phonerail/.claude/pcb1_ctrl_place.py

# -*- coding: utf-8 -*-
u"""控制块（U6 / U7 / U21 / U22 / U23）**按连接几何**求位置，替掉 `affine()` 的原理图仿射。

    /c/Python314/python .claude/pcb1_ctrl_place.py            # 评估现状 + 搜最优，只打印
    /c/Python314/python .claude/pcb1_ctrl_place.py --iters 40000

## 为什么要换掉 affine

`pcb1_place._P3_SET = affine(['P3-CONTROL','P3B-EXPAND'], 73, 34, 42, 22)` 是把这两页的
**原理图坐标**线性映射到板上的一块 42 × 22 —— 保的是「原理图上挨着的板上也挨着」，
和「谁连谁」没有半点关系。实测后果（2026-09-06）：

* 焊盘框总面积只有 253 mm²，却全挤在 924 mm² 的框里（填充率 27%），
  而 S-M 块可用的是 50 × 58 —— `y 0.5~32` 大片空着，§26.14 那 91 条布不通
  正好集中在 U21~U23 周边。
* **U22 和 U23 的位置正好放反了**：U22 只服务 CH3/CH4/CH5（理想 x ≈ 105）却待在 79.6，
  U23 服务五路全部（理想 x ≈ 78）却待在 103.7。
* U6 管 CH1/CH2/CH3，而 CH1 在 x 17、CH3 在 x 139 —— `VDAC3` 因此拉了 93.8 mm。

## 目标函数：HPWL，但**只算控制块动得了的那部分**

线长用半周长（HPWL = 包围盒宽 + 高，布线器的标准代理指标）。
⚠️ 五路自己的焊盘、排针、U13 都是**钉死的**，它们贡献的那部分包围盒不管怎么摆都在 ——
所以只把**控制块这 5 颗芯片参与的网络**算进去，且芯片用**中心点**近似（引脚级差别 < 5 mm，
而这里比的是几十毫米的差距）。

⚠️ 电源/地（`GND` / `+3V3` / `+5V` / `+12V`）**不进目标函数**：它们走平面和铺铜，
不占布线走廊。把它们算进去会把所有芯片都吸到板子正中，反而更堵。

## 约束

* 待在 S-M 块内（`AREA`），并且避开 U20（ESP32 模组，天线必须朝下板边，不能动）、
  两颗测温电阻、以及南北两排五路模块和排针的地盘。
* 每颗芯片按**预留框**占地（比焊盘框大一圈），给它自己的去耦和上下拉电阻留出位置 ——
  这些附属件之后交给 `pcb1_place.relax()` 和 `DECAP` 表摆。
* 预留框两两不重叠（含 `CLR` 间隙）。
"""
import io
import json
import math
import os
import random
import re
import sys

HERE = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
sys.path.insert(0, HERE)

import pcb1_netlist as NL                                        # noqa: E402

# ── 要摆的 5 颗，以及给它「本尊 + 附属件」留的框（宽, 高，mm）──────────────
#    SOIC-16 焊盘框 9.49 x 7.44，另有一颗 0805 去耦 + 两三颗 0402
#    TSSOP-24 焊盘框 7.55 x 7.70，WQFN-16 只有 3.80 x 3.80
# ⚠️⚠️ 预留框**故意开得比「本尊 + 附属件」还大**：多出来的那一圈就是**走线通道**。
#    只按占地摆的话，退火会把 5 颗芯片贴在一起去换那几毫米线长 ——
#    而 §26.14 那 91 条布不通全都是「拥挤」型的（单独布每一条都通）。
#    实测 affine 摆出来的 U21(79.61,56.00) 和 U22(79.61,47.96) 中心只隔 8.04 mm，
#    两个 SOIC-16 的焊盘框（7.44 高）之间只剩 0.6 mm —— 一根线都插不进去。
CHIPS = {
    'U21': (15.0, 12.0),
    'U22': (15.0, 12.0),
    'U23': (13.0, 12.0),
    'U6':  (10.0, 10.0),
    'U7':  (10.0, 10.0),
}
AREA = (70.0, 0.5, 118.0, 59.0)          # S-M 块
CLR = 0.6                                 # 预留框之间的最小缝

# 块内动不了的东西（绝对框，摆位时要躲开）
BLOCK = [
    (78.0, 0.9, 98.0, 28.4, u'U20 ESP32 模组（天线朝下板边，不能动）'),
    (69.9, 24.3, 71.7, 37.7, u'RT601 / RT602 测温'),
]
# 电源地不进目标函数（见文件头）
POWER = {'GND', '+3V3', '+5V', '+12V', '+3V3_HUB'}


def load():
    pads, _v, _l = NL.geom(False)
    nets = {}
    for p in pads:
        if p['net'] and p['net'] not in POWER:
            nets.setdefault(p['net'], []).append(p)
    # 每个网络拆成「钉死的焊盘」和「控制块的哪几颗芯片」
    jobs = []
    for net, ps in nets.items():
        chips = sorted(set(p['ref'] for p in ps if p['ref'] in CHIPS))
        if not chips:
            continue
        fixed = [(p['x'], p['y']) for p in ps if p['ref'] not in CHIPS]
        jobs.append((net, chips, fixed))
    return jobs


def hpwl(jobs, pos):
    tot = 0.0
    for _net, chips, fixed in jobs:
        xs = [x for x, _y in fixed] + [pos[c][0] for c in chips]
        ys = [y for _x, y in fixed] + [pos[c][1] for c in chips]
        if len(xs) < 2:
            continue
        tot += (max(xs) - min(xs)) + (max(ys) - min(ys))
    return tot


def boxes(pos):
    out = {}
    for c, (w, h) in CHIPS.items():
        x, y = pos[c]
        out[c] = (x - w / 2, y - h / 2, x + w / 2, y + h / 2)
    return out


def legal(pos):
    bs = boxes(pos)
    for c, b in bs.items():
        if b[0] < AREA[0] or b[1] < AREA[1] or b[2] > AREA[2] or b[3] > AREA[3]:
            return False
        for bx0, by0, bx1, by1, _w in BLOCK:
            if b[0] < bx1 + CLR and b[2] > bx0 - CLR and b[1] < by1 + CLR and b[3] > by0 - CLR:
                return False
    ks = sorted(bs)
    for i in range(len(ks)):
        for j in range(i + 1, len(ks)):
            a, b = bs[ks[i]], bs[ks[j]]
            if a[0] < b[2] + CLR and a[2] > b[0] - CLR and a[1] < b[3] + CLR and a[3] > b[1] - CLR:
                return False
    return True


def anneal(jobs, start, iters=30000, seed=7):
    rnd = random.Random(seed)
    cur = dict(start)
    if not legal(cur):                      # 起点不合法就先随机找一个合法起点
        for _ in range(200000):
            cur = {c: (rnd.uniform(AREA[0] + 7, AREA[2] - 7),
                       rnd.uniform(AREA[1] + 6, AREA[3] - 6)) for c in CHIPS}
            if legal(cur):
                break
        else:
            sys.exit(u'⛔ 连一个合法起点都找不到 —— AREA / BLOCK / 预留框 对不上')
    best, bcost = dict(cur), hpwl(jobs, cur)
    cost = bcost
    for k in range(iters):
        T = 6.0 * (1.0 - k / float(iters)) + 0.02
        c = rnd.choice(list(CHIPS))
        step = 12.0 * T / 6.0 + 0.4
        cand = dict(cur)
        if rnd.random() < 0.15:             # 偶尔整颗换位置（跳出局部最优）
            c2 = rnd.choice([x for x in CHIPS if x != c])
            cand[c], cand[c2] = cur[c2], cur[c]
        else:
            cand[c] = (cur[c][0] + rnd.gauss(0, step), cur[c][1] + rnd.gauss(0, step))
        if not legal(cand):
            continue
        nc = hpwl(jobs, cand)
        if nc < cost or rnd.random() < math.exp((cost - nc) / max(T, 1e-6)):
            cur, cost = cand, nc
            if nc < bcost:
                best, bcost = dict(cand), nc
    return best, bcost


def report(jobs, pos, title):
    print(u'\n== %s ==' % title)
    for c in sorted(CHIPS):
        print(u'   %-4s (%6.2f, %6.2f)' % (c, pos[c][0], pos[c][1]))
    print(u'   HPWL 合计 %.0f mm（%d 个网络）' % (hpwl(jobs, pos), len(jobs)))


def per_net(jobs, a, b, n=12):
    rows = []
    for net, chips, fixed in jobs:
        def one(pos):
            xs = [x for x, _y in fixed] + [pos[c][0] for c in chips]
            ys = [y for _x, y in fixed] + [pos[c][1] for c in chips]
            return (max(xs) - min(xs)) + (max(ys) - min(ys)) if len(xs) > 1 else 0.0
        rows.append((one(a) - one(b), net, one(a), one(b)))
    rows.sort(reverse=True)
    print(u'\n改善最大的 %d 个网络：' % n)
    for d, net, x, y in rows[:n]:
        print(u'   %-12s %6.1f -> %6.1f   省 %5.1f mm' % (net, x, y, d))
    worse = [r for r in rows if r[0] < -0.5]
    if worse:
        print(u'   变差的 %d 个，最差 %s %.1f -> %.1f'
              % (len(worse), worse[-1][1], worse[-1][2], worse[-1][3]))


def main():
    argv = sys.argv[1:]
    iters = int(argv[argv.index('--iters') + 1]) if '--iters' in argv else 30000
    import pcb1_place as P
    now = {c: (P.POS[c][0], P.POS[c][1]) for c in CHIPS}
    jobs = load()
    report(jobs, now, u'现状（affine 摆的）')
    if not legal(now):
        print(u'   ⚠️ 现状本身不满足这里的预留框约束（预留框比实际占地大，正常）')
    best, bcost = None, 1e18
    for seed in range(6):
        p, c = anneal(jobs, now, iters, seed)
        if c < bcost:
            best, bcost = p, c
    report(jobs, best, u'退火搜出来的')
    a = hpwl(jobs, now)
    print(u'\n总线长 %.0f -> %.0f mm，**省 %.0f mm（%.0f%%）**' % (a, bcost, a - bcost,
                                                              (a - bcost) / a * 100))
    per_net(jobs, now, best)
    out = {c: [round(best[c][0], 2), round(best[c][1], 2)] for c in sorted(CHIPS)}
    io.open(os.path.join(HERE, '_pcb1_ctrl_pos.json'), 'w', encoding='utf-8').write(
        json.dumps(out, ensure_ascii=False, indent=1))
    print(u'\n已写 _pcb1_ctrl_pos.json')
    return 0


if __name__ == '__main__':
    sys.exit(main())