos. Los pines sensibles son aquellos para suministro, tierra, oscilador/PLL y ADC. Los pines GPIO son probablemente los menos sensibles, por lo que dónde terminan es lo menos importante.

Si observas la parte S12Z, verás que claramente han intentado separar las partes analógicas y digitales, con ADC y comparadores analógicos en la parte inferior izquierda, y buses digitales SPI/CAN, etc. a la derecha. Suministro analógico en la parte inferior, oscilador a la izquierda, etc., etc.

Si investigas las versiones de 80 y 112 pines del S12, verás cómo más pines del mismo tipo se expanden unos al lado de otros. Estos suelen estar diseñados teniendo en cuenta la versión de 112 pines y los más pequeños tienen pines despojados para apretar todo en 48 pines, haciendo que la versión de 48 pines sea menos intuitiva que la de 112 pines.

Answer 2

Hay muchas razones para un diseño de pines en particular.

Histórico

A menudo, los fabricantes siguen los precedentes establecidos por partes anteriores, especialmente cuando tienen que interfazarse con ellas. El ejemplo clásico es el diseño de pines de dirección en varias memorias, que tienden a ser influenciadas por los primeros CPUs de chip único como el 6502, Z80 y 8080.

En tu ejemplo, la parte está coincidiendo con el diseño de partes antiguas como el ATmega8, de modo que puede ser un reemplazo directo o muy cercano.

Diseño interno

El diseño interno del IC puede dictar en cierto modo el diseño de pines. Un ejemplo sería cuando el chip tiene funciones analógicas que necesitan mantenerse relativamente separadas de las partes digitales más ruidosas de un microcontrolador. También es beneficioso mantener los alambres de unión, los alambres que conectan el chip con cada pin, lo más cortos posible para mejorar la integridad de la señal.

Mapeo periférico

En tu ejemplo de una parte ATmega, la mayoría de los pines tienen funciones periféricas. Atmel tiene un "estilo interno" en el que, por ejemplo, los pines SPI suelen estar en los mismos números de puerto y en el mismo orden.

Esto no solo es familiar para los diseñadores, sino que también ayuda a portar código entre modelos con modificaciones mínimas.

Answer 3

En los primeros días, más simples, el diseño del pinout estaba dictado por lo que el diseñador de la disposición de silicio podía lograr, el orden de los pines externos siguiendo de cerca a las almohadillas de unión en la oblea de silicio. Por ejemplo, en la lógica TTL temprana se intentó siempre tener el suelo en el pin 7 y 5V en el pin 14 de un paquete de 14 pines, sin embargo, en los dispositivos más complejos esto no era posible en ese momento. Por ejemplo, el contador 7493 tenía 5V en el pin 5 y suelo en el pin 10.

He estado involucrado en el diseño de híbridos de película gruesa, y por lo tanto he visto muchas compuertas lógicas, op-amps, multiplexores, ADCs y DACs, etc., en silicio sin encapsular, y he visto cómo no puede haber cables de unión cruzados. Las compuertas lógicas modernas son muy pequeñas, no como las antiguas TTL. No puedes reorganizar los pines, pero puedes rotar el chip en la orientación que prefieras, lo cual ayuda mucho.

En el mundo analógico, la mayoría de los op-amps duales o cuádruples tenían un diseño simétrico, como el LM124, pero algunos no. Pero el diseño de la oblea es crítico, y los beneficios de rendimiento venían de evitar gradientes térmicos a través de los transistores de entrada para minimizar el voltaje de offset. Por lo general, se utilizaba un cuádruple de transistores, dispositivos opuestos en diagonal en paralelo formando el par diferencial, pero esos detalles no se mostraban en el pinout externo. Sin embargo, la posición de la etapa de salida, que puede disipar una cantidad significativa de calor, influirá en el pinout.

El LM124 de alrededor de 1974 era un dispositivo mediocre (aún tiene algunos usos), y la necesidad de reemplazarlo en diseños de alto rendimiento aseguró que casi todos los op-amps cuádruples de alto rendimiento siguieran el mismo pinout. Y lo mismo sucede con otros paquetes, simples y dobles, con la excepción de que el 747 (doble 741) no fue replicado, y los dobles pasaron a un paquete de 8 pines.

Aunque los circuitos integrados modernos son generalmente mucho más complejos, rápidos y de menor potencia, todavía se fabrican equivalentes CMOS de baja potencia de la serie 73 de dispositivos lógicos. El mismo pinout se ha mantenido después de 50 años, por razones de compatibilidad, aunque los dispositivos están disponibles en paquetes SMD mucho más pequeños.

Los dispositivos de memoria de 8 bits surgieron cuando las técnicas de diseño de silicio habían mejorado, y siguieron un esquema con los bits de dirección y el bus de datos dispuestos en orden alrededor del dispositivo para facilitar el diseño del bus en el PCB, con el suelo y los 5V en los pines de la esquina, como de costumbre. El paquete creció de 24 a 28 y luego 32 pines a medida que la capacidad de memoria aumentaba, manteniéndose los pines originales en los mismos lugares físicos con respecto al pin de tierra, por lo que las líneas de dirección adicionales terminaron en lugares extraños, y no en una secuencia agradable. Afortunadamente, ROM/EPROM/FLASH mantuvieron los mismos pines para las funciones principales, y la RAM se mantuvo en la misma convención en la medida de lo posible, por lo que era bastante fácil cambiar las cantidades relativas de ROM y RAM en un sistema, y el bus era consistente entre todos los dispositivos de memoria.

Los primeros microprocesadores en algunos casos se diseñaron para hacer que el bus fuera físicamente compatible con los dispositivos de memoria, pero otros fueron notoriamente difíciles para el ingeniero de diseño. Algunas empresas parecían ser más capaces que otras, pero los diseños aún se estaban haciendo a mano en ese momento.

Cuando llegó el momento de mezclar cosas analógicas y digitales en un chip, comenzando con ADCs y DACs, el ruido era de vital importancia y el pinout refleja eso. Solo se desarrolló un estándar para DACs CMOS de entrada paralela de resolución variable, el paquete se hacía más largo a medida que aumentaba el número de bits. Afortunadamente, la mayoría de estos dispositivos utilizan una interfaz digital en serie en la actualidad.

Los interruptores analógicos tendían nuevamente a ser simétricos con 4 en un paquete, uno en cada conjunto de 3 pines al final de una fila, con la alimentación y los suelos en el centro, guiados por consideraciones de ruido.

Para cuando aparecieron los primeros microcontroladores con circuitos analógicos incorporados, es probable que todos estuvieran utilizando CAD para el diseño de chips, y con la necesidad de evitar el ruido cruzado entre cosas digitales complejas y analógicas, todo el diseño del chip debía ser cuidadosamente considerado, y el diseño de pines externo volvió a lo que era posible internamente, tal como comenzó. La diferencia es que ahora, hay una cantidad razonable de libertad para disponer los puertos de E/S digitales de manera sensata, con un puerto de 8 bits generalmente en secuencia numérica correcta, manteniendo las cosas analógicas alejadas (los pines de tierra también son muy importantes) para que el diseño externo pueda terminar luciendo algo desordenado. Esto no se ve favorecido por la tendencia de algunos diseñadores de chips a tratar de seguir el pinout de algún dispositivo antiguo no relacionado como el Intel 8051. Pero para un buen rendimiento analógico, de todos modos no utilizas las instalaciones internas en tu microcontrolador.

Cuando se trata de controladores de potencia inteligente, amplificadores de audio de clase D y similares, entra en juego un nuevo conjunto completo de criterios, y el principio general de mantener lo analógico y lo digital lo más separado posible aún se aplica, pero con la necesidad de evitar gradientes térmicos en áreas sensibles como el extremo de entrada de los op-amps. Así que si ves un pinout extraño, el fabricante lo ha diseñado de esa manera por una buena razón. Ya no es porque estaban luchando para diseñar el chip manualmente.

El advenimiento del envasado BGA basicamente arruinó cualquier intento de diseño de pines racional. Te brinda la oportunidad para una distribución y desacoplamiento de suministro adecuados, ya que hay múltiples puntos de conexión de tierra y suministro, pero vas a necesitar un buen software de CAD y un PCB con muchas capas para ubicar las E/S donde quieras. Pero al menos no sueles utilizar buses de datos paralelos en la mayoría del equipo moderno, a menos que se requiera memoria externa.

En resumen, los pinouts aparentemente irracionales, fueron, no fueron y nuevamente lo son, debido a lo que podía diseñarse físicamente en el silicio dadas la metodología de diseño y los procesos de fabricación del día, pero algunos son únicamente debido a la necesidad de ser estándar, es decir, copiar a alguien más.

Así también fue con las válvulas (tubos) pero el nivel de complejidad era, por supuesto, mucho menor.

Answer 4

Hay todo tipo de buenas razones para no tener pines similares juntos. Muchas de las cuales ya fueron mencionadas por Lundin, arriba.

Tal vez un poco más ilustrativo. Imagina que estás diseñando tu circuito en un PCB. Claro que tendría sentido poner los pines del conector de E/S juntos para la interfaz, pero ¿tendría sentido poner las partes del generador de HF inmediatamente al lado de la salida del sensor de uV? No, no lo haría. Sin embargo, estás haciendo tu propio PCB y tienes espacio infinito (relativamente hablando) para hacer este diseño. Un fabricante de chips no solo necesita minimizar el tamaño final de los circuitos, sino también el número de componentes necesarios, el número de capas de silicio disponibles, mientras intenta abordar todos los otros problemas (mencionados anteriormente).

Answer 5

Imagina un chip como un conjunto de circuitos individuales conectados entre sí y colocados en un solo paquete. A veces los pines necesitan ser distribuidos por diferentes áreas para reducir la cantidad de calor que atraviesa alguna zona (por eso algunos chips tienen múltiples pines de voltaje o tierra), o alejados de algunos componentes para reducir la interferencia (radiando o absorbiendo ruido) entre diferentes líneas. Otras veces es simplemente una cuestión de espacio.

Realmente, todos esos factores afectarán tu diseño y al final tendrás que hacer un compromiso para cumplir con todos los requisitos. Esto a menudo puede llevar a colocar los pines en lugares extraños. Además, ten en cuenta que para reducir el costo de fabricación, los fabricantes de chips utilizan paquetes estándar (tamaños), por eso ves tantos chips con pines NC (no conectados).