引言
您还记得童年时代的蛇游戏吗？那条蛇在屏幕上奔跑试图吃一个苹果？ 本文介绍了我们在FPGA 1上实现游戏的方法。
图1.游戏玩法
首先，让我们自我介绍并解释我们为何从事该项目的理由。 我们共有3个人： Tymur Lysenko ， Daniil Manakovskiy和Sergey Makarov 。 作为Innopolis大学的一年级学生，我们开设了“计算机体系结构”课程，该课程经过专业教授，使学习者能够理解计算机的低级结构。 在课程中的某些时候，讲师为我们提供了开发FPGA项目的机会，以增加课程中的要点。 我们的动机不仅在于成绩，还在于我们希望获得更多的硬件设计经验，分享成果并最终拥有一个令人愉悦的游戏。
现在，让我们进入黑暗的深层细节。
项目概况
对于我们的项目，我们选择了一个易于实现且有趣的游戏，即“ Snake”。 该实现的结构如下：首先，从SPI游戏杆获取输入，然后进行处理，最后，将图片输出到VGA监视器，并在7段显示器（以十六进制显示）上显示得分。 尽管游戏逻辑直观直观，但是VGA和操纵杆却是有趣的挑战，它们的实现带来了良好的游戏体验。
该游戏具有以下规则。 玩家从一条蛇的头开始。 目的是要吃苹果，苹果是在吃完上一个苹果之后在屏幕上随机产生的。 此外，在满足饥饿感之后，蛇被延长了一条尾巴。 尾巴一个接一个地移动，跟随头部。 蛇总是在移动。 如果到达屏幕边界，则说明蛇正在转移到屏幕的另一侧。 如果头撞到尾巴，则游戏结束。
- Altera Cyclone IV（EP4CE6E22C8N）具有6272个逻辑元素，板载50 MHz时钟，3位彩色VGA，8位7段显示器。 FPGA无法将模拟输入带到其引脚。
- SPI游戏杆（KY-023）
- 一个支持60 Hz刷新率的VGA监视器
- Quartus Prime Lite Edition 18.0.0内部版本614
- Verilog HDL IEEE 1364-2001
- 面包板
- 电气元件：
- 8个公-母连接器
- 1个母-母连接器
- 1个公-公连接器
- 4个电阻（4.7KΩ）
架构概述
项目的体系结构是要考虑的重要因素。 图2从顶级角度显示了该架构：
图2.设计的顶层视图（ pdf ）
如您所见，有很多输入，输出和一些模块。 本节将描述每个元素的含义，并指定板上的端口使用哪些引脚。
主要输入
实现所需的主要输入是res_x_one ， res_x_two ， res_y_one ， res_y_two ，用于接收操纵杆的当前方向。 图3显示了它们的值和方向之间的映射。
| 输入值 | 向左 | 对啊 | 上 | 往下 | 方向不变 |
|---|
| res_x_one（PIN_30） | 1个 | 0 | X | X | 1个 |
| res_x_two（PIN_52） | 1个 | 0 | X | X | 0 |
| res_y_one（PIN_39） | X | X | 1个 | 0 | 1个 |
| res_y_two（PIN_44） | X | X | 1个 | 0 | 0 |
图3.操纵杆输入和方向的映射
- clk-板钟（PIN_23）
- 重置 -重置游戏并停止打印的信号（PIN_58）
- color-当为1时，所有可能的颜色都会输出到屏幕上，并且仅用于演示目的（PIN_68）
主要模块
joystick_input用于根据操纵杆的输入产生方向代码。
game_logic
game_logic包含玩游戏所需的所有逻辑。 该模块沿给定方向移动蛇。 此外，它还负责苹果进食和碰撞检测。 此外，它接收屏幕上像素的当前x和y坐标，并返回放置在该位置的实体。
VGA_绘图
抽屉根据当前位置（ iVGA_X，iVGA_Y ）和当前实体（ ent ）将像素的颜色设置为特定值。
VGA_Ctrl
生成控制位流到 VGA输出（ V_Sync，H_Sync，R，G，B ）。
SSEG_Display 2
SSEG_Display是一个驱动程序，用于在7段显示器上输出当前分数。
Vga_clk
VGA_clk接收50MHz时钟并将其降低到25.175MHz。
game_upd_clk
game_upd_clk是一个模块，可生成触发游戏状态更新的特殊时钟。
产出
- VGA_B -VGA蓝色针（PIN_144）
- VGA_G -VGA绿色针（PIN_1）
- VGA_R -VGA红色引脚（PIN_2）
- VGA_HS -VGA水平同步（PIN_142）
- VGA_VS -VGA垂直同步（PIN_143）
- sseg_a_to_dp-指定要点亮的8个段中的哪一个（PIN_115，PIN_119，PIN_120，PIN_121，PIN_124，PIN_125，PIN_126，PIN_127）
- sseg_an-指定要使用4个7段显示器中的哪一个（PIN_128，PIN_129，PIN_132，PIN_133）
实作
图4. SPI游戏杆（KY-023）
在实现输入模块时，我们发现操纵杆会产生一个模拟信号。 操纵杆每个轴有3个位置：
输入与三元系统非常相似：对于X轴，我们有true （左）， false （右）和undetermined状态，操纵杆既不在左侧也不在右侧。 问题在于FPGA板只能处理数字输入。 因此，我们不能仅通过编写一些代码就将这种三元逻辑转换为二进制。 提出的第一个解决方案是找到一个模数转换器，但随后我们决定利用我们在物理领域的知识，并实施分压器3 。 要定义这三种状态，我们将需要两个位：00为false ，01为undefined和11为true 。 经过一些测量，我们发现板上的零和一之间的边界约为1.7V。 因此，我们构建了以下方案（使用circuitlab 4创建的图像）：
图5.用于操纵杆的ADC电路
物理实现是使用Arduino套件项目构建的，如下所示：
图6. ADC实现
我们的电路为每个轴输入一个输入，并产生两个输出：第一个直接来自操纵杆，只有在操纵杆输出为zero时才变为zero 。 第二个是0（处于undetermined状态），而1仍然为true 。 这是我们期望的确切结果。
输入模块的逻辑是：
- 我们将每个方向的三元逻辑转换为简单的二进制线。
- 在每个时钟周期，我们检查是否只有一个方向
true （蛇不能沿对角线走）； - 我们将新方向与上一个方向进行比较，以防止玩家不允许将方向更改为相反方向，从而防止蛇吃掉自己。
输入模块代码的一部分 reg left, right, up, down; initial begin direction = `TOP_DIR; end always @(posedge clk) begin //1 left = two_resistors_x; right = ~one_resistor_x; up = two_resistors_y; down = ~one_resistor_y; if (left + right + up + down == 3'b001) //2 begin if (left && (direction != `RIGHT_DIR)) //3 begin direction = `LEFT_DIR; end //same code for other directions end end
输出到VGA
我们决定在以60 FPS运行的60Hz屏幕上输出分辨率为640x480的输出。
VGA模块包括2个主要部分： 驱动器和抽屉 。 驱动程序生成由垂直，水平同步信号和提供给VGA输出的颜色组成的位流。 @SlavikMIPT撰写的文章5描述了使用VGA的基本原理。 我们已将驱动程序从本文改编为我们的董事会。
我们决定将屏幕分成40x30的元素网格，该网格由16x16像素的正方形组成。 每个元素代表一个游戏实体：一个苹果，一条蛇的头，一条尾巴或什么都没有。
我们实现的下一步是为实体创建精灵。
Cyclone IV只有3位来表示VGA上的颜色（红色代表1，绿色代表1，蓝色代表1）。 由于这样的限制，我们需要实现一个转换器，以使图像的颜色适合可用的颜色。 为此，我们创建了一个python脚本，该脚本将每个像素的RGB值除以128。
python脚本 from PIL import Image, ImageDraw filename = "snake_head" index = 1 im = Image.open(filename + ".png") n = Image.new('RGB', (16, 16)) d = ImageDraw.Draw(n) pix = im.load() size = im.size data = [] code = "sp[" + str(index) + "][{i}][{j}] = 3'b{RGB};\\\n" with open("code_" + filename + ".txt", 'w') as f: for i in range(size[0]): tmp = [] for j in range(size[1]): clr = im.getpixel((i, j)) vg = "{0}{1}{2}".format(int(clr[0] / 128),
| 原版 | 脚本后 |
| 
|
图7.输入和输出之间的比较
抽屉的主要目的是根据当前位置（ iVGA_X，iVGA_Y ）和当前实体（ ent ）向VGA发送像素的颜色。 所有子画面都是硬编码的，但是可以使用上面的脚本生成新代码来轻松更改。
抽屉逻辑 always @(posedge iVGA_CLK or posedge reset) begin if(reset) begin oRed <= 0; oGreen <= 0; oBlue <= 0; end else begin // DRAW CURRENT STATE if (ent == `ENT_NOTHING) begin oRed <= 1; oGreen <= 1; oBlue <= 1; end else begin // Drawing a particular pixel from sprite oRed <= sp[ent][iVGA_X % `H_SQUARE][iVGA_Y % `V_SQUARE][0]; oGreen <= sp[ent][iVGA_X % `H_SQUARE][iVGA_Y % `V_SQUARE][1]; oBlue <= sp[ent][iVGA_X % `H_SQUARE][iVGA_Y % `V_SQUARE][2]; end end end
输出到7段显示器
为了使玩家能够看到自己的分数，我们决定将游戏分数输出到7段显示器。 由于时间有限，我们使用了EP4CE6入门板文档2中的代码。 该模块将十六进制数输出到显示器。
游戏逻辑
在开发过程中，我们尝试了几种方法，但是最后我们得到了一种方法，该方法需要最少的内存，易于在硬件中实现并且可以从并行计算中受益。
该模块执行多种功能。 当VGA在每个时钟周期从左上角开始移动到右下角时绘制一个像素时，负责为像素产生颜色的VGA_Draw模块需要确定用于当前坐标的颜色。 那就是游戏逻辑模块应该输出的-给定坐标的实体代码。
而且，仅在绘制全屏后才必须更新游戏状态。 game_upd_clk模块产生的信号用于确定何时更新。
游戏状态
游戏状态包括：
- 蛇头的坐标
- 蛇尾巴的坐标数组。 在我们的实现中，数组受128个元素限制
- 尾数
- 苹果的坐标
- 游戏结束标志
- 比赛获胜标志
游戏状态的更新包括以下几个阶段：
- 根据给定的方向将蛇的头移动到新坐标。 如果发现坐标在其边缘上并且需要进一步更改，则头部必须跳到屏幕的另一边缘。 例如，方向设置为左侧，当前X坐标为0。因此，新的X坐标应等于最后一个水平地址。
- 将蛇头的新坐标与苹果坐标进行测试：
2.1。 如果它们相等且数组未满，请在数组中添加新尾部并增加尾部计数器。 当计数器达到最高值（在本例中为128）时，将设置游戏获胜标志，这意味着蛇不再能够生长，并且游戏仍在继续。 新的尾巴将放置在蛇头的先前坐标上。 X和Y的随机坐标应放置一个苹果。
2.2。 如果它们不相等，则顺序交换相邻尾巴的坐标。 如果第n个尾部在第（n +1）个之前添加，则（n +1）个第尾部应接收第n个坐标。 第一条尾巴接收头部的旧坐标。 - 检查蛇头的新坐标是否与任何尾巴的坐标一致。 在这种情况下，游戏结束标志会升起，游戏会停止。
随机坐标生成
通过取由6位线性反馈移位移位寄存器（LFSR） 6生成的随机位产生的随机数。 为了将数字拟合到屏幕中，将它们除以游戏网格的尺寸，然后取余数。
结论
经过8周的工作，该项目成功实施。 我们在游戏开发方面具有一定的经验，最终为FPGA开发了一个令人愉快的“蛇”游戏版本。 该游戏具有可玩性，并且我们在编程，设计体系结构和软技能方面的技能得到了提高。
确认的细分
我们要特别感谢和感谢穆罕默德·法希姆 （ Muhammad Fahim）教授和亚历山大·托马索夫 （ Alexander Tormasov）教授， 他们为我们提供了丰富的知识和将其付诸实践的机会。 我们衷心感谢弗拉迪斯拉夫·奥斯坦科维奇 （ Vladislav Ostankovich）为我们提供了该项目中使用的必要硬件，并感谢Temur Kholmatov帮助调试。 我们不会忘记记得Anastassiya Boiko为游戏绘制漂亮的精灵。 另外，我们还要向Rabab Marouf致以诚挚的敬意，以便对本文进行校对和编辑。
感谢所有帮助我们测试游戏并尝试创造记录的人。 希望你喜欢玩！
参考文献
[1]： Github上的项目
[2]： [FPGA] EP4CE6入门板文档
[3]： 分压器
[4]： 电路建模工具
[5]： 用于FPGA Altera Cyclone III的VGA适配器
[6]： 维基百科上的线性反馈移位寄存器（LFSR）
FPGA中的LFSR-VHDL和Verilog代码
苹果质地
产生随机数的想法
Palnitkar，S。（2003）。 Verilog HDL：数字设计和综合指南，第二版。