交流問(wèn)題

Q：FPGA打磚塊小游戲，如何基于FPGA用verilog語(yǔ)言在Vivado平臺(tái)上寫(xiě)打磚塊小游戲，最好能用到PS2與VGA。

A：以下是一個(gè)基于 FPGA Verilog HDL，Vivado 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)打磚塊小游戲并使用 PS2 與 VGA 的基本思路：

一、整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 輸入模塊：

? PS2 接口模塊：負(fù)責(zé)與 PS2 設(shè)備（如游戲手柄）進(jìn)行通信，接收手柄的按鍵信息，例如移動(dòng)球拍方向鍵信息、發(fā)射球的按鍵信息等。該模塊需要實(shí)現(xiàn) PS2 協(xié)議的解碼，將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可供游戲邏輯使用的并行數(shù)據(jù)，比如定義不同按鍵對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)按鍵按下時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)的編碼信號(hào)給游戲控制模塊。

? 時(shí)鐘模塊：產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時(shí)鐘信號(hào)，如為 VGA 顯示提供合適的像素時(shí)鐘（例如常用的 25MHz 左右的時(shí)鐘用于 640x480 的 VGA 分辨率），以及為游戲邏輯處理提供時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘頻率可根據(jù)游戲的實(shí)時(shí)性需求和 FPGA 芯片性能進(jìn)行設(shè)置，一般在幾十 MHz 到上百 MHz 之間。

2. 游戲控制模塊：

? 是整個(gè)游戲的核心邏輯處理部分。它根據(jù)輸入模塊傳來(lái)的按鍵信息控制游戲元素的運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)接收到球拍向左移動(dòng)的按鍵信號(hào)時(shí)，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，更新球拍的位置坐標(biāo)信息使其向左移動(dòng)一定的像素值（要考慮邊界限制，不能讓球拍移出屏幕邊界）；當(dāng)接收到發(fā)射球的信號(hào)時(shí)，確定球的初始速度和發(fā)射方向。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)判斷球與磚塊、球拍的碰撞檢測(cè)。當(dāng)球與磚塊碰撞時(shí)，根據(jù)碰撞的位置和角度計(jì)算球的反彈方向，并更新磚塊的狀態(tài)（標(biāo)記被擊中的磚塊為已摧毀）；當(dāng)球與球拍碰撞時(shí)，根據(jù)球在球拍上的碰撞位置計(jì)算反彈角度，使球以合適的方向彈回。此外，該模塊還要跟蹤游戲的得分情況，每當(dāng)一個(gè)磚塊被摧毀，增加相應(yīng)的得分，以及判斷游戲是否結(jié)束，例如當(dāng)球掉到屏幕底部且生命次數(shù)耗盡時(shí)，輸出游戲結(jié)束信號(hào)。

3. 圖形生成模塊：

? 磚塊繪制模塊：根據(jù)游戲控制模塊提供的磚塊狀態(tài)信息，在 VGA 顯示的相應(yīng)位置繪制磚塊。可以預(yù)先定義磚塊的形狀、顏色等屬性，例如每個(gè)磚塊可以是一個(gè)矩形，顏色可以是多種可選顏色中的一種，通過(guò)設(shè)置不同的顏色來(lái)區(qū)分不同的磚塊類(lèi)型或顯示磚塊被擊中后的變化。當(dāng)游戲開(kāi)始時(shí)，根據(jù)初始的磚塊布局信息，在 VGA 屏幕的上方區(qū)域繪制出排列整齊的磚塊陣列。

? 球拍繪制模塊：依據(jù)游戲控制模塊中的球拍位置信息，在 VGA 屏幕的底部繪制出球拍的圖形。球拍的形狀也可以自行設(shè)計(jì)，如長(zhǎng)方形，并且可以設(shè)置其顏色和大小。隨著游戲的進(jìn)行，根據(jù)球拍位置的變化實(shí)時(shí)更新 VGA 顯示中的球拍圖形位置。

? 球繪制模塊：根據(jù)游戲控制模塊傳來(lái)的球的位置坐標(biāo)，在 VGA 屏幕上繪制出球的圖形。球可以是圓形或其他簡(jiǎn)單形狀，同樣要設(shè)置其顏色和大小，并且在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，根據(jù)球的速度和運(yùn)動(dòng)方向更新球的位置坐標(biāo)，從而在 VGA 屏幕上呈現(xiàn)出球的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡。

4. VGA 顯示模塊：

? 負(fù)責(zé)將圖形生成模塊繪制好的游戲畫(huà)面輸出到 VGA 顯示器上。它需要根據(jù) VGA 顯示標(biāo)準(zhǔn)，在合適的時(shí)序下輸出行同步信號(hào)（hsync）、列同步信號(hào)（vsync）以及紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）顏色信號(hào)。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前掃描的像素位置，從圖形生成模塊獲取對(duì)應(yīng)的顏色信息，并將其輸出到 VGA 接口。例如，在掃描到對(duì)應(yīng)磚塊位置的像素時(shí)，輸出磚塊的顏色信號(hào)；在掃描到球拍和球的位置時(shí)，分別輸出它們各自的顏色信號(hào)，以此來(lái)構(gòu)建完整的游戲顯示畫(huà)面在 VGA 顯示器上呈現(xiàn)給玩家。

二、主要模塊的 Verilog 代碼示例

1. PS2 接口模塊（部分代碼）：

module ps2_interface(
    input clk,
    input ps2_clk,
    input ps2_data,
    output reg [7:0] key_data,
    output reg key_valid
);


// 內(nèi)部狀態(tài)機(jī)定義
reg [3:0] state;
// 數(shù)據(jù)接收寄存器
reg [10:0] data_reg;


always @(posedge clk) begin
    case (state)
        // 等待起始位
        0: begin
            if (!ps2_clk &&!ps2_data) begin
                state <= 1;
            end
        end
        // 接收數(shù)據(jù)位
        1: begin
            // 按照 PS2 協(xié)議的時(shí)序接收 8 個(gè)數(shù)據(jù)位
            if (ps2_clk) begin
                data_reg <= {ps2_data, data_reg[10:1]};
                if (ps2_clk && &data_reg[10:3]) begin
                    state <= 2;
                end
            end
        end
        // 接收奇偶校驗(yàn)位
        2: begin
            if (ps2_clk) begin
                state <= 3;
            end
        end
        // 接收停止位
        3: begin
            if (ps2_clk && ps2_data) begin
                // 數(shù)據(jù)接收成功，進(jìn)行解碼和輸出
                key_data <= data_reg[8:1];
                key_valid <= 1;
                state <= 0;
            end else begin
                // 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，重置
                key_valid <= 0;
                state <= 0;
            end
        end
    endcase
end
endmodule

2. 游戲控制模塊（部分代碼）：

module game_control(
    input clk,
    input [7:0] key_data,
    output reg [9:0] paddle_x,
    output reg [9:0] ball_x,
    output reg [9:0] ball_y,
    output reg [7:0] score,
    output reg game_over
);


// 定義一些常量，如屏幕尺寸、球拍尺寸、球的速度等
parameter SCREEN_WIDTH = 640;
parameter SCREEN_HEIGHT = 480;
parameter PADDLE_WIDTH = 80;
parameter PADDLE_HEIGHT = 10;
parameter BALL_SIZE = 10;
parameter BALL_SPEED_X = 1;
parameter BALL_SPEED_Y = 1;


// 內(nèi)部寄存器用于存儲(chǔ)球的速度方向
reg [1:0] ball_dir_x;
reg [1:0] ball_dir_y;


// 游戲初始化
initial begin
    paddle_x <= (SCREEN_WIDTH - PADDLE_WIDTH) / 2;
    ball_x <= SCREEN_WIDTH / 2;
    ball_y <= SCREEN_HEIGHT / 2;
    score <= 0;
    game_over <= 0;
    ball_dir_x <= 1;
    ball_dir_y <= 1;
end


always @(posedge clk) begin
    // 根據(jù)按鍵信息移動(dòng)球拍
    if (key_data == LEFT_KEY) begin
        if (paddle_x > 0) paddle_x <= paddle_x - 5;
    end else if (key_data == RIGHT_KEY) begin
        if (paddle_x < SCREEN_WIDTH - PADDLE_WIDTH) paddle_x <= paddle_x + 5;
    end else if (key_data == LAUNCH_KEY) begin
        // 發(fā)射球的邏輯，設(shè)置球的初始速度方向
        ball_dir_x <= 1;
        ball_dir_y <= -1;
    end


    // 球的運(yùn)動(dòng)更新
    ball_x <= ball_x + (ball_dir_x == 1? BALL_SPEED_X : -BALL_SPEED_X);
    ball_y <= ball_y + (ball_dir_y == 1? BALL_SPEED_Y : -BALL_SPEED_Y);


    // 碰撞檢測(cè)與處理
    // 球與球拍碰撞
    if ((ball_y >= SCREEN_HEIGHT - PADDLE_HEIGHT - BALL_SIZE) && (ball_x >= paddle_x) && (ball_x <= paddle_x + PADDLE_WIDTH)) begin
        ball_dir_y <= -ball_dir_y;
        // 根據(jù)球在球拍上的位置調(diào)整水平方向速度
        if (ball_x < paddle_x + PADDLE_WIDTH / 3) ball_dir_x <= -1;
        else if (ball_x > paddle_x + 2 * PADDLE_WIDTH / 3) ball_dir_x <= 1;
    end
    // 球與磚塊碰撞（這里假設(shè)已經(jīng)有一個(gè)磚塊狀態(tài)數(shù)組 brick_status[ROW][COL]）
    for (i = 0; i < ROW; i++) begin
        for (j = 0; j < COL; j++) begin
            if (brick_status[i][j] == 1) begin
                if ((ball_y <= i * BRICK_HEIGHT + BRICK_HEIGHT) && (ball_y >= i * BRICK_HEIGHT) && (ball_x >= j * BRICK_WIDTH) && (ball_x <= j * BRICK_WIDTH + BRICK_WIDTH)) begin
                    brick_status[i][j] <= 0;
                    score <= score + 10;
                    // 根據(jù)碰撞位置調(diào)整球的方向
                    if ((ball_x >= j * BRICK_WIDTH) && (ball_x <= j * BRICK_WIDTH + BRICK_WIDTH / 2)) ball_dir_x <= -ball_dir_x;
                    else ball_dir_x <= ball_dir_x;
                    ball_dir_y <= -ball_dir_y;
                }
            end
        end
    end


    // 游戲結(jié)束判斷
    if (ball_y >= SCREEN_HEIGHT) begin
        // 如果生命次數(shù)耗盡等條件滿(mǎn)足，設(shè)置游戲結(jié)束
        game_over <= 1;
    end
end
endmodule

3. VGA 顯示模塊（部分代碼）：

module vga_display(
    input clk,
    input [9:0] paddle_x,
    input [9:0] paddle_y,
    input [9:0] ball_x,
    input [9:0] ball_y,
    output reg hsync,
    output reg vsync,
    output reg [3:0] red,
    output reg [3:0] green,
    output reg [3:0] blue
);


// VGA 時(shí)序參數(shù)定義
parameter H_SYNC_PULSE = 96;
parameter H_BACK_PORCH = 48;
parameter H_ACTIVE = 640;
parameter H_FRONT_PORCH = 16;
parameter V_SYNC_PULSE = 2;
parameter V_BACK_PORCH = 33;
parameter V_ACTIVE = 480;
parameter V_FRONT_PORCH = 10;


// 內(nèi)部計(jì)數(shù)器用于生成 VGA 時(shí)序
reg [9:0] h_count;
reg [9:0] v_count;


// 生成行同步信號(hào)和列同步信號(hào)
always @(posedge clk) begin
    if (h_count < H_SYNC_PULSE) hsync <= 0;
    else hsync <= 1;
    if (v_count < V_SYNC_PULSE) vsync <= 0;
    else vsync <= 1;


    if (h_count == H_SYNC_PULSE + H_BACK_PORCH + H_ACTIVE + H_FRONT_PORCH) h_count <= 0;
    else h_count <= h_count + 1;


    if (h_count == H_SYNC_PULSE + H_BACK_PORCH + H_ACTIVE + H_FRONT_PORCH) begin
        if (v_count == V_SYNC_PULSE + V_BACK_PORCH + V_ACTIVE + V_FRONT_PORCH) v_count <= 0;
        else v_count <= v_count + 1;
    end
end


// 根據(jù)像素位置繪制游戲元素
always @(posedge clk) begin
    if ((h_count >= 0) && (h_count < H_ACTIVE) && (v_count >= 0) && (v_count < V_ACTIVE)) begin
        // 繪制背景色
        red <= 4'b0000;
        green <= 4'b0000;
        blue <= 4'b0000;


        // 繪制磚塊（假設(shè)已經(jīng)有一個(gè)磚塊狀態(tài)數(shù)組 brick_status[ROW][COL]）
        for (i = 0; i < ROW; i++) begin
            for (j = 0; j < COL; j++) begin
                if (brick_status[i][j] == 1) begin
                    if ((h_count >= j * BRICK_WIDTH) && (h_count < j * BRICK_WIDTH + BRICK_WIDTH) && (v_count >= i * BRICK_HEIGHT) && (v_count < i * BRICK_HEIGHT + BRICK_HEIGHT)) begin
                        red <= 4'b1111;
                        green <= 4'b0000;
                        blue <= 4'b0000;
                    end
                end
            end
        end


        // 繪制球拍
        if ((h_count >= paddle_x) && (h_count < paddle_x + PADDLE_WIDTH) && (v_count >= SCREEN_HEIGHT - PADDLE_HEIGHT) && (v_count < SCREEN_HEIGHT)) begin
            red <= 4'b0000;
            green <= 4'b1111;
            blue <= 4'b0000;
        end


        // 繪制球
        if ((h_count >= ball_x) && (h_count < ball_x + BALL_SIZE) && (v_count >= ball_y) && (v_count < ball_y + BALL_SIZE)) begin
            red <= 4'b0000;
            green <= 4'b0000;
            blue <= 4'b1111;
        end
    end
end
endmodule

這只是一個(gè)非常基本的框架和部分代碼示例，實(shí)際開(kāi)發(fā)中還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化，例如添加更多的游戲功能（如多個(gè)關(guān)卡、道具等）、優(yōu)化圖形顯示效果、處理邊界情況等。同時(shí)，在 Vivado 平臺(tái)上還需要進(jìn)行正確的工程設(shè)置、引腳分配等操作，以確保代碼能夠正確地在 FPGA 芯片上運(yùn)行并與 PS2 設(shè)備和 VGA 顯示器正常連接和通信。

本次答疑分享就到這里，后續(xù)還會(huì)持續(xù)推出本系列。