1. 前  言

《俄罗斯方块》的基本规则是移动、旋转和摆放游戏自动输出的各种方块，使之排列成完整的一行或多行并且消除得分。该项目基于Xilinx公司的EGO1平台，利用现场可编程门阵列FPGA设计了俄罗斯方块小游戏，并且通过VGA接口来实现对屏幕的控制。整个系统由六个模块组成，分别是键盘输入模块、按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及数码管计分模块。玩家通过键盘上的WASD实现对方块的移动和旋转，并且每消除一行就会进行加分。基本原理是将整个显示屏分为10*20的矩阵，不断对矩阵进行更新和判断是否能消除。俄罗斯方块是一个休闲游戏，它面对的是那些没有精力或兴趣玩大型游戏的玩家，这些人需要一类简单好玩的游戏，拿起来就能进入状态，在忙碌的生活中寻求片刻放松。

1. 系统设计
   1. 俄罗斯方块的总体设计
      1. 系统结构

整个系统采用自上向下的层次化设计方法，顶层模块调用键盘控制模块、按键处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及玩家计分模块。系统的总体结构如图图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示，其中最左侧的为键盘输入模块，将键盘上面的WASD和空格键数据导入。第二级和第三级为按键输入处理模块，对于输入的信号进行消抖和输出上升沿处理。第四级为信号控制模块也就是最主要的状态机模块，即将输入进来的信号进行区分，并且输出状态的控制信号到下一级。第五级为数据控制信号，接受来自状态机的各种状态输出的信号，对背景矩阵进行不断地判断和更新。第六极第一层为数据输出模块，所要输出的数据为背景矩阵要显示的数据。后面几级分别是数码管显示模块和计分模块。

图 2‑1 RTL顶层逻辑图

1. 功能设计

基于基本的俄罗斯方块设计方法，设计的俄罗斯方块小游戏可以实现方块的下落、旋转、方块行的消除以及玩家得分的显示。用户通过键盘上面的空格键进行游戏的开始。并通过键盘上面的WASD控制键来实现方块的移动和旋转。当玩家完整的消除一行俄罗斯方块后，数码管上会显示出玩家当前的分数，以供玩家进行参考。如图 2‑2 功能设计展示所示。

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图 2‑2 功能设计展示

1. 输入输出设计和子模块划分

关于输入输出设计，这部分在总模块会有体现。这里介绍一下。

输入设计，我们使用了FPGA板子上面的100MHz模块clk（P17），用来分频产生脉冲。然后就是复位信号rst（P5）的输入，这里我们使用一个开关，当复位信号有效时，游戏回归初始状态。下面就是5个按键，其中FPGA板子中间的按键用来控制游戏的开始，键盘上面WASD按键控制方块的移动和旋转。

输出设计，我们使用了FPGA板子上面的数码管，所以输出有两个四位的位选信号，还有两个七位的数据信号。除了这些输出，还有控制VGA显示的输出，输出有行同步信号（hsync_r）、场同步信号（vsync_r）、红色变量信号（OutRed）、蓝色变量信号（OutBlue）还有绿色变量信号（OutGreen）。

模块的划分，分别是键盘输入模块、按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及数码管计分模块，展示如图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示。

1. 系统RTL顶层逻辑和子模块设计思路
   1. 系统RTL顶层逻辑图

系统的RTL顶层逻辑图如图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示，该图展示出了各个模块以及各个模块之间的连线以及输入输出功能。在层次化的设计当中，常常将比较复杂的电路进行模块划分，分成一个个的子模块，然后在顶层模块中通过实例化连接这些子模块。

1. 键盘控制模块

接收键盘传来的数据相对简单，如图 2‑3 键盘信号所示。当时钟Clock的下降沿时，侦测到数据Data也拉低，代表一个数据包传送出来，之后的10个时钟下降沿，分别收到从最低位LSB到MSB的八位数据，1位的奇偶校验（1表示八位数据中1的位数为偶数，0是奇数），最后1位高电平表示数据包结束。时钟信号由K5检测输入，数据Data由L4检测输入。

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图 2‑3 键盘信号

对键盘来说，它用的是扫描码，每个按键对应一个代码，当一个按键被按下，每100ms会重复发送一次；当这个按键被松开，一个0xF0被发出，跟着是那个被松开的按键。那些可以被shift的按键，比如大小写字母和可以代表符号的数字键，它的扫描码后面会跟着shift码，FPGA需要根据这个来决定用哪个ASCII字符。有些按键，比如Ctrl和Alt被按下时，会在扫描码前先发一个E0，当它们被松开时，会发E0F0，并跟随着相应按键的扫描码。

键盘按键主要分为三类，图 2‑4 键盘按键码中展示了它们的通码和断码。

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图 2‑4 键盘按键码

俄罗斯方块采用的按键均为第一类按键，通码为1字节，断码为0xF0+通码形式。如A键，其通码为 0x1C，断码为0xF0或0x1C。通过寄存输入的通码或者断码来达到输出W/A/S/D/Space的信号目的。

模块在识别到断码时，保持低电平输出，在检测到通码后进行对应的按键高电平输出。

1. 按键处理模块

按键处理模块的主要功能是对输入系统的up，down，left，right四个控制信号进行消抖处理，并对其进行上升沿检测。为了简化控制系统，在本系统的设计过程中，不考虑长时间按键产生连按效果。因而，需要对按键进行上升沿检测。上升沿检测的基本实现方案是加入一组寄存器，对前一个的按键信号进行暂存，将暂存的值与当前值进行比较，当上一个值为0而当前值为1时，即认为其检测到了一个上升沿。

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图 2‑5 按键处理模块

1. 控制模块

控制模块采用有限状态机的方式进行控制，在控制模块中定义了10个状态：

S_idle：空状态，即屏幕显示为空白

S_new：用于产生新的俄罗斯方块。

S_hold：保持状态。在这个状态中进行计时，当时间到达一定间隔时，转到下落状态（S_down）；或者等待输入信号（up，down，left，right）时，转到下落状态（S_down）或者（up，left，right）状态。

S_down：判断当前俄罗斯块能否下移一格。如果可以，则转到更新状态，如果不行，则转到更新状态状态。

S_move：判断当前俄罗斯块能够按照按键信号指定的指令进行移动，如果可以，则转到更新状态（S_shift），如果不可以，则转到消除状态1状态（S_remove_1）。

S_shift：更新俄罗斯方块的坐标信息。返回保持状态（S_hold）。

S_remove_1：更新整个屏幕的矩阵信息。转移到消除状态2状态（S_remove_2）。

S_remove_2：判断是否可以消除，将可以消除的行消除，并将上面的行下移一行。重复此过程，直到没有可消除的行为止。跳转判定状态（S_isdie）

S_isdie：判断是否游戏结束。如果结束，则跳转到停止状态（S_stop）。如果没有，则跳转到产生俄罗斯方块状态，生成新的俄罗斯方块。

S_stop：清楚整个屏幕，并跳转到判断状态（S_isdie）。

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图 2‑6 状态机总模块

1. 数据路径模块
   1. 方块：

方块分为非活动方块与活动方块。非活动方块为：（1）之前下落的方块；（2）下落后方块消除之后的结果。由背景矩阵表示。活动方块为当前下落中的方块，由活动方块坐标与方块类型表示。

1. 背景矩阵

reg [9:0] Background [23:0];

背景矩阵Background是20行10列的reg型数组，负责保存非活动方块坐标，生成20*10的背景矩阵，当背景矩阵某一位置为1时，屏幕显示为白色，否则为黑色。

1. 活动方块坐标

output reg [4:0] n,

output reg [3:0] m,

n, m分别为当前活动方块的行、列指针，指向方块固定点位置。因为我们要通过W键对方块实现旋转。所以方块固定点为方块旋转时不变的格点，依据方块种类决定。不同的种类有着不同的旋转点。

1. 方块模型

俄罗斯方块共有7中形状的方块，每种方块有至少一种，至多四种不同的旋转变形方式。为方便起见，将方块和旋转类型分别编号，可以得到一共十九种方块。方块类型如图 2‑3 方块展示列表所示。

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图 2‑7 方块展示列表

1. 方块运动

系统使用计数器产生随机数进入新状态，这里的随机数是一种伪随机，旧状态的值被新状态覆盖。同时，根据计数器，状态值的值刷新为未旋转的俄罗斯方块中的一种中的一种，作为下一次方块。

1. 移动

方块的移动分为四种：分别是旋转，下落，左移，右移。由键盘来控制，方块的移动主要分为两部分：（1）判断；（2）转换

判断分两步：首先，判断变换后方块坐标是否合法，即变换后是否会造成方块越界。然后，判断变换后方块可能占据的新位置是否有背景矩阵方块存在。两步判断通过后返回成功信号，否则失败。

转换过程进行方块的移动或变形。根据KEYBOARD，移动时，改变方块坐标；变形时，方块按类别变换。

1. 方块的消除

方块消除由两个状态来实现，分别是remove1和remove2.

在remove1状态中，将活动方块位置覆盖至R，变为非活动方块。

在remove2状态中，根据满行状态，进行行的消除与平移。

1. 死亡判定

R中的0-3行位于屏幕上方，不进行显示，仅有新生成的方块坐标会进入这一区域。因而，当消除完成后，如R[3]不为空，游戏结束。

1. VGA显示模块

VGA 的英文全称是Video Graphic Array，即显示绘图阵列。VGA 支持在
640X480  的较高分辨率下同时显示16种色彩或256 种灰度，同时在320X240 分辨率下可以同时显示256 种颜色。肉眼对颜色的敏感远大于分辨率，所以即使分辨率较低图像依然生动鲜明。计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、 G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。

这里我们首先对系统自带时钟100MHz进行分频，由于显示屏的参数为640*480*60Hz，所以我们近似处理为25MHz。为了实现发送端与接受端图像各点一一正确对应，发送端与接收端的扫描必须同步。同步脉冲是周期稳定，边沿陡峭的脉冲。按我国电视标准，行同步脉冲的频率等于行频为15.625KHZ，行周期为64us。在电视技术中常以64us  作为时间单位，并以H 表示，即1H＝64us。场同步脉冲频率等于场频为50HZ，场周期为 20ms，即312.5H。行同步脉冲宽度为4.7us  左右，场同步脉冲宽度为2.5～3H。

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图 2‑8 VGA显示模块

1. 玩家计分模块

我们利用数码管来显示玩家的得分情况。当判定到某一行信号全部为1可以消除的时候，玩家的分数可以提高并且在数码管上显示出来，数码管前五位显示SCORE，后面三位显示得分，所以得分上限为999分。由于内部原理的设置，每次玩家消除奇数行加23分，偶数行加22分。

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图 2‑9 玩家计分模块

1. 状态机模块设计
   1. 状态转移图

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1. 状态转移表

1. 用户使用手册
   1. 具体功能实现

1）基本俄罗斯方块功能：方块下落、随机方块的产生、方块能否消除的判断。

2）键盘控制游戏的开始和方块的移动。上升键（W）控制方块的旋转。

3）数码管显示玩家当前的得分情况。

1. 操作使用说明

用户主要通过键盘上面的按键来进行操控。

当想要开始进行游戏的时候，按下键盘上面的空格键，游戏开始。玩家通过A和D来控制方块的左移和右移，W键来控制方块的旋转。从而进行俄罗斯方块游戏的使用。

系统调试

1. 调试过程说明
   1. 一般流程