俄羅斯方塊Verilog HDL程序設(shè)計

ID:704585 · 發(fā)表于 2021-3-19 17:37

通過此次項目，完成以下目的：

熟悉Xilinx FPGA的架構(gòu)及開發(fā)流程
設(shè)計一個功能完整的系統(tǒng)，掌握FSM + Datapath的設(shè)計方法。

實驗內(nèi)容

項目介紹

本項目主要在FPGA上實現(xiàn)了一個經(jīng)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(fā)板ZedBoard作為平臺，實現(xiàn)主控模塊，通過VGA接口來控制屏幕進行顯示。

系統(tǒng)框架

整個系統(tǒng)由四部分組成，按鍵輸入處理模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)路徑模塊以及VGA顯示接口模塊。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1：系統(tǒng)框圖

下面分別對四個模塊進行介紹：

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(tǒng)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。

消抖模塊采用上課所提出的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2：消抖模塊結(jié)構(gòu)示意圖

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。

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(tài)：

S_idle：上電復位后進入的空狀態(tài)，當start信號為1時進入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)中進行計時，當時間到達一定間隔時，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(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。重復此過程，直到?jīng)]有可消除的行為止。跳轉(zhuǎn)到S_isdie狀態(tài)

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：清楚整個屏幕，并跳轉(zhuǎn)到S_idle狀態(tài)。

整個控制過程的ASMD圖如下圖所示：

圖3：控制模塊ASMD圖

數(shù)據(jù)路徑

數(shù)據(jù)路徑模塊主要功能是，根據(jù)控制模塊給出的信號，對俄羅斯方塊當前的邏輯狀態(tài)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(jié)果。由背景矩陣表示。活動方塊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(zhuǎn)時不變的格點，依據(jù)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(gòu)成。

數(shù)據(jù)交換：

Datapath與其余模塊的數(shù)據(jù)交換分為兩部分：（1）與control_unit間的狀態(tài)指令交互；（2）控制merge，間接實現(xiàn)對VGA的控制。

方塊模型：

俄羅斯方塊共有7中形狀的方塊（O,L,J,I,T,Z,S），每種方塊有1-4種不同的旋轉(zhuǎn)變形方式。為方便起見，將方塊定位A-G，旋轉(zhuǎn)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。

圖4：方塊模型示意圖

方塊運動：

產(chǎn)生：

方塊產(chǎn)生由一個簡單的偽隨機過程決定。系統(tǒng)采用一個3位的計數(shù)器產(chǎn)生隨機數(shù)，進入S_new，BLOCK的值被NEW_BLOCK覆蓋，方塊坐標n<=1;m<=5;同時，根據(jù)計數(shù)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)換過程（S_shift）進行方塊的移動或變形。根據(jù)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(tài)完成：S_remove1,S_remove2。

前一狀態(tài)中，根據(jù)BLOCK, n, m，將活動方塊位置覆蓋至R，變?yōu)榉腔顒臃綁K。

后一狀態(tài)中，根據(jù)行滿狀態(tài)，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(shù)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(jié)束，逐行向下平移，當前平移位置由計數(shù)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(yīng)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(qū)域。因而，當消除完成后，如R[3]不為空，游戲結(jié)束。

顯示部分

輸出結(jié)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(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(shù)據(jù)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(tǒng)時鐘進行分頻。由于使用的顯示屏參數(shù)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(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(qū)，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(qū)、右邊框還有返回區(qū)四個部分，總共800個像素，其分配如下：

圖5： VGA行掃描時序

同樣的，一個完整的垂直同步信號也分為四個區(qū)域，總共525個像素，分配如下：

圖6：VGA場掃描時序

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(xiàn)控制。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)果圖如下：

圖7：實驗結(jié)果圖

實驗總結(jié)

完成情況

本次項目我們完成了既定目標，即完成一個經(jīng)典小游戲“俄羅斯方塊”的核心功能。在本次實驗過程中，我們通過采用分工合作的方式，通過對系統(tǒng)功能的分析，確定解決方案，完成了對一個系統(tǒng)自上而下的設(shè)計，并嘗試采用控制單元+數(shù)據(jù)路徑這樣的方式來處理核心模塊。

不足與改進之處

由于時間倉促，加之對俄羅斯方塊邏輯復雜度估計不足，到最后展示之前我們才完成了對核心模塊的調(diào)試。因此，在用戶界面上沒有做過多的調(diào)整。另外，由于在進行模塊劃分時，一些接口沒有事先定義好，導致在最后系統(tǒng)整合時，不得不進行修改與調(diào)整，由此而造成了一部分時間的浪費。

總的來說，通過這個項目，小組成員對于硬件設(shè)計“并行”的特點有了比較直接的認識，同時也在調(diào)試的過程中掌握了一些硬件調(diào)試常用的方法，也認識到了仿真的重要意義所在。另外就是關(guān)于團隊協(xié)作方面的一個教訓，在系統(tǒng)劃分時要注意把接口定義好，以免造成不必要的代價。

實驗代碼

KeyBoard模塊

`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
控制模塊程序
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(shù)據(jù)路徑
module Datapath_Unit #(
parameter A_1 = 7'b0001000,
B_1 = 7'b0011000,
B_2 = 7'b0010100,
B_3 = 7'b0010010,
B_4 = 7'b0010001,
C_1 = 7'b0101000,
C_2 = 7'b0100100,
C_3 = 7'b0100010,
C_4 = 7'b0100001,
D_1 = 7'b0111000,
D_2 = 7'b0110100,
E_1 = 7'b1001000,
E_2 = 7'b1000100,
E_3 = 7'b1000010,
E_4 = 7'b1000001,
F_1 = 7'b1011000,
F_2 = 7'b1010100,
G_1 = 7'b1101000,
G_2 = 7'b1100100
)(
output reg MOVE_ABLE,SHIFT_FINISH,DOWN_ABLE,DIE_TRUE,
output [239:0] M_OUT,
output reg [4:0] n,
output reg [3:0] m,
output reg [6:0] BLOCK,
//output reg REMOVE_1_FINISH,
output reg REMOVE_2_FINISH,
//output reg NEW_BLOCK,
input clk,rst_n,MOVE,DOWN,DIE,SHIFT,REMOVE_1,REMOVE_2,NEW,STOP,AUTODOWN,
input [3:0] KEYBOARD
);

復制代碼

全部資料51hei下載地址：

Verilog設(shè)計.7z (7.57 MB, 下載次數(shù): 33)

ID:306262 · 發(fā)表于 2021-4-6 09:51

牛逼PLUS！感謝樓主分享！

ID:866849 · 發(fā)表于 2022-6-23 15:06

這個是完成了的嗎

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俄羅斯方塊Verilog HDL程序設(shè)計

評分

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