Verilog-HDL高级数字设计实验报告---俄罗斯方块-FPGA实现.docxVIP

VerilogHDL高级数字设计

实验报告

题目：“俄罗斯方块”FPGA实现

实验目的

通过此次项目，完成以下目的：

熟悉XilinxFPGA的架构及开发流程

设计一个功能完整的系统，掌握FSM+Datapath的设计方法。

实验内容

项目介绍

本项目主要在FPGA上实现了一个经典小游戏“俄罗斯方块”。本项目基本解决方案是，使用XilinxZynq系列开发板ZedBoard作为平台，实现主控模块，通过VGA接口来控制屏幕进行显示。

系统框架

整个系统由四部分组成，按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块以及VGA显示接口模块。整个系统的结构如下图所示：

图1：系统框图

下面分别对四个模块进行介绍：

按键输入处理模块

按键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。

消抖模块采用上课所提出的结构，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用。消抖模块的结构如下图所示：

图2：消抖模块结构示意图

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。

控制模块

控制模块采用FSM的方式进行控制。在控制模块中，定义了10个状态：

S_idle：上电复位后进入的空状态，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。跳转到S_isdie状态

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：清楚整个屏幕，并跳转到S_idle状态。

整个控制过程的ASMD图如下图所示：

图3：控制模块ASMD图

数据路径

数据路径模块主要功能是，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。具体如下：

方块：

方块分为非活动方块与活动方块。非活动方块为：（1）之前下落的方块；（2）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（后简称方块）。

背景矩阵：

reg[9:0]R[23:0];

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：

outputreg[4:0]n,

outputreg[3:0]m,

n,m分别为当前活动方块的行、列指针，指向方块固定点位置。方块固定点为方块旋转时不变的格点，依据方块种类决定，下文方块模型中详述。

方块类型：

outputreg[6:0]BLOCK,

BLOCK代表方块类型，由7位编码构成。

数据交换：

Datapath与其余模块的数据交换分为两部分：（1）与control_unit间的状态指令交互；（2）控制merge，间接实现对VGA的控制。

方块模型：

俄罗斯方块共有7中形状的方块（O,L,J,I,T,Z,S），每种方块有1-4种不同的旋转变形方式。为方便起见，将方块定位A-G，旋转编号为1-4，将方块编码成A_1-G_2的19种，如下图：

图中，深色方块是该种方块的固定点。

图4：方块模型示意图

方块运动：

产生：

方块产生由一个简单的伪随机过程决定。系统采用一个3位的计数器产生随机数，进入S_new，BLOCK的值被NEW_BLOCK覆盖，方块坐标n=1;m=5;同时，根据计数器，NEW_BLOCK的值刷新为A_1,B_1,…,G_1中的一种，作为下一次方块。

移动：

方块移动分为四种：旋转，下落，向左，向右，由