[静态时序分析简明教程(十一)]浅议tcl语言

一、写在前面

一个数字芯片工程师的核心竞争力是什么？不同的工程师可能给出不同的答复，有些人可能提到硬件描述语言，有些人可能会提到对于特定算法和协议的理解，有些人或许会提到对于软硬件的结合划分，作者想说，这些说法，其实对也不对，硬件描述语言，翻来覆去无非是always和assign这几个语句的反复使用，而一些基础的协议算法，深究起来其实也并不复杂，于作者而言，在常规的技能以外，有两项额外的技能颇为重要，其中之一便为sdc/STA的分析能力，它的重要之处在于作为桥梁建立了前端和后端的连接，虽然对于DE工程师而言，初版交付的sdc往往不甚准确，也没有办法通过这份sdc生成一份无误的timing report，但sdc的内容体现却是完完整整的将时序约束从行为级的描述映射到了gate level这样一个真实的电路层次上面。
写此专栏，一为学习记录，二为交流分享，以犒粉丝读者。

1.1 快速导航链接·

静态时序分析简明教程(一)绪论
静态时序分析简明教程(二)基础知识：建立保持时间，违例修复，时序分析路径
静态时序分析简明教程(三)备战秋招，如何看懂一个陌生的timing report
静态时序分析简明教程(四)时钟常约束
静态时序分析简明教程(五)生成时钟
静态时序分析简明教程(六)时钟组与其他时钟特性
静态时序分析简明教程(七)端口延迟
静态时序分析简明教程(八)虚假路径
静态时序分析简明教程(九)多周期路径
静态时序分析简明教程(十)组合电路路径
静态时序分析简明教程(十一)模式分析与约束管理
静态时序分析简明教程(十二)浅议tcl语言

二、Tcl基础知识

SDC的约束基于Tcl语言。通过使SDC扩展到Tcl，基于工具的命令可以和原生Tcl的结构，如变量，表达式，语句和子程序相混合，实现更为强大的功能，因此，作为SDC约束的提供方，对Tcl命令的理解，本身也是IC技能中颇为重要的一个方面。

Tcl是由加州大学伯克利分校开发的常用脚本语言，它是一种解释语言，每条语句被以此解析并立即执行， 在Tcl脚本遇到第一个错误的时候就会立刻停止。

Tcl脚本遵循一些基本的语义，总结起来是以下四点

1. 每条Tcl以换行符或分号结束；
2. 如果一条语句跨越多行，然后再下一行继续执行，需要在行尾加反斜杠
3. 双引号和大括号括住的包括多个单词的字符串被认定为单元
4. #开头的语句是注释

给出两个简单的例子，帮助读者们快速get以上四条的含义

puts “Hello World!”; # 这是一条注释
puts {Hello, World!}

三、Tcl的语言结构

Tcl的语言结构可以区分为以下几种

1. 变量
2. 列表
3. 表达式与运算符
4. 控制流语句
5. 过程

接下来我们将逐一讲解其含义

3.1 Tcl变量

Tcl变量是ASCII字符串，变量使用set命令来分配（Example1），如果要对变量求值，需要使用“$“符号（Example2)，因为”$“的特殊含义，因此假如想要打印这个变量，需要”\$"，多一个“\”符号(Example3)

Example1:
set abc “1234” #set是命令，abc是变量，1234是分配给变量的值

Example2:
puts $abc #将打印1234

Example3:
puts “I have a \$bill”

3.2 Tcl表达式与运算符

Tcl中使用expr命令来对表达式求值

set x 10
# 两条语句的返回值都为30
expr $x + 20
expr [$x + 20]

两条expr命令将返回相同的值，但是Tcl建议表达式使用大括号，这有助于程序更快地执行。
下面的表格将列出Tcl所支持的运算符

运算符	描述
- + ~ ！	一元减，一元加，按位取反，逻辑非
+ - * /	加 减 乘 除
**	指数
<> <= >= == !=	关系运算符：小于、大于、小于或等于、大于或等于、等于、不等于
eq,ne	比较两个字符串相等(eq)或不相等(ne)
in,ni	检查列表中包括(in)不包括字符串的运算符。返回1为真，0为假
&|^	按位与、或、异或
&&，||	逻辑与、或
<< >>	左移右移

3.3 Tcl的控制流语句

Tcl的控制流语句由以下种类的结构组成
1.列表遍历
2.决策
3.循环
4.子程序

3.3.1 列表遍历

Tcl提供了foreach结构来遍历列表，案例如下

# 创建一个包含元素的列表
set my_list {apple banana orange}# 使用 foreach 命令遍历列表
foreach item $my_list {# 输出当前列表元素puts "Item: $item"
}

它会有如下的输出结果

Item: apple
Item: banana
Item: orange

3.3.2 决策

Tcl提供if-else if-else的结构来提供决策能力，举例如下：

# 假设有一个变量 age 表示年龄
set age 25# 使用 if-else if-else 结构进行决策
if {$age < 18} {puts "未成年人"
} elseif {$age >= 18 && $age < 60} {puts "成年人"
} else {puts "老年人"
}

其输出的结果如下：

成年人

3.3.3 Tcl循环

当程序想在一个条件下循环和终止时，可以使用Tcl提供的for和while语句，它还提供了两个额外的结构，break和continue，其中break用提提前结束循环，而continue用于停止执行当前代码的循环，并重新评估当前循环的代码。
for语句的循环举例如下：

# 使用 for 循环输出数字从1到5
for {set i 1} {$i <= 5} {incr i} {puts $i
}

运行上面的代码会产生如下的输出

1
2
3
4
5

while语句的循环举例如下：

# 使用 while 循环计算数字的阶乘
set num 5
set factorial 1
while {$num > 0} {set factorial [expr $factorial * $num]incr num -1
}
puts "5的阶乘是: $factorial"

它会产生如下的输出结果

5的阶乘是: 120

break语句的举例如下

# 使用 while 循环打印数字，直到遇到数字 4 时终止循环
set i 1
while {$i <= 10} {puts $iif {$i == 4} {break  ;# 当 i 等于 4 时终止循环}incr i
}

在这个示例中，我们使用 while 循环打印数字从 1 到 10。然而，当 i 的值等于 4 时，我们使用 break 语句提前终止了循环的执行，因此循环只会打印数字 1 到 3。以上的代码将会输出如下的结果

1
2
3
4

3.3.4 Tcl过程

在Tcl中，过程可以通过 proc 命令定义，用于封装一系列命令，形成一个可重复使用的代码块，以下是一个例子

# 定义一个计算两个数之和的过程
proc add_numbers {num1 num2} {set sum [expr $num1 + $num2]return $sum
}# 调用定义的过程来计算和
set result [add_numbers 10 20]
puts "计算结果是: $result"

在这个示例中，我们首先使用 proc 命令定义了一个名为 add_numbers 的过程，该过程接受两个参数 num1 和 num2，并计算它们的和。然后，我们在代码的后续部分调用了这个过程，传递了参数 10 和 20，并将计算结果存储在变量 result 中。

其结果输出如下：

计算结果是: 30

3.4 其他Tcl命令

以下是一些常用的Tcl命令

3.4.1 open/close

文件句柄，用来打开和关闭文件

#以写模式打开文件"file.txt"
set fhandle [open "file.txt" w] 
#关闭文件句柄
close $fhandle

3.4.2 gets/puts

获取字符串或打印字符串，举例如下：

# 提示用户输入姓名
puts "请输入您的姓名："
# 使用 gets 命令读取用户输入的一行数据
gets stdin name# 提示用户输入年龄
puts "请输入您的年龄："
# 使用 gets 命令读取用户输入的一行数据
gets stdin age# 使用 puts 命令输出用户输入的信息
puts "您的姓名是：$name"
puts "您的年龄是：$age"

在这个示例中，我们首先使用 puts 命令提示用户输入姓名，并使用 gets 命令从标准输入读取用户输入的姓名。然后，我们再次使用 puts 命令提示用户输入年龄，并使用 gets 命令从标准输入读取用户输入的年龄。最后，我们使用 puts 命令将用户输入的姓名和年龄输出到标准输出。
运行上述代码将会产生类似于以下的交互过程：

请输入您的姓名：
John Smith
请输入您的年龄：
28
您的姓名是：John Smith
您的年龄是：28

3.4.3 catch

在Tcl中，catch 命令用于捕获可能引发异常的代码块，并在发生异常时进行处理。以下是一个使用 catch 命令的示例

# 尝试将一个非数字字符串转换为整数
set input "abc"
catch {set number [expr $input]
} result# 检查是否捕获到异常
if {[catch "set number [expr $input]" result]} {puts "捕获到异常：$result"
} else {puts "转换结果为：$number"
}

在这个示例中，我们首先尝试将字符串 “abc” 转换为整数，这是不合法的操作，会引发异常。我们使用 catch 命令来捕获可能发生的异常，并将异常信息存储在变量 result 中。然后，我们检查是否捕获到异常，如果捕获到异常，则输出异常信息；否则，输出转换结果。
运行上述代码将会输出：

捕获到异常：expected integer but got "abc"

3.4.4 info

从Tcl解释器获取信息所使用的命令

info commands <pattern>: 返回名称与pattern格式匹配的命令列表
info exists <name>:如果name作为变量存在，则返回1，否则返回0
info procs <pattern>:返回与pattern格式匹配的Tcl过程列表

3.4.5 source

在 Tcl 编程语言中，source 命令用于在当前脚本中执行另一个 Tcl 脚本文件。通过使用 source 命令，可以将另一个脚本文件中的代码嵌入到当前脚本中执行，从而实现模块化和代码重用。

3.4.6 incr

在 Tcl 编程语言中，incr 是一个内置命令，用于增加变量的值。它可以用于增加整数变量或双精度浮点数变量的值。

# 增加整数变量的值
set count 5
incr count   ;# 将 count 增加 1
puts "增加后的值是: $count"# 增加整数变量的值，并指定增量
set value 10
incr value 2   ;# 将 value 增加 2
puts "增加后的值是: $value"# 增加双精度浮点数变量的值
set total 3.5
incr total 1.2   ;# 将 total 增加 1.2
puts "增加后的值是: $total"

上面的代码会输出如下的结果

增加后的值是: 6
增加后的值是: 12
增加后的值是: 4.7

3.4.7 exit

exit 是一个内置命令，用于终止当前脚本的执行，并退出 Tcl 解释器。您可以使用 exit 命令来在特定条件下终止脚本的执行，或在脚本执行完毕后退出解释器。

四、总结

本文中，我们总结了Tcl语句的相关使用方法，提供了大量的案例来讲解：Tcl的变量、表达式、运算符列表遍历、决策、循环、Tcl过程，其中还会涉及到额外的语句如open/close、gets/puts、catch、info、source、incr、exit。