Vivado使用误区与进阶——在Vivado中实现ECO功能

作者：Ally Zhou，Xilinx工具与方法学应用专家

关于Tcl在Vivado中的应用文章从Tcl的基本语法和在Vivado中的应用展开，继上篇《用Tcl定制Vivado设计实现流程》介绍了如何扩展甚至是定制FPGA设计实现流程后，引出了一个更细节的应用场景：如何利用Tcl在已完成布局布线的设计上对网表或是布局布线进行局部编辑，从而在最短时间内，以最小的代价完成个别的设计改动需求。

什么是ECO

ECO指的是Engineering Change Order，即工程变更指令。目的是为了在设计的后期，快速灵活地做小范围修改，从而尽可能的保持已经验证的功能和时序。ECO的叫法算是从IC设计领域继承而来，其应用在FPGA设计上尚属首次，但这种做法其实在以往的FPGA设计上已被广泛采用。简单来说，ECO便相当于ISE上的FPGA Editor。

但与FPGA Editor不同，Vivado中的ECO并不是一个独立的界面或是一些特定的命令，要实现不同的ECO功能需要使用不同的方式。

ECO的应用场景和实现流程

ECO的应用场景主要包含：修改cell属性、增减或移动cell、手动局部布线。还有一些需要多种操作配合的复杂场景，例如把RAM（或DSP）的输出寄存器放入/拉出RAMB（或DSP48）内部，或是把设计内部信号接到I/O上作调试probe用等等。

针对不同的应用场景，Vivado中支持的ECO实现方式也略有区别。有些可以用图形界面实现，有些则只能使用Tcl命令。但通常可以在图形化界面上实现的操作，都可以改用一条或数条Tcl命令来实现。

ECO的实现流程如下图所示：



第一步所指的Design通常是完全布局布线后的设计，如果是在工程模式下，可以直接在IDE中打开实现后的设计，若是仅有DCP文件，不论是工程模式或是非工程模式产生的DCP，都可以用open_checkpoint命令打开。

第二步就是ECO的意义所在，我们在布局布线后的设计上进行各种操作，然后仅对改动的部分进行局部布局/布线而无需整体重跑设计，节约大量时间的同时也不会破坏已经收敛的时序。

第三步就是产生可供下载的bit文件了，此时必须在Tcl Console中或是Tcl模式下直接输入命令产生bit文件，而不能使用IDE上的“Generate Bitstream”按钮。原因是后者读到的还是ECO前已经完成布局布线的原始设计，生成的bit文件自然也无法使用。

修改属性

绝大部分的属性修改都能通过IDE界面完成，如下图所示：



比如要修改寄存器的初值INIT或是LUT的真值表，用户只需在Vivado IDE中打开布局布线后的设计（Implemented Design），在Device View中找到并选中这个FF/LUT，接着在其左侧的Cell Properties视图中选择需要修改的属性，直接修改即可。

除了对FF/LUT的操作外，很多时候我们需要对MMCM/PLL输出时钟的相移进行修改。对于这种应用，用户也无需重新产生MMCM/PLL，与上述方法类似，可以在布局布线后的Device View上直接修改。



移动/交换cells

移动/交换cells是对FF/LUT进行的ECO操作中最基本的一个场景，目前也只有这种情况可以通过图形化实现。如要删减cells等则只能通过Tcl命令来进行。

具体操作方法也相当简便，要互换cells位置的情况下，只要在Device View上选中需要的那两个cells，如上图所示的两个FFs，然后右键调出菜单，选择Swap Locations即可。若要移动cells则更简单，直接在图中选中FF拖移到新的位置即可。



当用户移动或改变了cells的位置后会发现与其连接的nets变成了黄色高亮显示，表示这些nets需要重新布线。这时候需要做的就是在图中选中这些nets然后右键调出菜单，选择Route进行局部布线。



局部布线后一定要记得在Tcl Console中使用report_route_status命令检查布线情况，确保没有未完成布线（unrouted）或是部分未完成布线（partial routed）的nets存在。给这个命令加上选项则可以报告出更细致的结果，如下图所示。



如果换个稍复杂些的Tcl命令配合图形化显示，更加直观的同时，也可以方便右键调出命令进行针对性的局部布线。



手动布线

手动布线是一种非常规的布线方式，一次只能针对一根net在图形化界面下进行。所谓手动布线，除了完全手动一个节点一个节点的选择外，也支持工具自动选择资源来布线。通常我们并不建议全手动的方式，Vivado是时序驱动的工具，所以其自动选择的布线结果已经是遵循了时序约束下的最佳选择。

在Device View中选择一根没有布线或是预先Unroute过的net（显示为红色高亮），右键调出菜单并选择Enter Assign Routing Mode… 便可进入手动布线模式。



复杂的ECO场景

篇幅过半，一直在铺垫，其实最有实践意义的ECO还没提到。相信大部分用户最怀念FPGA Editor中的一个功能就是probe了，如何快速地把一根内部信号连接到FPGA管脚上，无需重新布局布线，直接更新bit文件后下载调试。曾经数次被客户问及，很多人还为Vivado中不支持这样的做法而深表遗憾。

其实这样类似的功能在Vivado中一直支持，唯一的问题是暂时还没有图形化界面可以一键操作（相关开发工作已经在进行中）。但受益于Tcl的灵活多变，我们可以更有针对性地实现probe功能，效率也更高。