交流問題

Q：FPGA打磚塊小游戲，如何基于FPGA用verilog語言在Vivado平臺上寫打磚塊小游戲，最好能用到PS2與VGA。

A：以下是一個基于 FPGA Verilog HDL，Vivado 平臺上開發打磚塊小游戲并使用 PS2 與 VGA 的基本思路：

一、整體架構設計

1. 輸入模塊：

? PS2 接口模塊：負責與 PS2 設備（如游戲手柄）進行通信，接收手柄的按鍵信息，例如移動球拍方向鍵信息、發射球的按鍵信息等。該模塊需要實現 PS2 協議的解碼，將接收到的串行數據轉換為可供游戲邏輯使用的并行數據，比如定義不同按鍵對應的二進制編碼，當檢測到相應按鍵按下時，輸出對應的編碼信號給游戲控制模塊。

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

2. 游戲控制模塊：

? 是整個游戲的核心邏輯處理部分。它根據輸入模塊傳來的按鍵信息控制游戲元素的運動。例如，當接收到球拍向左移動的按鍵信號時，在每個時鐘周期內，更新球拍的位置坐標信息使其向左移動一定的像素值（要考慮邊界限制，不能讓球拍移出屏幕邊界）；當接收到發射球的信號時，確定球的初始速度和發射方向。同時，該模塊還負責判斷球與磚塊、球拍的碰撞檢測。當球與磚塊碰撞時，根據碰撞的位置和角度計算球的反彈方向，并更新磚塊的狀態（標記被擊中的磚塊為已摧毀）；當球與球拍碰撞時，根據球在球拍上的碰撞位置計算反彈角度，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，每當一個磚塊被摧毀，增加相應的得分，以及判斷游戲是否結束，例如當球掉到屏幕底部且生命次數耗盡時，輸出游戲結束信號。

3. 圖形生成模塊：

? 磚塊繪制模塊：根據游戲控制模塊提供的磚塊狀態信息，在 VGA 顯示的相應位置繪制磚塊。可以預先定義磚塊的形狀、顏色等屬性，例如每個磚塊可以是一個矩形，顏色可以是多種可選顏色中的一種，通過設置不同的顏色來區分不同的磚塊類型或顯示磚塊被擊中后的變化。當游戲開始時，根據初始的磚塊布局信息，在 VGA 屏幕的上方區域繪制出排列整齊的磚塊陣列。

? 球拍繪制模塊：依據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計，如長方形，并且可以設置其顏色和大小。隨著游戲的進行，根據球拍位置的變化實時更新 VGA 顯示中的球拍圖形位置。

? 球繪制模塊：根據游戲控制模塊傳來的球的位置坐標，在 VGA 屏幕上繪制出球的圖形。球可以是圓形或其他簡單形狀，同樣要設置其顏色和大小，并且在每個時鐘周期內，根據球的速度和運動方向更新球的位置坐標，從而在 VGA 屏幕上呈現出球的動態運動軌跡。

4. VGA 顯示模塊：

? 負責將圖形生成模塊繪制好的游戲畫面輸出到 VGA 顯示器上。它需要根據 VGA 顯示標準，在合適的時序下輸出行同步信號（hsync）、列同步信號（vsync）以及紅（R）、綠（G）、藍（B）顏色信號。在每個時鐘周期內，根據當前掃描的像素位置，從圖形生成模塊獲取對應的顏色信息，并將其輸出到 VGA 接口。例如，在掃描到對應磚塊位置的像素時，輸出磚塊的顏色信號；在掃描到球拍和球的位置時，分別輸出它們各自的顏色信號，以此來構建完整的游戲顯示畫面在 VGA 顯示器上呈現給玩家。

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
);


// 內部狀態機定義
reg [3:0] state;
// 數據接收寄存器
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
        // 接收數據位
        1: begin
            // 按照 PS2 協議的時序接收 8 個數據位
            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
                // 數據接收成功，進行解碼和輸出
                key_data <= data_reg[8:1];
                key_valid <= 1;
                state <= 0;
            end else begin
                // 數據錯誤，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;


// 內部寄存器用于存儲球的速度方向
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
    // 根據按鍵信息移動球拍
    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
        // 發射球的邏輯，設置球的初始速度方向
        ball_dir_x <= 1;
        ball_dir_y <= -1;
    end


    // 球的運動更新
    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;
        // 根據球在球拍上的位置調整水平方向速度
        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（這里假設已經有一個磚塊狀態數組 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;
                    // 根據碰撞位置調整球的方向
                    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


    // 游戲結束判斷
    if (ball_y >= SCREEN_HEIGHT) begin
        // 如果生命次數耗盡等條件滿足，設置游戲結束
        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 時序參數定義
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;


// 內部計數器用于生成 VGA 時序
reg [9:0] h_count;
reg [9:0] v_count;


// 生成行同步信號和列同步信號
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（假設已經有一個磚塊狀態數組 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

這只是一個非常基本的框架和部分代碼示例，實際開發中還需要進一步完善和優化，例如添加更多的游戲功能（如多個關卡、道具等）、優化圖形顯示效果、處理邊界情況等。同時，在 Vivado 平臺上還需要進行正確的工程設置、引腳分配等操作，以確保代碼能夠正確地在 FPGA 芯片上運行并與 PS2 設備和 VGA 顯示器正常連接和通信。

本次答疑分享就到這里，后續還會持續推出本系列。