《电子技术应用》

【Vivado使用误区与进阶】Tcl在Vivado中的应用

摘要: Xilinx的新一代设计套件Vivado相比上一代产品ISE,在运行速度、算法优化和功能整合等很多方面都有了显著地改进。但是对 初学者来说,新的约束语言XDC以及脚本语言Tcl的引入则成为了快速掌握Vivado使用技巧的最大障碍,以至于两年多后的今天,仍有很多用户缺乏升级 到Vivado的信心。

Abstract:


Xilinx的新一代设计套件Vivado相比上一代产品ISE,在运行速度、算法优化和功能整合等很多方面都有了显著地改进。但是对 初学者来说,新的约束语言XDC以及脚本语言Tcl的引入则成为了快速掌握Vivado使用技巧的最大障碍,以至于两年多后的今天,仍有很多用户缺乏升级 到Vivado的信心。

本文介绍了Tcl在Vivado中的基础应用,希望起到抛砖引玉的作用,指引使用者在短时间内快速掌握相关技巧,更好地发挥Vivado在FPGA设计中的优势。

Tcl的背景介绍和基础语法

Tcl(读 作tickle)诞生于80年代的加州大学伯克利分校,作为一种简单高效可移植性好的脚本语言,目前已经广泛应用在几乎所有的EDA工具中。Tcl 的最大特点就是其语法格式极其简单甚至可以说僵化,采用纯粹的 [命令 选项 参数] 形式,是名副其实的“工具命令语言”( 即Tcl的全称Tool Command Language)。

实际上Tcl的功能可以很强大,用其编写的程序也可以很复杂,但要在Vivado或大部分其它EDA工具中使用,则只需掌握其中最基本的几个部分。

注: 在以下示例中,% 表示Tcl的命令提示符,执行回车后,Tcl会在下一行输出命令执行结果。 // 后是作者所加注释,并不是例子的一部分。

设置变量

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打印

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打印主要通过puts语句来执行,配合特殊符号,直接决定最终输出内容。

文件I/O

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可以看到Tcl对文件的操作也是通过设置变量,改变属性以及打印命令来进行的。上述写文件的例子中通过puts命令在my_file.txt文件中写入两行文字,分别为“Hello World!” 和myVar变量的值,然后在读文件操作中读取同一文件的内容。

控制流和循环命令

Tcl语言中用于控制流程和循环的命令与C语言及其它高级语言中相似,包括if、while、for和foreach等等。

具体使用可以参考如下示例:

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子程序/过程

Tcl中的子程序也叫做过程(Procedures),Tcl正是通过创建新的过程来增强其内建命令的能力 ,提供更强的扩展性。具体到Vivado的使用中,用户经常可以通过对一个个子程序/过程的创建来扩展或个性化Vivado的使用流程。

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一些特殊符号

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Tcl语言的基本语法相对简单,但要熟练掌握仍需日常不断练习。Xilinx网站上有很多相关资料,这里推荐两个跟Tcl相关的文档 UG835 和 UG894 ,希望对大家学习Vivado和Tcl有所帮助。

在Vivado中使用Tcl定位目标

在Vivado中使用Tcl最基本的场景就是对网表上的目标进行遍历、查找和定位,这也是对网表上的目标进行约束的基础。要掌握这些则首先需要理解Vivado对目标的分类。

目标的定义和定位

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如 上图所示,设计顶层的I/O称作ports,其余底层模块或是门级网表上的元件端口都称作pins。而包括顶层在内的各级模块,blackbox以及门级 元件,都称作cells。连线称作nets,加上XDC中定义的clocks,在Vivado中一共将网表文件中的目标定义为五类。要选取这五类目标,则 需用相应的get_*命令,例如get_pins等等。

get_ports

ports仅指顶层端口,所以get_ports的使用相对简单,可以配合通配符“* ”以及Tcl语言中处理list的命令一起使用。如下所示,

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get_cells/get_nets

不同于ports仅指顶层端口,要定位cells和nets则相对复杂,首先需要面对层次的问题。这里有个大背景需要明确:Vivado中Tcl/XDC对网表中目标的搜索是层次化的,也就是一次仅搜索一个指定的层次current_instance,缺省值为顶层。

以下图所示设计来举例,若要搜索A(不含a1,a2)层次内的所有cells和名字中含有nt的nets, 有两种方法:

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若要将搜索层次改为A+B+b1,则可以写一个循环,逐一用current_instance将搜索层次指向A,B和b1,再将搜索到的cells或nets合成一个list输出即可。

若要将搜索层次改为当前层次以及其下所有子层次,可以使用 -hierarchical (在Tcl中可以简写为-hier )。

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在使用-hierarchical时有一点需要特别留意,即后面所跟的搜索条件仅指目标对象的名字,不能含有代表层次的“/” 。 下面列出的写法便是一种常见的使用误区,并不能以此搜索到A及其下子层次内所有的cells。

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get_pins

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pins 在Vivado数据库中有个独特的存在形式,即 <instance>/<pin> 。这里的“/”不表示层次,而是其名字的一部分,表示这个pin所属的实体。也就是说,在使用get_pins 配合-hier来查找pins时,“/”可以作为名字的一部分,出现在搜索条件内(注意与上述get_ce lls和get_nets的使用区别)。

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目标之间的关系

Tcl在搜索网表中的目标时,除了上述根据名字条件直接搜索的方式,还可以利用目标间的关系,使用-of_objects(在Tcl中可以简写为-of)来间接搜索特定目标。Vivado中定义的五类目标间的关系如下左图所示。

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以上示右图的设计来举例,

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下 图是一个更复杂的示例,涉及跨层次搜索。可以看到在get_pins时,要加上-leaf才能准确定位到门级元件(或blackbox)的端口q。另外, 在实际操作中,使用get_nets和get_pins时,需要视情况而加上其它条件(-filter)才能准确找到下述例子中的cells (i2)。1818.png

高级查找功能

在使用get_*命令查找网表中的目标时,除了名字这一直接条件,往往还需要辅以其它更复杂的条件判断,这就需要用到高级查找功能:-filter 结合Tcl支持的各种关系和逻辑运算符(==, !=, =~, !~, <=, >=, >, <, &&, ||)甚至是正则表达式来操作。

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在 创建子程序时也常常用到-filter,例如下述get_p的子程序/过程就可以用来返回指定管脚的方向属性,告诉用户这是一个输入管脚还是一个输出管 脚。 需要特别指出的是,通常在-filter后会使用 { } ,但此时需要对 $direction做变量替换,必须如下所示改用 " "

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Tcl在Vivado中的延伸应用

Tcl 在Vivado中的应用还远不止上述所列,其它常用的功能包括使用预先写好的Tcl脚本来跑设计实现流程,创建高级约束(XDC不支持循环等高级Tcl语 法)以及实现复杂的个性化设计流程等等。Tcl所带来的强大的可扩展性决定了其在版本控制、设计自动化流程等方面具有图形化界面不能比拟的优势。

Vivado在不断发展更新的过程中,还有很多新的功能,包括ECO、PR、HD Flow等等都是从Tcl脚本方式开始支持,然后再逐步放入图形化界面中实现。这也解释了为何高端FPGA用户和熟练的Vivado用户都更偏爱Tcl脚本。

篇幅所限,不能一一展开。关于以上Tcl在Vivado中的延伸应用,敬请关注Xilinx官方网站和中文论坛上的更多技术文章。

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Ally Zhou 2014-9-12 于Xilinx上海Office



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