基于FPGA的“俄罗斯方块”系统设计

FPGA

今天给各位大侠带来基于FPGA的“俄罗斯方块”设计。

设计目的

通过此次项目，完成以下目的：

1）熟悉Xilinx FPGA的架构及开发流程；
2）设计一个功能完整的系统，掌握FSM + Datapath的设计方法。

设计内容

1. 项目介绍

本项目主要在FPGA上实现了一个经典小游戏“俄罗斯方块”。本项目基本解决方案是，使用Xilinx Zynq系列开发板 ZedBoard 作为平台，实现主控模块，通过VGA接口来控制屏幕进行显示。

2. 系统框架

整个系统由四部分组成，按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块以及VGA显示接口模块。整个系统的结构如下图所示：

下面分别对四个模块进行介绍：

1）按键输入处理模块

按键处理模块的主要功能是对输入系统的up，down，left，right四个控制信号进行消抖处理，并对其进行上升沿检测。

消抖模块采用了一个4位的移位寄存器，先将输入信号延迟4个时钟周期，再对其以一个较低的时钟频率进行采用。消抖模块的结构如下图所示：

为了简化控制系统，在本系统的设计过程中，不考虑长时间按键产生连按效果。因而，需要对按键进行上升沿检测。上升沿检测的基本实现方案是加入一组寄存器，对前一个的按键信号进行暂存，将暂存的值与当前值进行比较，当上一个值为0而当前值为1时，即认为其检测到了一个上升沿。

2）控制模块

控制模块采用FSM的方式进行控制。在控制模块中，定义了10个状态：
S_idle：上电复位后进入空状态，当start信号为1时进入S_new状态
S_new：用于产生新的俄罗斯方块。
S_hold：保持状态。在这个状态中进行计时，当时间到达一定间隔时，转到S_down状态；或者等待输入信号（up，down，left，right）时，转到S_down（按键为down）或者S_move（up，left，right）状态。
S_down：判断当前俄罗斯块能否下移一格。如果可以，则转到S_remove_1状态，如果不行，则转到S_shift状态。
S_move：判断当前俄罗斯块能够按照按键信号指定的指令进行移动，如果可以，则转到S_shift状态，如果不可以，则转到S_remove_1状态。
S_shift：更新俄罗斯方块的坐标信息。返回S_hold。
S_remove_1：更新整个屏幕的矩阵信息。转移到S_remove_2状态。
S_remove_2：判断是否可以消除，将可以消除的行消除，并将上面的行下移一行。重复此过程，直到没有可消除的行为止。跳转到S_isdie状态
S_isdie：判断是否游戏结束。如果结束，则跳转到S_stop状态。如果没有，则跳转到S_new状态，生成新的俄罗斯方块。
S_stop：清除整个屏幕，并跳转到S_idle状态。

整个控制过程的ASMD图如下图所示：

3）数据路径

数据路径模块主要功能是，根据控制模块给出的信号，对俄罗斯方块当前的逻辑状态进行判断，更新背景矩阵。具体如下：

方块：

方块分为非活动方块与活动方块。非活动方块为：（1）之前下落的方块；（2）下落后方块消除之后的结果。由背景矩阵表示。活动方块为当前下落中的方块，由活动方块坐标与方块类型表示（后简称方块）。

背景矩阵：

reg [9:0] R [23:0];
背景矩阵R是24行10列的寄存器组，负责保存非活动方块坐标，即R中任一位置，如方块存在，则该位置1，否则为0。
活动方块坐标：

output reg [4:0] n,
output reg [3:0] m,
n, m分别为当前活动方块的行、列指针，指向方块固定点位置。方块固定点为方块旋转时不变的格点，依据方块种类决定，下文方块模型中详述。

方块类型：

output reg [6:0] BLOCK,
BLOCK代表方块类型，由7位编码构成。

数据交换：

Datapath与其余模块的数据交换分为两部分：
（1）与control_unit间的状态指令交互；
（2）控制merge，间接实现对VGA的控制。

方块模型：

俄罗斯方块共有7种形状的方块（O,L,J,I,T,Z,S），每种方块有1-4种不同的旋转变形方式。为方便起见，将方块定位A-G，旋转编号为1-4，将方块编码成A_1-G_2的19种，如下图：（图中，深色方块是该种方块的固定点）

方块运动：

产生：

方块产生由一个简单的伪随机过程决定。系统采用一个3位的计数器产生随机数，进入S_new，BLOCK的值被NEW_BLOCK覆盖，方块坐标n<=1;m<=5;同时，根据计数器，NEW_BLOCK的值刷新为A_1,B_1,…,G_1中的一种，作为下一次方块。

移动：

方块移动分为四种：旋转，下落，向左，向右，由键盘KEYBOARD=[UP, DOWN, LEFT, RIGHT]控制。移动分两步进行：（1）判断；（2）转换。

判断过程包含S_down,S_move。判断分两步：首先，判断变换后方块坐标是否合法，即变换后是否会造成方块越界。然后，判断变换后方块可能占据的新位置是否有背景矩阵方块存在。两步判断通过后返回成功信号，否则失败。因判断代码量较多，仅举一例说明：

判断D_1向右运动（MOVE_ABLE初值为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;
转换过程（S_shift）进行方块的移动或变形。根据KEYBOARD，移动时，改变方块坐标；变形时，方块按类别变换，如：A_1→A_1;B_1→B_2; B_2→B_3; B_4→B_1;

停止与消除：

方块停止与消除由两个状态完成：S_remove1,S_remove2。
前一状态中，根据BLOCK, n, m，将活动方块位置覆盖至R，变为非活动方块。
后一状态中，根据行满状态，进行行的消除与平移,具体如下：

显然，俄罗斯方块能影响的最大行数为4，因此，在REMOVE_2中，仅对R[n-1],R[n],R[n+1],R[n+2]四行依次进行处理。处理过程为：如果该行(k)满，则由k行开始，至1行结束，逐行向下平移，当前平移位置由计数器REMOVE_2_C控制，当前行消除截止由标志位SIG确认。

每行处理完后，将REMOVE_FINISH[3:0]中相应位置1，REMOVE_FINISH全1时，REMOVE_2完成。

死亡判定：

R中的0-3行位于屏幕上方，不进行显示，仅有新生成的方块坐标会进入这一区域。因而，当消除完成后，如R[3]不为空，游戏结束。

4）显示部分

输出结果通过VGA接口接入显示屏显示。VGA（Video Graphics Array）视频图形阵列是IBM于1987年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准。VGA接口即电脑采用VGA标准输出数据的专用接口。VGA接口共有15针，分成3排，每排5个孔，显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数显卡都带有此种接口。它传输红、绿、蓝模拟信号以及同步信号(水平和垂直信号)。

使用Verilog HDL语言对VGA进行控制一般只需控制行扫描信号、列扫描信号和红绿蓝三色信号输出即可。
VGA输出可分为四个模块：时钟分频模块、数据组织模块、接口控制模块和顶层模块。以下进行分块描述。

时钟模块分频模块对FPGA系统时钟进行分频。由于使用的显示屏参数为640*480*60Hz，其真实屏幕大小为800*525，因此所需时钟频率为800*525*60Hz=25.175MHz，可近似处理为25MHz。FPGA系统时钟为100M，因此将其四分频即可基本满足显示要求。

数据组织模块是将预备输出的数据组织为可以通过VGA接口控制的数据形式，本次设计中因接口已经协调，数据可不经过此模块进行组织，故可忽略该模块。

接口控制模块通过VGA接口对显示屏进行控制。VGA的扫描顺序是从左到右，从上到下。例如在640X480的显示模式下，从显示器的左上角开始往右扫描，直到640个像素扫完，再回到最左边，开始第二行的扫描，如此往复，到第480行扫完时即完成一帧图像的显示。这时又回到左上角，开始下一帧图像的扫描。如果每秒能完成60帧，则称屏幕刷新频率为60Hz。宏观上，一帧屏幕由480个行和640个列填充而成，而实际上，一帧屏幕除了显示区，还包含其他未显示部分，作为边框或者用来同步。具体而言，一个完整的行同步信号包含了左边框、显示区、右边框还有返回区四个部分，总共800个像素，其分配如下：