FPGA实现的“俄罗斯方块”游戏系统设计方案

一、引言

在当今科技日新月异的时代，FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其可编程性和高效能，在电子设计领域扮演着重要角色。FPGA作为集成电路的一种，内部包含可配置的逻辑单元，允许用户根据需求定制电路功能。基于FPGA开发的游戏系统不仅能够提供强大的运算能力，还能通过硬件加速实现实时渲染和复杂逻辑处理。本文将详细介绍基于FPGA的“俄罗斯方块”游戏系统设计方案，包括主控芯片型号、系统模块划分、工作原理等。

二、主控芯片型号及作用

1. 主控芯片型号

在本项目中，我们选用Xilinx公司的Zynq系列开发板ZedBoard作为硬件平台。ZedBoard集成了ARM Cortex-A9双核处理器和可编程逻辑，使得系统级设计成为可能，兼顾了高性能计算和灵活的硬件加速。

• 型号：Xilinx Zynq-7000系列（具体型号如XC7Z020CLG484-1）

• 核心：ARM Cortex-A9双核处理器 + 可编程逻辑（FPGA部分）

• 功能：支持高速数据传输、丰富的外设接口（如VGA、UART、SPI、I2C等）、低功耗设计

2. 主控芯片作用

• 处理器核心：ARM Cortex-A9双核处理器负责系统控制、任务调度、用户输入处理等任务。

• 可编程逻辑：FPGA部分负责实现游戏的核心逻辑，包括方块生成、移动、旋转、碰撞检测、消行和得分计算等。

• 接口支持：通过VGA接口控制屏幕显示，实现游戏画面的实时渲染；通过UART、SPI等接口与外设（如键盘、数码管）进行通信。

三、系统模块划分

整个系统由多个模块组成，每个模块负责不同的功能，通过协同工作实现完整的游戏逻辑。以下是系统的模块划分：

1. 按键输入处理模块

2. 控制模块

3. 数据路径模块

4. VGA显示接口模块

5. 数码管计分模块

四、详细设计方案

1. 按键输入处理模块

按键输入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样。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

控制模块采用有限状态机（FSM）的方式进行控制。在控制模块中，定义了多个状态，每个状态对应游戏的不同阶段。以下是控制模块中的状态定义：

• 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。

• 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。

3. 数据路径模块

数据路径模块的主要功能是，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。方块分为非活动方块与活动方块。非活动方块为之前下落的方块或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。

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。活动方块坐标由两个寄存器n和m表示，n为当前活动方块的行指针，m为列指针，指向方块固定点位置。

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

4. VGA显示接口模块

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。

• 时钟分频模块：对FPGA系统时钟进行分频。由于使用的显示屏参数为64048060Hz，其真实屏幕大小为800525，因此所需时钟频率为800525*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。

5. 数码管计分模块

数码管计分模块用于显示玩家的得分。每当玩家消除一行俄罗斯方块时，数码管上会显示当前得分。数码管计分模块通过接收控制模块传来的得分信号，将得分显示在数码管上。

五、工作原理

1. 系统初始化：系统上电后，首先进行初始化操作，包括配置FPGA内部逻辑、初始化背景矩阵、设置VGA接口参数等。

2. 方块生成：控制模块在S_new状态下生成新的俄罗斯方块，并将其放置在屏幕顶部。

3. 方块移动与旋转：玩家通过键盘上的WASD键控制方块的移动和旋转。按键输入处理模块对按键信号进行消抖和上升沿检测，然后将信号传递给控制模块。控制模块根据按键信号更新方块的坐标和类型。

4. 碰撞检测与消行：控制模块在S_down和S_move状态下判断方块是否与屏幕底部或其他方块发生碰撞。如果发生碰撞，则固定方块位置，并检查是否形成完整的一行。如果形成完整的一行，则消除该行，并将上面的行下移一行。

5. 得分计算：每当玩家消除一行俄罗斯方块时，控制模块将得分信号传递给数码管计分模块，数码管上显示当前得分。

6. 游戏结束：当方块堆叠到屏幕顶部无法放下新的方块时，游戏结束。控制模块跳转到S_stop状态，清除整个屏幕，并跳转到S_idle状态等待重新开始游戏。

六、结论

本文详细介绍了基于FPGA的“俄罗斯方块”游戏系统设计方案。通过选用Xilinx Zynq系列开发板ZedBoard作为硬件平台，实现了游戏的核心逻辑和实时渲染功能。系统由按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示接口模块和数码管计分模块组成，各模块协同工作实现完整的游戏逻辑。通过FPGA的并行处理能力和硬件加速功能，游戏系统能够实时渲染出流畅的游戏画面和复杂的逻辑处理。

基于FPGA的“俄罗斯方块”游戏系统设计方案不仅提升了技术技能，还培养了解决问题和创新思考的能力。对于想要进入嵌入式系统、数字逻辑或游戏开发领域的学习者，这是一个极具价值的学习项目。未来，可以进一步优化系统性能，增加游戏功能和难度级别，提升用户体验。