Tcl在Vivado中的应用
xilinx的新一代设计套件vivado相比上一代产品 ise，在运行速度、算法优化和功能整合等很多方面都有了显著地改进。但是对初学者来说，新的约束语言 xdc 以及脚本语言 tcl 的引入则成为了快速掌握 vivado 使用技巧的最大障碍，以至于两年多后的今天，仍有很多用户缺乏 升级到 vivado 的信心。
本文介绍了 tcl 在 vivado 中的基础应用，希望起到抛砖引玉的作用， 指引使用者在短时间内快速掌握相关技巧，更好地发挥 vivado 在 fpga 设计中的优势。
tcl 的背景介绍和基础语法
tcl（读作 tickle）诞生于 80 年代的加州大学伯克利分校，作为一种简单高效可移植性好的脚本语言，目前已经广泛应用在几乎所有的 eda 工具中。tcl 的最大特点就是其语法格式极其简单甚至可以说僵化，采用纯粹的 [命令选项 参数] 形式，是名副其实的“工具命令语言”（即 tcl 的全称 tool command language）。
实际上 tcl 的功能可以很强大，用其编写的程序也可以很复杂，但要在 vivado 或大部分其它 eda 工具中使用，则只需掌握其中最基本的几个部分。
注：在以下示例中，% 表示 tcl 的命令提示符，执行回车后，tcl 会在下一行输出命令执行结果。 // 后是作者所加注释，并不是例子的一部分。
打印主要通过 puts 语句来执行，配合特殊符号，直接决定最终输出内容。
可以看到 tcl 对文件的操作也是通过设置变量，改变属性以及打印命令来进行的。上述写文件的例子中通过 puts 命令在 my_file.txt 文件中写入两行文字，分别为“hello world!” 和 myvar 变量的值，然后在读文件操作 中读取同一文件的内容。
控制流和循环命令
tcl 语言中用于控制流程和循环的命令与 c 语言及其它高级语言中相似，包括 if、while、for 和 foreach 等等。
具体使用可以参考如下示例，
子程序/过程
tcl 中的子程序也叫做过程（procedures），tcl 正是通过创建新的过程来增强其内建命令的能力，提供更强的扩展性。具体到 vivado 的使用中，用户经常可以通过对一个个子程序/过程的创建来扩展或个性化 vivado 的使用流程。
一些特殊符号
注： 反斜杠出现在行尾以允许命令在下一行继续时，必须是这一行的最后一个字符，其后不能有空格。
tcl 语言的基本语法相对简单，但要熟练掌握仍需日常不断练习。xilinx 网站上有很多相关资料，这里推荐 两个跟 tcl 相关的文档 ug835 和 ug894 ，希望对大家学习 vivado 和 tcl 有所帮助。
在vivado 中使用 tcl定位目标
在 vivado 中使用 tcl 最基本的场景就是对网表上的目标进行遍历、查找和定位，这也是对网表上的目标进行约束的基础。要掌握这些则首先需要理解 vivado 对目标的分类。
目标的定义和定位
如上图所示，设计顶层的 i/o 称作 ports，其余底层模块或是门级网表上的元件端口都称作 pins。而包括顶层在内的各级模块，blackbox 以及门级元件，都称作 cells。连线称作 nets，加上 xdc 中定义的 clocks，在 vivado 中一共将网表文件中的目标定义为五类。要选取这五类目标，则需用相应的 get_*命令，例如 get_pins 等等。
get_ports
ports 仅指顶层端口，所以get_ports 的使用相对简单，可以配合通配符“* ”以及 tcl 语言中处理 list 的命令一起使用。如下所示，
get_cells/get_nets
不同于 ports 仅指顶层端口，要定位 cells 和 nets 则相对复杂，首先需要面对层次的问题。这里有个大背景需要明确：vivado 中 tcl/xdc 对网表中目标的搜索是层次化的，也就是一次仅搜索一个指定的层次 current_instance，缺省值为顶层。
以右图所示设计来举例，若要搜索 a（不含 a1,a2）层次内的所有 cells 和名字中含有 nt 的 nets，有两种方法：
若要将搜索层次改为 a+b+b1，则可以写一个循环，逐一用 current_instance 将搜索层次指向 a，b 和 b1，再将搜索到的 cells 或 nets 合成一个 list 输出即可。
若要将搜索层次改为当前层次以及其下所有子层次，可以使用 -hierarchical （在 tcl 中可以简写为-hier）
在使用-hierarchical 时有一点需要特别留意，即后面所跟的搜索条件仅指目标对象的名字，不能含有代表 层次的“/” 。下面列出的写法便是一种常见的使用误区，并不能以此搜索到 a 及其下子层次内所有的 cells。
get_pins
pins 在 vivado 数据库中有个独特的存在形式，即 / 。这里的“ / ”不表示层次，而是其名字的一部分，表示这个 pin 所属的实体。也就是说，在使用 get_pins 配合-hier 来查找 pins 时，“ / ”可以作为名字的一部分，出现在搜索条件内（注意与上述 get_cells 和 get_nets 的使用区别）
目标之间的关系
tcl 在搜索网表中的目标时，除了上述根据名字条件直接搜索的方式，还可以利用目标间的关系，使用 -of_objects（在 tcl 中可以简写为-of）来间接搜索特定目标。vivado 中定义的五类目标间的关系如下页左图所示。
以上示右图的设计来举例，
下图是一个更复杂的示例，涉及跨层次搜索。可以看到在 get_pins 时，要加上-leaf 才能准确定位到门级 元件（或 blackbox）的端口 q。另外，在实际操作中，使用get_nets 和 get_pins 时，需要视情况而加上其它 条件（-filter）才能准确找到下述例子中的 cells （i2） 。
高级查找功能
在使用 get_*命令查找网表中的目标时，除了名字这一直接条件，往往还需要辅以其它更复杂的条件判断，这就需要用到高级查找功能：-filter 结合 tcl 支持的各种关系和逻辑运算符（==, !=, =~, !~, =, >,
在创建子程序时也常常用到-filter，例如下述 get_p 的子程序/过程就可以用来返回指定管脚的方向属性，告诉用户这是一个输入管脚还是一个输出管脚。需要特别指出的是，通常在-filter 后会使用{ }，但此时需要对 $direction 做变量替换，必须如下所示改用 。
tcl 在 vivado 中的延伸应用
tcl 在 vivado 中的应用还远不止上述所列，其它常用的功能包括使用预先写好的 tcl 脚本来跑设计实现流程，创建高级约束（xdc 不支持循环等高级 tcl 语法）以及实现复杂的个性化设计流程等等。tcl 所带来的强大的可扩展性决定了其在版本控制、设计自动化流程等方面具有图形化界面不能比拟的优势。
vivado 在不断发展更新的过程中，还有很多新的功能，包括 eco、pr、hd flow 等等都是从 tcl 脚本方 式开始支持，然后再逐步放入图形化界面中实现。这也解释了为何高端 fpga 用户和熟练的 vivado 用户都更 偏爱 tcl 脚本。
篇幅所限，不能一一展开。关于以上 tcl 在 vivado 中的延伸应用，敬请关注 xilinx 官方网站和中文论坛 上的更多技术文章。
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tcl（读作 tickle）诞生于 80 年代的加州大学伯克利分校，作为一种简单高效可移植性好的脚本语言，目前已经广泛应用在几乎所有的 eda 工具中。tcl 的最大特点就是其语法格式极其简单甚至可以说僵化，采用纯粹的 [命令选项 参数] 形式，是名副其实的“工具命令语言”（即 tcl 的全称 tool command language）。
实际上 tcl 的功能可以很强大，用其编写的程序也可以很复杂，但要在 vivado 或大部分其它 eda 工具中使用，则只需掌握其中最基本的几个部分。
注：在以下示例中，% 表示 tcl 的命令提示符，执行回车后，tcl 会在下一行输出命令执行结果。 // 后是作者所加注释，并不是例子的一部分。
打印主要通过 puts 语句来执行，配合特殊符号，直接决定最终输出内容。
可以看到 tcl 对文件的操作也是通过设置变量，改变属性以及打印命令来进行的。上述写文件的例子中通过 puts 命令在 my_file.txt 文件中写入两行文字，分别为“hello world!” 和 myvar 变量的值，然后在读文件操作 中读取同一文件的内容。
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tcl 语言中用于控制流程和循环的命令与 c 语言及其它高级语言中相似，包括 if、while、for 和 foreach 等等。
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子程序/过程
tcl 中的子程序也叫做过程（procedures），tcl 正是通过创建新的过程来增强其内建命令的能力，提供更强的扩展性。具体到 vivado 的使用中，用户经常可以通过对一个个子程序/过程的创建来扩展或个性化 vivado 的使用流程。
一些特殊符号
注： 反斜杠出现在行尾以允许命令在下一行继续时，必须是这一行的最后一个字符，其后不能有空格。
tcl 语言的基本语法相对简单，但要熟练掌握仍需日常不断练习。xilinx 网站上有很多相关资料，这里推荐 两个跟 tcl 相关的文档 ug835 和 ug894 ，希望对大家学习 vivado 和 tcl 有所帮助。
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在 vivado 中使用 tcl 最基本的场景就是对网表上的目标进行遍历、查找和定位，这也是对网表上的目标进行约束的基础。要掌握这些则首先需要理解 vivado 对目标的分类。
目标的定义和定位
如上图所示，设计顶层的 i/o 称作 ports，其余底层模块或是门级网表上的元件端口都称作 pins。而包括顶层在内的各级模块，blackbox 以及门级元件，都称作 cells。连线称作 nets，加上 xdc 中定义的 clocks，在 vivado 中一共将网表文件中的目标定义为五类。要选取这五类目标，则需用相应的 get_*命令，例如 get_pins 等等。
get_ports
ports 仅指顶层端口，所以get_ports 的使用相对简单，可以配合通配符“* ”以及 tcl 语言中处理 list 的命令一起使用。如下所示，
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不同于 ports 仅指顶层端口，要定位 cells 和 nets 则相对复杂，首先需要面对层次的问题。这里有个大背景需要明确：vivado 中 tcl/xdc 对网表中目标的搜索是层次化的，也就是一次仅搜索一个指定的层次 current_instance，缺省值为顶层。
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若要将搜索层次改为 a+b+b1，则可以写一个循环，逐一用 current_instance 将搜索层次指向 a，b 和 b1，再将搜索到的 cells 或 nets 合成一个 list 输出即可。
若要将搜索层次改为当前层次以及其下所有子层次，可以使用 -hierarchical （在 tcl 中可以简写为-hier）
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get_pins
pins 在 vivado 数据库中有个独特的存在形式，即 / 。这里的“ / ”不表示层次，而是其名字的一部分，表示这个 pin 所属的实体。也就是说，在使用 get_pins 配合-hier 来查找 pins 时，“ / ”可以作为名字的一部分，出现在搜索条件内（注意与上述 get_cells 和 get_nets 的使用区别）
目标之间的关系
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在创建子程序时也常常用到-filter，例如下述 get_p 的子程序/过程就可以用来返回指定管脚的方向属性，告诉用户这是一个输入管脚还是一个输出管脚。需要特别指出的是，通常在-filter 后会使用{ }，但此时需要对 $direction 做变量替换，必须如下所示改用 。
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