Tcl在Vivado中的基础应用 - 全文

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

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

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逐行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：

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。

一些特殊符号

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

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，

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：

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 ）。

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。

get_pins

pins在Vivado数据库中有个独特的存在形式，即 /
。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_cells和get_nets的使用区别）。

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页左图所示。

以上示右图的设计来举例，

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）。

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。

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。

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。