Tcl在Vivado中的應(yīng)用

Xilinx的新一代設(shè)計套件Vivado相比上一代產(chǎn)品 ISE，在運行速度、算法優(yōu)化和功能整合等很多方面都有了顯著地改進。但是對初學(xué)者來說，新的約束語言 XDC 以及腳本語言 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， 指引使用者在短時間內(nèi)快速掌握相關(guān)技巧，更好地發(fā)揮 Vivado 在 FPGA 設(shè)計中的優(yōu)勢。

Tcl 的背景介紹和基礎(chǔ)語法

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

實際上 Tcl 的功能可以很強大，用其編寫的程序也可以很復(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。

打印主要通過 puts 語句來執(zhí)行，配合特殊符號，直接決定最終輸出內(nèi)容。

可以看到 Tcl 對文件的操作也是通過設(shè)置變量，改變屬性以及打印命令來進行的。上述寫文件的例子中通過 puts 命令在 my_file.txt 文件中寫入兩行文字，分別為“Hello World!” 和 myVar 變量的值，然后在讀文件操作 中讀取同一文件的內(nèi)容。

控制流和循環(huán)命令

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

具體使用可以參考如下示例，

子程序/過程

Tcl 中的子程序也叫做過程（Procedures），Tcl 正是通過創(chuàng)建新的過程來增強其內(nèi)建命令的能力，提供更強的擴展性。具體到 Vivado 的使用中，用戶經(jīng)?？梢酝ㄟ^對一個個子程序/過程的創(chuàng)建來擴展或個性化 Vivado 的使用流程。

一些特殊符號

注： 反斜杠出現(xiàn)在行尾以允許命令在下一行繼續(xù)時，必須是這一行的最后一個字符，其后不能有空格。

Tcl 語言的基本語法相對簡單，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 兩個跟 Tcl 相關(guān)的文檔 UG835 和 UG894 ，希望對大家學(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 最基本的場景就是對網(wǎng)表上的目標(biāo)進行遍歷、查找和定位，這也是對網(wǎng)表上的目標(biāo)進行約束的基礎(chǔ)。要掌握這些則首先需要理解 Vivado 對目標(biāo)的分類。

目標(biāo)的定義和定位

如上圖所示，設(shè)計頂層的 I/O 稱作 ports，其余底層模塊或是門級網(wǎng)表上的元件端口都稱作 pins。而包括頂層在內(nèi)的各級模塊，blackbox 以及門級元件，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 的使用相對簡單，可以配合通配符“* ”以及 Tcl 語言中處理 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 則相對復(fù)雜，首先需要面對層次的問題。這里有個大背景需要明確：Vivado 中 Tcl/XDC 對網(wǎng)表中目標(biāo)的搜索是層次化的，也就是一次僅搜索一個指定的層次 current_instance，缺省值為頂層。

以右圖所示設(shè)計來舉例，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，則可以寫一個循環(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 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 中可以簡寫為-hier）

在使用-hierarchical 時有一點需要特別留意，即后面所跟的搜索條件僅指目標(biāo)對象的名字，不能含有代表 層次的“/” 。下面列出的寫法便是一種常見的使用誤區(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)庫中有個獨特的存在形式，即 / 。這里的“ / ”不表示層次，而是其名字的一部分，表示這個 pin 所屬的實體。也就是說，在使用 get_pins 配合-hier 來查找 pins 時，“ / ”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，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 中可以簡寫為-of）來間接搜索特定目標(biāo)。Vivado 中定義的五類目標(biāo)間的關(guān)系如下頁左圖所示。

以上示右圖的設(shè)計來舉例，

下圖是一個更復(fù)雜的示例，涉及跨層次搜索。可以看到在 get_pins 時，要加上-leaf 才能準確定位到門級 元件（或 blackbox）的端口 q。另外，在實際操作中，使用get_nets 和 get_pins 時，需要視情況而加上其它 條件（-filter）才能準確找到下述例子中的 cells （i2） 。

高級查找功能

在使用 get_*命令查找網(wǎng)表中的目標(biāo)時，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，這就需要用到高級查找功能：-filter 結(jié)合 Tcl 支持的各種關(guān)系和邏輯運算符（==, !=, =~, !~, <=, >=, >,

在創(chuàng)建子程序時也常常用到-filter，例如下述 get_p 的子程序/過程就可以用來返回指定管腳的方向?qū)傩裕嬖V用戶這是一個輸入管腳還是一個輸出管腳。需要特別指出的是，通常在-filter 后會使用{ }，但此時需要對 $direction 做變量替換，必須如下所示改用" " 。

Tcl 在 Vivado 中的延伸應(yīng)用

Tcl 在 Vivado 中的應(yīng)用還遠不止上述所列，其它常用的功能包括使用預(yù)先寫好的 Tcl 腳本來跑設(shè)計實現(xiàn)流程，創(chuàng)建高級約束（XDC 不支持循環(huán)等高級 Tcl 語法）以及實現(xiàn)復(fù)雜的個性化設(shè)計流程等等。Tcl 所帶來的強大的可擴展性決定了其在版本控制、設(shè)計自動化流程等方面具有圖形化界面不能比擬的優(yōu)勢。

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

篇幅所限，不能一一展開。關(guān)于以上 Tcl 在 Vivado 中的延伸應(yīng)用，敬請關(guān)注 Xilinx 官方網(wǎng)站和中文論壇 上的更多技術(shù)文章。