课程设计实验报告-基于spartan3an的贪吃蛇游戏设计.doc

贪吃蛇游戏设计基于Xilinx Spartan-3anFPGA开发板专业：电子科学与技术学号：姓名： 贪吃蛇游戏设计基于Xilinx Spartan-3anFPGA开发板一、实验要求设计一款贪吃蛇游戏。设计平台为xilinx的spartan3an FPGA开发板。通过VGA接口控制液晶显示器，在液晶显示器上实现该游戏。具体要求为，在液晶显示器上有一移动的”蛇”,通过开发板上的拨码开关实现“蛇”上下左右移动。并且要求“蛇”只能在显示器一定范围内运动，若碰到坐标区域的边缘或者“蛇”的身体，则游戏结束。同时会在屏幕有效区域随机出现“苹果”，“蛇”每吃到一次苹果则表示一次成功操作，得分加1，并在数码管上显示得分。本实验刚开始的蛇身长度定位3。为了便于书写程序，我们设定蛇的最大长度为16。二、实验原理 （1）VGA接口 本开发板提供VGA接口。对硬件进行编程，输出标准的VGA信号（红、绿、蓝三色信号和行、帧同步信号），通过15针VGA接口输出至显示器，可驱动显示器显示图像信号。如下图所示： 在实验中只需使用其中的五个引脚，如上图所示。VGA接口信号基本时序图如下图所示：符号含义垂直同步水平同步时间时钟线数时间时钟TS同步脉冲时间16.7ms41680052132us800TDISP显示时间15.36ms38400048025.6us640TPWVsync脉冲宽度64us160023.84us96TFP前沿320us800010640ns16TBP后沿928us23200291.92us48表1 640*480模式下的VGA时序图信号FPGA管教约束VGA_RT13VGA_GV13VGA_BU13H_SYNCW13V_SYNCY13表2 VGA引脚配置（2）拨码开关 本游戏通过开发板下方的四个拨码开关来实现上下左右控制。4拨码开关直接接入FPGA管脚，用户可自行配置。拨码开关拨到“ON”位置时，其状态为“0”，否则状态为“1”；按键连接原理图如下：信号FPGA管脚约束SW1_1J4SW1_2H3SW1_3J3SW1_4J2表3 4码开关FPGA引脚配置（3）LED数码管此开发板提供4个LED数码管，可显示数字，直接与FPGA相连，其控制方法为扫描式，如图所示，此数码管内部接线为共阴方式，即低电平亮。所以若要控制左边第一个七节灯管输出2的字型，可以先输出“0010010”到CADP,然后输出“0111”到A1A4即可。 信号FPGA管教约束LED_BIT1M2LED_BIT2M3LED_BIT3M4LED_BIT4M5LED_CAN1LED_CBN2LED_CCN3LED_CDN4LED_CET1LED_CFT2LED_CGT3LED_DPR4表4 7段数码管FPGA引脚配置三、实验代码1. 由于本实验涉及的模块较多，我们采用小模块化设计的思想。本设计含有六个子模块，分别是： Game_ctrl_unit Snake_eating_apple Snake Key VGA_control Seg_display顶层模块代码如下：module Greedy_Snake (input clk，input reset，input left，input right，input up，input down，output h_sync，output v_sync，output 2:0 color_out，output 7:0 seg_out，output 3:0 sel)；wire left_key_press，right_key_press， up_key_press， down_key_press；wire 1:0 snake；wire 9:0 x_pos；wire 9:0 y_pos；wire 5:0 apple_x；wire 4:0 apple_y；wire 5:0 head_x；wire 5:0 head_y；wire add_cube；wire 1:0 game_status；wire hit_wall；wire hit_body；wire die_flash；wire restart；wire 6:0 cube_num；Game_ctrl_unit game_ctrl_unit1( .clk(clk)，.reset(reset)，.key1_press(left_key_press)，.key2_press(right_key_press)，.key3_press(up_key_press)，.key4_press(down_key_press)，.game_status(game_status)，.hit_wall(hit_wall)，.hit_body(hit_body)，.die_flash(die_flash)，.restart(restart) )； Snake_eating_apple snake_eating_apple1( .clk(clk)，.reset(reset)，.apple_x(apple_x)，.apple_y(apple_y)，.head_x(head_x)，.head_y(head_y)，.add_cube(add_cube) )；Snake snake（.clk(clk),reset(reset)，.left_press(left_key_press)，.right_press(right_key_press)，.up_press(up_key_press)，.down_press(down_key_press)，.snake(snake)，.x_pos(x_pos)，.y_pos(y_pos)，.head_x(head_x)，.head_y(head_y)，.add_cube(add_cube)，.game_status(game_status)，.cube_num(cube_num)，.hit_body(hit_body)，.hit_wall(hit_wall)，.die_flash(die_flash) )；VGA_control vga_control(.clk(clk)，.reset(reset)，.h_sync(h_sync)， .v_sync(v_sync)， .snake(snake)，.color_out(color_out)，.x_pos(x_pos)， .y_pos(y_pos)，.apple_x(apple_x)，.apple_y(apple_y) )；Key key1( .clk(clk)，.reset(reset),.left(left)，.right(right)，.up(up)，.down(down)，.left_key_press(left_key_press)， .right_key_press(right_key_press)，.up_key_press(up_key_press)，.down_key_press(down_key_press) )； Seg_display Seg_display1( .clk(clk)，.reset(reset)，.add_cube(add_cube)，.seg_out(seg_out)，.sel(sel) )；endmodule2.每个子模块的实现方法及要求 2.1 Game_ctrl_unit本模块从其他模块接受信号，决定游戏状态（ready、play、die），并且产生其他模块的控制信号。在ready的状态下，只要有键按下（上下左右），则蛇就会自动向右运动，从而进入play的状态。在play状态下，本模块等待hit_wall或者hit_body的信号，如果这两个信号发生，则进入die状态，即游戏结束。在die状态下，屏幕会闪烁一段时间，最后进入ready状态。此子模块代码如下：module Game_ctrl_unit(input clk，input reset，input key1_press，input key2_press，input key3_press，input key4_press，input hit_wall，input hit_body，output reg 1:0 game_status，output reg die_flash，output reg restart)；localparam RESTART = 2'b00；localparam START = 2'b01；localparam PLAY = 2'b10；localparam DIE = 2'b11；reg 31:0 clk_cnt；always ( posedge clk ) begin if( !reset ) begin game_status <= START； clk_cnt <= 0； die_flash <= 1； restart <= 0； endelse begin case( game_status ) RESTART：begin if( clk_cnt <= 5 ) begin clk_cnt <= clk_cnt + 1； restart <= 1； end else begin game_status <= START； clk_cnt <= 0； restart <= 0； endend START： begin if( key1_press | key2_press | key3_press | key4_press ) begingame_status <= PLAY； end end PLAY： begin if( hit_wall | hit_body ) game_status <= DIE；end DIE： begin if( clk_cnt <= 200000000 ) begin clk_cnt <= clk_cnt + 1； if( clk_cnt = 25000000 ) die_flash <= 0； else if( clk_cnt = 50000000 ) die_flash <= 1； else if( clk_cnt = 75000000 )die_flash <= 0； else if( clk_cnt = 100000000 )die_flash <= 1； else if( clk_cnt = 125000000 )die_flash <= 0； else if( clk_cnt = 150000000 )die_flash <= 1； end else begin die_flash <= 1； clk_cnt <= 0； game_status <= RESTART； end end endcaseendendendmodule2.2 Snake 这是本次试验最复杂的部分，此模块需要完成四项任务：（1）保持蛇的运动 （2）根据按下的键改变蛇的运动方向 （3）判断蛇是否碰撞墙或者自己的身体 （4）在液晶显示器上显示根据VGA_control模块此子模块代码如下：module Snake (input clk，input reset，input left_press，input right_press，input up_press，input down_press，input 9:0 x_pos，input 9:0 y_pos，input add_cube，input 1:0 game_status，input die_flash，output reg 1:0 snake，output reg 6:0 cube_num，output 5:0 head_x，output 5:0 head_y，output reg hit_body，output reg hit_wall)；localparam UP = 2'b00；localparam DOWN = 2'b01；localparam LEFT = 2'b10；localparam RIGHT = 2'b11；localparam NONE = 2'b00；localparam HEAD = 2'b01；localparam BODY = 2'b10；localparam WALL = 2'b11；localparam PLAY = 2'b10；reg 31:0 cnt；wire 1:0 direct； reg 1:0 direct_r；assign direct=direct_r；reg 1:0 direct_next；reg change_to_left；reg change_to_right；reg change_to_up；reg change_to_down； reg 5:0 cube_x15:0；reg 5:0 cube_y15:0；reg 15:0 is_exist；reg 2:0 color；assign head_x = cube_x0；assign head_y = cube_y0；always ( posedge clk ) /初始化刚开始时我们设定蛇向右运动if( !reset)direct_r<=RIGHT ；elsedirect_r<=direct_next；always ( posedge clk )beginif(!reset ) begin /设定初始化后刚开始三个蛇块的位置cnt <= 0；cube_x0 <= 10；cube_y0 <= 5；cube_x1 <= 9；cube_y1 <= 5；cube_x2 <= 8；cube_y2 <= 5；hit_wall <= 0；hit_body <= 0； endelse begincnt <= cnt + 1；if( cnt = 12500000 ) begincnt <= 0;if( game_status = PLAY ) begin /在play过程中判断是否hit_wallif( ( direct = UP && cube_y0 = 1 ) | ( direct = DOWN && cube_y0 = 28 )| ( direct = LEFT && cube_x0 = 1 )| ( direct = RIGHT && cube_x0 = 38 ) )hit_wall <= 1;/下边判断是否hit_dodyelse if( ( cube_y0 = cube_y1 && cube_x0 = cube_x1 && is_exist1 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y2 && cube_x0 = cube_x2 && is_exist2 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y3 && cube_x0 = cube_x3 && is_exist3 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y4 && cube_x0 = cube_x4 && is_exist4 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y5 && cube_x0 = cube_x5 && is_exist5 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y6 && cube_x0 = cube_x6 && is_exist6 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y7 && cube_x0 = cube_x7 && is_exist7 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y8 && cube_x0 = cube_x8 && is_exist8 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y9 && cube_x0 = cube_x9 && is_exist9 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y10 && cube_x0 = cube_x10 && is_exist10 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y11 && cube_x0 = cube_x11 && is_exist11 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y12 && cube_x0 = cube_x12 && is_exist12 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y13 && cube_x0 = cube_x13 && is_exist13 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y14 && cube_x0 = cube_x14 && is_exist14 = 1 )| ( cube_y0 = cube_y15 && cube_x0 = cube_x15 && is_exist15 = 1 ) ) hit_body<=1;else /蛇运动过程中相邻模块之间坐标存在联系，依次代替 begincube_x1 <= cube_x0；cube_y1 <= cube_y0；cube_x2 <= cube_x1；cube_y2 <= cube_y1；cube_x3 <= cube_x2；cube_y3 <= cube_y2；cube_x4 <= cube_x3；cube_y4 <= cube_y3；cube_x5 <= cube_x4；cube_y5 <= cube_y4；cube_x6 <= cube_x5；cube_y6 <= cube_y5；cube_x7 <= cube_x6；cube_y7 <= cube_y6；cube_x8 <= cube_x7；cube_y8 <= cube_y7；cube_x9 <= cube_x8；cube_y9 <= cube_y8；cube_x10 <= cube_x9；cube_y10 <= cube_y9；cube_x11 <= cube_x10；cube_y11 <= cube_y10；cube_x12 <= cube_x11；cube_y12 <= cube_y11；cube_x13 <= cube_x12；cube_y13 <= cube_y12；cube_x14 <= cube_x13；cube_y14 <= cube_y13；cube_x15 <= cube_x14；cube_y15 <= cube_y14；case( direct ) /根据运动方向来决定蛇头的坐标UP：beginif( cube_y0 = 1 )hit_wall <= 1；else cube_y0 <= cube_y0 1；endDOWN： beginif( cube_y0 = 28 )hit_wall <= 1；elsecube_y0 <= cube_y0 + 1；endLEFT：beginif( cube_x0 = 1 )hit_wall <= 1；else cube_x0 <= cube_x0 1；endRIGHT： beginif( cube_x0 = 38 )hit_wall <= 1；elsecube_x0 <= cube_x0 + 1；endendcaseendendendendendalways ( * ) begindirect_next = direct;case( direct )UP: beginif( change_to_left )direct_next = LEFT；else if( change_to_right )direct_next = RIGHT；else direct_next = UP；endDOWN : beginif( change_to_left )direct_next = LEFT；else if( change_to_right )direct_next = RIGHT；else direct_next = DOWN；endLEFT : beginif( change_to_up )direct_next = UP；else if( change_to_down )direct_next = DOWN；else direct_next = LEFT；endRIGHT : beginif( change_to_up )direct_next = UP；else if( change_to_down )direct_next = DOWN；else direct_next = RIGHT；endendcaseendalways ( posedge clk ) beginif( left_press = 1 ) beginchange_to_left <= 1；endelse if( right_press = 1 ) beginchange_to_right <= 1；endelse if( up_press = 1 ) beginchange_to_up <= 1；endelse if( down_press = 1 ) beginchange_to_down <= 1；endelse beginchange_to_left <= 0；change_to_right <= 0；change_to_up <= 0；change_to_down <= 0；endendreg addcube_state；always ( posedge clk ) beginif( reset = 0 ) beginis_exist <= 16'b0000000000000111；cube_num <= 3；addcube_state <= 0；endelse begincase( addcube_state )0: beginif( add_cube ) begincube_num <= cube_num + 1；is_existcube_num <= 1；addcube_state <= 1；endend1: beginif(!add_cube)addcube_state <= 0；endendcaseendendreg 3:0 lox；reg 3:0 loy；/ determine the displayalways ( x_pos or y_pos ) beginif( x_pos >= 0 && x_pos < 640 && y_pos >= 0 && y_pos < 480 ) beginif( ( x_pos9:4 = 0 | y_pos9:4 = 0 | x_pos9:4 = 39 | y_pos9:4 = 29 ) )snake = WALL;else if( x_pos9:4 = cube_x0 && y_pos9:4 = cube_y0 && is_exist0 = 1 ) beginsnake = ( die_flash = 1 ) ? HEAD : NONE；endelse if( ( x_pos9:4 = cube_x1 && y_pos9:4 = cube_y1 && is_exist1 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x2 && y_pos9:4 = cube_y2 && is_exist2 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x3 && y_pos9:4 = cube_y3 && is_exist3 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x4 && y_pos9:4 = cube_y4 && is_exist4 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x5 && y_pos9:4 = cube_y5 && is_exist5 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x6 && y_pos9:4 = cube_y6 && is_exist6 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x7 && y_pos9:4 = cube_y7 && is_exist7 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x8 && y_pos9:4 = cube_y8 && is_exist8 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x9 && y_pos9:4 = cube_y9 && is_exist9 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x10 && y_pos9:4 = cube_y10 && is_exist10 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x11 && y_pos9:4 = cube_y11 && is_exist11 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x12 && y_pos9:4 = cube_y12 && is_exist12 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x13 && y_pos9:4 = cube_y13 && is_exist13 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x14 && y_pos9:4 = cube_y14 && is_exist14 = 1 )| ( x_pos9:4 = cube_x15 && y_pos9:4 = cube_y15 && is_exist15 = 1 )snake = ( die_flash = 1 ) ? BODY : NONE；elsesnake = NONE；endend endmodule2.3Snake_eating_apple此模块需要在液晶显示器有效区域内随机产生一个苹果，而且需要判断蛇是否已吃下苹果。此子模块代码如下：module Snake_eating_apple (input clk，input reset，input 5:0 head_x，input 5:0 head_y，output reg 5:0 apple_x，output reg 4:0 apple_y，output reg add_cube)；reg 31:0 clk_cnt；reg 10:0 random_num；always ( posedge clk )random_num <= random_num + 927； always ( posedge clk ) beginif( reset = 0 ) beginclk_cnt <= 0；apple_x <= 24；apple_y <= 10；add_cube <= 0；endelse beginclk_cnt <= clk_cnt + 1；if( clk_cnt = 250000 ) beginclk_cnt <= 0；if( apple_x = head_x && apple_y = head_y ) begin add_cube <= 1；apple_x <= ( random_num10:5 > 38 ) ? ( random_n