FPGA實現(xiàn)的“俄羅斯方塊”游戲系統(tǒng)設(shè)計方案

一、引言

在當(dāng)今科技日新月異的時代，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array）因其可編程性和高效能，在電子設(shè)計領(lǐng)域扮演著重要角色。FPGA作為集成電路的一種，內(nèi)部包含可配置的邏輯單元，允許用戶根據(jù)需求定制電路功能?；贔PGA開發(fā)的游戲系統(tǒng)不僅能夠提供強大的運算能力，還能通過硬件加速實現(xiàn)實時渲染和復(fù)雜邏輯處理。本文將詳細(xì)介紹基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統(tǒng)設(shè)計方案，包括主控芯片型號、系統(tǒng)模塊劃分、工作原理等。

二、主控芯片型號及作用

1. 主控芯片型號

在本項目中，我們選用Xilinx公司的Zynq系列開發(fā)板ZedBoard作為硬件平臺。ZedBoard集成了ARM Cortex-A9雙核處理器和可編程邏輯，使得系統(tǒng)級設(shè)計成為可能，兼顧了高性能計算和靈活的硬件加速。

• 型號：Xilinx Zynq-7000系列（具體型號如XC7Z020CLG484-1）

• 核心：ARM Cortex-A9雙核處理器 + 可編程邏輯（FPGA部分）

• 功能：支持高速數(shù)據(jù)傳輸、豐富的外設(shè)接口（如VGA、UART、SPI、I2C等）、低功耗設(shè)計

2. 主控芯片作用

• 處理器核心：ARM Cortex-A9雙核處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、任務(wù)調(diào)度、用戶輸入處理等任務(wù)。

• 可編程邏輯：FPGA部分負(fù)責(zé)實現(xiàn)游戲的核心邏輯，包括方塊生成、移動、旋轉(zhuǎn)、碰撞檢測、消行和得分計算等。

• 接口支持：通過VGA接口控制屏幕顯示，實現(xiàn)游戲畫面的實時渲染；通過UART、SPI等接口與外設(shè)（如鍵盤、數(shù)碼管）進(jìn)行通信。

三、系統(tǒng)模塊劃分

整個系統(tǒng)由多個模塊組成，每個模塊負(fù)責(zé)不同的功能，通過協(xié)同工作實現(xiàn)完整的游戲邏輯。以下是系統(tǒng)的模塊劃分：

1. 按鍵輸入處理模塊

2. 控制模塊

3. 數(shù)據(jù)路徑模塊

4. VGA顯示接口模塊

5. 數(shù)碼管計分模塊

四、詳細(xì)設(shè)計方案

1. 按鍵輸入處理模塊

按鍵輸入處理模塊的主要功能是對輸入系統(tǒng)的up、down、left、right四個控制信號進(jìn)行消抖處理，并對其進(jìn)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(jìn)行采樣。為了簡化控制系統(tǒng)，在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，不考慮長時間按鍵產(chǎn)生連按效果。因而，需要對按鍵進(jìn)行上升沿檢測。上升沿檢測的基本實現(xiàn)方案是加入一組寄存器，對前一個的按鍵信號進(jìn)行暫存，將暫存的值與當(dāng)前值進(jìn)行比較，當(dāng)上一個值為0而當(dāng)前值為1時，即認(rèn)為其檢測到了一個上升沿。

2. 控制模塊

控制模塊采用有限狀態(tài)機（FSM）的方式進(jìn)行控制。在控制模塊中，定義了多個狀態(tài)，每個狀態(tài)對應(yīng)游戲的不同階段。以下是控制模塊中的狀態(tài)定義：

• S_idle：上電復(fù)位后進(jìn)入空狀態(tài)，當(dāng)start信號為1時進(jìn)入S_new狀態(tài)。

• S_new：用于產(chǎn)生新的俄羅斯方塊。

• S_hold：保持狀態(tài)。在這個狀態(tài)中進(jìn)行計時，當(dāng)時間到達(dá)一定間隔時，轉(zhuǎn)到S_down狀態(tài)；或者等待輸入信號（up、down、left、right）時，轉(zhuǎn)到S_down（按鍵為down）或者S_move（up、left、right）狀態(tài)。

• S_down：判斷當(dāng)前俄羅斯塊能否下移一格。如果可以，則轉(zhuǎn)到S_remove_1狀態(tài)，如果不行，則轉(zhuǎn)到S_shift狀態(tài)。

• S_move：判斷當(dāng)前俄羅斯塊能夠按照按鍵信號指定的指令進(jìn)行移動，如果可以，則轉(zhuǎn)到S_shift狀態(tài)，如果不可以，則轉(zhuǎn)到S_remove_1狀態(tài)。

• S_shift：更新俄羅斯方塊的坐標(biāo)信息。返回S_hold。

• S_remove_1：更新整個屏幕的矩陣信息。轉(zhuǎn)移到S_remove_2狀態(tài)。

• 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(fù)此過程，直到?jīng)]有可消除的行為止。

• S_isdie：判斷是否游戲結(jié)束。如果結(jié)束，則跳轉(zhuǎn)到S_stop狀態(tài)。如果沒有，則跳轉(zhuǎn)到S_new狀態(tài)，生成新的俄羅斯方塊。

• S_stop：清除整個屏幕，并跳轉(zhuǎn)到S_idle狀態(tài)。

3. 數(shù)據(jù)路徑模塊

數(shù)據(jù)路徑模塊的主要功能是，根據(jù)控制模塊給出的信號，對俄羅斯方塊當(dāng)前的邏輯狀態(tài)進(jìn)行判斷，更新背景矩陣。方塊分為非活動方塊與活動方塊。非活動方塊為之前下落的方塊或下落后方塊消除之后的結(jié)果，由背景矩陣表示?；顒臃綁K為當(dāng)前下落中的方塊，由活動方塊坐標(biāo)與方塊類型表示。

背景矩陣R是24行10列的寄存器組，負(fù)責(zé)保存非活動方塊坐標(biāo)，即R中任一位置，如方塊存在，則該位置1，否則為0?；顒臃綁K坐標(biāo)由兩個寄存器n和m表示，n為當(dāng)前活動方塊的行指針，m為列指針，指向方塊固定點位置。

數(shù)據(jù)交換方面，Datapath與其余模塊的數(shù)據(jù)交換分為兩部分：與control_unit間的狀態(tài)指令交互；控制merge，間接實現(xiàn)對VGA的控制。

4. VGA顯示接口模塊

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(biāo)準(zhǔn)。VGA接口即電腦采用VGA標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)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(yīng)用最為廣泛的接口類型，絕大多數(shù)顯卡都帶有此種接口。它傳輸紅、綠、藍(lán)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(jìn)行控制一般只需控制行掃描信號、列掃描信號和紅綠藍(lán)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(shù)據(jù)組織模塊、接口控制模塊和頂層模塊。

• 時鐘分頻模塊：對FPGA系統(tǒng)時鐘進(jìn)行分頻。由于使用的顯示屏參數(shù)為64048060Hz，其真實屏幕大小為800525，因此所需時鐘頻率為800525*60Hz=25.175MHz，可近似處理為25MHz。FPGA系統(tǒng)時鐘為100M，因此將其四分頻即可基本滿足顯示要求。

• 數(shù)據(jù)組織模塊：是將預(yù)備輸出的數(shù)據(jù)組織為可以通過VGA接口控制的數(shù)據(jù)形式，本次設(shè)計中因接口已經(jīng)協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)可不經(jīng)過此模塊進(jìn)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(jìn)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(fù)，到第480行掃完時即完成一幀圖像的顯示。

5. 數(shù)碼管計分模塊

數(shù)碼管計分模塊用于顯示玩家的得分。每當(dāng)玩家消除一行俄羅斯方塊時，數(shù)碼管上會顯示當(dāng)前得分。數(shù)碼管計分模塊通過接收控制模塊傳來的得分信號，將得分顯示在數(shù)碼管上。

五、工作原理

1. 系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括配置FPGA內(nèi)部邏輯、初始化背景矩陣、設(shè)置VGA接口參數(shù)等。

2. 方塊生成：控制模塊在S_new狀態(tài)下生成新的俄羅斯方塊，并將其放置在屏幕頂部。

3. 方塊移動與旋轉(zhuǎn)：玩家通過鍵盤上的WASD鍵控制方塊的移動和旋轉(zhuǎn)。按鍵輸入處理模塊對按鍵信號進(jìn)行消抖和上升沿檢測，然后將信號傳遞給控制模塊?？刂颇K根據(jù)按鍵信號更新方塊的坐標(biāo)和類型。

4. 碰撞檢測與消行：控制模塊在S_down和S_move狀態(tài)下判斷方塊是否與屏幕底部或其他方塊發(fā)生碰撞。如果發(fā)生碰撞，則固定方塊位置，并檢查是否形成完整的一行。如果形成完整的一行，則消除該行，并將上面的行下移一行。

5. 得分計算：每當(dāng)玩家消除一行俄羅斯方塊時，控制模塊將得分信號傳遞給數(shù)碼管計分模塊，數(shù)碼管上顯示當(dāng)前得分。

6. 游戲結(jié)束：當(dāng)方塊堆疊到屏幕頂部無法放下新的方塊時，游戲結(jié)束。控制模塊跳轉(zhuǎn)到S_stop狀態(tài)，清除整個屏幕，并跳轉(zhuǎn)到S_idle狀態(tài)等待重新開始游戲。

六、結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統(tǒng)設(shè)計方案。通過選用Xilinx Zynq系列開發(fā)板ZedBoard作為硬件平臺，實現(xiàn)了游戲的核心邏輯和實時渲染功能。系統(tǒng)由按鍵輸入處理模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)路徑模塊、VGA顯示接口模塊和數(shù)碼管計分模塊組成，各模塊協(xié)同工作實現(xiàn)完整的游戲邏輯。通過FPGA的并行處理能力和硬件加速功能，游戲系統(tǒng)能夠?qū)崟r渲染出流暢的游戲畫面和復(fù)雜的邏輯處理。

基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統(tǒng)設(shè)計方案不僅提升了技術(shù)技能，還培養(yǎng)了解決問題和創(chuàng)新思考的能力。對于想要進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字邏輯或游戲開發(fā)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)者，這是一個極具價值的學(xué)習(xí)項目。未來，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，增加游戲功能和難度級別，提升用戶體驗。