tcl局部編輯以最小的代價完成最大的改動

關于Tcl在Vivado中的應用文章從Tcl的基本語法和在Vivado中的應用展開，繼上篇《用Tcl定制Vivado設計實現流程》介紹了如何擴展甚至是定制FPGA設計實現流程后，引出了一個更細節的應用場景：如何利用Tcl在已完成布局布線的設計上對網表或是布局布線進行局部編輯，從而在最短時間內，以最小的代價完成個別的設計改動需求。

什么是 ECO

ECO指的是 Engineering Change Order ，即工程變更指令。目的是為了在設計的后期，快速靈活地做小范圍修改，從而盡可能的保持已經驗證的功能和時序。ECO的叫法算是從IC設計領域繼承而來，其應用在FPGA設計上尚屬首次，但這種做法其實在以往的FPGA設計上已被廣泛采用。簡單來說，ECO便相當于ISE上的FPGA Editor。

但與FPGA Editor不同，Vivado中的ECO并不是一個獨立的界面或是一些特定的命令，要實現不同的ECO功能需要使用不同的方式。

ECO的應用場景和實現流程

ECO的應用場景主要包含：修改cell屬性、增減或移動cell、手動局部布線。還有一些需要多種操作配合的復雜場景，例如把RAM（或DSP）的輸出寄存器放入/拉出RAMB（或DSP48）內部，或是把設計內部信號接到I/O上作調試probe用等等。

針對不同的應用場景，Vivado中支持的ECO實現方式也略有區別。有些可以用圖形界面實現，有些則只能使用Tcl命令。但通?？梢栽趫D形化界面上實現的操作，都可以改用一條或數條Tcl命令來實現。

ECO的實現流程如下圖所示：

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

第二步就是ECO的意義所在，我們在布局布線后的設計上進行各種操作，然后僅對改動的部分進行局部布局/布線而無需整體重跑設計，節約大量時間的同時也不會破壞已經收斂的時序。

第三步就是產生可供下載的bit文件了，此時必須在Tcl Console中或是Tcl模式下直接輸入命令產生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前已經完成布局布線的原始設計，生成的bit文件自然也無法使用。

修改屬性

絕大部分的屬性修改都能通過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計（Implemented Design），在Device View中找到并選中這個FF/LUT，接著在其左側的Cell Properties視圖中選擇需要修改的屬性，直接修改即可。

除了對FF/LUT的操作外，很多時候我們需要對MMCM/PLL輸出時鐘的相移進行修改。對于這種應用，用戶也無需重新產生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/交換cells

移動/交換cells是對FF/LUT進行的ECO操作中最基本的一個場景，目前也只有這種情況可以通過圖形化實現。如要刪減cells等則只能通過Tcl命令來進行。

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

當用戶移動或改變了cells的位置后會發現與其連接的nets變成了黃色高亮顯示，表示這些nets需要重新布線。這時候需要做的就是在圖中選中這些nets然后右鍵調出菜單，選擇Route進行局部布線。

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。給這個命令加上選項則可以報告出更細致的結果，如下圖所示。

如果換個稍復雜些的Tcl命令配合圖形化顯示，更加直觀的同時，也可以方便右鍵調出命令進行針對性的局部布線。

手動布線

手動布線是一種非常規的布線方式，一次只能針對一根net在圖形化界面下進行。所謂手動布線，除了完全手動一個節點一個節點的選擇外，也支持工具自動選擇資源來布線。通常我們并不建議全手動的方式，Vivado是時序驅動的工具，所以其自動選擇的布線結果已經是遵循了時序約束下的最佳選擇。

在Device View中選擇一根沒有布線或是預先Unroute過的net（顯示為紅色高亮），右鍵調出菜單并選擇Enter Assign Routing Mode… 便可進入手動布線模式。

復雜的ECO場景

篇幅過半，一直在鋪墊，其實最有實踐意義的ECO還沒提到。相信大部分用戶最懷念FPGA Editor中的一個功能就是probe了，如何快速地把一根內部信號連接到FPGA管腳上，無需重新布局布線，直接更新bit文件后下載調試。曾經數次被客戶問及，很多人還為Vivado中不支持這樣的做法而深表遺憾。

其實這樣類似的功能在Vivado中一直支持，唯一的問題是暫時還沒有圖形化界面可以一鍵操作（相關開發工作已經在進行中）。但受益于Tcl的靈活多變，我們可以更有針對性地實現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現ECO需要用到的那些。

通常涉及到增減cells的ECO基本分為三步實現：首先用create_cell / create_net 等創建相關cell和/或net，然后用disconnect_net / connect_net 等命令修正因為cell和net的改動而影響到的連接關系，最后用route_design加選項完成局部布線。

不同的Vivado版本對此類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的連接關系前先用unplace_cell將cell從當前的布局位置上釋放，在完成新的連接關系后，再用place_cell放到新的布局位置上。

具體操作上可以根據Vivado的提示或報錯信息來改動具體的Tcl命令，但操作思路和可用的命令相差無幾。

Add Probe

這是一個在Vivaod上實現probe功能的Tcl腳本，已經寫成了proc子程序，簡單易懂?？梢灾苯诱{用，也可以做成Vivado的嵌入式擴展命令。調用其生成probe只需先source這個腳本，然后按照如下所示在Tcl Console中輸入命令即可。

該腳本已經在Vivado2014.3和2014.4上測試過，一次只能完成一個probe的添加，而且必須按照上述順序輸入信號名，管腳位置，電平標準和probe名。因為不具備預檢功能，可能會碰到一些報錯信息而導致無法繼續。例如選擇的信號是只存在于SLICE內部的INTRASITE時，則無法拉出到管腳。再比如輸入命令時拼錯了電平標準等，也會造成Tcl已經部分修改Vivado數據庫而無法繼續的問題。此時只能關閉已經打開的DCP并選擇不保存而重新來過。

用戶可以根據自己的需要擴展這個Tcl腳本，也可以仿照這個Tcl的寫法來實現其它的ECO需求。例如文章開始舉例時提到過一個將RAMB輸出一級的FF拉出到Fabric上實現的場景，基本的實現方法和思路也類似：先將RAMB的輸出口REG的屬性改為0，然后創建一個新的FF，將其輸入與RAMB的輸出連接，再將FF的輸出與原本RAMB輸出驅動的cell連接，并完成FF的時鐘和復位端的正確連接，然后選擇合適的位置放置這個新的FF，最后針對新增加的nets局部布線。

由此可見，用Tcl來實現的ECO雖然不及圖形化界面來的簡便直觀，但是帶給用戶的卻是最大化的自由。完全由用戶來決定如何修改設計，那怕是在最后已經完成布局布線時序收斂的結果上，也能直接改變那些底層單元的連接關系，甚至是增減設計。

ECO在Vivado上的發展

經過了兩年多的發展，在Vivado上實現ECO已經有了多種方式，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，簡化了Tcl在Vivado上應用的同時，進一步擴展了Tcl的深入、精細化使用，其中就包括Tcl在ECO上的應用。

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，點擊Install，稍等片刻，即可看到一個add_probe的Tcl proc被安裝到了你的Vivado中。

這個add_probe是在上述addProbe例子的基礎上擴展而來，不僅可以新增probe，而且可以改變現有probe連接的信號。此外，這個腳本采用了argument寫法，點擊程序可以看help，所以不一定要按照順序輸入信號、電平標準等選項，輸錯也沒有問題。另外增加了預檢和糾錯功能，碰到問題會報錯退出而不會改變Vivado數據庫，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。雖然里面關于ECO的腳本還很少，但我們一直在補充。此外Tcl Store是一個基于GitHub的完全開源的環境，當然也歡迎大家上傳自己手中有用的Tcl腳本，對其進行補充。

總體來說，ECO是一個比較大的命題，因為牽扯到的改動需求太多，其實也很難限制在一個GUI界面中實現。這篇文章的目的就是為了讓大家對在FPGA上實現ECO有個基本的認識，梳理看似復雜無序的流程，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其實一點都不難。