tcl局部編輯以最小的代價(jià)完成最大的改動(dòng)

關(guān)于Tcl在Vivado中的應(yīng)用文章從Tcl的基本語(yǔ)法和在Vivado中的應(yīng)用展開，繼上篇《用Tcl定制Vivado設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程》介紹了如何擴(kuò)展甚至是定制FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程后，引出了一個(gè)更細(xì)節(jié)的應(yīng)用場(chǎng)景：如何利用Tcl在已完成布局布線的設(shè)計(jì)上對(duì)網(wǎng)表或是布局布線進(jìn)行局部編輯，從而在最短時(shí)間內(nèi)，以最小的代價(jià)完成個(gè)別的設(shè)計(jì)改動(dòng)需求。

什么是 ECO

ECO指的是 Engineering Change Order ，即工程變更指令。目的是為了在設(shè)計(jì)的后期，快速靈活地做小范圍修改，從而盡可能的保持已經(jīng)驗(yàn)證的功能和時(shí)序。ECO的叫法算是從IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域繼承而來(lái)，其應(yīng)用在FPGA設(shè)計(jì)上尚屬首次，但這種做法其實(shí)在以往的FPGA設(shè)計(jì)上已被廣泛采用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，ECO便相當(dāng)于ISE上的FPGA Editor。

但與FPGA Editor不同，Vivado中的ECO并不是一個(gè)獨(dú)立的界面或是一些特定的命令，要實(shí)現(xiàn)不同的ECO功能需要使用不同的方式。

ECO的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)流程

ECO的應(yīng)用場(chǎng)景主要包含：修改cell屬性、增減或移動(dòng)cell、手動(dòng)局部布線。還有一些需要多種操作配合的復(fù)雜場(chǎng)景，例如把RAM（或DSP）的輸出寄存器放入/拉出RAMB（或DSP48）內(nèi)部，或是把設(shè)計(jì)內(nèi)部信號(hào)接到I/O上作調(diào)試probe用等等。

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，Vivado中支持的ECO實(shí)現(xiàn)方式也略有區(qū)別。有些可以用圖形界面實(shí)現(xiàn)，有些則只能使用Tcl命令。但通?？梢栽趫D形化界面上實(shí)現(xiàn)的操作，都可以改用一條或數(shù)條Tcl命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ECO的實(shí)現(xiàn)流程如下圖所示：

第一步所指的Design通常是完全布局布線后的設(shè)計(jì)，如果是在工程模式下，可以直接在IDE中打開實(shí)現(xiàn)后的設(shè)計(jì)，若是僅有DCP文件，不論是工程模式或是非工程模式產(chǎn)生的DCP，都可以用open_checkpoint命令打開。

第二步就是ECO的意義所在，我們?cè)诓季植季€后的設(shè)計(jì)上進(jìn)行各種操作，然后僅對(duì)改動(dòng)的部分進(jìn)行局部布局/布線而無(wú)需整體重跑設(shè)計(jì)，節(jié)約大量時(shí)間的同時(shí)也不會(huì)破壞已經(jīng)收斂的時(shí)序。

第三步就是產(chǎn)生可供下載的bit文件了，此時(shí)必須在Tcl Console中或是Tcl模式下直接輸入命令產(chǎn)生bit文件，而不能使用IDE上的“Generate Bitstream”按鈕。原因是后者讀到的還是ECO前已經(jīng)完成布局布線的原始設(shè)計(jì)，生成的bit文件自然也無(wú)法使用。

修改屬性

絕大部分的屬性修改都能通過(guò)IDE界面完成，如下圖所示：

比如要修改寄存器的初值INIT或是LUT的真值表，用戶只需在Vivado IDE中打開布局布線后的設(shè)計(jì)（Implemented Design），在Device View中找到并選中這個(gè)FF/LUT，接著在其左側(cè)的Cell Properties視圖中選擇需要修改的屬性，直接修改即可。

除了對(duì)FF/LUT的操作外，很多時(shí)候我們需要對(duì)MMCM/PLL輸出時(shí)鐘的相移進(jìn)行修改。對(duì)于這種應(yīng)用，用戶也無(wú)需重新產(chǎn)生MMCM/PLL，與上述方法類似，可以在布局布線后的Device View上直接修改。

移動(dòng)/交換cells

移動(dòng)/交換cells是對(duì)FF/LUT進(jìn)行的ECO操作中最基本的一個(gè)場(chǎng)景，目前也只有這種情況可以通過(guò)圖形化實(shí)現(xiàn)。如要?jiǎng)h減cells等則只能通過(guò)Tcl命令來(lái)進(jìn)行。

具體操作方法也相當(dāng)簡(jiǎn)便，要互換cells位置的情況下，只要在Device View上選中需要的那兩個(gè)cells，如上圖所示的兩個(gè)FFs，然后右鍵調(diào)出菜單，選擇Swap Locations即可。若要移動(dòng)cells則更簡(jiǎn)單，直接在圖中選中FF拖移到新的位置即可。

當(dāng)用戶移動(dòng)或改變了cells的位置后會(huì)發(fā)現(xiàn)與其連接的nets變成了黃色高亮顯示，表示這些nets需要重新布線。這時(shí)候需要做的就是在圖中選中這些nets然后右鍵調(diào)出菜單，選擇Route進(jìn)行局部布線。

局部布線后一定要記得在Tcl Console中使用report_route_status命令檢查布線情況，確保沒有未完成布線（unrouted）或是部分未完成布線（partial routed）的nets存在。給這個(gè)命令加上選項(xiàng)則可以報(bào)告出更細(xì)致的結(jié)果，如下圖所示。

如果換個(gè)稍復(fù)雜些的Tcl命令配合圖形化顯示，更加直觀的同時(shí)，也可以方便右鍵調(diào)出命令進(jìn)行針對(duì)性的局部布線。

手動(dòng)布線

手動(dòng)布線是一種非常規(guī)的布線方式，一次只能針對(duì)一根net在圖形化界面下進(jìn)行。所謂手動(dòng)布線，除了完全手動(dòng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的選擇外，也支持工具自動(dòng)選擇資源來(lái)布線。通常我們并不建議全手動(dòng)的方式，Vivado是時(shí)序驅(qū)動(dòng)的工具，所以其自動(dòng)選擇的布線結(jié)果已經(jīng)是遵循了時(shí)序約束下的最佳選擇。

在Device View中選擇一根沒有布線或是預(yù)先Unroute過(guò)的net（顯示為紅色高亮），右鍵調(diào)出菜單并選擇Enter Assign Routing Mode… 便可進(jìn)入手動(dòng)布線模式。

復(fù)雜的ECO場(chǎng)景

篇幅過(guò)半，一直在鋪墊，其實(shí)最有實(shí)踐意義的ECO還沒提到。相信大部分用戶最懷念FPGA Editor中的一個(gè)功能就是probe了，如何快速地把一根內(nèi)部信號(hào)連接到FPGA管腳上，無(wú)需重新布局布線，直接更新bit文件后下載調(diào)試。曾經(jīng)數(shù)次被客戶問(wèn)及，很多人還為Vivado中不支持這樣的做法而深表遺憾。

其實(shí)這樣類似的功能在Vivado中一直支持，唯一的問(wèn)題是暫時(shí)還沒有圖形化界面可以一鍵操作（相關(guān)開發(fā)工作已經(jīng)在進(jìn)行中）。但受益于Tcl的靈活多變，我們可以更有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)probe功能，效率也更高。

Tcl操作命令

在UG835中把Vivado支持的Tcl命令按照Category分類，這些列于Netlist目錄下的命令就是實(shí)現(xiàn)ECO需要用到的那些。

通常涉及到增減cells的ECO基本分為三步實(shí)現(xiàn)：首先用create_cell / create_net 等創(chuàng)建相關(guān)cell和/或net，然后用disconnect_net / connect_net 等命令修正因?yàn)閏ell和net的改動(dòng)而影響到的連接關(guān)系，最后用route_design加選項(xiàng)完成局部布線。

不同的Vivado版本對(duì)此類ECO修改有稍許不同的限制，例如在2014.1之后的版本上，需要在改變cell的連接關(guān)系前先用unplace_cell將cell從當(dāng)前的布局位置上釋放，在完成新的連接關(guān)系后，再用place_cell放到新的布局位置上。

具體操作上可以根據(jù)Vivado的提示或報(bào)錯(cuò)信息來(lái)改動(dòng)具體的Tcl命令，但操作思路和可用的命令相差無(wú)幾。

Add Probe

這是一個(gè)在Vivaod上實(shí)現(xiàn)probe功能的Tcl腳本，已經(jīng)寫成了proc子程序，簡(jiǎn)單易懂?？梢灾苯诱{(diào)用，也可以做成Vivado的嵌入式擴(kuò)展命令。調(diào)用其生成probe只需先source這個(gè)腳本，然后按照如下所示在Tcl Console中輸入命令即可。

該腳本已經(jīng)在Vivado2014.3和2014.4上測(cè)試過(guò)，一次只能完成一個(gè)probe的添加，而且必須按照上述順序輸入信號(hào)名，管腳位置，電平標(biāo)準(zhǔn)和probe名。因?yàn)椴痪邆漕A(yù)檢功能，可能會(huì)碰到一些報(bào)錯(cuò)信息而導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)。例如選擇的信號(hào)是只存在于SLICE內(nèi)部的INTRASITE時(shí)，則無(wú)法拉出到管腳。再比如輸入命令時(shí)拼錯(cuò)了電平標(biāo)準(zhǔn)等，也會(huì)造成Tcl已經(jīng)部分修改Vivado數(shù)據(jù)庫(kù)而無(wú)法繼續(xù)的問(wèn)題。此時(shí)只能關(guān)閉已經(jīng)打開的DCP并選擇不保存而重新來(lái)過(guò)。

用戶可以根據(jù)自己的需要擴(kuò)展這個(gè)Tcl腳本，也可以仿照這個(gè)Tcl的寫法來(lái)實(shí)現(xiàn)其它的ECO需求。例如文章開始舉例時(shí)提到過(guò)一個(gè)將RAMB輸出一級(jí)的FF拉出到Fabric上實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景，基本的實(shí)現(xiàn)方法和思路也類似：先將RAMB的輸出口REG的屬性改為0，然后創(chuàng)建一個(gè)新的FF，將其輸入與RAMB的輸出連接，再將FF的輸出與原本RAMB輸出驅(qū)動(dòng)的cell連接，并完成FF的時(shí)鐘和復(fù)位端的正確連接，然后選擇合適的位置放置這個(gè)新的FF，最后針對(duì)新增加的nets局部布線。

由此可見，用Tcl來(lái)實(shí)現(xiàn)的ECO雖然不及圖形化界面來(lái)的簡(jiǎn)便直觀，但是帶給用戶的卻是最大化的自由。完全由用戶來(lái)決定如何修改設(shè)計(jì)，那怕是在最后已經(jīng)完成布局布線時(shí)序收斂的結(jié)果上，也能直接改變那些底層單元的連接關(guān)系，甚至是增減設(shè)計(jì)。

ECO在Vivado上的發(fā)展

經(jīng)過(guò)了兩年多的發(fā)展，在Vivado上實(shí)現(xiàn)ECO已經(jīng)有了多種方式，除了前面提到的圖形化上那些可用的技巧，還有用戶自定義的Tcl命令和腳本等。隨著Xilinx Tcl Store的推出，用戶可以像在App Store中下載使用app一樣下載使用Tcl腳本，簡(jiǎn)化了Tcl在Vivado上應(yīng)用的同時(shí)，進(jìn)一步擴(kuò)展了Tcl的深入、精細(xì)化使用，其中就包括Tcl在ECO上的應(yīng)用。

目前Vivado 2014.4版本上新增了很多有用的腳本。安裝好Vivado后，只需打開Tcl Store，找到Debug Utilities，點(diǎn)擊Install，稍等片刻，即可看到一個(gè)add_probe的Tcl proc被安裝到了你的Vivado中。

這個(gè)add_probe是在上述addProbe例子的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)，不僅可以新增probe，而且可以改變現(xiàn)有probe連接的信號(hào)。此外，這個(gè)腳本采用了argument寫法，點(diǎn)擊程序可以看help，所以不一定要按照順序輸入信號(hào)、電平標(biāo)準(zhǔn)等選項(xiàng)，輸錯(cuò)也沒有問(wèn)題。另外增加了預(yù)檢和糾錯(cuò)功能，碰到問(wèn)題會(huì)報(bào)錯(cuò)退出而不會(huì)改變Vivado數(shù)據(jù)庫(kù)，效率更高。

此外，Tcl Store上還有很多其它好用的腳本，歡迎大家試用并反饋給我們寶貴意見。雖然里面關(guān)于ECO的腳本還很少，但我們一直在補(bǔ)充。此外Tcl Store是一個(gè)基于GitHub的完全開源的環(huán)境，當(dāng)然也歡迎大家上傳自己手中有用的Tcl腳本，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。

總體來(lái)說(shuō)，ECO是一個(gè)比較大的命題，因?yàn)闋砍兜降母膭?dòng)需求太多，其實(shí)也很難限制在一個(gè)GUI界面中實(shí)現(xiàn)。這篇文章的目的就是為了讓大家對(duì)在FPGA上實(shí)現(xiàn)ECO有個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，梳理看似復(fù)雜無(wú)序的流程，所謂觀一葉而知秋，窺一斑而見全豹，希望能帶給更多用戶信心，用好Vivado其實(shí)一點(diǎn)都不難。