在Vivado中實(shí)現(xiàn)ECO功能

          關(guān)于Tcl在Vivado中的應(yīng)用文章從Tcl的基本語法和在Vivado中的應(yīng)用展開，繼上篇《用Tcl定制Vivado設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程》介紹了如何擴(kuò)展甚至是定制FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程后，引出了一個更細(xì)節(jié)的應(yīng)用場景：如何利用Tcl在已完成布局布線的設(shè)計(jì)上對網(wǎng)表或是布局布線進(jìn)行局部編輯，從而在最短時間內(nèi)，以最小的代價完成個別的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的后期，快速靈活地做小范圍修改，從而盡可能的保持已經(jīng)驗(yàn)證的功能和時序。ECO的叫法算是從IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域繼承而來，其應(yīng)用在FPGA設(shè)計(jì)上尚屬首次，但這種做法其實(shí)在以往的FPGA設(shè)計(jì)上已被廣泛采用。簡單來說，ECO便相當(dāng)于ISE上的FPGA Editor。

           但與FPGA Editor不同，Vivado中的ECO并不是一個獨(dú)立的界面或是一些特定的命令，要實(shí)現(xiàn)不同的ECO功能需要使用不同的方式。

ECO的應(yīng)用場景和實(shí)現(xiàn)流程

        ECO的應(yīng)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(fù)雜場景，例如把RAM（或DSP）的輸出寄存器放入/拉出RAMB（或DSP48）內(nèi)部，或是把設(shè)計(jì)內(nèi)部信號接到I/O上作調(diào)試probe用等等。

        針對不同的應(yīng)用場景，Vivado中支持的ECO實(shí)現(xiàn)方式也略有區(qū)別。有些可以用圖形界面實(shí)現(xiàn)，有些則只能使用Tcl命令。但通?？梢栽趫D形化界面上實(shí)現(xiàn)的操作，都可以改用一條或數(shù)條Tcl命令來實(shí)現(xiàn)。

        ECO的實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，如果是在工程模式下，可以直接在IDE中打開實(shí)現(xiàn)后的設(shè)計(jì)，若是僅有DCP文件，不論是工程模式或是非工程模式產(chǎn)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(shè)計(jì)上進(jìn)行各種操作，然后僅對改動的部分進(jìn)行局部布局/布線而無需整體重跑設(shè)計(jì)，節(jié)約大量時間的同時也不會破壞已經(jīng)收斂的時序。

        第三步就是產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)完成布局布線的原始設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)（Implemented Design），在Device View中找到并選中這個FF/LUT，接著在其左側(cè)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(jìn)行修改。對于這種應(yīng)用，用戶也無需重新產(chǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)。如要刪減cells等則只能通過Tcl命令來進(jìn)行。  

        具體操作方法也相當(dāng)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(diào)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(dāng)用戶移動或改變了cells的位置后會發(fā)現(xiàn)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(diào)出菜單，選擇Route進(jìn)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(xiàng)則可以報告出更細(xì)致的結(jié)果，如下圖所示。

        如果換個稍復(fù)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(diào)出命令進(jìn)行針對性的局部布線。

手動布線

        手動布線是一種非常規(guī)的布線方式，一次只能針對一根net在圖形化界面下進(jìn)行。所謂手動布線，除了完全手動一個節(jié)點(diǎn)一個節(jié)點(diǎn)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(qū)動的工具，所以其自動選擇的布線結(jié)果已經(jīng)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(yù)先Unroute過的net（顯示為紅色高亮），右鍵調(diào)出菜單并選擇Enter Assign Routing Mode… 便可進(jìn)入手動布線模式。

復(fù)雜的ECO場景

        篇幅過半，一直在鋪墊，其實(shí)最有實(shí)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(nèi)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(diào)試。曾經(jīng)數(shù)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(shí)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(guān)開發(fā)工作已經(jīng)在進(jìn)行中）。但受益于Tcl的靈活多變，我們可以更有針對性地實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)：首先用create_cell / create_net 等創(chuàng)建相關(guān)cell和/或net，然后用disconnect_net / connect_net 等命令修正因?yàn)閏ell和net的改動而影響到的連接關(guān)系，最后用route_design加選項(xiàng)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(guān)系前先用unplace_cell將cell從當(dāng)前的布局位置上釋放，在完成新的連接關(guān)系后，再用place_cell放到新的布局位置上。

        具體操作上可以根據(jù)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(shí)現(xiàn)probe功能的Tcl腳本，已經(jīng)寫成了proc子程序，簡單易懂?？梢灾苯?wbr>調(diào)用，也可以做成Vivado的嵌入式擴(kuò)展命令。調(diào)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)和probe名。因?yàn)椴痪邆漕A(yù)檢功能，可能會碰到一些報錯信息而導(dǎo)致無法繼續(xù)。例如選擇的信號是只存在于SLICE內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)等，也會造成Tcl已經(jīng)部分修改Vivado數(shù)據(jù)庫而無法繼續(xù)的問題。此時只能關(guān)閉已經(jīng)打開的DCP并選擇不保存而重新來過。

        用戶可以根據(jù)自己的需要擴(kuò)展這個Tcl腳本，也可以仿照這個Tcl的寫法來實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)的場景，基本的實(shí)現(xiàn)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(chuàng)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(qū)動的cell連接，并完成FF的時鐘和復(fù)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，那怕是在最后已經(jīng)完成布局布線時序收斂的結(jié)果上，也能直接改變那些底層單元的連接關(guān)系，甚至是增減設(shè)計(jì)。

ECO在Vivado上的發(fā)展

        經(jīng)過了兩年多的發(fā)展，在Vivado上實(shí)現(xiàn)ECO已經(jīng)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(yīng)用的同時，進(jìn)一步擴(kuò)展了Tcl的深入、精細(xì)化使用，其中就包括Tcl在ECO上的應(yīng)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(diǎn)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(chǔ)上擴(kuò)展而來，不僅可以新增probe，而且可以改變現(xiàn)有probe連接的信號。此外，這個腳本采用了argument寫法，點(diǎn)擊程序可以看help，所以不一定要按照順序輸入信號、電平標(biāo)準(zhǔn)等選項(xiàng)，輸錯也沒有問題。另外增加了預(yù)檢和糾錯功能，碰到問題會報錯退出而不會改變Vivado數(shù)據(jù)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(guān)于ECO的腳本還很少，但我們一直在補(bǔ)充。此外Tcl Store是一個基于GitHub的完全開源的環(huán)境，當(dāng)然也歡迎大家上傳自己手中有用的Tcl腳本，對其進(jìn)行補(bǔ)充。

        總體來說，ECO是一個比較大的命題，因?yàn)闋砍兜降母膭有枨筇啵鋵?shí)也很難限制在一個GUI界面中實(shí)現(xiàn)。這篇文章的目的就是為了讓大家對在FPGA上實(shí)現(xiàn)ECO有個基本的認(rèn)識，梳理看似復(fù)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(shí)一點(diǎn)都不難。

Ally Zhou  2015-2-9 于 Xilinx San Jose

附件:

在Vivado中實(shí)現(xiàn)ECO功能1.1.pdf ?1228 KB