俄罗斯方块 FPGA 实现实验报告

实验目的

通过本次项目，完成以下目标：

熟悉 Xilinx FPGA 架构及开发流程。

设计一个功能完整的系统，掌握 FSM + Datapath 的设计方法。

实验内容

项目介绍

本项目旨在在 FPGA 上实现经典小游戏“俄罗斯方块”。基本方案为使用 Xilinx Zynq 系列开发板 ZedBoard 作为平台，实现主控模块，通过 VGA 接口控制屏幕显示。

系统框架

整个系统由四部分组成：按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块以及 VGA 显示接口模块。系统架构如下图所示：

图1：系统框图

按键输入处理模块

主要功能是对输入信号进行消抖处理和上升沿检测。消抖模块采用移位寄存器结构，延迟输入信号 4 个时钟周期，以减少噪声影响。上升沿检测通过比较寄存器存储的前一个值与当前值，检测到上升沿时触发相应处理。

控制模块

控制模块采用 FSM 方式设计，定义 10 个状态：

S_idle：上电复位后进入空状态，待启动信号后进入 S_new 状态。

S_new：生成新的俄罗斯方块。

S_hold：保持状态，进行计时或等待按键信号。

S_down：判断俄罗斯方块能否下移一格。

S_move：判断方块是否能按照按键指令移动。

S_shift：更新方块坐标信息，返回 S_hold。

S_remove_1：更新屏幕矩阵信息，进入 S_remove_2 状态。

S_remove_2：消除可消除的行，重复直到无可消除为止，返回 S_idle。

S_stop：清空屏幕，返回 S_idle。

S_isdie：判断游戏结束状态，进入 S_stop 或生成新方块。

图3：控制模块 ASMD 图

数据路径

数据路径模块根据控制模块信号更新背景矩阵和活动方块坐标。背景矩阵用于存储非活动方块坐标，活动方块坐标用于跟踪当前方块位置。方块类型由 7 位编码表示，包括 7 种形状的 4 种旋转状态。

显示部分

输出结果通过 VGA 接口接入显示屏。VGA 接口传输红、绿、蓝模拟信号及同步信号，实现屏幕显示。模块通过组织行扫描、列扫描和颜色信号对显示屏进行控制。

实验结果

实验结果如图所示，系统能够实现俄罗斯方块的基本功能，包括方块生成、移动、旋转、消除和显示。系统表现稳定，按键控制灵敏，画面清晰。

图7：实验结果图

实验总结

完成情况

本次项目完成了既定目标，核心功能实现正常运行。通过分工合作完成系统自上而下的设计，掌握 FSM + Datapath 设计方法。

不足与改进

时间仓促导致界面优化不足。

模块划分前接口定义不够完善，调试时间增加。

总体而言，项目让团队对 FPGA 并行设计有更直观认识，掌握了调试技巧和团队协作经验。

实验部分代码

// 按键处理模块
reg [7:0] key_in;
reg [7:0] key_out;
// 控制模块
state state;
// 数据路径
reg [9:0] background_matrix;
// 显示部分
output clock;
output row_scan;
output column_scan;
output red, green, blue;

本代码为核心模块的部分接口定义，具体实现需根据需求扩展。

转载地址：http://tsxo.baihongyu.com/

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