Vivado在FPGA設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

Xilinx的新一代設(shè)計(jì)套件Vivado相比上一代產(chǎn)品ISE，在運(yùn)行速度、算法優(yōu)化和功能整合等很多方面都有了顯著地改進(jìn)。但是對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，新的約束語(yǔ)言XDC以及腳本語(yǔ)言Tcl的引入則成為了快速掌握Vivado使用技巧的最大障礙，以至于兩年多后的今天，仍有很多用戶缺乏升級(jí)到Vivado的信心。

本文介紹了Tcl在Vivado中的基礎(chǔ)應(yīng)用，希望起到拋磚引玉的作用，指引使用者在短時(shí)間內(nèi)快速掌握相關(guān)技巧，更好地發(fā)揮Vivado在FPGA設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。

Tcl的背景介紹和基礎(chǔ)語(yǔ)法

Tcl（讀作tickle）誕生于80年代的加州大學(xué)伯克利分校，作為一種簡(jiǎn)單高效可移植性好的腳本語(yǔ)言，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在幾乎所有的EDA工具中。Tcl 的最大特點(diǎn)就是其語(yǔ)法格式極其簡(jiǎn)單甚至可以說(shuō)僵化，采用純粹的 [命令 選項(xiàng) 參數(shù)] 形式，是名副其實(shí)的“工具命令語(yǔ)言”（ 即Tcl的全稱Tool Command Language）。

實(shí)際上Tcl的功能可以很強(qiáng)大，用其編寫(xiě)的程序也可以很復(fù)雜，但要在Vivado或大部分其它EDA工具中使用，則只需掌握其中最基本的幾個(gè)部分。

注：在以下示例中，% 表示Tcl的命令提示符，執(zhí)行回車后，Tcl會(huì)在下一行輸出命令執(zhí)行結(jié)果。// 后是作者所加注釋，并不是例子的一部分。

設(shè)置變量

打印

打印主要通過(guò)puts語(yǔ)句來(lái)執(zhí)行，配合特殊符號(hào)，直接決定最終輸出內(nèi)容。

文件I/O

可以看到Tcl對(duì)文件的操作也是通過(guò)設(shè)置變量，改變屬性以及打印命令來(lái)進(jìn)行的。上述寫(xiě)文件的例子中通過(guò)puts命令在my_file.txt文件中寫(xiě)入兩行文字，分別為“Hello World!” 和myVar變量的值，然后在讀文件操作中逐行讀取同一文件的內(nèi)容。

控制流和循環(huán)命令

Tcl語(yǔ)言中用于控制流程和循環(huán)的命令與C語(yǔ)言及其它高級(jí)語(yǔ)言中相似，包括if、while、for和foreach等等。

具體使用可以參考如下示例：

子程序/過(guò)程

Tcl中的子程序也叫做過(guò)程（Procedures），Tcl正是通過(guò)創(chuàng)建新的過(guò)程來(lái)增強(qiáng)其內(nèi)建命令的能力，提供更強(qiáng)的擴(kuò)展性。具體到Vivado的使用中，用戶經(jīng)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)一個(gè)個(gè)子程序/過(guò)程的創(chuàng)建來(lái)擴(kuò)展或個(gè)性化Vivado的使用流程。

一些特殊符號(hào)

Tcl語(yǔ)言的基本語(yǔ)法相對(duì)簡(jiǎn)單，但要熟練掌握仍需日常不斷練習(xí)。Xilinx網(wǎng)站上有很多相關(guān)資料，這里推薦兩個(gè)跟Tcl相關(guān)的文檔 UG835 和 UG894 ，希望對(duì)大家學(xué)習(xí)Vivado和Tcl有所幫助。

在Vivado中使用Tcl定位目標(biāo)

在Vivado中使用Tcl最基本的場(chǎng)景就是對(duì)網(wǎng)表上的目標(biāo)進(jìn)行遍歷、查找和定位，這也是對(duì)網(wǎng)表上的目標(biāo)進(jìn)行約束的基礎(chǔ)。要掌握這些則首先需要理解Vivado對(duì)目標(biāo)的分類。

目標(biāo)的定義和定位

如上圖所示，設(shè)計(jì)頂層的I/O稱作ports，其余底層模塊或是門級(jí)網(wǎng)表上的元件端口都稱作pins。而包括頂層在內(nèi)的各級(jí)模塊，blackbox以及門級(jí)元件，都稱作cells。連線稱作nets，加上XDC中定義的clocks，在Vivado中一共將網(wǎng)表文件中的目標(biāo)定義為五類。要選取這五類目標(biāo)，則需用相應(yīng)的get_*命令，例如get_pins等等。

get_ports

ports僅指頂層端口，所以get_ports的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，可以配合通配符“* ”以及Tcl語(yǔ)言中處理list的命令一起使用。如下所示，

get_cells/get_nets

不同于ports僅指頂層端口，要定位cells和nets則相對(duì)復(fù)雜，首先需要面對(duì)層次的問(wèn)題。這里有個(gè)大背景需要明確：Vivado中Tcl/XDC對(duì)網(wǎng)表中目標(biāo)的搜索是層次化的，也就是一次僅搜索一個(gè)指定的層次current_instance，缺省值為頂層。

以下圖所示設(shè)計(jì)來(lái)舉例，若要搜索A（不含a1,a2）層次內(nèi)的所有cells和名字中含有nt的nets， 有兩種方法：

若要將搜索層次改為A+B+b1，則可以寫(xiě)一個(gè)循環(huán)，逐一用current_instance將搜索層次指向A，B和b1，再將搜索到的cells或nets合成一個(gè)list輸出即可。

若要將搜索層次改為當(dāng)前層次以及其下所有子層次，可以使用 -hierarchical （在Tcl中可以簡(jiǎn)寫(xiě)為-hier ）。

在使用-hierarchical時(shí)有一點(diǎn)需要特別留意，即后面所跟的搜索條件僅指目標(biāo)對(duì)象的名字，不能含有代表層次的“/” 。下面列出的寫(xiě)法便是一種常見(jiàn)的使用誤區(qū)，并不能以此搜索到A及其下子層次內(nèi)所有的cells。

get_pins

pins在Vivado數(shù)據(jù)庫(kù)中有個(gè)獨(dú)特的存在形式，即 / 。這里的“/”不表示層次，而是其名字的一部分，表示這個(gè)pin所屬的實(shí)體。也就是說(shuō)，在使用get_pins 配合-hier來(lái)查找pins時(shí)，“/”可以作為名字的一部分，出現(xiàn)在搜索條件內(nèi)（注意與上述get_cells和get_nets的使用區(qū)別）。

目標(biāo)之間的關(guān)系

Tcl在搜索網(wǎng)表中的目標(biāo)時(shí)，除了上述根據(jù)名字條件直接搜索的方式，還可以利用目標(biāo)間的關(guān)系，使用-of_objects（在Tcl中可以簡(jiǎn)寫(xiě)為-of）來(lái)間接搜索特定目標(biāo)。Vivado中定義的五類目標(biāo)間的關(guān)系如下頁(yè)左圖所示。

以上示右圖的設(shè)計(jì)來(lái)舉例，

下圖是一個(gè)更復(fù)雜的示例，涉及跨層次搜索?？梢钥吹皆趃et_pins時(shí)，要加上-leaf才能準(zhǔn)確定位到門級(jí)元件（或blackbox）的端口q。另外，在實(shí)際操作中，使用get_nets和get_pins時(shí)，需要視情況而加上其它條件（-filter）才能準(zhǔn)確找到下述例子中的cells （i2）。

高級(jí)查找功能

在使用get_*命令查找網(wǎng)表中的目標(biāo)時(shí)，除了名字這一直接條件，往往還需要輔以其它更復(fù)雜的條件判斷，這就需要用到高級(jí)查找功能：-filter 結(jié)合Tcl支持的各種關(guān)系和邏輯運(yùn)算符（==, !=, =~, !~, <=, >=, >, <, &&, ||）甚至是正則表達(dá)式來(lái)操作。

在創(chuàng)建子程序時(shí)也常常用到-filter，例如下述get_p的子程序/過(guò)程就可以用來(lái)返回指定管腳的方向?qū)傩裕嬖V用戶這是一個(gè)輸入管腳還是一個(gè)輸出管腳。

Tcl在Vivado中的延伸應(yīng)用

Tcl在Vivado中的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止上述所列，其它常用的功能包括使用預(yù)先寫(xiě)好的Tcl腳本來(lái)跑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程，創(chuàng)建高級(jí)約束（XDC不支持循環(huán)等高級(jí)Tcl語(yǔ)法）以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的個(gè)性化設(shè)計(jì)流程等等。Tcl所帶來(lái)的強(qiáng)大的可擴(kuò)展性決定了其在版本控制、設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程等方面具有圖形化界面不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

Vivado在不斷發(fā)展更新的過(guò)程中，還有很多新的功能，包括ECO、PR、HD Flow等等都是從Tcl腳本方式開(kāi)始支持，然后再逐步放入圖形化界面中實(shí)現(xiàn)。這也解釋了為何高端FPGA用戶和熟練的Vivado用戶都更偏愛(ài)Tcl腳本。