Xilinx的新一代設(shè)計套件Vivado相比上一代產(chǎn)品ISE，在運行速度、算法優(yōu)化和功能整合等很多方面都有了顯著地改進。但是對 初學(xué)者來說，新的約束語言XDC以及腳本語言Tcl的引入則成為了快速掌握Vivado使用技巧的最大障礙，以至于兩年多后的今天，仍有很多用戶缺乏升級 到Vivado的信心。
本文介紹了Tcl在Vivado中的基礎(chǔ)應(yīng)用，希望起到拋磚引玉的作用，指引使用者在短時間內(nèi)快速掌握相關(guān)技巧，更好地發(fā)揮Vivado在FPGA設(shè)計中的優(yōu)勢。
Tcl的背景介紹和基礎(chǔ)語法
Tcl（讀 作tickle）誕生于80年代的加州大學(xué)伯克利分校，作為一種簡單高效可移植性好的腳本語言，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在幾乎所有的EDA工具中。Tcl 的最大特點就是其語法格式極其簡單甚至可以說僵化，采用純粹的 [命令 選項 參數(shù)] 形式，是名副其實的“工具命令語言”（ 即Tcl的全稱Tool Command Language）。
實際上Tcl的功能可以很強大，用其編寫的程序也可以很復(fù)雜，但要在Vivado或大部分其它EDA工具中使用，則只需掌握其中最基本的幾個部分。
注： 在以下示例中，% 表示Tcl的命令提示符，執(zhí)行回車后，Tcl會在下一行輸出命令執(zhí)行結(jié)果。 // 后是作者所加注釋，并不是例子的一部分。
設(shè)置變量
打印
打印主要通過puts語句來執(zhí)行，配合特殊符號，直接決定最終輸出內(nèi)容。
文件I/O
可以看到Tcl對文件的操作也是通過設(shè)置變量，改變屬性以及打印命令來進行的。上述寫文件的例子中通過puts命令在my_file.txt文件中寫入兩行文字，分別為“Hello World!” 和myVar變量的值，然后在讀文件操作中讀取同一文件的內(nèi)容。
控制流和循環(huán)命令
Tcl語言中用于控制流程和循環(huán)的命令與C語言及其它高級語言中相似，包括if、while、for和foreach等等。
具體使用可以參考如下示例：
子程序/過程
Tcl中的子程序也叫做過程（Procedures），Tcl正是通過創(chuàng)建新的過程來增強其內(nèi)建命令的能力 ，提供更強的擴展性。具體到Vivado的使用中，用戶經(jīng)常可以通過對一個個子程序/過程的創(chuàng)建來擴展或個性化Vivado的使用流程。
一些特殊符號
Tcl語言的基本語法相對簡單，但要熟練掌握仍需日常不斷練習(xí)。Xilinx網(wǎng)站上有很多相關(guān)資料，這里推薦兩個跟Tcl相關(guān)的文檔 UG835 和 UG894 ，希望對大家學(xué)習(xí)Vivado和Tcl有所幫助。
在Vivado中使用Tcl定位目標(biāo)
在Vivado中使用Tcl最基本的場景就是對網(wǎng)表上的目標(biāo)進行遍歷、查找和定位，這也是對網(wǎng)表上的目標(biāo)進行約束的基礎(chǔ)。要掌握這些則首先需要理解Vivado對目標(biāo)的分類。
目標(biāo)的定義和定位
如 上圖所示，設(shè)計頂層的I/O稱作ports，其余底層模塊或是門級網(wǎng)表上的元件端口都稱作pins。而包括頂層在內(nèi)的各級模塊，blackbox以及門級 元件，都稱作cells。連線稱作nets，加上XDC中定義的clocks，在Vivado中一共將網(wǎng)表文件中的目標(biāo)定義為五類。要選取這五類目標(biāo)，則 需用相應(yīng)的get_*命令，例如get_pins等等。
get_ports
ports僅指頂層端口，所以get_ports的使用相對簡單，可以配合通配符“* ”以及Tcl語言中處理list的命令一起使用。如下所示，
get_cells/get_nets
不同于ports僅指頂層端口，要定位cells和nets則相對復(fù)雜，首先需要面對層次的問題。這里有個大背景需要明確：Vivado中Tcl/XDC對網(wǎng)表中目標(biāo)的搜索是層次化的，也就是一次僅搜索一個指定的層次current_instance，缺省值為頂層。
以下圖所示設(shè)計來舉例，若要搜索A（不含a1,a2）層次內(nèi)的所有cells和名字中含有nt的nets， 有兩種方法：
若要將搜索層次改為A+B+b1，則可以寫一個循環(huán)，逐一用current_instance將搜索層次指向A，B和b1，再將搜索到的cells或nets合成一個list輸出即可。
若要將搜索層次改為當(dāng)前層次以及其下所有子層次，可以使用 -hierarchical （在Tcl中可以簡寫為-hier ）。
在使用-hierarchical時有一點需要特別留意，即后面所跟的搜索條件僅指目標(biāo)對象的名字，不能含有代表層次的“/” 。 下面列出的寫法便是一種常見的使用誤區(qū)，并不能以此搜索到A及其下子層次內(nèi)所有的cells。
get_pins
pins 在Vivado數(shù)據(jù)庫中有個獨特的存在形式，即 <instance>/<pin> 。這里的“/”不表示層次，而是其名字的一部分，表示這個pin所屬的實體。也就是說，在使用get_pins 配合-hier來查找pins時，“/”可以作為名字的一部分，出現(xiàn)在搜索條件內(nèi)（注意與上述get_ce lls和get_nets的使用區(qū)別）。
目標(biāo)之間的關(guān)系
Tcl在搜索網(wǎng)表中的目標(biāo)時，除了上述根據(jù)名字條件直接搜索的方式，還可以利用目標(biāo)間的關(guān)系，使用-of_objects（在Tcl中可以簡寫為-of）來間接搜索特定目標(biāo)。Vivado中定義的五類目標(biāo)間的關(guān)系如下左圖所示。
以上示右圖的設(shè)計來舉例，
下
圖是一個更復(fù)雜的示例，涉及跨層次搜索。可以看到在get_pins時，要加上-leaf才能準(zhǔn)確定位到門級元件（或blackbox）的端口q。另外，
在實際操作中，使用get_nets和get_pins時，需要視情況而加上其它條件（-filter）才能準(zhǔn)確找到下述例子中的cells （i2）。
高級查找功能
在使用get_*命令查找網(wǎng)表中的目標(biāo)時，除了名字這一直接條件，往往還需要輔以其它更復(fù)雜的條件判斷，這就需要用到高級查找功能：-filter 結(jié)合Tcl支持的各種關(guān)系和邏輯運算符（==, !=, =~, !~, <=, >=, >, <, &&, ||）甚至是正則表達式來操作。
在 創(chuàng)建子程序時也常常用到-filter，例如下述get_p的子程序/過程就可以用來返回指定管腳的方向?qū)傩裕嬖V用戶這是一個輸入管腳還是一個輸出管 腳。 需要特別指出的是，通常在-filter后會使用 { } ，但此時需要對 $direction做變量替換，必須如下所示改用 " "
Tcl在Vivado中的延伸應(yīng)用
Tcl 在Vivado中的應(yīng)用還遠不止上述所列，其它常用的功能包括使用預(yù)先寫好的Tcl腳本來跑設(shè)計實現(xiàn)流程，創(chuàng)建高級約束（XDC不支持循環(huán)等高級Tcl語 法）以及實現(xiàn)復(fù)雜的個性化設(shè)計流程等等。Tcl所帶來的強大的可擴展性決定了其在版本控制、設(shè)計自動化流程等方面具有圖形化界面不能比擬的優(yōu)勢。
Vivado在不斷發(fā)展更新的過程中，還有很多新的功能，包括ECO、PR、HD Flow等等都是從Tcl腳本方式開始支持，然后再逐步放入圖形化界面中實現(xiàn)。這也解釋了為何高端FPGA用戶和熟練的Vivado用戶都更偏愛Tcl腳本。
篇幅所限，不能一一展開。關(guān)于以上Tcl在Vivado中的延伸應(yīng)用，敬請關(guān)注Xilinx官方網(wǎng)站和中文論壇上的更多技術(shù)文章。
Ally Zhou 2014-9-12 于Xilinx上海Office
