基于FPGA的俄罗斯方块游戏.pdf-资料库

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基于 FPGA 的俄罗斯方块一、开发思路我们项目的主题是开发一款基于 Xilinx 的 ZYBO 开发板的俄罗斯方块游戏。我们认为，游戏的开发应该分输入控制——游戏逻辑——输出显示三个模块来开发。 1.1 输入控制当一款游戏在电脑上运行时，输入一般是鼠标或键盘信号。然而，现在我们需要把游戏在开发板上实现，因此其输入信号的来源就变成了与板子匹配的外设。Zybo 开发板上提供了 4 个按键和 4 个开关，这都是可以当作控制信号的。此外，电脑端的 UART 串口也可以作为控制信号；可扩展的键盘或是手势识别，也都可以作为控制信号输入给游戏。 1.2 游戏逻辑游戏逻辑是保证游戏能符合规则正常运行的前提。俄罗斯方块作为一款人尽皆知的大众化游戏，其规则不难理解：每次有一个由小方块组成的不同形状的板块陆续从屏幕上方落下来，玩家通过调整板块的位置和方向，使它们在屏幕底部拼出完整的一条或几条。这些完整的横条会随即消失，给新落下来的板块腾出空间。与此同时，玩家得到相应的分数奖励。不能被消除的方块不断堆积起来，一旦堆到屏幕顶端，玩家便告负，游戏结束。我们的俄罗斯方块的游戏逻辑就是根据以上规则来制定的。 1.3 显示输出游戏最终是要显示出来给大家玩的，所以最后的显示模块是必不可少的。现在主要的输出方式主要有 HDMI 和 VGA 两种。考虑到实现起来的复杂度，我们选择使用 VGA 输出的方式。在开发方式上，我们有两种方式可以选择：一种是 RTL 方式，即编写 verilog 代码，直接操控硬件，用电路的方式来实现游戏的功能；另一种是嵌入式 PS、PL 协同的方式，即在 Vivado 中搭好硬件，进入 SDK 下编写游戏逻辑，来实现最终游戏的功能。

二、 RTL 实现本项目是基于 Verilog 硬件描述语言的 FPGA 开发。通过 Vivado 综合实现，VGA 显示器输出，最终完成项目的整体开发。 2.1 实现工具硬件平台：ZYNQ-7000 开发板、VGA 显示器软件平台：Vivado 2016.4、Modelsim 10.2c、Visual Studio Code 编程语言：Verilog 2.2 实现过程项目开发的总体流程为架构设计、模块实现、Vivado 综合、上板验证。下面将对各个部分进行详细介绍。 2.3 架构设计项目开发采用的是模块化设计的方法。根据游戏的规则与最终实现效果，我设计了以下模块： 1. 按键检测模块（key）：检测旋转、左移、右移、下降按键的触发并进行消抖处理； 2. 游戏控制模块(game_control):控制方块的状态（产生、颜色、位置、清除）； 3. 数据通路模块(datapath)：根据方块的状态来变化数据； 4. 数据组织模块(merge)：整合数据为可以输出的形式； 5. VGA 顶层模块(vga_top)：该模块包括时钟分频模块(clk_unit)和显示模块(vga)。时钟分频模块将板上时钟分频为 VGA 显示器的扫描频率，显示模块将整合好的数据输出到 VGA 显示屏上。项目的架构图如下图所示： 1 / 18

2.3 模块实现 1.按键检测模块该模块的功能是按键检测以及消抖。 2.游戏控制模块 2 / 18

该模块的功能是控制方块的状态。它的设计使用了有限状态机。方块共有 10 个状态，如下表所示：状态 S_idle S_new S_hold S_move S_shift S_down S_remove_1 S_remove_2 S_isdie S_stop 对应操作闲置产生一个随机颜色的新方块方块不动方块预移动（左移、右移、旋转）方块移动（下降、左移、右移、旋转）方块预移动（下降）方块停靠方块清除旧方块“死亡” 游戏结束状态机图：上图清晰地展示了方块状态间的转换。除此之外，变量 color_state 控制方块的颜色状态（红、蓝、绿），在 S_new 状态下进行变色。 3.数据通路模块 3 / 18

该模块的主要功能是根据方块的状态来对相应的数据进行改变。本游戏共有 7 种形状的方块，每种方块有 1-4 种不同的旋转变形方式。根据方块的种类，将方块设为 A-G，旋转编号为 1-4，将方块编码成 A1-G2，共 19 种，如下图所示。深色方块是该方块的基准方块，其他方块的位置根据该方块确定。为了确定方块的位置，定义矩阵 R[n][m]（0≤n≤23,0≤m≤9）来表示 24 行 10 列的画面。当 R[n][m]=1 时，n 行 m 列位置存在方块。为了让每次产生的新方块是不同形状的，定义变量 RAN 来表示方块的种类，每个时钟周期，RAN 值加 1。为了让方块能够进行左移、右移、旋转，输出变量 MOVE_ABLE 来控制方块的以上移动操作。除此之外，输入变量 AUTODOWN 和输出变量 DOWN_ABLE 来控制方块的自动下落和按键控制加速下落。输入变量 REMOVE_1 和 REMOVE_2 分别控制方块的停靠和行满消行及平移。输入变量 DIE 判断游戏是否结束，当第四行有方块时，游戏结束。（游戏画面仅有 20 行，1-4 行不显示，仅作判断）。 4.数据组织模块 4 / 18

该模块将数据通路模块输出的数据进行重新组织，使得数据满足输出的格式。 5.VGA 顶层模块该模块的功能是进行 VGA 显示，它由时钟分频子模块和 VGA 显示子模块组成。时钟分频模块 VGA 显示模块为了要在 VGA 显示器上输出结果，我们需要进行显示器扫描。 VGA 显示器扫描的相关原理和参数见下图：原理 5 / 18

参数由上图我们可以知道，显示器扫描的频率约为 25MHZ，因此我们需要用时钟分频模块对我们的板上时钟（频率为 125MHZ）进行分频，与显示器扫描频率保持一致。在 VGA 显示模块中，模拟显示器逐行扫描的过程，将游戏画面显示在屏幕正中央。游戏界面中，有方块处显示相应颜色的方块，无方块处显示白色背景；游戏界面外显示黑色背景。 2.4 Vivado 综合模块设计完成后，使用 Vivado 建立工程，并进行综合。综合完成后，先进行相应的管脚绑定，管脚绑定如下图所示：查看资源报告、能耗报告以及时序报告，在第四节中与 SDK 实现进行对比。 6 / 18

2.5 上板验证使用 Vivado 生成 bit 文件后，烧录到 Zybo 开发板上，测试游戏效果，并进行 debug 和迭代。三、嵌入式实现嵌入式部分我们参考了助教所给的 demo 工程。该工程中是把 hdmi 的输入从 VGA 输出，并能做到改变分辨率、反转颜色等功能。在 block design 中我们看到了很多硬件，但我们需要的只是其中的一些部分。而在 SDK 中打开以后我们发现，像 VGA 输出这种已经封装好了的函数可以直接使用。在此基础上我们通过添加游戏逻辑，封装等方式，来最终实现需要的游戏功能。 3.1 硬件部分硬件部分我们沿用了 demo 的硬件组成没有改过，但是没有使用所有的硬件设备。像 demo 中获取 hdmi 输入的设备，板上 swtich 和 led 设备等，在我们的功能中就没有用上。这里主要讲一下我们所主要使用的硬件部分。 1. VDMA 模块 AXI VDMA 是 Xilinx 提供的软核 IP，用于将 AXI Stream 格式的数据流转换为 Memory Map 格式或将 Memory Map 格式的数据转换为 AXI Stream 数据流，从而实现与 DDR3 进行通信。虽然我们的游戏中不需要对图像本身做什么处理，但在许多视频类应用中都需要帧缓存来处理帧率变化或者进行图像的缩放、裁剪等尺寸变换操作。简而言之，我们的逻辑需要在屏幕上显示 7 / 18

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