FPGA實現的“俄羅斯方塊”游戲系統設計方案

一、引言

在當今科技日新月異的時代，FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其可編程性和高效能，在電子設計領域扮演著重要角色。FPGA作為集成電路的一種，內部包含可配置的邏輯單元，允許用戶根據需求定制電路功能。基于FPGA開發的游戲系統不僅能夠提供強大的運算能力，還能通過硬件加速實現實時渲染和復雜邏輯處理。本文將詳細介紹基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統設計方案，包括主控芯片型號、系統模塊劃分、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，使得系統級設計成為可能，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：支持高速數據傳輸、豐富的外設接口（如VGA、UART、SPI、I2C等）、低功耗設計

2. 主控芯片作用

• 處理器核心：ARM Cortex-A9雙核處理器負責系統控制、任務調度、用戶輸入處理等任務。

• 可編程邏輯：FPGA部分負責實現游戲的核心邏輯，包括方塊生成、移動、旋轉、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，實現游戲畫面的實時渲染；通過UART、SPI等接口與外設（如鍵盤、數碼管）進行通信。

三、系統模塊劃分

整個系統由多個模塊組成，每個模塊負責不同的功能，通過協同工作實現完整的游戲邏輯。以下是系統的模塊劃分：

1. 按鍵輸入處理模塊

2. 控制模塊

3. 數據路徑模塊

4. VGA顯示接口模塊

5. 數碼管計分模塊

四、詳細設計方案

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樣。為了簡化控制系統，在本系統的設計過程中，不考慮長時間按鍵產生連按效果。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。

2. 控制模塊

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

• S_idle：上電復位后進入空狀態，當start信號為1時進入S_new狀態。

• S_new：用于產生新的俄羅斯方塊。

• S_hold：保持狀態。在這個狀態中進行計時，當時間到達一定間隔時，轉到S_down狀態；或者等待輸入信號（up、down、left、right）時，轉到S_down（按鍵為down）或者S_move（up、left、right）狀態。

• S_down：判斷當前俄羅斯塊能否下移一格。如果可以，則轉到S_remove_1狀態，如果不行，則轉到S_shift狀態。

• 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，則轉到S_shift狀態，如果不可以，則轉到S_remove_1狀態。

• 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。轉移到S_remove_2狀態。

• 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，直到沒有可消除的行為止。

• S_isdie：判斷是否游戲結束。如果結束，則跳轉到S_stop狀態。如果沒有，則跳轉到S_new狀態，生成新的俄羅斯方塊。

• S_stop：清除整個屏幕，并跳轉到S_idle狀態。

3. 數據路徑模塊

數據路徑模塊的主要功能是，根據控制模塊給出的信號，對俄羅斯方塊當前的邏輯狀態進行判斷，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。

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。活動方塊坐標由兩個寄存器n和m表示，n為當前活動方塊的行指針，m為列指針，指向方塊固定點位置。

數據交換方面，Datapath與其余模塊的數據交換分為兩部分：與control_unit間的狀態指令交互；控制merge，間接實現對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準。VGA接口即電腦采用VGA標準輸出數據的專用接口。VGA接口共有15針，分成3排，每排5個孔，顯卡上應用最為廣泛的接口類型，絕大多數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、數據組織模塊、接口控制模塊和頂層模塊。

• 時鐘分頻模塊：對FPGA系統時鐘進行分頻。由于使用的顯示屏參數為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系統時鐘為100M，因此將其四分頻即可基本滿足顯示要求。

• 數據組織模塊：是將預備輸出的數據組織為可以通過VGA接口控制的數據形式，本次設計中因接口已經協調，數據可不經過此模塊進行組織，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。

5. 數碼管計分模塊

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

五、工作原理

1. 系統初始化：系統上電后，首先進行初始化操作，包括配置FPGA內部邏輯、初始化背景矩陣、設置VGA接口參數等。

2. 方塊生成：控制模塊在S_new狀態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：玩家通過鍵盤上的WASD鍵控制方塊的移動和旋轉。按鍵輸入處理模塊對按鍵信號進行消抖和上升沿檢測，然后將信號傳遞給控制模塊。控制模塊根據按鍵信號更新方塊的坐標和類型。

4. 碰撞檢測與消行：控制模塊在S_down和S_move狀態下判斷方塊是否與屏幕底部或其他方塊發生碰撞。如果發生碰撞，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碼管計分模塊，數碼管上顯示當前得分。

6. 游戲結束：當方塊堆疊到屏幕頂部無法放下新的方塊時，游戲結束。控制模塊跳轉到S_stop狀態，清除整個屏幕，并跳轉到S_idle狀態等待重新開始游戲。

六、結論

本文詳細介紹了基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統設計方案。通過選用Xilinx Zynq系列開發板ZedBoard作為硬件平臺，實現了游戲的核心邏輯和實時渲染功能。系統由按鍵輸入處理模塊、控制模塊、數據路徑模塊、VGA顯示接口模塊和數碼管計分模塊組成，各模塊協同工作實現完整的游戲邏輯。通過FPGA的并行處理能力和硬件加速功能，游戲系統能夠實時渲染出流暢的游戲畫面和復雜的邏輯處理。

基于FPGA的“俄羅斯方塊”游戲系統設計方案不僅提升了技術技能，還培養了解決問題和創新思考的能力。對于想要進入嵌入式系統、數字邏輯或游戲開發領域的學習者，這是一個極具價值的學習項目。未來，可以進一步優化系統性能，增加游戲功能和難度級別，提升用戶體驗。