電子發燒友App
今天給各位大俠帶來基于FPGA的“俄羅斯方塊”設計。
設計目的
通過此次項目，完成以下目的：
1）?熟悉Xilinx FPGA的架構及開發流程；
2）?設計一個功能完整的系統，掌握FSM + Datapath的設計方法。
設計內容
1.?項目介紹
本項目主要在FPGA上實現了一個經典小游戲“俄羅斯方塊”。本項目基本解決方案是，使用Xilinx Zynq系列開發板 ZedBoard 作為平臺，實現主控模塊，通過VGA接口來控制屏幕進行顯示。
2.?系統框架
整個系統由四部分組成，按鍵輸入處理模塊、控制模塊、數據路徑模塊以及VGA顯示接口模塊。整個系統的結構如下圖所示：
下面分別對四個模塊進行介紹：
1）?按鍵輸入處理模塊
按鍵處理模塊的主要功能是對輸入系統的up，down，left，right四個控制信號進行消抖處理，并對其進行上升沿檢測。
消抖模塊采用了一個4位的移位寄存器，先將輸入信號延遲4個時鐘周期，再對其以一個較低的時鐘頻率進行采用。消抖模塊的結構如下圖所示：
為了簡化控制系統，在本系統的設計過程中，不考慮長時間按鍵產生連按效果。因而，需要對按鍵進行上升沿檢測。上升沿檢測的基本實現方案是加入一組寄存器，對前一個的按鍵信號進行暫存，將暫存的值與當前值進行比較，當上一個值為0而當前值為1時，即認為其檢測到了一個上升沿。?
2）?控制模塊
控制模塊采用FSM的方式進行控制。在控制模塊中，定義了10個狀態：
S_idle：上電復位后進入空狀態，當start信號為1時進入S_new狀態
S_new：用于產生新的俄羅斯方塊。
S_hold：保持狀態。在這個狀態中進行計時，當時間到達一定間隔時，轉到S_down狀態；或者等待輸入信號（up，down，left，right）時，轉到S_down（按鍵為down）或者S_move（up，left，right）狀態。
S_down：判斷當前俄羅斯塊能否下移一格。如果可以，則轉到S_remove_1狀態，如果不行，則轉到S_shift狀態。
S_move：判斷當前俄羅斯塊能夠按照按鍵信號指定的指令進行移動，如果可以，則轉到S_shift狀態，如果不可以，則轉到S_remove_1狀態。
S_shift：更新俄羅斯方塊的坐標信息。返回S_hold。
S_remove_1：更新整個屏幕的矩陣信息。轉移到S_remove_2狀態。
S_remove_2：判斷是否可以消除，將可以消除的行消除，并將上面的行下移一行。重復此過程，直到沒有可消除的行為止。跳轉到S_isdie狀態
S_isdie：判斷是否游戲結束。如果結束，則跳轉到S_stop狀態。如果沒有，則跳轉到S_new狀態，生成新的俄羅斯方塊。
S_stop：清除整個屏幕，并跳轉到S_idle狀態。
整個控制過程的ASMD圖如下圖所示：
3）?數據路徑
數據路徑模塊主要功能是，根據控制模塊給出的信號，對俄羅斯方塊當前的邏輯狀態進行判斷，更新背景矩陣。具體如下：
方塊：
方塊分為非活動方塊與活動方塊。非活動方塊為：（1）之前下落的方塊；（2）下落后方塊消除之后的結果。由背景矩陣表示?；顒臃綁K為當前下落中的方塊，由活動方塊坐標與方塊類型表示（后簡稱方塊）。
背景矩陣：
reg [9:0] R [23:0];
背景矩陣R是24行10列的寄存器組，負責保存非活動方塊坐標，即R中任一位置，如方塊存在，則該位置1，否則為0。
活動方塊坐標：
output reg [4:0] n,
output reg [3:0] m,
n, m分別為當前活動方塊的行、列指針，指向方塊固定點位置。方塊固定點為方塊旋轉時不變的格點，依據方塊種類決定，下文方塊模型中詳述。
方塊類型：
output reg [6:0] BLOCK,
BLOCK代表方塊類型，由7位編碼構成。
數據交換：
Datapath與其余模塊的數據交換分為兩部分：
（1）與control_unit間的狀態指令交互；
（2）控制merge，間接實現對VGA的控制。
方塊模型：
俄羅斯方塊共有7種形狀的方塊（O,L,J,I,T,Z,S），每種方塊有1-4種不同的旋轉變形方式。為方便起見，將方塊定位A-G，旋轉編號為1-4，將方塊編碼成A_1-G_2的19種，如下圖：（圖中，深色方塊是該種方塊的固定點）
方塊運動：
產生：
方塊產生由一個簡單的偽隨機過程決定。系統采用一個3位的計數器產生隨機數，進入S_new，BLOCK的值被NEW_BLOCK覆蓋，方塊坐標n<=1;m<=5;同時，根據計數器，NEW_BLOCK的值刷新為A_1,B_1,…,G_1中的一種，作為下一次方塊。
移動：
方塊移動分為四種：旋轉，下落，向左，向右，由鍵盤KEYBOARD=[UP, DOWN, LEFT, RIGHT]控制。移動分兩步進行：（1）判斷；（2）轉換。
判斷過程包含S_down,S_move。判斷分兩步：首先，判斷變換后方塊坐標是否合法，即變換后是否會造成方塊越界。然后，判斷變換后方塊可能占據的新位置是否有背景矩陣方塊存在。兩步判斷通過后返回成功信號，否則失敗。因判斷代碼量較多，僅舉一例說明：
判斷D_1向右運動（MOVE_ABLE初值為0）：
if (m<=8)
if (!((R[n-1][m+1])|(R[n][m+1])|(R[n+1][m+1])|(R[n+2][m+1])))
MOVE_ABLE=1;
else MOVE_ABLE=0;
轉換過程（S_shift）進行方塊的移動或變形。根據KEYBOARD，移動時，改變方塊坐標；變形時，方塊按類別變換，如：A_1→A_1;B_1→B_2; B_2→B_3; B_4→B_1;
停止與消除：
方塊停止與消除由兩個狀態完成：S_remove1,S_remove2。
前一狀態中，根據BLOCK, n, m，將活動方塊位置覆蓋至R，變為非活動方塊。
后一狀態中，根據行滿狀態，進行行的消除與平移,具體如下：
顯然，俄羅斯方塊能影響的最大行數為4，因此，在REMOVE_2中，僅對R[n-1],R[n],R[n+1],R[n+2]四行依次進行處理。處理過程為：如果該行(k)滿，則由k行開始，至1行結束，逐行向下平移，當前平移位置由計數器REMOVE_2_C控制，當前行消除截止由標志位SIG確認。
每行處理完后，將REMOVE_FINISH[3:0]中相應位置1，REMOVE_FINISH全1時，REMOVE_2完成。
死亡判定：
R中的0-3行位于屏幕上方，不進行顯示，僅有新生成的方塊坐標會進入這一區域。因而，當消除完成后，如R[3]不為空，游戲結束。
4）?顯示部分
輸出結果通過VGA接口接入顯示屏顯示。VGA（Video Graphics Array）視頻圖形陣列是IBM于1987年提出的一個使用模擬信號的電腦顯示標準。VGA接口即電腦采用VGA標準輸出數據的專用接口。VGA接口共有15針，分成3排，每排5個孔，顯卡上應用最為廣泛的接口類型，絕大多數顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍模擬信號以及同步信號(水平和垂直信號)。
使用Verilog HDL語言對VGA進行控制一般只需控制行掃描信號、列掃描信號和紅綠藍三色信號輸出即可。
VGA輸出可分為四個模塊：時鐘分頻模塊、數據組織模塊、接口控制模塊和頂層模塊。以下進行分塊描述。
時鐘模塊分頻模塊對FPGA系統時鐘進行分頻。由于使用的顯示屏參數為640*480*60Hz，其真實屏幕大小為800*525，因此所需時鐘頻率為800*525*60Hz=25.175MHz，可近似處理為25MHz。FPGA系統時鐘為100M，因此將其四分頻即可基本滿足顯示要求。
數據組織模塊是將預備輸出的數據組織為可以通過VGA接口控制的數據形式，本次設計中因接口已經協調，數據可不經過此模塊進行組織，故可忽略該模塊。
接口控制模塊通過VGA接口對顯示屏進行控制。VGA的掃描順序是從左到右，從上到下。例如在640X480的顯示模式下，從顯示器的左上角開始往右掃描，直到640個像素掃完，再回到最左邊，開始第二行的掃描，如此往復，到第480行掃完時即完成一幀圖像的顯示。這時又回到左上角，開始下一幀圖像的掃描。如果每秒能完成60幀，則稱屏幕刷新頻率為60Hz。宏觀上，一幀屏幕由480個行和640個列填充而成，而實際上，一幀屏幕除了顯示區，還包含其他未顯示部分，作為邊框或者用來同步。具體而言，一個完整的行同步信號包含了左邊框、顯示區、右邊框還有返回區四個部分，總共800個像素，其分配如下：
同樣的，一個完整的垂直同步信號也分為四個區域，總共525個像素，分配如下：
模塊通過組織輸出行掃描信號、列掃描信號和三原色信號對顯示屏實現控制。
設計結果
設計結果圖如下：
圖7：設計結果圖
設計代碼
由于代碼量較大，這里只展示了部分代碼，需要的大俠可以按照開篇介紹的方法進入“FPGA技術江湖”知識星球獲取設計文檔，獲取設計代碼。
頂層模塊設計代碼：
?
?
`timescale?1ns?/?1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: // Design Name: // Module Name: tetris // Project Name: // Target Devices: // Tool Versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module tetris #( parameter ROW = 20, parameter COL = 10 )( input clk, input rst, input UP_KEY, input LEFT_KEY, input RIGHT_KEY, input DOWN_KEY, input start, output vsync_r, output hsync_r, output [3:0]OutRed, OutGreen, output [3:0]OutBlue ); wire [3:0] opcode; wire gen_random; wire hold; wire shift; wire move_down; wire remove_1; wire remove_2; wire stop; wire move; wire isdie; wire shift_finish; wire down_comp; wire move_comp; wire die; wire [ROW*COL-1:0] data_out; wire [6:0] BLOCK; wire [3:0] m; wire [4:0] n; wire [(ROW+4)*COL-1:0] M_OUT; wire rotate; wire left; wire right; wire down; wire auto_down; wire rst_n; assign rst_n = ~rst; key u_key ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .UP_KEY(UP_KEY), .LEFT_KEY(LEFT_KEY), .RIGHT_KEY(RIGHT_KEY), .DOWN_KEY(DOWN_KEY), .rotate(rotate), .left(left), .right(right), .down(down) ); game_control_unit u_Controller ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .rotate(rotate), .left(left), .right(right), .down(down), .start(start), .opcode(opcode), .gen_random(gen_random), ????????.hold(hold), ???????? .shift(shift), .move_down(move_down), .remove_1(remove_1), .remove_2(remove_2), .stop(stop), .move(move), .isdie(isdie), .shift_finish(shift_finish), .down_comp(down_comp), .move_comp(move_comp), .die(die), .auto_down(auto_down), .remove_2_finish(remove_2_finish) ); Datapath_Unit u_Datapath ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .NEW(gen_random), .MOVE(move), .DOWN(move_down), .DIE(isdie), .SHIFT(shift), .REMOVE_1(remove_1), .REMOVE_2(remove_2), .KEYBOARD(opcode), .MOVE_ABLE(move_comp), .SHIFT_FINISH(shift_finish), .DOWN_ABLE(down_comp), .DIE_TRUE(die), .M_OUT(M_OUT), .n(n), .m(m), .BLOCK(BLOCK), .REMOVE_2_FINISH(remove_2_finish), .STOP(stop), .AUTODOWN(auto_down) ); ????merge?u_merge?（ ????.clk(clk), .rst_n(rst_n), .data_in(M_OUT), .shape(BLOCK), .x_pos(m), .y_pos(n), .data_out(data_out) ); top u_VGA ( .clk(clk), .rst(rst), .number(data_out), .hsync_r(hsync_r), .vsync_r(vsync_r), .OutRed(OutRed), .OutGreen(OutGreen), .OutBlue(OutBlue) ); endmodule
?
?
KeyBoard模塊代碼：
?
?
`timescale 1ns / 1ps
module key(
input clk,
input rst_n,
input UP_KEY,
input LEFT_KEY,
input RIGHT_KEY,
input DOWN_KEY,
output reg rotate,
output reg left,
output reg right,
output reg down
);
reg [3:0] shift_up;
reg [3:0] shift_left;
reg [3:0] shift_right;
reg [3:0] shift_down;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
shift_up <= 0;
else
shift_up <= {shift_up[2:0], UP_KEY};
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
shift_right <= 0;
else
shift_right <= {shift_right[2:0], RIGHT_KEY};
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
shift_left <= 0;
else
shift_left <= {shift_left[2:0], LEFT_KEY};
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
shift_down <= 0;
else
shift_down <= {shift_down[2:0], DOWN_KEY};
end
reg clk_div;
reg [7:0] clk_cnt;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
clk_cnt <= 0;
clk_div <= 0;
end
else if (clk_cnt <= 8'd49)
begin
clk_cnt <= clk_cnt + 1;
clk_div <= clk_div;
end
else
begin
clk_cnt <= 0;
clk_div <= ~clk_div;
end
end
always @(posedge clk_div or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
rotate <= 0;
left <= 0;
right <= 0;
down <= 0;
end
else
begin
rotate <= shift_up[3];
left <= shift_left[3];
right <= shift_right[3];
down <= shift_down[3];
end
end
endmodule
?
?
控制模塊代碼：
?
?
module game_control_unit (
input clk,
input rst_n,
input rotate,
input left,
input right,
input down,
input start,
output reg [3:0] opcode,
output reg gen_random,
output reg hold,
output reg shift,
output reg move_down,
output reg remove_1,
output reg remove_2,
output reg stop,
output reg move,
output reg isdie,
output reg auto_down,
input shift_finish,
input remove_2_finish,
input down_comp,
input move_comp,
input die
);
reg left_reg;
reg right_reg;
reg up_reg;
reg down_reg;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
begin
left_reg <= 0;
right_reg <= 0;
up_reg <= 0;
down_reg <= 0;
end
else
begin
left_reg <= left;
right_reg <= right;
up_reg <= rotate;
down_reg <= down;
end
end
reg auto_down_reg;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
auto_down_reg <= 0;
else if (time_cnt == time_val)
auto_down_reg <= 1;
else
auto_down_reg <= 0;
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
auto_down <= 0;
else
auto_down <= auto_down_reg;
end
parameter time_val = 26'd25000001;
reg [25:0] time_cnt;
localparam S_idle = 4'd0,
S_new = 4'd1,
S_hold = 4'd2,
S_move = 4'd3,
S_shift = 4'd4,
S_down = 4'd5,
S_remove_1 = 4'd6,
S_remove_2 = 4'd7,
S_isdie = 4'd8,
S_stop = 4'd9;
reg [3:0] state, next_state;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
state <= S_idle;
else
state <= next_state;
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n)
time_cnt <= 0;
else if (hold == 0 && time_cnt < time_val)
time_cnt <= time_cnt + 1;
else if (move_down == 1)
time_cnt <= 0;
else begin
time_cnt <= time_cnt;
end
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if (!rst_n) opcode<=0;
else opcode<={right, left, down, rotate};
end
always @ (*)
begin
next_state = S_idle;
hold = 1;
gen_random = 0;
//opcode = 4'b0000;
shift = 0;
move_down = 0;
remove_1 = 0;
remove_2 = 0;
stop = 0;
move = 0;
isdie = 0;
case (state)
S_idle:
begin
if (start)
next_state = S_new;
else
next_state = S_idle;
end
S_new:
begin
gen_random = 1;
next_state = S_hold;
end
S_hold:
begin
hold = 0;
if (time_cnt == time_val)
begin
next_state = S_down;
end
else if ((down_reg == 0) && (down == 1))
begin
next_state = S_down;
end
else if ((left_reg == 0 && left == 1)|| ( right_reg == 0 && right == 1)||(up_reg == 0 && rotate == 1))
begin
next_state = S_move;
end
else
next_state = S_hold;
end
S_move:
begin
move = 1;
if (move_comp)
next_state = S_shift;
else
next_state = S_hold;
end
S_shift:
begin
shift = 1;
next_state = S_hold;
end
S_down:
begin
move_down = 1;
if (down_comp)
next_state = S_shift;
else
????????????????next_state?=?S_remove_1;????????????????
end
S_remove_1:
begin
remove_1 = 1;
next_state = S_remove_2;
end
S_remove_2:
begin
remove_2 = 1;
if (remove_2_finish)
next_state = S_isdie;
else
next_state = S_remove_2;
end
S_isdie:
begin
isdie = 1;
if (die == 1)
next_state = S_stop;
else
next_state = S_new;
end
S_stop:
begin
stop = 1;
next_state = S_idle;
end
default next_state = S_idle;
endcase
end
endmodule
?
?
數據路徑以及VGA等模塊在這里就不展示，代碼量過大，詳情見開篇介紹。
審核編輯：黃飛
?
工商網監
評論