如何利用Tcl在Vivado中實(shí)現(xiàn)定制化的FPGA設(shè)計(jì)流程？

基本的 FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程

FPGA 的設(shè)計(jì)流程簡單來講，就是從源代碼到比特流文件的實(shí)現(xiàn)過程。大體上跟 IC 設(shè)計(jì)流程類似，可以分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì)。其中前端設(shè)計(jì)是把源代碼綜合為對(duì)應(yīng)的門級(jí)網(wǎng)表的過程，而后端設(shè)計(jì)則是把門級(jí)網(wǎng)表布局布線到芯片上最終實(shí)現(xiàn)的過程。

以下兩圖分別表示 ISE 和 Vivado 的基本設(shè)計(jì)流程：

ISE 中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的每一步都是相對(duì)獨(dú)立的過程，數(shù)據(jù)模型各不相同， 用戶需要維護(hù)不同的輸入文件，例如約束等，輸出文件也不是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)表格式，并且形式各異，導(dǎo)致整體運(yùn)行時(shí)間過長，冗余文件較多。

Vivado 中則統(tǒng)一了約束格式和數(shù)據(jù)模型，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的任何一個(gè)階段 都支持 XDC 約束，可以生成時(shí)序報(bào)告，在每一步都能輸出包含有網(wǎng)表、約束以及布局布線信息（如果有）的設(shè)計(jì)檢查點(diǎn)（DCP）文件，大大縮短了運(yùn)行時(shí)間。

從使用方式上來講，Vivado 支持工程模式（Project Based Mode）和非工程模式（None Project Mode） 兩種，且都能通過 Tcl 腳本批處理運(yùn)行，或是在 Vivado 圖形化界面 IDE 中交互運(yùn)行和調(diào)試。

工程模式

工程模式的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于可以通過在 Vivado 中創(chuàng)建工程的方式管理整個(gè)設(shè)計(jì)流程，包括工程文件的位 置、階段性關(guān)鍵報(bào)告的生成、重要數(shù)據(jù)的輸出和存儲(chǔ)等。

如下左圖所示，用戶建立了一個(gè) Vivado 工程后，工具會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的.xpr 工程文件，并在工程文件所 在的位置同層創(chuàng)建相應(yīng)的幾個(gè)目錄，包括.cache、.data、.runs 和 .srcs 等等（不同版本可能有稍許差異），分別用于存儲(chǔ)運(yùn)行工程過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、輸出的文件和 報(bào)告以及工程的輸入源文件（包含約束文件）等。

如下右圖所示，在 Vivado IDE 中還可以一鍵式運(yùn)行整個(gè)設(shè)計(jì)流程。這些預(yù)置的命令按鈕就放置在工具最左邊的側(cè)欄：Flow Navigator 。不同按鈕對(duì)應(yīng)不同的實(shí)現(xiàn)過程，其中在后端實(shí)現(xiàn)階段，還可以用右鍵調(diào)出詳細(xì)分步命令，指引工具具體執(zhí)行實(shí)現(xiàn)的哪一步。

特別需要指出的是 Flow Navigator 只有在 Vivado IDE 中打開.xpr 工程文件才會(huì)顯示，如果打開的是設(shè)計(jì)檢查點(diǎn).dcp 文件（不論是工程模式或是非工程模式產(chǎn)生的 dcp）都不會(huì)顯示這個(gè)側(cè)欄。

非工程模式

非工程模式下，由于不會(huì)創(chuàng)建工程，用戶就需要自己管理設(shè)計(jì)源文件和設(shè)計(jì)過程。源文件只能從當(dāng)前位置訪問，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中的每一步，數(shù)據(jù)和運(yùn)行結(jié)果都存在于 Vivado 分配到的機(jī)器內(nèi)存中，在用戶不主動(dòng)輸 出的情況下，不會(huì)存儲(chǔ)到硬盤中。

簡單來講，非工程模式提供了一種類似 ASIC 設(shè)計(jì)的流程，用戶擁有絕對(duì)的自由，可以完全掌控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程，但也需要用戶對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程和數(shù)據(jù)，尤其對(duì)文件輸出和管理全權(quán)負(fù)責(zé)，包括何時(shí)、何地、輸出怎樣的文件等等。

使用非工程模式管理輸入輸出文件、進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)都需要使用 Tcl 腳本，但這并不代表非工程模式不支持圖形化界面。非工程模式下產(chǎn)生的.dcp 文件一樣可以在 Vivdao IDE 中打開，繼而產(chǎn)生各種報(bào)告，進(jìn)行交互式調(diào)試等各種在圖形化下更便捷直觀的操作。這是一個(gè)常見誤區(qū)，就像很多人誤 認(rèn)為工程模式下不支持 Tcl 腳本運(yùn)行是一個(gè)道理。但兩種模式支持的 Tcl 命令確實(shí)是完全不同的，使用起來也不能混淆。

下圖所示是同一個(gè)設(shè)計(jì)（Vivado 自帶的 Example Design）采用兩種模式實(shí)現(xiàn)所需使用的不同腳本，更詳細(xì)的內(nèi)容可以在 UG975 和 UG835 中找到。需要注意的是，工程模式下的 Tcl 腳本更簡潔，但并不是最底層的 Tcl 命令，實(shí)際執(zhí)行一條相當(dāng)于執(zhí)行非工程模式下的數(shù)條 Tcl 命令。

Tcl對(duì)圖形化的補(bǔ)充

相信對(duì)大部分 FPGA 工程設(shè)計(jì)人員來說，圖形化界面仍舊是最熟悉的操作環(huán)境，也是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的首選。在 Xilinx 推出全面支持 Tcl 的 Vivado 后，這一點(diǎn)依然沒有改變，但我們要指出的是，即使是在圖形化界面上跑設(shè) 計(jì)，仍然可以充分利用 Tcl 的優(yōu)勢(shì)。在 Vivado IDE 上運(yùn)行 Tcl 腳本主要有以下幾個(gè)渠道。

Tcl Console

Vivado IDE 的最下方有一個(gè) TclConsole，在運(yùn)行過程中允許用戶輸入 Tcl/XDC 命令或是 source 預(yù)先寫 好的 Tcl 腳本，返回值會(huì)即時(shí)顯示在這個(gè)對(duì)話框。

舉例來說，設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，需要將一些約束應(yīng)用在某些網(wǎng)表目標(biāo)上（具體可參照《Tcl 在 Vivado 中的應(yīng) 用》所示），推薦的做法就是在 IDE 中打開.dcp 然后在 Tcl Console 中輸入相應(yīng)的 Tcl/XDC 命令，驗(yàn)證返回值，碰到問題可以直接修改，直到找到正確合適的命令。然后可以記錄這些命令，并存入 XDC 文件中以備下次實(shí)現(xiàn)時(shí)使用。

還有一種情況是，預(yù)先讀入的 XDC 中有些約束需要修改，或是缺失了某些重要約束。不同于 ISE 中必須修改 UCF 重跑設(shè)計(jì)的做法，在 Vivado 中，我們可以充分利用 Tcl/XDC 的優(yōu)勢(shì)， 在 Tcl Console 中輸入新的 Tcl/XDC，無需重跑設(shè)計(jì)，只要運(yùn)行時(shí)序報(bào)告來驗(yàn)證。當(dāng)然，如果能重跑設(shè)計(jì)，效果會(huì)更好，但是這種方法在早期設(shè)計(jì)階段提供了一種快速進(jìn)行交互式驗(yàn)證的可能，保證了更快地設(shè)計(jì)迭代，大大提升了效率。

另外，通過某些 Tcl 命令（例如 show_objects、select_objects 等等）的幫助，我們還可以利用 Tcl Console 與時(shí)序報(bào)告、RTL 和門級(jí)網(wǎng)表以及布局布線后的網(wǎng)表之間進(jìn)行交互調(diào)試，極大發(fā)揮 Vivado IDE 的優(yōu)勢(shì)。

Hook Scripts

Vivado IDE 中內(nèi)置了 tcl.pre 和 tcl.post，用戶可 以在 Synthesis 和 Implementation 的設(shè)置窗 口中找到。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的每 一步都有這樣兩個(gè)位置可供用戶加入自己的 Tcl 腳本。

tcl.pre 表示當(dāng)前這步 之前 Vivado 會(huì)主動(dòng) source 的 Tcl 腳本，tcl.post 表示這步之后會(huì) source 的腳本。

Tcl 腳本必須事先寫好，然后在上圖所示的設(shè)置界面由用戶使用彈出窗口指定到腳本所在位置。

這些就是所謂的“鉤子”腳本，正是有了這樣的腳本，我們才得以在圖形化界面上既享有一鍵式執(zhí)行的便利，又充分利用 Tcl 帶來的擴(kuò)展性。比較常見的使用場景是，在某個(gè)步驟后多產(chǎn)生幾個(gè)特別的報(bào)告，或是在布線前再跑幾次物理優(yōu)化等。

Customer Commands

Vivado IDE 中還有一個(gè)擴(kuò)展功能，允許用戶把事先創(chuàng)建好的 Tcl 腳本以定制化命令的方式加入圖形化界面，成為一個(gè)按鈕，方便快速執(zhí)行。這個(gè)功能常常用來報(bào)告特定的時(shí)序信息、修改網(wǎng)表內(nèi)容、實(shí)現(xiàn) ECO 等等。

用 Tcl定制實(shí)現(xiàn)流程

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)的 FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程完全可以通過 Vivado IDE 一鍵式執(zhí)行，如果僅需要少量擴(kuò)展，通 過前述鉤子腳本等幾種方法也完全可以做到。若是這些方法都不能滿足需求，還可以使用 Tcl 腳本來跑設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的全定制。

注：以下討論的幾種實(shí)現(xiàn)方案中僅包含后端實(shí)現(xiàn)具體步驟的區(qū)別，而且只列出非工程模式下對(duì)應(yīng)的Tcl 命令。

右圖所示是 Vivado 中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本流程，藍(lán)色部分表示實(shí)現(xiàn)的基本 步驟（盡管opt_design 這一步理論上不是必選項(xiàng)，但仍強(qiáng)烈建議用戶執(zhí)行），對(duì)應(yīng) Implementation 的 Default 策略。黃色部分表示可選擇執(zhí)行的部分，不同的實(shí)現(xiàn)策略中配置不同。

這里不會(huì)討論那些圖形化界面中可選的策略，不同策略有何側(cè)重，具體如何配置我們將在另外一篇關(guān)于 Vivado 策略選擇的文章中詳細(xì)描述。

我們要展示的是如何對(duì)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改動(dòng)來更好的滿足設(shè)計(jì)需求，這些動(dòng)作往往只能通過 Tcl 腳本來實(shí)現(xiàn)。

充分利用物理優(yōu)化

物理優(yōu)化即 phys_opt_design 是在后端通過復(fù)制、移動(dòng)寄存器來降扇出和 retiming，從而進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化的 重要手段，一般在布局和布線之間運(yùn)行，從 Vivado 2014.1 開始，還支持布局后的物理優(yōu)化。

很多用戶會(huì)在 Vivado 中選中 phys_opt_design，但往往不知道這一步其實(shí)可以運(yùn)行多次，并且可以選擇不同的 directive 來有側(cè)重的優(yōu)化時(shí)序。

比如，我們可以寫這樣一個(gè) Tcl 腳本，在布局后，使用不同的 directive 或選項(xiàng)來跑多次物理優(yōu)化，甚至可 以再多運(yùn)行一次物理優(yōu)化，專門針對(duì)那些事先通過 get_nets 命令找到并定義為 highfanout_nets 的高扇出網(wǎng)絡(luò)具體 directive 的含義可以通過 UG835、UG904 或 phys_opt_design -help 命令查詢。

布局布線之間的多次物理優(yōu)化不會(huì)惡化時(shí)序，但會(huì)增加額外的運(yùn)行時(shí)間，也有可能出現(xiàn)時(shí)序完全沒有得到優(yōu)化的結(jié)果。布線后的物理優(yōu)化有時(shí)候會(huì)惡化 THS，所以請(qǐng)一定記得每一步后都運(yùn)行 report_timing_summary，并且通過 write_checkpoint 寫出一個(gè).dcp 文件來保留階段性結(jié)果。這一步的結(jié)果不理想就可以及時(shí)退回到上一步的.dcp 繼續(xù)進(jìn)行。

閉環(huán)設(shè)計(jì)流程

通常的 FPGA 設(shè)計(jì)流程是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，從前到后依次執(zhí)行。但 Vivado 中提供了一種可能，用戶可以通 過 place_design-post_place_opt 在已經(jīng)完成布局布線的設(shè)計(jì)上再做一次布局布線，從而形成一個(gè)有了反饋信息的閉環(huán)系統(tǒng)。這次因?yàn)橛辛饲耙淮尾季€后的真實(shí)連線延遲信息，布局的針對(duì)性更好，并且只會(huì)基于時(shí)序不滿足的路徑進(jìn)行重布局而不會(huì)改變大部分已經(jīng)存在的布局信息，之后的布線過程也是增量流程。

這一過程所需的運(yùn)行時(shí)間較短，是一種很有針對(duì)性的時(shí)序優(yōu)化方案。可以通過 Tcl 寫一個(gè)循環(huán)多次迭代運(yùn)行，但需留意每次的時(shí)序報(bào)告，若出現(xiàn)時(shí)序惡化就應(yīng)及時(shí)停止。

增量設(shè)計(jì)流程

Vivado 中的增量設(shè)計(jì)也是一個(gè)不得不提的功能。當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)行到后期，每次運(yùn)行改動(dòng)很小，在開始后端實(shí)現(xiàn)前讀入的設(shè)計(jì)網(wǎng)表具有較高相似度的情況下，推薦使用 Vivado 的增量布局布線功能。

如上圖所示，運(yùn)行增量流程的前提是有一個(gè)已經(jīng)完成布局布線的.dcp 文件，并以此用來作為新的布局布線的參考。

運(yùn)行過程中，Vivado 會(huì)重新利用已有的布局布線數(shù)據(jù)來縮短運(yùn)行 時(shí)間，并生成可預(yù)測的結(jié)果。當(dāng)設(shè)計(jì)有 95% 以上的相似度時(shí)，增量布局布線的運(yùn)行時(shí)間會(huì)比一般布局布線平均縮短 2 倍。若相似度低于 80%，則使用增量布局布線只有很小的優(yōu)勢(shì)或者基本沒有優(yōu)勢(shì)。

除了縮短運(yùn)行時(shí)間外，增量布局布線對(duì)沒有發(fā)生變化的設(shè)計(jì)部分造成的破壞也很小，因此能減少時(shí)序變化，最大限度保留時(shí)序結(jié)果，所以一般要求用做參考的.dcp 文件必須是一個(gè)完全時(shí)序收斂的設(shè)計(jì)。

參考點(diǎn).dcp 文件可以在 Vivado IDE 的 Implementation 設(shè)置中指定，也可以在 Tcl 腳本中用 read_checkpoint -incremental 讀入。特別需要指出的是，在工程模式中，如要在不新建一個(gè) impl 實(shí)現(xiàn)的情況下使用上一次運(yùn)行的結(jié)果作為參考點(diǎn)，必須將其另存到這次運(yùn)行目錄之外的位置，否則會(huì)因沖突而報(bào)錯(cuò)。

以上用 Tcl 定制 Vivado 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程的討論就到這里，后面我將就 Tcl 使用場景，包括 ECO 流程等的更多細(xì)節(jié)進(jìn)行展開。

審核編輯：劉清