1、基于 FPGA 的乒乓球游戏系统设计文档系统说明： 我们组主要完成的是乒乓球游戏的实现，此游戏是在两个人之间进行的，两个开关键决定了开始是由左右哪一方先发球，按空格键表示发球开始；接下来，球在矩形框图内（相当于球桌）运动，游戏设计成：如果球碰到了矩形上下边界会弹会矩形内继续运动，在球出左右边界之前，如果有一方的球拍未能碰到球，那么对方得分。每两球后换对方发球，如果有一方先得到十分，那么该局游戏结束；然后按空格键开始下一局的游戏。拍子的移动通过键盘输入控制，可以进行上下左右的移动；显示部分则通过 VGA 接口连接到显示器上，主要包括：背景部分，矩形边框，拍子，球运动四部分显示。系统模块和任务分配
2、：1. 键盘输入（read_ps2） 徐敬德2. VGA 显示（vga_display）许科3. 拍子移动（bat） 杜俊蛟4. 游戏主控与随机数产生（ctrl_fsm & random）黄磊系统顶层框图： 乒乓球游戏的 FPGA 实现reset_iclk_iserve_1_iserve_2_ips2_clk_ips2_data_ir_ob_og_ovga_vs_o vga_hs_o系统接口说明：接口名称 类型 封装管脚 说明clk_i In P54 系统时钟reset_i In P 连接到按钮，进行全局复位ps2_clk_i In P96 键盘输入时钟ps2_data_i In P97 键盘
3、输入数据serve_1_i In P 开关 1，高电平左方先发球serve_2_i In P 开关 2，高电平右方先发球vga_vs_o Out P35 场同步信号，输出到显示器vga_hs_o Out P39 行同步信号，输出到显示器r_o Out P67 红色信号g_o Out P50 绿色信号b_o Out P43 蓝色信号系统说明：系统仿真：由于整个系统分成了四个模块，每个人各自完成自己的部分，并且每个人都做好自己的仿真与测试工作，系统级联时，如果各个部分都做好了，只要把相应的管脚连接设置清楚，就可以进行整体调试了，而没必要再做系统仿真了。系统模块原理图：系统整体资源Selected
4、Device : 3s100etq144-5 Number of Slices: 456 out of 960 47% Number of Slice Flip Flops: 210 out of 1920 10% Number of 4 input LUTs: 852 out of 1920 44% Number of IOs: 16Number of bonded IOBs: 16 out of 108 14% Number of GCLKs: 1 out of 24 4% Timing constraint: Default period analysis for Clock clk_i
5、Clock period: 11.208ns (frequency: 89.223MHz)Total number of paths / destination ports: 62084 / 317实验结果：以下是我们的实验结果的照片显示：总结与说明：自从这门课结束后，我们组就一直在讨论实验的主题，大家也都各自去查找相关资料，最终敲定了乒乓球游戏。对于系统框架，我们做了精心的讨论，最终把整个系统分成四个模块，由四个同学分别独立完成，把游戏最核心部分游戏控制模块交给黄磊同学来完成。就这样，两个星期前我们开始动手实验，经过两个星期的努力，整个系统最终大功告成；可以说，经过这次实验，我们的收获还是很
6、大的，不仅在编程能力和经验上有了很大的提高，也对系统设计有了大致的框图，并且进一步锻炼了团队合作能力。在编程中，由于对语法和指令不甚熟悉，刚开始的进度还是比较缓慢的，在调试过程中，更是遇到了很多问题，最终也都一一得以解决了。当然，由于时间和水平有限，整个系统还是有一些问题，今后可以进一步改进：1.我们设计的游戏规则还是相对简单，距离实际的乒乓游戏还是有一定差距，比如没有考虑球碰到桌面反弹的过程，也没有考虑中间有拦截网的问题；2.在一局游戏结束后，原本设想把获胜一方显示在屏幕上，由于时间有限，这部分最终没有去实现；以上就是整个系统的设计文档，请老师指正！键盘模块文档徐敬德模块描述：此模块使用 v
7、erilog 语言，主要完成的是键盘与游戏主控部分的接口，先接收键盘的时钟和数据信号，以此来接收通码，然后与程序中已保存的通码做比较，从而达到识别按键的目的，如果输入的按键是 w,s,a,d（左拍子的上下左右） ，y,h,g,jt（右拍子的上下左右） ，space 中的某一个，那么相应的把输出信号left_dir，right_dir ，serve 设置为高电平，传给下一个模块，作为游戏主控模块的输入信号。按键原理介绍：当一个键被按下，这个键的通码就被发送到计算机。多数第二套通码只有一个字节宽，但也有少数扩展按键的通码是两字节或四字节宽，这类通码的第一个字节总是E0h。只要键一释放，断码就会被发
8、送。每个键都有它自己唯一的通码和唯一的断码。多数第二套断码有两字节长，它们的第一个字节是F0h 第二个字节是这个键的通码。扩展按键的断码通常有三个字节，它们前两个字节是E0h,F0h ，最后一个字节是这个按键通码的最后一个字节。如果按了一个键，这个键的通码被发送到计算机；当你按下并按住这个键，则键盘将一直发送这个键的通码直到它被释放或者其他键被按下。以下就是从键盘发送数据的时序图:值得一提的是：这里可以用键盘时钟，也可以用高速的系统时钟来进行数据的采集。模块管脚说明：键盘模块包含两个部分，read_ps2_new 和 ps2_ctrl_new。ps2_ctrl_new 部分的管脚说明如下：接口
9、名称 类型 说明Clk in 时钟Reset in 复位PS2_Clk in 键盘输入时钟PS2_Data in 键盘输入数据enable out 使能信号，通知主模块来调用Scan_Code out 通码或者断码read_ps2_new 部分的管脚说明如下：接口名称 类型 说明Reset in 复位PS2_Clk in 键盘输入时钟PS2_Data in 键盘输入数据Clk in 时钟输入left_dir out 3 位输出信号，001，010，100，011分别表示左拍子上下左右的移动right_dir out 3 位输出信号，001，010，100，011分别表示右拍子上下左右的移动se
10、rve out 为 1 时，表示开始发球ps2_code out 按键的通码或者断码值模块说明： 根据如上的管脚说明，可以看出 ps2_ctrl_new 主要完成按键通码与断码的采集。程序中，第一个 always 主要是根据系统时钟以及键盘输入来的时钟，产生一个稳定的时钟信号 filter_clk，在此时钟的上升沿采集键盘输入的数据，因此把它做为第二个 always 的敏感表；第二个 always 中采用了状态机的方法，分为 idle 与 shifting 两个状态，其中 shifting 主要用作数据的输入，以及寄存器的移位。当输入数据计算器计到 8 时，就可以判定输入的断码与通码发送完成了
11、，这个时候把使能信号 enable 设置为 1，并把此通码或者断码赋给 Scan_Code 做为输出；而当计数器计到 9 时，就把 enable 设置为 0，并把 Scan_Code 清 0，这样，Scan_Code 就有值的时间就仅为一个 filter_clk 周期。read_ps2_new 做为主模块，调用了 ps2_ctrl_new 模块，并把 ps2_ctrl_new的输出信号 Scan_Code 和 enable 做为输入，来获得通码或短码值以及相应的使能信号。在该模块中，使用三段式状态机的写法：第一段使用时序逻辑，进行状态转移；第二段使用组合逻辑，根据状态标志位进行状态转移的判断。
12、第三断也使用时序逻辑，根据输入信号的不同，作出相应的输出。采用三段状态机的写法，不仅有利与阅读和理解，更重要的是有利于综合器的优化代码，有利于添加合适的时序约束条件，有利于布局布线。状态转移部分分成了四个状态：通码输入状态 make_code_begin；断码值F0 输入状态 break_code；断码值输入状态 make_code_end 以及最后的状态标志位，输出清空状态 clear_state。模块状态机：make_code_begin：完成通码输入判断功能。把输入的通码与事先保存好的拍子上下左右移动的通码做比较，如果吻合，就进入 break_code，并且把 fsm1 设置为 1，相应
13、的输出 left_dir，right_dir 或 serve 设置为相应的高电平，指示给游戏主控部分和拍子模块；如果不吻合，也就是输出的不是我们想要的拍子移动的按键，那么继续处于此状态。break_code：进入此状态，说明已经有通码输入了，那么判断接下来的输入数据是否为 F0h,如果是的话，就表示按键松开了，那么就把 fsm2 设置为 1，进入下一个状态 make_code_en，如果不是，就表示按键一直按住，这个时候返回上一个状态 make_code_begin。make_code_end：判断接下来的输入是不是与刚才输入的通码值一致，如果是的话，进入下一个状态，把 fsm3 设置为 1，
14、否则，处于等待状态。clear_state：这个状态主要完成的是几个标志位的清 0，以及把left_dir，right_dir 或 serve 清 0。仿真波形：对于该模块的仿真，原本打算在 modesim 下完成的，但是考虑到该部分仿真比较简单，因此决定用 xinlinx 自带的仿真工具来进行。以上是 ps2_ctrl_new 模块的仿真波形图，有四个输入信号，分别是Clk,Reset,PS2_Clk,PS2_Data。我们产生相应的波形来做为键盘输入时钟与数据的时序，当发送完毕后，enable 就设置为了 1，且 Scan_Code 有了通码或者断码值了。以上是 read_ps2_new 模块的仿真波形图，此处的时序仿真为了方便，只输入一个通码来做仿真，我们也可以看出 able 信号设置为 1 了。
