李 卿，惠 鋒，董志丹

（無錫中微億芯有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著 FPGA（Field-Programmable Gate Array）的發(fā)展，對其工作頻率和處理速度的要求越來越高。器件處理速度的提高意味著邏輯設(shè)計時對時鐘信號方面的要求和處理也變得更嚴(yán)格，需要通過附加約束來控制邏輯的綜合、映射、布局和布線，以減少邏輯和布線的傳輸延時，從而提高工作頻率。因此，用戶約束在電子設(shè)計自動化（Electronic Design Automation,EDA）工具使用中不可或缺，是自主研發(fā)EDA工具的重要組成部分。由于用戶約束規(guī)則復(fù)雜繁多、靈活多變，如何簡單、有效地實現(xiàn)約束文件的解析至關(guān)重要，本文提出一種采用TCL（Tool Command Language）語言來實現(xiàn)用戶約束文件的解析方法。

TCL是一種基于字符串的解釋型命令語言，是一種簡明、高效、可移植性好的編程語言，具有可擴展、支持重用、簡單易學(xué)等特點。TCL語言作為應(yīng)用的粘合劑，能夠無縫地將很多應(yīng)用集成在一起，并且每一條TCL語句都可以理解成命令參數(shù)形式[1]。它適合與C集成，C程序調(diào)用TCL的解釋器來運行腳本；C函數(shù)也可作為TCL過程。由于其功能強大且簡單易學(xué)，故TCL常被用于快速原型開發(fā)、腳本編程、GUI（圖形用戶界面）、測試等[2]。

2 TCL簡介

TCL是一種解釋執(zhí)行的腳本語言，支持變量、循環(huán)、過程等使用的編程元素。其功能強大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和語法非常簡單，與其他開發(fā)語言相比，TCL語言需要學(xué)習(xí)的知識少，編寫的代碼量也少，易于學(xué)習(xí)和掌握。TCL還是一種跨平臺語言，適用于多個開發(fā)平臺之間的代碼移植，在Windows平臺下開發(fā)的程序代碼在多數(shù)情況下可以直接移植到Linux平臺下。另外，TCL和它的大多數(shù)擴展都是免費開源軟件，在互聯(lián)網(wǎng)上很容易下載到，極大地方便了開發(fā)者的使用[3]。

TCL主要包含兩部分：腳本語言和為之而設(shè)計的解釋器。TCL語言命令的基本語法如式(1)所示，其中Command代表內(nèi)置的命令名稱或TCL進(jìn)程，arg1、arg2、arg3等代表命令的參數(shù)，參數(shù)與命令或參數(shù)之間用空格符分開，參數(shù)都是字符串，通過回車換行或者分號來結(jié)束一條命令[4]。

TCL解釋器是一個C語言函數(shù)庫，它提供了豐富的C語言調(diào)用接口，可以很容易地嵌入至C語言的程序中，從而實現(xiàn)在C應(yīng)用程序中執(zhí)行TCL的命令或腳本，具體流程如圖1所示[5]。此外，TCL提供了豐富的功能擴展函數(shù)，允許用戶編寫新的命令解釋程序，加入TCL的解釋器中。

圖1 TCL執(zhí)行流程

3 設(shè)計實現(xiàn)

由于用戶約束規(guī)則復(fù)雜、多變，為達(dá)到設(shè)計的簡潔性、靈活性、可擴展性，采用C與TCL交互的方式實現(xiàn)。在TCL文件中，首先根據(jù)用戶約束規(guī)則聲明所有的約束規(guī)則，然后定義該約束的解析規(guī)則，最后讀取用戶約束文件并根據(jù)解析規(guī)則進(jìn)行逐行解析。TCL解析結(jié)果通過調(diào)用命令處理過程反饋給C應(yīng)用程序，進(jìn)而應(yīng)用至布局、布線等流程，按照用戶約束設(shè)計實現(xiàn)FPGA的整個設(shè)計流程，如圖2所示。

圖2 設(shè)計流程

在TCL代碼中實現(xiàn)約束文件的解析主要分為聲明約束規(guī)則、定義解析規(guī)則、解析用戶約束，下面分模塊進(jìn)行闡述。

3.1 聲明約束規(guī)則

用戶約束規(guī)則復(fù)雜繁多，為了便于后續(xù)的擴展和移植，首先根據(jù)約束規(guī)則聲明該規(guī)則，當(dāng)約束規(guī)則更改或添加新的約束規(guī)則時只需要修改或添加聲明即可，非常簡潔方便。聲明約束規(guī)則的格式如式(2)所示：

其中declare為關(guān)鍵字，是自定義的TCL處理過程，在該過程中獲取聲明的約束名、約束參數(shù)、約束條件，并定義該約束應(yīng)執(zhí)行的解析處理過程，執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3 declare處理流程

以創(chuàng)建時鐘為例，其用戶約束語句一般如下所示：

create_clock-period 100-name clk[get_ports PCLK]

根據(jù)其規(guī)則，聲明的約束規(guī)則如下所示：

declarecreate_clock{

{-period Float{$par>=0} }

{-name String }

{-waveform List{type_Float{length($length>=2&&($length%2)==0)}}}

{port_pin_listList }

{-add Flag }

}{param(-period)&& (param(-name)||param(port_pin_list))}

各字段的解釋如表1所示。

表1 約束規(guī)則說明

3.2 定義解析規(guī)則

根據(jù)已聲明的約束規(guī)則，定義相應(yīng)的解析規(guī)則，當(dāng)解析用戶約束文件時，根據(jù)該規(guī)則逐條進(jìn)行解析。首先獲取用戶約束語句中的約束名稱與參數(shù)，并根據(jù)該約束名稱查找已聲明的約束規(guī)則；然后逐個遍歷參數(shù)，獲取其參數(shù)名與參數(shù)值，并根據(jù)值類型、值約束條件校驗該參數(shù)值是否合法，若合法則保存該參數(shù)名與參數(shù)值鍵值對；當(dāng)遍歷完所有參數(shù)，根據(jù)聲明的約束條件校驗整條語句是否合法，若合法則調(diào)用回調(diào)函數(shù)將結(jié)果返回至C程序。整個處理流程如圖4所示。

3.3 解析用戶約束

采用TCL打開用戶約束文件并逐行讀取約束語句，根據(jù)定義的解析規(guī)則解析該約束語句，并將解析結(jié)果通過調(diào)用命令處理過程返回至C程序中，進(jìn)而應(yīng)用至布局、布線等流程。其流程如圖5所示。

圖4 定義解析規(guī)則

圖5 解析用戶約束

4 測試結(jié)果

本文所述的用戶約束文件解析方法已應(yīng)用至自主研發(fā)的EDA工具中。例如：圖6為用戶約束文件，圖7、圖8為解析結(jié)果在GUI中的顯示，通過對比發(fā)現(xiàn)，解析結(jié)果全部正確。

圖6 用戶約束文件

圖7 GUI顯示解析結(jié)果(創(chuàng)建時鐘)

圖8 GUI顯示解析結(jié)果(位置約束)

5 結(jié)論

利用TCL實現(xiàn)用戶約束文件的解析，首先聲明約束規(guī)則，然后定義解析規(guī)則，非常適用于規(guī)則繁多、復(fù)雜多變的文件解析，當(dāng)約束規(guī)則更改或者添加新的約束規(guī)則時只需要修改或添加相應(yīng)的聲明、解析規(guī)則即可，非常靈活方便，具有很強的可擴展性與可移植性，便于后期的維護工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙麗.基于TCL腳本的自動化測試工具的研究與實現(xiàn)[J].信息化研究，2009，35（11）.

[2]陸天宇，孔嘯.基于TCL語言的CAE流程自動化系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2012，01(上)：3-7.

[3]馬飛，劉琦，尹娜，包斌.Tcl/Tk語言FPGA邏輯IP庫實現(xiàn)方法研究[J].電子測量技術(shù)，2014，37（1）.

[4]John K,Ousterhout Ken Jones.Tcl/Tk入門經(jīng)典[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]楊怡玲，王換招，管旭東.利用Tcl/Tk實現(xiàn)X Windows下的GUI[J].微電子學(xué)與計算機，1999,1.

[6]李杰.IP核驗收平臺搭建與圖形用戶界面開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.