基于FPGA的俄羅斯方塊游戲設(shè)計與實現(xiàn)

李 營，呂兆承，施 勇

俄羅斯方塊游戲是一款難易程度適中、操作方便的游戲，深受人們喜歡.常見的俄羅斯方塊硬件游戲多由專用集成芯片或者單片機設(shè)計實現(xiàn)，而FPGA芯片具有高速并行計算、可編程，實現(xiàn)的游戲系統(tǒng)功能易拓展等特點，鑒于此本文根據(jù)VGA時序顯示原理和俄羅斯方塊游戲工作原理，在QuartusⅡ13.1環(huán)境下利用Verilog硬件描述語言和層次化建模思想設(shè)計實現(xiàn)硬件俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)［1］.

1 俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)工作原理

本文俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone V系列的5CSXFC6D6F31C6芯片設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)功能，由VGA顯示器、FPGA芯片等構(gòu)成.俄羅斯方塊游戲的規(guī)則是當游戲開始初始化后，隨機產(chǎn)生一個方塊，當其下落過程中根據(jù)不同按鍵進行操作，比如當點擊旋轉(zhuǎn)按鈕時將方塊旋轉(zhuǎn)，點擊LEFT_KEY時向左移動，一旦下落到底并且滿行時消除該行，當最新方塊掉落行置頂時游戲結(jié)束.具體的游戲算法流程圖如圖1所示［2］.

圖1 俄羅斯方塊游戲算法流程圖

2 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

采用自頂向下層次化建模思想設(shè)計實現(xiàn)俄羅斯方塊系統(tǒng)各功能模塊.系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示.由圖2可知，系統(tǒng)底層包含：按鍵輸入處理模塊（key.v）、方塊移動控制模塊（game_control.v）、數(shù)據(jù)路徑模塊（datapath.v）、游戲界面輸出模塊（merge.v）、VGA時序控制模塊（vga_top）［3］.

圖2 系統(tǒng)設(shè)計思路和實現(xiàn)功能框圖

2.1 按鍵輸入處理模塊

該模塊的功能是對輸入系統(tǒng)的各種控制信號進行上升沿檢測及消抖，其接口框圖如圖3所示，圖中輸入按鍵UP_KEY、LEFT_KEY、RIGHT_KEY、DOWN_KEY分別用來控制方塊旋轉(zhuǎn)、方塊向左、向右、向下移動［4］，其對應(yīng)消抖后輸出信號為rotate、left、right、down.若UP_KEY按下1次，方塊旋轉(zhuǎn)1次，其他按鍵功能類似，此處不再列出.

圖3 按鍵輸入處理模塊接口框圖

2.2 方塊移動控制模塊

該模塊的功能是：①根據(jù)游戲規(guī)則定義了10個狀態(tài)，并采用有限狀態(tài)機設(shè)計實現(xiàn)［5］.②接收按鍵輸入處理模塊信號，將其控制輸出后送至數(shù)據(jù)路徑模塊.

該模塊的狀態(tài)遷移圖如圖4所示.各狀態(tài)的含義如下：

圖4 系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖

①空閑狀態(tài)S_idle：點擊系統(tǒng)復(fù)位按鍵rst_n后進入該狀態(tài).

②新的俄羅斯方塊產(chǎn)生狀態(tài)S_new.

③保持狀態(tài)S_hold：在該狀態(tài)中計時到固定時間后，轉(zhuǎn)到下移狀態(tài)S_down狀態(tài)；或者根據(jù)不同輸入信號指令轉(zhuǎn)到下移或者移動狀態(tài).

④下移狀態(tài)S_down：判斷當前俄羅斯方塊能否下移一格.若是則轉(zhuǎn)到S_remove_1狀態(tài)，否則轉(zhuǎn)到S_shift狀態(tài).

⑤移動狀態(tài)判斷S_move：判斷當前俄羅斯方塊是否能夠按照按鍵信號進行移動，若是轉(zhuǎn)到S_shift狀態(tài)，若不是轉(zhuǎn)到S_remove_1狀態(tài).

⑥更新方塊坐標狀態(tài)S_shift：更新俄羅斯方塊的坐標信息，返回S_hold狀態(tài).

⑦更新屏幕狀態(tài)S_remove_1.

⑧消除行判斷狀態(tài)S_remove_2：重復(fù)判斷，若無可消除的行跳轉(zhuǎn)S_isdie狀態(tài).

⑨游戲結(jié)束判斷狀態(tài)S_isdie：若結(jié)束跳轉(zhuǎn)到S_stop，否則跳轉(zhuǎn)到S_new.

⑩清除屏幕狀態(tài)S_stop.

2.3 數(shù)據(jù)路徑模塊

該模塊主要功能是：根據(jù)方塊移動控制模塊給出的信號，對方塊當前的狀態(tài)進行判斷，更新游戲背景［6］.具體功能如下：

（1）游戲背景定義.背景R是24行10列的寄存器組，負責保存非活動方塊坐標（①所有之前下落的方塊；②下落后方塊消除之后的結(jié)果）.背景R中任一位置，如方塊存在，則該位置為1，否則為0.

（2）數(shù)據(jù)交換.完成本模塊與方塊移動控制模塊game_control間的控制.

（3）方塊模型定義.定義了七種形狀方塊模型，如圖5所示，圖中陰影部分為固定點，即方塊旋轉(zhuǎn)時不變的格點.

圖5 方塊模型示意圖

（4）方塊運動.指活動方塊的運動，所謂活動方塊為當前下落中的方塊，通過活動方塊坐標表示.俄羅斯方塊的運動包括4種：①方塊隨機產(chǎn)生；②方塊旋轉(zhuǎn)、下落、向左、向右四種移動方式；③方塊停止與消除由S_remove1和S_remove2兩個狀態(tài)完成.④死亡判定.該模塊的接口框圖如圖6所示，圖中各端口含義如下：

圖6 數(shù)據(jù)路徑模塊接口框圖

輸入端口.信號MOVE、DOWN、DIE、SHIFT、REMOVE_1、REMOVE_2、NEW、STOP、AUTODOWN、KEYBOARD等信號均連接方塊移動控制模塊相應(yīng)輸出.

輸出端口.信號n、m指向當前活動方塊固定點位置.信號BLOCK［6：0］指方塊類型，由7位編碼構(gòu)成.信號MOVE_ABLE、SHIFT_FINISH、DOWN_ABLE、REMOVE_2_FINISH分別連接方塊移動控制模塊相應(yīng)信號.M_OUT［239：0］指活動和非活動方塊數(shù)據(jù)在背景數(shù)據(jù)輸出.

2.4 游戲界面輸出模塊

該模塊主要完成游戲界面最終輸出功能，其接口框圖如圖7所示.圖中各端口的含義如下：游戲界面背景ROW為20行，COL為10列，即非活動矩陣數(shù)據(jù)data_in［239：0］，活動方塊形狀數(shù)據(jù)shape［6：0］，活動方塊的固定點位置坐標是x_pos［3：0］和y_pos［3：0］，最終游戲界面數(shù)據(jù)data_out［ROW*COL-1：0］，即data_out［199：0］.

圖7 游戲輸出界面模塊接口框圖

2.5 VGA驅(qū)動控制模塊

該模塊的功能是接收游戲界面輸出模塊數(shù)據(jù)，將結(jié)果通過VGA接口在顯示屏端顯示［7］.其接口框圖如圖8所示.

圖8 VGA驅(qū)動控制模塊接口框圖

圖中各端口的含義如下：

輸入端口.num［199：0］連接游戲輸出界面模塊的data_out［199：0］信號.

輸出端口.紅色、綠色、藍色三基色信號分別指OUTRed［3：0］、OUTGreen［3：0］、OUTBlue［3：0］.hsync_r和vsync_r分別是行、場同步 信 號.圖 中VGA_BLANKn、VGA_SYNCn、DAC_CLK均是 其DE2-115的VGA驅(qū)動 所需的3根 線，其中VGA_BLANKn和VGA_SYNCn分別設(shè)置為1和0，DAC_CLK連接25MHz驅(qū)動時鐘.

2.6 系統(tǒng)頂層模塊

將上述各模塊連接完成后構(gòu)成頂層模塊，其核心代碼如下：

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)軟件仿真

系統(tǒng)設(shè)計完成后生成的RTL圖如圖9所示，由圖可知各個功能模塊與圖2系統(tǒng)設(shè)計思路和功能框圖一致［1］，說明系統(tǒng)設(shè)計思路正確.

圖9 系統(tǒng)RTL圖

3.2 系統(tǒng)硬件顯示效果

FPGA作為處理器讀取DE10開發(fā)板鍵盤發(fā)送的按鍵信息后，通過VGA接口顯示俄羅斯方塊游戲運行界面.系統(tǒng)通過start按鍵控制游戲開始，通過其他四個按鍵分別控制方塊旋轉(zhuǎn)、向下、向左、向右移動.結(jié)果達到了系統(tǒng)設(shè)計要求，其硬件顯示效果如圖10所示［8］.

圖10 硬件顯示效果圖

4 結(jié)語

在640*480＠60Hz的VGA分辨率下，基于Cyclone V系列 的5CSXFC6D6F31C6 FPGA芯片進行了俄羅斯方塊系統(tǒng)硬件驗證.文章提出的俄羅斯方塊游戲系統(tǒng)設(shè)計思路是利用FPGA芯片開發(fā)游戲的有效嘗試，相對于傳統(tǒng)的硬件游戲系統(tǒng)，本系統(tǒng)功能更易拓展，如添加PS2鍵盤、LCD液晶顯示等設(shè)備，系統(tǒng)有一定的工業(yè)應(yīng)用前景［9］.