FPGA實(shí)現(xiàn)貪吃蛇游戲源程序 VGA顯示模塊 QuartusⅡ9.1代碼

VGA即視頻圖像陣列的意思，時(shí)IBM公司在1987年隨ps/2一起推出的一種視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有分辨率高、顯示速度快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，在彩色顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。VGA顯示器時(shí)陰極射線管顯示器，通過(guò)VGA顯示器接口和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的顯卡相連。

實(shí)驗(yàn)用到的顯示器規(guī)格為640*480，具體參數(shù)如下：

行同步：

在VGA顯示器上，R、G、B三種基色分別接到電子槍的陽(yáng)極，通過(guò)陰極發(fā)射電子，然后在電場(chǎng)的作用下，電子轟擊熒光粉層，熒光粉層發(fā)出不同強(qiáng)度的三種顏色光，根據(jù)空間混色法將三個(gè)基色光同時(shí)照射同一表面相鄰很近的三個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行混色，可以產(chǎn)生不同的顏色，利用人眼在超過(guò)一定距離后分辨率下降的原理，可以得到較為清晰的顏色。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，只能顯示八種顏色，就是RGB分別用一位二進(jìn)制數(shù)表示，從而顯示8中顏色。

消隱脈沖：場(chǎng)消隱和行消隱

計(jì)算機(jī)顯示器采用逐行掃描顯示，從屏幕的左上方開(kāi)始，按照從左到右、從上到下的順序進(jìn)行掃描。每掃描完一行，行同步信號(hào)進(jìn)行行同步，會(huì)到下一行的起點(diǎn)進(jìn)行掃描。掃描完所有行后，即顯示了整個(gè)屏幕，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并且掃描回到屏幕左上方，進(jìn)行下一幀的刷新。

當(dāng)電子槍從某一行的末尾轉(zhuǎn)到下一行的開(kāi)頭時(shí)，或者從屏幕最下面一行最后一個(gè)像素轉(zhuǎn)到左上角第一個(gè)像素位置時(shí)，都需要一定的時(shí)間，這期間不需要發(fā)射電子，否則會(huì)干擾畫面。所以行同步場(chǎng)和同步信號(hào)要在需要顯示區(qū)域驅(qū)動(dòng)顯示器顯示，通過(guò)對(duì)行同步和場(chǎng)同步的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)行消隱和場(chǎng)消隱。

對(duì)于640*480*60hz的顯示器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率為25.175hz，行周期為800個(gè)周期，場(chǎng)周期為525個(gè)周期，這些周期數(shù)也就對(duì)應(yīng)著時(shí)間。

計(jì)算機(jī)顯示器采用逐行掃描顯示，從屏幕的左上方開(kāi)始，按照從左到右、從上到下的順序進(jìn)行掃描。每掃描完一行，行同步信號(hào)進(jìn)行行同步，會(huì)到下一行的起點(diǎn)進(jìn)行掃描。掃描完所有行后，即顯示了整個(gè)屏幕，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，并且掃描回到屏幕左上方，進(jìn)行下一幀的刷新。

每行800個(gè)時(shí)鐘脈沖，前640個(gè)時(shí)鐘頻率對(duì)應(yīng)前640個(gè)點(diǎn)，在不同的時(shí)間輸出不同的顏色，在640到800時(shí)鐘頻率RGB輸出低電平，行計(jì)數(shù)器為648時(shí)，場(chǎng)計(jì)數(shù)器加一或清零，行計(jì)數(shù)器為656到752時(shí)，行同步信號(hào)為低電平，其他時(shí)刻為高電平；場(chǎng)計(jì)數(shù)器為490到492時(shí)，場(chǎng)同步信號(hào)為低電平，其他時(shí)刻為高電平。因?yàn)檎麄�(gè)過(guò)程是循環(huán)進(jìn)行的，從而顯示正常。

在早期， Max+plusⅡ 是Altera公司的開(kāi)發(fā)工具，現(xiàn)在已經(jīng)被QuartusⅡ代替。并且Max+plusⅡ已經(jīng)不再支持Altera公司的新器件，同時(shí)，QuartusⅡ也放棄了對(duì)老器件的支持。QuartusⅡ具有Max+plusⅡ界面，上手簡(jiǎn)單，界面友好、使用便捷。

Altera Quartus Ⅱ提供了完整的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)工具完全支持VHDL、Verilog和AHDL設(shè)計(jì)流程。QuartusⅡ也可以使用第三方的綜合工具，并且可以直接調(diào)用這些綜合工具；同時(shí)QuartusⅡ也支持第三方的仿真工具，如Modelism；QuartusⅡ與Matlab和DSP Builder結(jié)合，也可以進(jìn)行DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

除此之外，Quartus還包含許多LPM模塊，在SOPC設(shè)計(jì)中被大量使用，也可以在普通設(shè)計(jì)文件一起使用。例如DSP模塊、PLL、各類片上存儲(chǔ)器等。

QuartusⅡ還支持第三方EDIF文件輸入，并且提供了很多EDA軟件接口，支持層次化設(shè)計(jì)，解決了原理圖和HDL混合輸入問(wèn)題。
3.4 VGA貪吃蛇游戲顯示設(shè)計(jì)

VGA顯示模塊：主要實(shí)現(xiàn)VGA的顯示，hcnt，vcnt，hs，vs的設(shè)置。

靜態(tài)圖片模塊：這里顯示在貪吃蛇撞身顯示the end靜態(tài)圖案。

游戲背景模塊：貪吃蛇邊界設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了四堵墻，在顯示器顯示，在墻外有自己的名字英文縮寫DLH顯示。

游戲控制模塊：貪吃蛇蛇身移動(dòng)及運(yùn)動(dòng)方向處理，蛇身撞身處理，蛇身吃到后自增處理和蛇身上限處理，隨機(jī)出現(xiàn)的食物方塊處理。這一模塊最為重要，將會(huì)重點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

連線模塊：將這些模塊連到一起，使最終下載到顯示器上的是可以顯示正確的圖案。

（1）分頻模塊：

這里通過(guò)二分頻，clk為輸入50mhz的頻率，在clk上升沿對(duì)clk25取反，就得到二分頻的clk25，頻率為25mhz：

always@(posedgeclk or negedge rst)

              if(!rst) clk_25M=0;

              else clk_25M=~clk_25M;

（2）顯示模塊：

設(shè)置了行計(jì)數(shù)器和場(chǎng)計(jì)數(shù)器hcnt、vcnt，行信號(hào)和場(chǎng)信號(hào)hs、vs。

按照先通過(guò)行同步頭/場(chǎng)同步頭，再通過(guò)后沿，再通過(guò)顯示區(qū)域，再到前沿完成一整個(gè)周期來(lái)計(jì)算：

hs行信號(hào)hcnt>=639+16并且hcnt<639+16+96輸出為0，其他輸出1；

vs場(chǎng)信號(hào)在vcnt>=479+10并且vcnt<479+10+2輸出為0，其他輸出1。

  設(shè)置了坐標(biāo)位置，xpos和ypos,分別為hcnt-96-48和vcnt-2-33用于后面位置的表示。

  當(dāng)hcnt和vcnt在顯示區(qū)域輸出rgb_sig, rgb_sig與后面的相對(duì)應(yīng)。

always@(posedgeclk_25M or negedge rst) begin

              if(!rst) begin

                     h_cnt<=0;

                     v_cnt<=0;

              end

              else begin

                     if(h_cnt==(H_CNT_MAX-1))begin

                            h_cnt<=0;

                            if(v_cnt==(V_CNT_MAX-1))v_cnt<=0;

                            elsev_cnt<=v_cnt+10'd1;

                     end

                     else h_cnt<=h_cnt+10'd1;

              end

       end

靜態(tài)圖片和游戲背景模塊：

        設(shè)置了the end和DLH靜態(tài)圖案，設(shè)置了四堵墻，這些設(shè)置方法基本相同，都是通過(guò)對(duì)hcnt和vcnt的范圍進(jìn)行設(shè)置，這里可以直接使用xpos和ypos，在規(guī)定的范圍內(nèi)填充RGB色彩即可。

例如對(duì)我的名字縮寫而言，d的設(shè)置包括兩橫兩豎，對(duì)xpos和ypos進(jìn)行設(shè)置即可：

左右為10上下為20：

assign d1 = ((vga_xpos > 40 ) &&(vga_xpos < 50 ) && (vga_ypos > 20 ) && (vga_ypos < 40) );

左右為10上下為40：

      assignd2 = ((vga_xpos > 70 ) && (vga_xpos < 80 ) && (vga_ypos> 0 ) && (vga_ypos < 40 ) );

左右為40上下為5：

      assignd3 = ((vga_xpos > 40 ) && (vga_xpos <80 ) && (vga_ypos> 20 ) && (vga_ypos < 25 ) );

左右為40上下為5：

      assignd4 = ((vga_xpos > 40 ) && (vga_xpos < 80 ) && (vga_ypos> 35 ) && (vga_ypos < 40 ) );

這樣就得到了小寫d，通過(guò)這樣一直將背景和四堵墻的顯示設(shè)置好。對(duì)于四堵墻，這里只設(shè)置了在顯示器中顯示，而對(duì)四堵墻的邊界格擋作用，在游戲控制模塊進(jìn)行說(shuō)明。

（1）時(shí)鐘控制：在時(shí)鐘上升沿（25mhz頻率的時(shí)鐘），i自增，當(dāng)i到達(dá)摸個(gè)數(shù)值的時(shí)候，i清零，同時(shí)temp取反，這樣在后面的貪吃蛇移動(dòng)模塊，通過(guò)在temp上升沿移動(dòng)，從而可以通過(guò)i的最大值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，這里設(shè)置i為4999999，如果想要更快，只需要慢速度即可。

首先設(shè)置了四種狀態(tài)，來(lái)標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)方向，這四個(gè)狀態(tài)和ps/2鍵盤相連接，來(lái)完成對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制。

             if(P_left)

                    state<= left;

             elseif(P_right)

                    state<= right;

             elseif(P_down)

                    state<= down;

             elseif(P_up)

                    state<= up;

蛇頭運(yùn)動(dòng)：對(duì)于貪吃蛇蛇頭運(yùn)動(dòng)，通過(guò)rst信號(hào)對(duì)貪吃蛇初始位置進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)貪吃蛇出邊界時(shí)（我們上面設(shè)置的四堵墻就是這里的邊界），四堵墻上下左右邊界值分別為：60，420，40，600。例如當(dāng)出左邊界時(shí)即m[0]<40的時(shí)候m【0】=600，實(shí)現(xiàn)當(dāng)出邊界時(shí)可以從對(duì)應(yīng)邊界回來(lái)。當(dāng)未出邊界時(shí)，與上面的上下左右四種運(yùn)動(dòng)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)（加減10）：

if(!rst)

             beginm[0]<=200; n[0]<=200;end

             elseif(m[0] > 600)

                    m[0]<= 40;

             elseif(m[0] < 40)

                    m[0]<= 600;

             elseif( n[0] > 420)

                    n[0]<= 60;

             elseif( n[0] < 60)

                    n[0]<= 420;

             elseif(hit)   

                    beginm[0]<=0; n[0]<=0;the_end=1;end

             else

                    begin

                           case(state)

                                  left: m[0] <= m[0] - 12'd10;

                                  right: m[0] <= m[0] + 12'd10;

                                  down: n[0] <= n[0] + 12'd10;

                                  up:n[0] <= n[0] - 12'd10;

                                  default: m[0] <= m[0]+12'd10 ;

end case；

蛇身運(yùn)動(dòng)：每當(dāng)設(shè)運(yùn)動(dòng)一次，m[a+1]就會(huì)代替m[a]的位置：

for(long_cnt=0; long_cnt<(2**N-1);long_cnt=long_cnt+1) begin   

                                  m[long_cnt+1]<= m[long_cnt];

                                  n[long_cnt+1]<= n[long_cnt];

                           end        

（3）撞身模塊：當(dāng)蛇頭和蛇身相撞時(shí)，即為m[0]=m[a],n[0]=n[a]時(shí)，結(jié)束游戲顯示屏顯示the end 界面。

（4）食物隨機(jī)出現(xiàn)：設(shè)置一個(gè)初始的食物出現(xiàn)位置(300，300),通過(guò)吃到食物所用用的時(shí)鐘時(shí)間，來(lái)判斷下一個(gè)食物的位置。

設(shè)置了四個(gè)信號(hào)o，p，o_temp ,p_temp。在時(shí)鐘上升沿o_temp ,p_temp加10，當(dāng)吃到才會(huì)將o_temp 和p_temp賦值給o，p，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)吃到食物所用的時(shí)間變位置（其實(shí)是一個(gè)偽隨機(jī)），其中change是用來(lái)判斷是否吃到的信號(hào)，吃到為1，未吃到為0。

if(!rst)begin   

                            p <= 300;//lie

                            o <= 300;//hang

              end

              else if(change)

                     begin

                            p <= p_temp;

                            o <= o_temp;

                     end

              else if(o_temp > 400)

                     o_temp <= 100;

              else if(o_temp <100)

                     o_temp <= 400;

              else if(p_temp > 400)

                     p_temp <= 80;

              else if(p_temp < 80)

                     p_temp <= 400;

              else

                     begin

                            o_temp <= o_temp+ 10;

                            p_temp <= p_temp+ 10;

（5）吃食物：當(dāng)o和p和蛇頭坐標(biāo),m[0],n[0]對(duì)應(yīng)時(shí)吃到食物。吃到食物后相應(yīng)的蛇身也要增長(zhǎng)：

（6）貪吃蛇顯示：貪吃蛇左上坐標(biāo)為m[a],n[a]，坐標(biāo)在xpos和ypos的范圍內(nèi)，例如蛇頭為m[0] <xpos < m[0] + 10并且n[0] < ypos < n[0] + 10這樣就可以在VGA上顯示。

連線模塊：這里就是將這些模塊，設(shè)置的信號(hào)，連在一起，例如將每個(gè)模塊設(shè)置的顏色和VGA顯示模塊顏色先對(duì)應(yīng)、貪吃蛇坐標(biāo)對(duì)應(yīng)行計(jì)數(shù)器和場(chǎng)計(jì)數(shù)器等等。