基本的 FPGA 設(shè)計實現(xiàn)流程

FPGA 的設(shè)計流程簡單來講，就是從源代碼到比特流文件的實現(xiàn)過程。大體上跟 IC 設(shè)計流程類似，可以分為前端設(shè)計和后端設(shè)計。其中前端設(shè)計是把源代碼綜合為對應的門級網(wǎng)表的過程，而后端設(shè)計則是把門級網(wǎng)表布局布線到芯片上最終實現(xiàn)的過程。

以下兩圖分別表示 ISE 和 Vivado 的基本設(shè)計流程：

ISE 中設(shè)計實現(xiàn)的每一步都是相對獨立的過程，數(shù)據(jù)模型各不相同， 用戶需要維護不同的輸入文件，例如約束等，輸出文件也不是標準網(wǎng)表格式，并且形式各異，導致整體運行時間過長，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)計實現(xiàn)的任何一個階段 都支持 XDC 約束，可以生成時序報告，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)計檢查點（DCP）文件，大大縮短了運行時間。

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 腳本批處理運行，或是在 Vivado 圖形化界面 IDE 中交互運行和調(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)計流程，包括工程文件的位 置、階段性關(guān)鍵報告的生成、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)建相應的.xpr 工程文件，并在工程文件所 在的位置同層創(chuàng)建相應的幾個目錄，包括.cache、.data、.runs 和 .srcs 等等（不同版本可能有稍許差異），分別用于存儲運行工程過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、輸出的文件和 報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 中還可以一鍵式運行整個設(shè)計流程。這些預置的命令按鈕就放置在工具最左邊的側(cè)欄：Flow Navigator 。不同按鈕對應不同的實現(xiàn)過程，其中在后端實現(xiàn)階段，還可以用右鍵調(diào)出詳細分步命令，指引工具具體執(zhí)行實現(xiàn)的哪一步。

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)計檢查點.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)計源文件和設(shè)計過程。源文件只能從當前位置訪問，在設(shè)計實現(xiàn)過程中的每一步，數(shù)據(jù)和運行結(jié)果都存在于 Vivado 分配到的機器內(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)計的流程，用戶擁有絕對的自由，可以完全掌控設(shè)計實現(xiàn)流程，但也需要用戶對設(shè)計實現(xiàn)的過程和數(shù)據(jù)，尤其對文件輸出和管理全權(quán)負責，包括何時、何地、輸出怎樣的文件等等。

使用非工程模式管理輸入輸出文件、進行設(shè)計實現(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)生各種報告，進行交互式調(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 認為工程模式下不支持 Tcl 腳本運行是一個道理。但兩種模式支持的 Tcl 命令確實是完全不同的，使用起來也不能混淆。

下圖所示是同一個設(shè)計（Vivado 自帶的 Example Design）采用兩種模式實現(xiàn)所需使用的不同腳本，更詳細的內(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，實際執(zhí)行一條相當于執(zhí)行非工程模式下的數(shù)條 Tcl 命令。

Tcl對圖形化的補充

相信對大部分 FPGA 工程設(shè)計人員來說，圖形化界面仍舊是最熟悉的操作環(huán)境，也是設(shè)計實現(xiàn)的首選。在 Xilinx 推出全面支持 Tcl 的 Vivado 后，這一點依然沒有改變，但我們要指出的是，即使是在圖形化界面上跑設(shè) 計，仍然可以充分利用 Tcl 的優(yōu)勢。在 Vivado IDE 上運行 Tcl 腳本主要有以下幾個渠道。

Tcl Console

Vivado IDE 的最下方有一個 TclConsole，在運行過程中允許用戶輸入 Tcl/XDC 命令或是 source 預先寫 好的 Tcl 腳本，返回值會即時顯示在這個對話框。

舉例來說，設(shè)計調(diào)試過程中，需要將一些約束應用在某些網(wǎng)表目標上（具體可參照《Tcl 在 Vivado 中的應 用》所示），推薦的做法就是在 IDE 中打開.dcp 然后在 Tcl Console 中輸入相應的 Tcl/XDC 命令，驗證返回值，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 文件中以備下次實現(xiàn)時使用。

還有一種情況是，預先讀入的 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，只要運行時序報告來驗證。當然，如果能重跑設(shè)計，效果會更好，但是這種方法在早期設(shè)計階段提供了一種快速進行交互式驗證的可能，保證了更快地設(shè)計迭代，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 與時序報告、RTL 和門級網(wǎng)表以及布局布線后的網(wǎng)表之間進行交互調(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)計實現(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。

tcl.pre 表示當前這步 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告特定的時序信息、修改網(wǎng)表內(nèi)容、實現(xiàn) ECO 等等。

用 Tcl定制實現(xiàn)流程

綜上所述，標準的 FPGA 設(shè)計實現(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，從而實現(xiàn)設(shè)計流程的全定制。

注：以下討論的幾種實現(xiàn)方案中僅包含后端實現(xiàn)具體步驟的區(qū)別，而且只列出非工程模式下對應的Tcl 命令。

右圖所示是 Vivado 中設(shè)計實現(xiàn)的基本流程，藍色部分表示實現(xiàn)的基本 步驟（盡管opt_design 這一步理論上不是必選項，但仍強烈建議用戶執(zhí)行），對應 Implementation 的 Default 策略。黃色部分表示可選擇執(zhí)行的部分，不同的實現(xiàn)策略中配置不同。

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描述。

我們要展示的是如何對設(shè)計流程進行改動來更好的滿足設(shè)計需求，這些動作往往只能通過 Tcl 腳本來實現(xiàn)。

充分利用物理優(yōu)化

物理優(yōu)化即 phys_opt_design 是在后端通過復制、移動寄存器來降扇出和 retiming，從而進行時序優(yōu)化的 重要手段，一般在布局和布線之間運行，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可以運行多次，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 或選項來跑多次物理優(yōu)化，甚至可 以再多運行一次物理優(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)進行。

閉環(huán)設(shè)計流程

通常的 FPGA 設(shè)計流程是一個開環(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)。這次因為有了前一次布線后的真實連線延遲信息，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。

這一過程所需的運行時間較短，是一種很有針對性的時序優(yōu)化方案。可以通過 Tcl 寫一個循環(huán)多次迭代運行，但需留意每次的時序報告，若出現(xiàn)時序惡化就應及時停止。

增量設(shè)計流程

Vivado 中的增量設(shè)計也是一個不得不提的功能。當設(shè)計進行到后期，每次運行改動很小，在開始后端實現(xiàn)前讀入的設(shè)計網(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。

如上圖所示，運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)來縮短運行 時間，并生成可預測的結(jié)果。當設(shè)計有 95% 以上的相似度時，增量布局布線的運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。

除了縮短運行時間外，增量布局布線對沒有發(fā)生變化的設(shè)計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。

參考點.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 實現(xiàn)的情況下使用上一次運行的結(jié)果作為參考點，必須將其另存到這次運行目錄之外的位置，否則會因沖突而報錯。

以上用 Tcl 定制 Vivado 設(shè)計實現(xiàn)流程的討論就到這里，后面我將就 Tcl 使用場景，包括 ECO 流程等的更多細節(jié)進行展開。

審核編輯：劉清