Vivado設(shè)計(jì)之Tcl定制化的實(shí)現(xiàn)流程 - 全文

其實(shí)Tcl在Vivado中還有很多延展應(yīng)用，接下來我們就來討論如何利用Tcl語言的靈活性和可擴(kuò)展性，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應(yīng)的門級網(wǎng)表的過程，而后端設(shè)計(jì)則是把門級網(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:

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ISE中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的每一步都是相對獨(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)的任何一個階段都支持XDC約束，可以生成時序報(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)勢在于可以通過在Vivado 中創(chuàng)建工程的方式管理整個設(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)的輸出和存儲等。

如下左圖所示，用戶建立了一個Vivado工程后，工具會自動創(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。

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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）都不會顯示這個側(cè)欄。

非工程模式

非工程模式下，由于不會創(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，在用戶不主動輸出的情況下，不會存儲到硬盤中。

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，但也需要用戶對設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程和數(shù)據(jù)，尤其對文件輸出和管理全權(quán)負(fù)責(zé)，包括何時、何地、輸出怎樣的文件等等。

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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。

Vivado支持的兩種Tcl腳本

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Tcl對圖形化的補(bǔ)充

相信對大部分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。在Vivado IDE 上運(yùn)行Tcl腳本主要有以下幾個渠道。

Tcl Console

Vivado IDE的最下方有一個Tcl Console，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，返回值會即時顯示在這個對話框。

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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， 在Tcl Console中輸入新的Tcl/XDC，無需重跑設(shè)計(jì)，只要運(yùn)行時序報(bào)告來驗(yàn)證。當(dāng)然，如果能重跑設(shè)計(jì)，效果會更好，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與時序報(bào)告、RTL和門級網(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。

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位置可供用戶加入自己的Tcl腳本。

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tcl.pre 表示當(dāng)前這步之前Vivado會主動source的Tcl腳本，tcl.post 表示這步之后會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，在某個步驟后多產(chǎn)生幾個特別的報(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，成為一個按鈕，方便快速執(zhí)行。這個功能常常用來報(bào)告特定的時序信息、修改網(wǎng)表內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)ECO等等。

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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應(yīng)的Tcl命令。

下圖所示是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。

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這里不會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設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改動來更好的滿足設(shè)計(jì)需求，這些動作往往只能通過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、移動寄存器來降扇出和retiming，從而進(jìn)行時序優(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)化時序。

比如，我們可以寫這樣一個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)化不會惡化時序，但會增加額外的運(yùn)行時間，也有可能出現(xiàn)時序完全沒有得到優(yōu)化的結(jié)果。布線后的物理優(yōu)化有時候會惡化THS，所以請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 .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，布局的針對性更好，并且只會基于時序不滿足的路徑進(jìn)行重布局而不會改變大部分已經(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)行時間較短，是一種很有針對性的時序優(yōu)化方案?？梢酝ㄟ^Tcl寫一個循環(huán)多次迭代運(yùn)行，但需留意每次的時序報(bào)告，若出現(xiàn)時序惡化就應(yīng)及時停止。

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增量設(shè)計(jì)流程

Vivado中的增量設(shè)計(jì)也是一個不得不提的功能。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。

如下圖所示，運(yùn)行增量流程的前提是有一個已經(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會重新利用已有的布局布線數(shù)據(jù)來縮短運(yùn)行時間，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，增量布局布線的運(yùn)行時間會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)勢或者基本沒有優(yōu)勢。

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