李 營，呂兆承，陳 帥，權(quán)循忠

當(dāng)前硬件游戲?qū)δ艿囊笤絹碓綇?fù)雜，傳統(tǒng)硬件游戲系統(tǒng)易被盜版且功能不易拓展，已經(jīng)難以適應(yīng)市場對硬件設(shè)計的要求.可編程邏輯器件FPGA 具有高速并行計算、可編程、易拓展等優(yōu)點，在智能家居等方面得到廣泛地應(yīng)用［1-3］，若采用帶有加密功能的FPGA 芯片實現(xiàn)游戲機平臺設(shè)計，可避免軟件游戲易受到黑客攻擊的問題，且功能易拓展.鑒于此，本文根據(jù)PS2 鍵盤原理和VGA 時序顯示原理，利用層次化建模思想設(shè)計硬件貪吃蛇游戲系統(tǒng).

1 貪吃蛇游戲系統(tǒng)工作原理

1.1 游戲設(shè)計思路

本系統(tǒng)選用Altera 公司的鋯石Cyclone IV系列EP4C6E10F17C8 開發(fā)板設(shè)計實現(xiàn)貪吃蛇游戲［4］，系統(tǒng)由PS2 鍵盤接口、VGA 接口、FPGA芯片等構(gòu)成.設(shè)計時將PS2 鍵盤與系統(tǒng)的PS2接口連接，將VGA 接口連接到一臺顯示器.顯示器上有一自動移動的“蛇”，通過PS2 鍵盤的W、S、A、D 鍵實現(xiàn)“蛇”相應(yīng)上、下、左、右方向改變.“蛇”在顯示器一定范圍內(nèi)運動，若碰到VGA 顯示器的邊緣或者“蛇”的身體，則游戲結(jié)束.每當(dāng)“蛇”吃到一只青蛙則VGA 屏幕有效區(qū)域會隨機出現(xiàn)一只“青蛙”，且此時得分加1，分值在數(shù)碼管顯示.最終以FPGA 芯片為核心控制器，完成簡單的硬件貪吃蛇游戲.

1.2 VGA 顯示原理

設(shè)計中VGA 顯示及時序信號控制應(yīng)遵循VGA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，文中采用的640*480@60 Hz 通信時序，其原理在文獻［5］中已詳述，此處不再敘述，對應(yīng)的行周期為31.75 ns，場周期為16.6 ms.

1.3 PS2 協(xié)議與通信原理

PS2 是一種應(yīng)用于鼠標(biāo)和鍵盤的遵循雙向同步串行協(xié)議［6］.文章使用PS2 接口鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)到FPGA，故主要分析PS2 鍵盤原理.PS2 鍵盤到主機傳送的數(shù)據(jù)以11 位為一幀，具體含義如表1 所示.

表1 鍵盤到主機PS2 幀數(shù)據(jù)含義

PS2 鍵盤要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢查時鐘是否為1，若不是則主機抑制通信設(shè)備，鍵盤需要緩沖任何要發(fā)送的數(shù)據(jù)直至?xí)r鐘線為高電平才可以發(fā)送數(shù)據(jù)［7-8］，如圖 1 所示.主機可在停止位之前將時鐘電平拉低，鍵盤放棄發(fā)送當(dāng)前字節(jié).

圖1 鍵盤到主機的通信過程

1.4 PS2 接口鍵盤控制器設(shè)計

按鍵被按下或釋放時，鍵盤上的處理器會根據(jù)相應(yīng)的按鍵發(fā)送唯一的“通碼”或“斷碼”［9-10］，文中用到的控制上、下、左、右鍵方向的四個鍵分別是W、S、A 和D，其相應(yīng)的通碼、斷碼和ASCII 碼如表2 所示.

表2 文中用到的PS2 的第二套掃碼集信息

2 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

依據(jù)層次化建模思想和Verilog HDL 設(shè)計實現(xiàn)各功能模塊.系統(tǒng)的設(shè)計思路和功能框圖如圖2 所示.從圖2 可知，該系統(tǒng)底層可劃分為：用于控制方向的鍵盤掃描模塊（Ps2.v），鍵盤譯碼消抖模塊（Ps2_duma.v），游戲控制模塊（Game_ctrl.v），蛇身運動軌跡處理模塊（Snake.v），蛇吃青蛙處理模塊（Snake_eating_frog.v），數(shù)碼管顯示模塊（Seg_display.v），VGA 時序控制模塊（VGA_control.v），頂層模塊（top.v）.

圖2 系統(tǒng)設(shè)計思路和功能框圖

2.1 鍵盤掃描模塊

該模塊的輸入信號包括50 M 時鐘clk，復(fù)位信號rst_n，PS2 接口時鐘信號ps2k_clk 和8bit數(shù)據(jù)信號ps2k_data.模塊功能是在ps2k_clk 時鐘下，不斷掃描讀取ps2k_data，從而輸出按下鍵的8bitASCII 碼值ps2_byte，并輸出此時的鍵盤狀態(tài)ps2_state.其中ps2_state 為1 表示有鍵被按下，ps2_state 為0 表示無鍵按下.該模塊的接口框圖如圖3 所示.

圖3 鍵盤掃描模塊接口圖

2.2 鍵盤譯碼及消抖模塊

該模塊的功能首先是接收PS2 鍵盤掃描模塊輸入鍵的ASCII 碼值ps2_byte 和按鍵狀態(tài)ps2_state，然后進行消抖和譯碼，最后控制下一時刻蛇身的運動方向.該模塊的接口框圖如圖 4 所示 .圖 4 中，輸入端口 ps2_byte 為 PS2鍵盤的按鍵的ASCII 碼值，ps2_state 代表按鍵狀態(tài).輸出端口有 up、down、left、right 4 個，分別表示 PS2 鍵盤 W、S、A、D 四個按鍵的各自狀態(tài)，利用其值控制蛇身的上、下、左、右運動方向.如up 值若為1，代表W 鍵被按下，蛇身朝上運動，其他按鍵功能類似，此處不再列出.

圖4 鍵盤譯碼消抖模塊接口圖

2.3 游戲控制模塊

本模塊是從其他模塊接收信號，決定游戲狀態(tài)（ready、play、die），并且產(chǎn)生其他模塊的控制信號.在ready 的狀態(tài)下，只要有鍵按下（上、下、左、右），蛇就會自動向右運動，從而進入play 狀態(tài).在play 狀態(tài)下，本模塊等待hit_wall 或者hit_body 的信號，如果這兩個信號發(fā)生，則進入die 狀態(tài)，即游戲結(jié)束.在die 狀態(tài)下，屏幕會閃爍一段時間，最后進入ready狀態(tài)［8］，該模塊的接口框圖如圖5 所示.

圖5 游戲控制模塊接口框圖

2.4 蛇吃青蛙處理模塊

此模塊的功能是在液晶顯示器有效區(qū)域內(nèi)隨機產(chǎn)生一只青蛙，并且需要判斷蛇是否已吃下青蛙，該模塊的接口示意圖如圖6 所示，圖中head_x、head_y 是蛇頭出現(xiàn)的位置，frog_x、frog_y 是青蛙出現(xiàn)的位置，add_cube 的含義是蛇身新增方塊.

圖6 蛇吃青蛙處理模塊接口框圖

2.5 蛇身運動軌跡處理模塊

該模塊需要完成以下四個功能：①保持蛇的運動；②根據(jù)按下的鍵改變蛇的運動方向；③判斷蛇是否碰撞墻或者自己的身體；④在液晶顯示器上顯示［4］.該模塊最終完成后的接口框圖如圖7 所示，圖中cube_num 的含義是蛇身方塊構(gòu)成蛇身，head_x、head_y 是蛇頭出現(xiàn)的位置，hit_body 指蛇運動時撞到蛇身，hit_wall 指蛇運動時撞到墻.

圖7 蛇身運動軌跡模塊接口框圖

2.6 VGA 時序控制模塊

該模塊直接控制液晶屏的顯示.產(chǎn)生五個信號：紅、綠、藍三色信號和行幀同步信號.設(shè)計中接收蛇頭snake 的像素坐標(biāo)，以及青蛙的坐標(biāo)進行相應(yīng)地顯示，該模塊的接口框圖如圖8 所示.

圖8 VGA 時序控制模塊接口框圖

2.7 頂層模塊

頂層模塊的作用是進行各底層模塊間數(shù)據(jù)信號和控制信號之間的連接，同時調(diào)用上述6 個模塊，以及數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)碼管模塊較為簡單，文章不再列出，最終實現(xiàn)系統(tǒng)要求.其核心代碼為：

module Greedy_Snake（

input clk，

input reset，

input PS2_CLK，//PS2 的時鐘端口

input PS2_DATA，//PS2 的數(shù)據(jù)端口

output h_sync，

output v_sync，

output［7：0］color_out

output［7：0］seg_out，

output［3：0］sel）；

//中間連線聲明

//調(diào)用上述六個模塊（略）

//調(diào)用數(shù)碼管顯示模塊（略）

endmodule

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)開發(fā)工具

①仿真軟件：QuartusⅡ13.1；

②硬件描述語言：Verilog HDL；

③實驗開發(fā)板：鋯石A4系列EP4C6E10F17C8.

3.2 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9 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［4］，說明系統(tǒng)設(shè)計思路正確.

3.3 系統(tǒng)時序信號仿真

系統(tǒng)設(shè)計完成后編寫測試文件進行時序仿真，結(jié)果如圖 10 所示. 圖 10 中 sclk 是 50 MHz 輸入時鐘信號，ps2_clk 為鍵盤輸入時鐘，ps2_data 是鍵盤依次按下 A、B、C 三個按鍵時對應(yīng)的截圖，圖10 中分析線對應(yīng)的是B 鍵發(fā)送時的情形，此時對應(yīng)的接收后的ASCII 碼是8‘h32，且此時 PS2 時鐘為 100 us，PS2 鍵盤到主機傳送的數(shù)據(jù)以11 位為一幀，且與文中1.3小節(jié)所要求的PS2 幀數(shù)據(jù)接口時序一致，說明PS2 鍵盤時序滿足系統(tǒng)設(shè)計要求.

圖9 系統(tǒng)RTL 圖

圖10 PS2 鍵盤發(fā)送按鍵B 時對應(yīng)時序仿真圖（截圖）

3.4 系統(tǒng)硬件顯示效果

FPGA 作為處理器讀取PS2 鍵盤發(fā)送按鍵信息后，通過VGA 接口顯示貪吃蛇游戲運行界面，通過W、S、A、D 四鍵分別控制蛇上、下、左、右移動，最終使其能夠吃到青蛙，并在數(shù)碼管端顯示游戲成績，結(jié)果達到了系統(tǒng)設(shè)計要求.

4 結(jié)語

文章在640*480@60 Hz 分辨率下，利用自頂向下層次化建模思想，設(shè)計出基于FPGA 的貪 吃蛇系統(tǒng)［11］，并通過 Cyclone IV 系列的EP4C6E10F17C8 器件進行了硬件驗證.文章提出的利用 FPGA 芯片、PS2 鍵盤、VGA 顯示器等硬件設(shè)計貪吃蛇游戲系統(tǒng)是一種新的硬件游戲設(shè)計思路，該思路是利用FPGA 芯片開發(fā)游戲的有效嘗試，相較傳統(tǒng)的單片機游戲系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)功能更易拓展，具有一定的參考價值.