基于FPGA的俄罗斯方块游戏设计与实现

李 营，吕兆承，施 勇

俄罗斯方块游戏是一款难易程度适中、操作方便的游戏，深受人们喜欢.常见的俄罗斯方块硬件游戏多由专用集成芯片或者单片机设计实现，而FPGA芯片具有高速并行计算、可编程，实现的游戏系统功能易拓展等特点，鉴于此本文根据VGA时序显示原理和俄罗斯方块游戏工作原理，在QuartusⅡ13.1环境下利用Verilog硬件描述语言和层次化建模思想设计实现硬件俄罗斯方块游戏系统［1］.

1 俄罗斯方块游戏系统工作原理

本文俄罗斯方块游戏系统选用Altera公司Cyclone V系列的5CSXFC6D6F31C6芯片设计实现相应功能，由VGA显示器、FPGA芯片等构成.俄罗斯方块游戏的规则是当游戏开始初始化后，随机产生一个方块，当其下落过程中根据不同按键进行操作，比如当点击旋转按钮时将方块旋转，点击LEFT_KEY时向左移动，一旦下落到底并且满行时消除该行，当最新方块掉落行置顶时游戏结束.具体的游戏算法流程图如图1所示［2］.

图1 俄罗斯方块游戏算法流程图

2 系统总体实现

采用自顶向下层次化建模思想设计实现俄罗斯方块系统各功能模块.系统的功能框图如图2所示.由图2可知，系统底层包含：按键输入处理模块（key.v）、方块移动控制模块（game_control.v）、数据路径模块（datapath.v）、游戏界面输出模块（merge.v）、VGA时序控制模块（vga_top）［3］.

图2 系统设计思路和实现功能框图

2.1 按键输入处理模块

该模块的功能是对输入系统的各种控制信号进行上升沿检测及消抖，其接口框图如图3所示，图中输入按键UP_KEY、LEFT_KEY、RIGHT_KEY、DOWN_KEY分别用来控制方块旋转、方块向左、向右、向下移动［4］，其对应消抖后输出信号为rotate、left、right、down.若UP_KEY按下1次，方块旋转1次，其他按键功能类似，此处不再列出.

图3 按键输入处理模块接口框图

2.2 方块移动控制模块

该模块的功能是：①根据游戏规则定义了10个状态，并采用有限状态机设计实现［5］.②接收按键输入处理模块信号，将其控制输出后送至数据路径模块.

该模块的状态迁移图如图4所示.各状态的含义如下：

图4 系统状态迁移图

①空闲状态S_idle：点击系统复位按键rst_n后进入该状态.

②新的俄罗斯方块产生状态S_new.

③保持状态S_hold：在该状态中计时到固定时间后，转到下移状态S_down状态；或者根据不同输入信号指令转到下移或者移动状态.

④下移状态S_down：判断当前俄罗斯方块能否下移一格.若是则转到S_remove_1状态，否则转到S_shift状态.

⑤移动状态判断S_move：判断当前俄罗斯方块是否能够按照按键信号进行移动，若是转到S_shift状态，若不是转到S_remove_1状态.

⑥更新方块坐标状态S_shift：更新俄罗斯方块的坐标信息，返回S_hold状态.

⑦更新屏幕状态S_remove_1.

⑧消除行判断状态S_remove_2：重复判断，若无可消除的行跳转S_isdie状态.

⑨游戏结束判断状态S_isdie：若结束跳转到S_stop，否则跳转到S_new.

⑩清除屏幕状态S_stop.

2.3 数据路径模块

该模块主要功能是：根据方块移动控制模块给出的信号，对方块当前的状态进行判断，更新游戏背景［6］.具体功能如下：

（1）游戏背景定义.背景R是24行10列的寄存器组，负责保存非活动方块坐标（①所有之前下落的方块；②下落后方块消除之后的结果）.背景R中任一位置，如方块存在，则该位置为1，否则为0.

（2）数据交换.完成本模块与方块移动控制模块game_control间的控制.

（3）方块模型定义.定义了七种形状方块模型，如图5所示，图中阴影部分为固定点，即方块旋转时不变的格点.

图5 方块模型示意图

（4）方块运动.指活动方块的运动，所谓活动方块为当前下落中的方块，通过活动方块坐标表示.俄罗斯方块的运动包括4种：①方块随机产生；②方块旋转、下落、向左、向右四种移动方式；③方块停止与消除由S_remove1和S_remove2两个状态完成.④死亡判定.该模块的接口框图如图6所示，图中各端口含义如下：

图6 数据路径模块接口框图

输入端口.信号MOVE、DOWN、DIE、SHIFT、REMOVE_1、REMOVE_2、NEW、STOP、AUTODOWN、KEYBOARD等信号均连接方块移动控制模块相应输出.

输出端口.信号n、m指向当前活动方块固定点位置.信号BLOCK［6：0］指方块类型，由7位编码构成.信号MOVE_ABLE、SHIFT_FINISH、DOWN_ABLE、REMOVE_2_FINISH分别连接方块移动控制模块相应信号.M_OUT［239：0］指活动和非活动方块数据在背景数据输出.

2.4 游戏界面输出模块

该模块主要完成游戏界面最终输出功能，其接口框图如图7所示.图中各端口的含义如下：游戏界面背景ROW为20行，COL为10列，即非活动矩阵数据data_in［239：0］，活动方块形状数据shape［6：0］，活动方块的固定点位置坐标是x_pos［3：0］和y_pos［3：0］，最终游戏界面数据data_out［ROW*COL-1：0］，即data_out［199：0］.

图7 游戏输出界面模块接口框图

2.5 VGA驱动控制模块

该模块的功能是接收游戏界面输出模块数据，将结果通过VGA接口在显示屏端显示［7］.其接口框图如图8所示.

图8 VGA驱动控制模块接口框图

图中各端口的含义如下：

输入端口.num［199：0］连接游戏输出界面模块的data_out［199：0］信号.

输出端口.红色、绿色、蓝色三基色信号分别指OUTRed［3：0］、OUTGreen［3：0］、OUTBlue［3：0］.hsync_r和vsync_r分别是行、场同步 信 号.图 中VGA_BLANKn、VGA_SYNCn、DAC_CLK均是 其DE2-115的VGA驱动 所需的3根 线，其中VGA_BLANKn和VGA_SYNCn分别设置为1和0，DAC_CLK连接25MHz驱动时钟.

2.6 系统顶层模块

将上述各模块连接完成后构成顶层模块，其核心代码如下：

3 系统仿真结果

3.1 系统软件仿真

系统设计完成后生成的RTL图如图9所示，由图可知各个功能模块与图2系统设计思路和功能框图一致［1］，说明系统设计思路正确.

图9 系统RTL图

3.2 系统硬件显示效果

FPGA作为处理器读取DE10开发板键盘发送的按键信息后，通过VGA接口显示俄罗斯方块游戏运行界面.系统通过start按键控制游戏开始，通过其他四个按键分别控制方块旋转、向下、向左、向右移动.结果达到了系统设计要求，其硬件显示效果如图10所示［8］.

图10 硬件显示效果图

4 结语

在640*480＠60Hz的VGA分辨率下，基于Cyclone V系列 的5CSXFC6D6F31C6 FPGA芯片进行了俄罗斯方块系统硬件验证.文章提出的俄罗斯方块游戏系统设计思路是利用FPGA芯片开发游戏的有效尝试，相对于传统的硬件游戏系统，本系统功能更易拓展，如添加PS2键盘、LCD液晶显示等设备，系统有一定的工业应用前景［9］.