回路図編｜400chを成立させるための現実とピンスワップ
Schematic Design for a 400-Channel Pulse Generator: FPGA Pin Assignment and Pin Swapping
English Summary
In this project, the schematic and FPGA design were handled in-house, while PCB layout was outsourced.
Although the schematic is simple (FPGA directly connected to 400 output channels), PCB routing introduces significant constraints.
Because of routing limitations, the layout engineer requested multiple pin swaps. This is possible thanks to FPGA flexibility in pin assignment.
Pin swapping is a common and essential technique in FPGA-based designs, especially for high channel count systems.
はじめに
今回のパルスジェネレータでは、役割分担は以下のようになっています。
- 回路図設計：自分
- FPGA設計：自分
- 基板パターン設計（レイアウト）：外注
つまり、回路図までは自分で設計し、それを外部の基板設計者に渡すという流れです。
400chという時点で普通ではない
今回の仕様では、
400チャンネルの信号を外部に出す必要があります。
回路図としては非常にシンプルで、
- FPGA
- コネクタ
- それをつなぐ配線
これだけです。
極端に言えば、
👉 FPGAのピンとコネクタを400本つなげば成立する
構成になります。
回路図は「引きやすさ優先」で書く
回路図を描く側としては、
- 見やすい
- 理解しやすい
- 配線が整理されている
という状態を優先します。
そのため今回も、
👉 FPGAとコネクタをほぼ直結で、整然と並べる
という形で回路図を作成しました。
この段階では、
👉 「どう配線するか」までは深く考えません
しかし、パターン設計は別世界
ここからが重要です。
基板のパターン設計（レイアウト）は、
回路図とはまったく別の制約があります。
- 配線は交差できない
- 層数に制限がある
- 配線長や引き回しの制約
- 密度の問題
特に今回のように400本レベルになると、
👉 そのままではほぼ配線できません
FPGA特有の強み「ピンスワップ」
ここで効いてくるのが、FPGAの特徴です。
FPGAは多くの場合、
👉 ピン配置をある程度自由に変更できる
という特性を持っています。
（もちろん、Bankや電圧などの制約はありますが）
パターン設計者からの要求
FPGAを理解している基板設計者の場合、
ほぼ確実にこう言われます。
「このピンとこのピン、入れ替えられますか？」
これがいわゆる ピンスワップ です。
400本のピンを入れ替える現実
今回も例外ではなく、
- ピン配置の変更要求が多数発生
- 配線しやすいように再配置
- 回路図を修正
という流れになりました。
正直なところ、
👉 400本のピンをよくここまで調整したな…
というレベルです。
なぜピンスワップが必要なのか
理由は明確です。
ピンスワップをしないと：
- 配線が複雑になる
- 基板の層数が増える
- 製造コストが上がる
- 納期が遅れる
つまり、
👉 回路図のままだと現実的に作れない
場合があるということです。
FPGA設計ではよくある話
この「ピン配置変更要求」は、
👉 FPGA設計ではかなり一般的です。
むしろ、
- 最初から完璧なピン配置にするより
- 後から調整する前提で設計する
ほうが現実的です。
今回の設計判断
今回も最終的には、
👉 基板設計者の指示に従ってピン配置を調整
しました。
その結果、
- 配線が成立
- コストも抑えられる
- 納期も現実的
という形に落ち着いています。
この段階でのポイントまとめ
この回路図編で重要なのは以下です：
- 回路図は「理想」で描く
- 基板設計は「現実」で調整する
- FPGAはその間をつなぐ存在（ピンスワップ）
- IO数が多いほどこの問題は顕著になる
次回予告
次は、この回路図をもとに実装した
👉 HDL設計編（半日で基本構成を作った話）
に進みます。
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