Создание простой игры на базе FPGA

Введение

1

Привет Хабр.  Изучение FPGA я начал совсем недавно, и одним из моих проектов который был направлен на изучения интерфейсов PS/2 и VGA была игра в Пин-Понг на одного человека. Одна из реализаций которой работает на плате DE0-CV которую мне любезно предоставил замечательный проект Silicon Russia, в рамках конкурса (https://www.silicon-russia.com/2015/12/11/board-giveaway-for-mipsfpga/).

Суть игры заключается в том что есть ползунок управляемый с клавиатуры должен отбивать мячик который перемещается по экрану. В качестве средства отображения был выбран VGA дисплей, а клавиатура была выбрана с простым интерфейсом PS/2, счет самой игры отображается на семисегментном индикаторе.

Отладочная плата

2

DE0-CV это официальная отладочная плата распространяемая Alter’ой, ее цена составляет 150$, а по академической 99$. На самой плате имеем:

— шесть семисегментных индикаторов, 10 светодиодов, 10 переключателей, 4 кнопки

— VGA разъем, PS/2 разъем, слот под micro SD карту

— SDRAM память объемом 64Мбайта

— два GPIO разъема на 35 выводов каждый.

Логика работы

3

В программе можно выделить 4 основных блока. Каждый из которых выполняет определённую функцию.

  • PLL уже готовый ip блок нужный для получения синхронизирующий импульсов нужных для тактирования системы.
  • PS/2 – блок на вход которого приходят сигналы с PS/2 порта и переводятся в коды нажатых клавиш.
  • vga – блок — драйвером для работы с VGA монитором
  • game – непосредственно реализует саму логику игры, на входы приходят сигналы с vga, ps2 и pll блоков .

Сердцем всей программы является PLL, именно благодаря его правильной настройке можно работать с VGA и тактировать другие блоки.

4

Котроллер PS/2 клавиатуры

Для управления ракеткой в игре мы используем клавиатуру с PS/2 интерфейсом. Перед тем как перейти к рассмотрению реализации блока, давайте немного пробежимся по протоколу PS/2.

5

Выводами служащими для обмена данными в протоколе PS/2 являются вывод Data и Clock. Посылка битов состоит из одного стартового бита, 8 бит данных, бита четности и стоп бита. Вывод Clock служит как можно догадаться тактирующим.

Установка битов со стороны устройства происходит по переднему фронту восходящему фронту Clock, а считывание со стороны устройства по нисходящему фронту сигнала. Когда устройство ничего не передает Clock и Data подтянуты к питанию. Затем шина Data и Clock переходит в ноль, что является признаком того что начата отправка сообщения. После чтения 8 бит, идет бит четности и стоп бит который всегда равен единице.

В первом обработчике мы считаем такты для того что бы понять нажата кнопка или нет, если  PS2_CLK_in выставлена в течении 52500000 тактов то кнопка не нажата. Так же тут мы проверяем коды нажатых клавиш, в случае если код нажатой клавиши совпадает с кодом клавиши «стрелки вверх» то выход up переходит в 1, если нажата клавиша «стрелка вниз» то выход down переходит в 1.

always @(negedge clock) 
begin
	if(PS2_CLK_in == 1)
		count_clk = count_clk + 1;
	else 
		count_clk = 0;
	if(count_clk>=52500000)
	begin
		led_out = 0;
	end
	else
		led_out = bit;
		if(led_out == 8'b01110010)
		begin
			down = 1;
			up = 0;
		end
		else 
			if(led_out == 8'b01110101)
			begin
				up = 1;
				down = 0;
			end
			else
			begin
				down = 0;
				up = 0;
			end		
end

В случае если на входе PS2_CLK_in фиксируется, переход от высокого уровня к низкому, то происходит считывания состояния с входа PS2_DAT_in.

always @(negedge PS2_CLK_in)
begin
  	if(s == 0) begin
		if(count<=7)
		begin
			bit = bit|(PS2_DAT_in<<count);
		end
		if(count == 9)
		begin
				s = 1;
		end
		else 
		begin
			count = count + 1;
		end		
	end
		if(s == 1)
			if(PS2_DAT_in == 0)
			begin
				s = 0;
				count = 0;
				bit = 0;
			end
end
endmodule

Код для тестирования в среде ModelSim приведен ниже:

initial
begin
  #0 clock_r=1;
  #275 clock_r = 1; //s
  repeat( 22 ) 
  begin
    #25 clock_r=~clock_r;
  end
  #100 clock_r = 1;  
  repeat( 22 ) 
  begin
    #25 clock_r=~clock_r;
  end
  #300 clock_r = 1; 
  repeat( 22 ) 
  begin
    #25 clock_r=~clock_r;
  end
  #50 clock_r = 1; 
  repeat( 22 ) 
  begin
    #25 clock_r=~clock_r;
  end
end

initial
begin
    #250 PS2_CLK_r = 1; //s
    #50 PS2_CLK_r = 0; //start
    #50 PS2_CLK_r = 0; //0
    #50 PS2_CLK_r = 1; //1
    #50 PS2_CLK_r = 1; //2
    #50 PS2_CLK_r = 0; //3
    #50 PS2_CLK_r = 1; //4
    #50 PS2_CLK_r = 0; //5
    #50 PS2_CLK_r = 1; //6
    #50 PS2_CLK_r = 1; //7
    #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit
    #50 PS2_CLK_r = 0; //stop
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s
    
    #50 PS2_CLK_r = 0; //start
    #50 PS2_CLK_r = 1; //0
    #50 PS2_CLK_r = 1; //1
    #50 PS2_CLK_r = 0; //2
    #50 PS2_CLK_r = 0; //3
    #50 PS2_CLK_r = 1; //4
    #50 PS2_CLK_r = 0; //5
    #50 PS2_CLK_r = 1; //6
    #50 PS2_CLK_r = 1; //7
    #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit
    #50 PS2_CLK_r = 0; //stop
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s    
    #250 PS2_CLK_r = 1; //s

    #50 PS2_CLK_r = 0; //start
    #50 PS2_CLK_r = 0; //0
    #50 PS2_CLK_r = 1; //1
    #50 PS2_CLK_r = 1; //2
    #50 PS2_CLK_r = 1; //3
    #50 PS2_CLK_r = 1; //4
    #50 PS2_CLK_r = 1; //5
    #50 PS2_CLK_r = 1; //6
    #50 PS2_CLK_r = 1; //7
    #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit
    #50 PS2_CLK_r = 0; //stop
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s

    #50 PS2_CLK_r = 0; //start
    #50 PS2_CLK_r = 0; //0
    #50 PS2_CLK_r = 1; //1
    #50 PS2_CLK_r = 1; //2
    #50 PS2_CLK_r = 0; //3
    #50 PS2_CLK_r = 1; //4
    #50 PS2_CLK_r = 0; //5
    #50 PS2_CLK_r = 1; //6
    #50 PS2_CLK_r = 1; //7
    #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit
    #50 PS2_CLK_r = 0; //stop
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s
    #50 PS2_CLK_r = 1; //s
end

assign clock = clock_r;
assign PS2_DAT_in = PS2_CLK_r;

Диаграммы поведения блока:

6

Работа VGA-блока.

 

Плата DE0 снабжена VGA выходом, в качестве ЦАП для выходов RGB используется простая схема на резисторах.

Для начала работы с VGA нам нужно заглянуть в спецификацию VESA(http://tinyvga.com/vga-timing) и выбрать нужный режим работы.  Соответственно посмотреть частоту необходимую и тайминги. Выберем видорежим 1440×900 60Hz. Необходимая тактовая частота для этого режима 106,5Мгц.

На плате установлен кварц на 50МГц, с помощью специального блока PLL мы можем производить преобразование 50МГц в нужные нам 106,5. Для этого нам необходимо вытащить нужный блок на рабочую область и произвести его настройку.

7

Из документации берем необходимые значения таймингов:

8

	parameter h_front_porch = 80;
	parameter h_sync = 152;
	parameter h_back_porch = 232;
	parameter h_active_pixels = 1440;
	
	parameter v_front_porch = 3;
	parameter v_sync = 6;
	parameter v_back_porch = 25;
	parameter v_active_scanilines = 900;

При каждом положительном фронте поступившем на вход pixel_clock, увеличиваем на единицу счетчик pixel_count и в зависимости от его значения выставляется нужный логический уровень на выход горизонтальной синхронизации hsync.

wire w_hsync = (pixel_count < h_sync);

always @(posedge pixel_clock)
begin
	hsync <= (pixel_count < h_sync);
	hvisible <= (pixel_count >= (h_sync+h_back_porch)) && (pixel_count < (h_sync+h_back_porch+h_active_pixels));
	
	if(pixel_count < (h_sync+h_back_porch+h_active_pixels+h_front_porch) ) begin
		pixel_count <= pixel_count + 1'b1;
		char_count <= pixel_count;
	end	
	else
	begin
		pixel_count <= 0;
	end
end

Когда счетчик pixel_count доходит до конца строки, происходит увеличение счетчика строк line_count и соответственно в зависимости от заданных ранее параметров выставляются нужные значения на выход вертикальной синхронизации vsync.

wire w_hsync_buf = w_hsync&~hsync;

always @(posedge pixel_clock)
begin
	if(w_hsync_buf)begin
		vsync <= (line_count < v_sync);
		vvisible <= (line_count >= (v_sync+v_back_porch)) && (line_count < (v_sync+v_back_porch+v_active_scanilines));
		
		if(line_count < (v_sync+v_back_porch+v_active_scanilines+v_front_porch) )begin
			line_count <= line_count + 1'b1;
			line_count_out <= line_count;
		end
		else
		begin
			line_state <= 0;
			line_count <= 0;
		end
	end
end

Когда pixel_count и line_count попадают в диапазон принадлежащий видимой части экрана то visible выставляется в высокий уровень, тем самым разрешая блоку game начинать отрисовку игрового поля:

always @*
begin
	visible <= hvisible & vvisible;
end

Работа game блока.

Переход сигнала pixel_state в логическую единицу означает что получено разрешение на отрисовку игрового поля от vga-блока.  Входные сигналы char_count и line_count информируют нас о координатах точки которая отрисовывается на экране в настоящий момент. Исходя из координат мячика и ракетки закрашиваем нужными цветами зоны которые соответствуют им.

always @(pixel_state)
begin
		if((char_count>=start_horz) && (char_count<=start_horz+50))begin if((line_count>=i) && (line_count<=i+100)) begin
					VGA_BLUE<=6'b111110;
			end
			else
				VGA_BLUE<=6'b000000;
			end
		else
			VGA_BLUE<=6'b000000;
	if((ball_x-char_count)*(ball_x-char_count)+(ball_y-line_count)*(ball_y-line_count)<400)
		VGA_RED<=5'b11110;
	else
		VGA_RED<=5'b00000;
end

Перерасчет координат мячика и ракетки происходит при восходящем фронте тактового сигнала clk.  Так же если мячик столкнулся со стенкой происходит изменение направления его движения.

always @(posedge clk)
begin		
	if(key_2==0)
	begin
		if(i<vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time) i=i+1; else i=0; end if(key_0==0) begin if(i>vert_sync+vert_back_porch)
			i=i-1;
		else
			i=vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time;
	end
	if(flag == 2'b00)
	begin
		ball_x=ball_x-1;
		ball_y=ball_y-1;
	end
	if(flag == 2'b01)
	begin
		ball_x=ball_x+1;
		ball_y=ball_y+1;
	end
	if(flag == 2'b10)
	begin
		ball_x=ball_x-1;
		ball_y=ball_y+1;
	end
	if(flag == 2'b11)
	begin
		ball_x=ball_x+1;
		ball_y=ball_y-1;
	end
	if(ball_y<=vert_sync+vert_back_porch)
	if(flag==2'b00)
		flag=2'b10;
	else
		flag=2'b01;
	if(ball_x<=horz_sync+horz_back_porch) if(flag==2'b10) flag = 2'b01; else flag = 2'b11; if(ball_y>=vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time)
		if(flag==2'b01)
			flag=2'b11;
		else
			flag=2'b00;
	if(ball_x>=start_horz && ball_y>=i && ball_y<=i+100) if(flag==2'b11) flag=2'b00; else flag=2'b10; if(ball_x>=horz_sync+horz_back_porch+horz_addr_time)
		begin
			if(goal_2==9)
			begin
				goal_2<=0;
				goal<=goal+1;
			end
			else 
			goal_2<=goal_2+1;
			if(flag==2'b11)
				flag<=2'b00;
			else
				flag<=2'b10;
		end
end

Так же в случае если шарик не встретился с ракеткой при приближении к правому краю игрового поля, то счет отображаемый на семисегментных индикаторах увеличится на единицу тк происходит срабатывание на изменение goal, в случае переполнения goal  происходит изменение goal_2 и увеличение на единицу десятичного разряда.

always @(clk)
begin
 case(goal)
 0: HEX_1 = 7'b1000000;
 1: HEX_1 = 7'b1111001;
 2: HEX_1 = 7'b0100100;
 3: HEX_1 = 7'b0110000;
 4: HEX_1 = 7'b0011001;
 5: HEX_1 = 7'b0010010;
 6: HEX_1 = 7'b0000010;
 7: HEX_1 = 7'b1111000;
 8: HEX_1 = 7'b0000000;
 9: HEX_1 = 7'b0010000;
 default: HEX_1 = 7'b1111111;
 endcase
end

always @(clk)
begin
 case(goal_2)
 0: HEX_2 = 7'b1000000;
 1: HEX_2 = 7'b1111001;
 2: HEX_2 = 7'b0100100;
 3: HEX_2 = 7'b0110000;
 4: HEX_2 = 7'b0011001;
 5: HEX_2 = 7'b0010010;
 6: HEX_2 = 7'b0000010;
 7: HEX_2 = 7'b1111000;
 8: HEX_2 = 7'b0000000;
 9: HEX_2 = 7'b0010000;
 default: HEX_2 = 7'b1111111;
 endcase 
end

Заключение

Синтезируем полученный проект и получаем статистику по занятым в ПЛИС ресурсам:

9

Реализуя этот проект мы увидели, что с помощью FPGA достаточно просто можно реализовывать сложные интерфейсы такие как VGA, с очень высокие требования к таймингам которые трудно выдержать используя МК. Ссылка на проект: https://github.com/MIPSfpga/pre-mipsfpga/tree/master/pinpong