Verilog——基于FPGA的贪吃蛇游戏（VGA显示）

最近在做Verilog程序课设，做了一个有关贪吃蛇的小游戏，写一篇博客来记录一下自己的创作过程。大部分的内容直接采用了设计报告的原话，有不足之处还望大家多多指教。

对于重点：蛇身控制算法，我开始的想法是将每个格子的坐标输入到存储器中，但由于过于繁琐和笨拙，我改为：保留头部的完整数据（位置、方向），其他部分只保留方向数据，并在VGA模块里面直接对蛇身进行控制，但是这个方案有一个弊端：它按照蛇身顺序刷新图像，每一帧图像只能刷新一个格子，时序存在问题并且刷新频率过慢，放弃了这个方案。
最终，将蛇身模块单独提出，各个模块协同工作，有效解决了时序问题和刷新问题。蛇身控制上，只控制蛇头，其他部位随头联动，完成了最终设计。

开发板采用了XLink公司的Basys3主板。

概述

小游戏主要分为以下几个模块：顶层模块、VGA显示模块、蛇身控制模块、苹果控制模块。
系统主要分为顶层模块、VGA显示模块、蛇身控制模块、苹果控制模块。顶层模块是与FPGA开发板之间的硬件管脚接口，并且控制其他模块有条不紊地运行。

游戏进程控制模块：game_control

游戏控制模块代码定义如下：



module game_control(
clk,rst_n,centerbt,strike_itself,strike_wall, game_status
);
    input clk,rst_n,centerbt,strike_itself,strike_wall;
    output reg[1:0] game_status;12345


Clk为输入时钟，频率为100MHz，rst_n为复位状态开关，用于激活和关闭游戏界面。
整个模块由一个状态机组成，次态状态赋值给游戏运行状态status，运行再将状态赋值给输出game_status，用于操控整个系统的工作状态。
游戏共有3个主要进程：Idle（游戏待机、死亡）、Start（游戏进行中），Pause（游戏暂停），centerbt是切换状态的按键，游戏的状态主要由这个按键来控制。
strike_itself,strike_wall用于输入蛇是否撞到了墙或者自己，是另外两个控制游戏状态的重要输入，有0和1两个值，若两种情况发生任何一种，游戏进程为死亡，次态状态回到Idle。


always@(posedge clk or posedge centerbt)
        begin
        if(centerbt && rst_n)
            begin
            case(status)
                Idle: begin
                    if(centerbt) begin next_status=Start; end
                    else begin next_status=Start; end
                    end
                Start: begin
                    if(centerbt) begin next_status=Pause; end
                    else begin next_status=Start; end
                    end
                Pause: begin
                    if(centerbt) begin next_status=Start; end
                    else begin next_status=Start; end
                    end
            endcase
            end
        else if(strike_itself || strike_wall)
begin next_status=Idle;end
End12345678910111213141516171819202122



VGA显示模块：VGA

VGA转换模块代码定义如下：



module VGA(
game_status,clk,rst_n,snake,apple,upbt,downbt,rightbt,leftbt,
x_pos,y_pos,vga_r,vga_g,vga_b,hsync,vsync
);
input clk,rst_n,snake,apple;
input wire upbt,downbt,rightbt,leftbt;
input wire[1:0] game_status;
output reg[9:0] x_pos,y_pos;
output reg[3:0] vga_r, vga_g, vga_b;   
output hsync,vsync;12345678910


VGA显示模块用于显示系统与用户的交互界面，通过VGA扫描，传输数据，把界面显示在显示器上，为了适应大多数显示器，使用了640*480的分辨率，7*7像素为一个方格。
VGA驱动原理：
VGA驱动显示器显示是通过逐行扫描实现的，Basys3的VGA接口共有14条，RGB三原色各四位，行列扫描控制线HSYNC、VSYNC两位。管脚分配如图：
VGA扫描显示的时序控制原理：
以640*480分辨率为例，，扫描从第一行开始，当扫描未在有效显示区域时（640*480显示块），即y

   reg[2:0] cnt2;
   always@(posedge clk) //25mhz
       begin
       if(cnt2 == 1) begin clk_vga <= ~clk_vga; cnt2<=0; end
       else begin cnt2 <= cnt2+1; end
       end
   //------------------------------------
    always @(posedge clk_vga)
        begin
        if (x_cnt==H_TOTAL)  x_cnt<=0;
        else x_cnt<=x_cnt+1;
        end
     always @(posedge clk_vga)
        begin
        if (y_cnt==V_TOTAL) y_cnt<=0;
        else if (x_cnt==H_TOTAL) y_cnt<=y_cnt+1;
        end
   //------------------------------------
    reg hsync_r,vsync_r;
    always @(posedge clk_vga)//列 扫 描
       if(x_cnt==0)
           hsync_r<=1'b0;
       else if(x_cnt==H_SYNC)
           hsync_r<=1'b1;
     always @(posedge clk_vga)//行 扫 描
       if(y_cnt==0)
           vsync_r<=1'b0;
       else if(y_cnt==V_SYNC)
           vsync_r<=1'b1;
//------------------------------------
     assign hsync=hsync_r;
     assign vsync=vsync_r;
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233

核心代码如上。

蛇身控制模块：snake_control

蛇身控制模块是整个游戏最核心的部分，我们通过操控蛇头的位置，来实现对整个蛇身位置的控制。模块定义如下：



module snake_control(
    game_status,clk,upbt,downbt,rightbt,leftbt,x_pos,
    y_pos,apple_x,apple_y,apple_refresh,snake,head_x,head_y,
    strike_itself,strike_wall);
    input clk, upbt,downbt,rightbt,leftbt;
    input wire[1:0] game_status;
    input wire[9:0] x_pos,y_pos, apple_x,apple_y;
    input apple_refresh;
    output reg snake,strike_itself,strike_wall;
    output reg[9:0] head_x, head_y;12345678910

蛇头是主要的操作对象，当四个方向键有按下时，如果当前不是反向和同向，则将蛇头坐标实现对应的移动：



   parameter up=2'd0,down=2'd1,left=2'd2,right=2'd3;
   reg[1:0] direction,front_direction;
   always@(posedge clk or posedge upbt or posedge downbt or posedge rightbt or posedge leftbt)
        begin
        if(upbt) begin if(direction!=down) direction=up; end
        else if(downbt)
            begin if(direction!=up) direction=down; end
        else if(rightbt)
            begin if(direction!=left) direction=right; end
        else if(leftbt)
            begin if(direction!=right) direction=left; end
        end123456789101112

蛇头方向移动后，整个蛇身随之移动，周期为一秒，将蛇头的前一个位置赋给后一个方格点，以此类推，通过此算法实现了蛇身的移动（body中的0代表头坐标。）：



if(cnt_1s>=24999999)
    begin
    cnt_1s=0;
    body_x[0][15:0]=head_x; body_y[0][15:0]=head_y;
    case(direction)
        up: begin head_y=head_y-1; end
        down: begin head_y=head_y+1; end
        left: begin head_x=head_x-1; end
        right: begin head_x=head_x+1; end
endcase
body_x[1][15:0]<=body_x[0][15:0];
body_y[1][15:0]<=body_y[0][15:0];
body_x[2][15:0]<=body_x[1][15:0];
body_y[2][15:0]<=body_y[1][15:0];
... ...123456789101112131415

注：这段代码中，没有使用循环语句，主要是因为Verilog是一种硬件描述的底层语言，对于类似for循环的语句与它的功能是相违背的，Verilog只是并行地执行简单语句，无法实现高阶的语法。

蛇身的长度由参数调控，初始值为2，VGA显示模块传输当前扫描x_pos y_pos坐标到蛇身控制模块，在这时将整个蛇身的坐标与扫描坐标值对比，若重合则输出snake返回有效值1，VGA显示模块接收1并将此坐标的方格显示为黑色，即蛇身颜色，反之snake为0，VGA显示为其他：



if(game_status==Start)
    begin
    if(is_exist>0 && ((x_pos==body_x[0][15:0] && body_y[0][15:0]==y_pos) || (head_x==x_pos && head_y==y_pos)))
begin snake=1; end
... ...
VGA.v：
if(snake)
begin rgb=4'h0; vga_r=rgb; vga_g=rgb; vga_b=rgb; end12345678

还有一个重要数据就是蛇的死亡判定，有两种死法：撞墙或撞到了自己，发生了此种情况时，对应输出置一，反之为零，输出到game_control中，游戏状态重置：



if(head_x<1 || head_y<2 || head_x>82 || head_y>67)
        begin strike_wall=1; end
    else
        begin strike_wall=0; end
    if(is_exist>1 && (head_x==body_x[1][15:0] && body_y[1][15:0]==head_y))
begin strike_itself=1; end
... ...1234567



苹果控制模块：apple



module apple(
game_status,clk,rst_n,head_x,head_y,x_pos,y_pos, apple,apple_refresh);
    input clk,rst_n;
    input wire[1:0] game_status;
    input[9:0] x_pos,y_pos,head_x,head_y;
output reg apple,apple_refresh;123456

这个模块的主要任务有两个：将苹果显示信号输出给VGA显示模块，VGA模块输出当前扫描坐标到Apple，Apple与苹果坐标进行比对，如果相同则返回显示信号Apple为有效值1，VGA接收后显示粉红色方框代表苹果，反之为零，显示为其他：



if(x_pos==apple_x && y_pos==apple_y)
        begin apple=1; end
else begin apple=0; end123

蛇吃到苹果，即蛇头坐标与苹果坐标相等，apple_refresh置1，输入到蛇身控制模块，蛇长度加一，苹果位置重置：



if(head_x==apple_x && head_y==apple_y)
    begin apple_refresh=1; end12

顶层模块：snake_top

顶层模块是协调其他四个模块的并行运行和时序控制模块：



module snake_top(
clk, rst_n,centerbt,upbt,downbt,rightbt,leftbt, vga_r,vga_g,vga_b,hsync,vsync);
    input clk,rst_n,centerbt,upbt,downbt,rightbt,leftbt;
    output hsync,vsync;
    output[3:0] vga_r,vga_g,vga_b;
    wire[1:0] game_status;
    wire snake,strike_itself,strike_wall;
    wire[9:0] x_pos,y_pos;
    wire[9:0] head_x, head_y;
    wire[3:0] vga_r, vga_g, vga_b;
    wire[9:0] apple_x,apple_y;
    wire apple,apple_refresh;

game_control
G(
clk,rst_n,centerbt,strike_itself,strike_wall,game_status
);

VGA
V(
game_status,clk,rst_n,snake,apple,upbt,downbt,rightbt,leftbt,
x_pos,y_pos,vga_r,vga_g,vga_b,hsync,vsync);

snake_control S(
game_status,clk,upbt,downbt,rightbt,leftbt,x_pos,y_pos,
apple_x,apple_y,apple_refresh,snake,head_x,head_y,strike_itself,strike_wall);

apple A(
game_status,clk,rst_n,head_x,head_y,x_pos,y_pos, apple,apple_refresh);
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Verilog——基于FPGA的贪吃蛇游戏（VGA显示）

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(出处: 集成电路技术分享)