FPGA打砖块小游戏

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今天给大侠带来在FPAG技术交流群里平时讨论的问题答疑合集，以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

Q：FPGA打砖块小游戏，如何基于FPGA用verilog语言在Vivado平台上写打砖块小游戏，最好能用到PS2与VGA。

A：以下是一个基于 FPGA  Verilog HDL， Vivado 平台上开发打砖块小游戏并使用 PS2 与 VGA 的基本思路：

一、整体架构设计

1. 输入模块：

• PS2 接口模块：负责与 PS2 设备（如游戏手柄）进行通信，接收手柄的按键信息，例如移动球拍方向键信息、发射球的按键信息等。该模块需要实现 PS2 协议的解码，将接收到的串行数据转换为可供游戏逻辑使用的并行数据，比如定义不同按键对应的二进制编码，当检测到相应按键按下时，输出对应的编码信号给游戏控制模块。

• 时钟模块：产生系统所需的各种时钟信号，如为 VGA 显示提供合适的像素时钟（例如常用的 25MHz 左右的时钟用于 640x480 的 VGA 分辨率），以及为游戏逻辑处理提供时钟信号，时钟频率可根据游戏的实时性需求和 FPGA 芯片性能进行设置，一般在几十 MHz 到上百 MHz 之间。

2. 游戏控制模块：

• 是整个游戏的核心逻辑处理部分。它根据输入模块传来的按键信息控制游戏元素的运动。例如，当接收到球拍向左移动的按键信号时，在每个时钟周期内，更新球拍的位置坐标信息使其向左移动一定的像素值（要考虑边界限制，不能让球拍移出屏幕边界）；当接收到发射球的信号时，确定球的初始速度和发射方向。同时，该模块还负责判断球与砖块、球拍的碰撞检测。当球与砖块碰撞时，根据碰撞的位置和角度计算球的反弹方向，并更新砖块的状态（标记被击中的砖块为已摧毁）；当球与球拍碰撞时，根据球在球拍上的碰撞位置计算反弹角度，使球以合适的方向弹回。此外，该模块还要跟踪游戏的得分情况，每当一个砖块被摧毁，增加相应的得分，以及判断游戏是否结束，例如当球掉到屏幕底部且生命次数耗尽时，输出游戏结束信号。

3. 图形生成模块：

• 砖块绘制模块：根据游戏控制模块提供的砖块状态信息，在 VGA 显示的相应位置绘制砖块。可以预先定义砖块的形状、颜色等属性，例如每个砖块可以是一个矩形，颜色可以是多种可选颜色中的一种，通过设置不同的颜色来区分不同的砖块类型或显示砖块被击中后的变化。当游戏开始时，根据初始的砖块布局信息，在 VGA 屏幕的上方区域绘制出排列整齐的砖块阵列。

• 球拍绘制模块：依据游戏控制模块中的球拍位置信息，在 VGA 屏幕的底部绘制出球拍的图形。球拍的形状也可以自行设计，如长方形，并且可以设置其颜色和大小。随着游戏的进行，根据球拍位置的变化实时更新 VGA 显示中的球拍图形位置。

• 球绘制模块：根据游戏控制模块传来的球的位置坐标，在 VGA 屏幕上绘制出球的图形。球可以是圆形或其他简单形状，同样要设置其颜色和大小，并且在每个时钟周期内，根据球的速度和运动方向更新球的位置坐标，从而在 VGA 屏幕上呈现出球的动态运动轨迹。

4. VGA 显示模块：

• 负责将图形生成模块绘制好的游戏画面输出到 VGA 显示器上。它需要根据 VGA 显示标准，在合适的时序下输出行同步信号（hsync）、列同步信号（vsync）以及红（R）、绿（G）、蓝（B）颜色信号。在每个时钟周期内，根据当前扫描的像素位置，从图形生成模块获取对应的颜色信息，并将其输出到 VGA 接口。例如，在扫描到对应砖块位置的像素时，输出砖块的颜色信号；在扫描到球拍和球的位置时，分别输出它们各自的颜色信号，以此来构建完整的游戏显示画面在 VGA 显示器上呈现给玩家。

二、主要模块的 Verilog 代码示例

1. PS2 接口模块（部分代码）：

module ps2_interface(    input clk,    input ps2_clk,    input ps2_data,    output reg [7:0] key_data,    output reg key_valid);
// 内部状态机定义reg [3:0] state;// 数据接收寄存器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        // 接收数据位        1: begin            // 按照 PS2 协议的时序接收 8 个数据位            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        // 接收奇偶校验位        2: begin            if (ps2_clk) begin                state <= 3;            end        end        // 接收停止位        3: begin            if (ps2_clk && ps2_data) begin                // 数据接收成功，进行解码和输出                key_data <= data_reg[8:1];                key_valid <= 1;                state <= 0;            end else begin                // 数据错误，重置                key_valid <= 0;                state <= 0;            end        end    endcaseendendmodule

2. 游戏控制模块（部分代码）：

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);
// 定义一些常量，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;
// 内部寄存器用于存储球的速度方向reg [1:0] ball_dir_x;reg [1:0] ball_dir_y;
// 游戏初始化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    // 根据按键信息移动球拍    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        // 发射球的逻辑，设置球的初始速度方向        ball_dir_x <= 1;        ball_dir_y <= -1;    end
    // 球的运动更新    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);
    // 碰撞检测与处理    // 球与球拍碰撞    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;        // 根据球在球拍上的位置调整水平方向速度        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    // 球与砖块碰撞（这里假设已经有一个砖块状态数组 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;                    // 根据碰撞位置调整球的方向                    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
    // 游戏结束判断    if (ball_y >= SCREEN_HEIGHT) begin        // 如果生命次数耗尽等条件满足，设置游戏结束        game_over <= 1;    endendendmodule

3. VGA 显示模块（部分代码）：

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 时序参数定义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;
// 内部计数器用于生成 VGA 时序reg [9:0] h_count;reg [9:0] v_count;
// 生成行同步信号和列同步信号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;    endend
// 根据像素位置绘制游戏元素always @(posedge clk) begin    if ((h_count >= 0) && (h_count < H_ACTIVE) && (v_count >= 0) && (v_count < V_ACTIVE)) begin        // 绘制背景色        red <= 4'b0000;        green <= 4'b0000;        blue <= 4'b0000;
        // 绘制砖块（假设已经有一个砖块状态数组 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
        // 绘制球拍        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
        // 绘制球        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    endendendmodule

这只是一个非常基本的框架和部分代码示例，实际开发中还需要进一步完善和优化，例如添加更多的游戏功能（如多个关卡、道具等）、优化图形显示效果、处理边界情况等。同时，在 Vivado 平台上还需要进行正确的工程设置、引脚分配等操作，以确保代码能够正确地在 FPGA 芯片上运行并与 PS2 设备和 VGA 显示器正常连接和通信。

本次答疑分享就到这里，后续还会持续推出本系列。