Привет Хабр. Изучение FPGA я начал совсем недавно, и одним из моих проектов который был направлен на изучения интерфейсов PS/2 и VGA была игра в Пин-Понг на одного человека. Одна из реализаций которой работает на плате DE0-CV которую мне любезно предоставил замечательный проект Silicon Russia, в рамках конкурса (http://www.silicon-russia.com/2015/12/11/board-giveaway-for-mipsfpga/).
Суть игры заключается в том что есть ползунок управляемый с клавиатуры должен отбивать мячик который перемещается по экрану. В качестве средства отображения был выбран VGA дисплей, а клавиатура была выбрана с простым интерфейсом PS/2, счет самой игры отображается на семисегментном индикаторе.
Отладочная плата
DE0-CV это официальная отладочная плата распространяемая Alter’ой, ее цена составляет 150$, а по академической 99$. На самой плате имеем:
— шесть семисегментных индикаторов, 10 светодиодов, 10 переключателей, 4 кнопки
— VGA разъем, PS/2 разъем, слот под micro SD карту
— SDRAM память объемом 64Мбайта
— два GPIO разъема на 35 выводов каждый.
Логика работы
В программе можно выделить 4 основных блока. Каждый из которых выполняет определённую функцию.
- PLL уже готовый ip блок нужный для получения синхронизирующий импульсов нужных для тактирования системы.
- PS/2 – блок на вход которого приходят сигналы с PS/2 порта и переводятся в коды нажатых клавиш.
- vga – блок — драйвером для работы с VGA монитором
- game – непосредственно реализует саму логику игры, на входы приходят сигналы с vga, ps2 и pll блоков .
Сердцем всей программы является PLL, именно благодаря его правильной настройке можно работать с VGA и тактировать другие блоки.
Котроллер PS/2 клавиатуры
Для управления ракеткой в игре мы используем клавиатуру с PS/2 интерфейсом. Перед тем как перейти к рассмотрению реализации блока, давайте немного пробежимся по протоколу PS/2.
Выводами служащими для обмена данными в протоколе PS/2 являются вывод Data и Clock. Посылка битов состоит из одного стартового бита, 8 бит данных, бита четности и стоп бита. Вывод Clock служит как можно догадаться тактирующим.
Установка битов со стороны устройства происходит по переднему фронту восходящему фронту Clock, а считывание со стороны устройства по нисходящему фронту сигнала. Когда устройство ничего не передает Clock и Data подтянуты к питанию. Затем шина Data и Clock переходит в ноль, что является признаком того что начата отправка сообщения. После чтения 8 бит, идет бит четности и стоп бит который всегда равен единице.
В первом обработчике мы считаем такты для того что бы понять нажата кнопка или нет, если PS2_CLK_in выставлена в течении 52500000 тактов то кнопка не нажата. Так же тут мы проверяем коды нажатых клавиш, в случае если код нажатой клавиши совпадает с кодом клавиши «стрелки вверх» то выход up переходит в 1, если нажата клавиша «стрелка вниз» то выход down переходит в 1.
<pre>always @(negedge clock) begin if(PS2_CLK_in == 1) count_clk = count_clk + 1; else count_clk = 0; if(count_clk>=52500000) begin led_out = 0; end else led_out = bit; if(led_out == 8'b01110010) begin down = 1; up = 0; end else if(led_out == 8'b01110101) begin up = 1; down = 0; end else begin down = 0; up = 0; end end </pre> В случае если на входе PS2_CLK_in фиксируется, переход от высокого уровня к низкому, то происходит считывания состояния с входа PS2_DAT_in.
<pre>always @(negedge PS2_CLK_in) begin if(s == 0) begin if(count<=7) begin bit = bit|(PS2_DAT_in<<count); end if(count == 9) begin s = 1; end else begin count = count + 1; end end if(s == 1) if(PS2_DAT_in == 0) begin s = 0; count = 0; bit = 0; end end endmodule </pre> Код для тестирования в среде ModelSim приведен ниже:
<pre>initial begin #0 clock_r=1; #275 clock_r = 1; //s repeat( 22 ) begin #25 clock_r=~clock_r; end #100 clock_r = 1; repeat( 22 ) begin #25 clock_r=~clock_r; end #300 clock_r = 1; repeat( 22 ) begin #25 clock_r=~clock_r; end #50 clock_r = 1; repeat( 22 ) begin #25 clock_r=~clock_r; end end initial begin #250 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 0; //start #50 PS2_CLK_r = 0; //0 #50 PS2_CLK_r = 1; //1 #50 PS2_CLK_r = 1; //2 #50 PS2_CLK_r = 0; //3 #50 PS2_CLK_r = 1; //4 #50 PS2_CLK_r = 0; //5 #50 PS2_CLK_r = 1; //6 #50 PS2_CLK_r = 1; //7 #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit #50 PS2_CLK_r = 0; //stop #50 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 0; //start #50 PS2_CLK_r = 1; //0 #50 PS2_CLK_r = 1; //1 #50 PS2_CLK_r = 0; //2 #50 PS2_CLK_r = 0; //3 #50 PS2_CLK_r = 1; //4 #50 PS2_CLK_r = 0; //5 #50 PS2_CLK_r = 1; //6 #50 PS2_CLK_r = 1; //7 #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit #50 PS2_CLK_r = 0; //stop #50 PS2_CLK_r = 1; //s #250 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 0; //start #50 PS2_CLK_r = 0; //0 #50 PS2_CLK_r = 1; //1 #50 PS2_CLK_r = 1; //2 #50 PS2_CLK_r = 1; //3 #50 PS2_CLK_r = 1; //4 #50 PS2_CLK_r = 1; //5 #50 PS2_CLK_r = 1; //6 #50 PS2_CLK_r = 1; //7 #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit #50 PS2_CLK_r = 0; //stop #50 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 0; //start #50 PS2_CLK_r = 0; //0 #50 PS2_CLK_r = 1; //1 #50 PS2_CLK_r = 1; //2 #50 PS2_CLK_r = 0; //3 #50 PS2_CLK_r = 1; //4 #50 PS2_CLK_r = 0; //5 #50 PS2_CLK_r = 1; //6 #50 PS2_CLK_r = 1; //7 #50 PS2_CLK_r = 1; //parity bit #50 PS2_CLK_r = 0; //stop #50 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 1; //s #50 PS2_CLK_r = 1; //s end assign clock = clock_r; assign PS2_DAT_in = PS2_CLK_r; </pre> 
Работа VGA-блока.
Плата DE0 снабжена VGA выходом, в качестве ЦАП для выходов RGB используется простая схема на резисторах.
Для начала работы с VGA нам нужно заглянуть в спецификацию VESA(http://tinyvga.com/vga-timing) и выбрать нужный режим работы. Соответственно посмотреть частоту необходимую и тайминги. Выберем видорежим 1440×900 60Hz. Необходимая тактовая частота для этого режима 106,5Мгц.
На плате установлен кварц на 50МГц, с помощью специального блока PLL мы можем производить преобразование 50МГц в нужные нам 106,5. Для этого нам необходимо вытащить нужный блок на рабочую область и произвести его настройку.
Из документации берем необходимые значения таймингов:
<pre> parameter h_front_porch = 80; parameter h_sync = 152; parameter h_back_porch = 232; parameter h_active_pixels = 1440; parameter v_front_porch = 3; parameter v_sync = 6; parameter v_back_porch = 25; parameter v_active_scanilines = 900; </pre> При каждом положительном фронте поступившем на вход pixel_clock, увеличиваем на единицу счетчик pixel_count и в зависимости от его значения выставляется нужный логический уровень на выход горизонтальной синхронизации hsync.
<pre>wire w_hsync = (pixel_count < h_sync); always @(posedge pixel_clock) begin hsync <= (pixel_count < h_sync); hvisible <= (pixel_count >= (h_sync+h_back_porch)) && (pixel_count < (h_sync+h_back_porch+h_active_pixels)); if(pixel_count < (h_sync+h_back_porch+h_active_pixels+h_front_porch) ) begin pixel_count <= pixel_count + 1'b1; char_count <= pixel_count; end else begin pixel_count <= 0; end end </pre> Когда счетчик pixel_count доходит до конца строки, происходит увеличение счетчика строк line_count и соответственно в зависимости от заданных ранее параметров выставляются нужные значения на выход вертикальной синхронизации vsync.
<pre>wire w_hsync_buf = w_hsync&~hsync; always @(posedge pixel_clock) begin if(w_hsync_buf)begin vsync <= (line_count < v_sync); vvisible <= (line_count >= (v_sync+v_back_porch)) && (line_count < (v_sync+v_back_porch+v_active_scanilines)); if(line_count < (v_sync+v_back_porch+v_active_scanilines+v_front_porch) )begin line_count <= line_count + 1'b1; line_count_out <= line_count; end else begin line_state <= 0; line_count <= 0; end end end </pre> Когда pixel_count и line_count попадают в диапазон принадлежащий видимой части экрана то visible выставляется в высокий уровень, тем самым разрешая блоку game начинать отрисовку игрового поля:
<pre>always @* begin visible <= hvisible & vvisible; end </pre> Работа game блока.
Переход сигнала pixel_state в логическую единицу означает что получено разрешение на отрисовку игрового поля от vga-блока. Входные сигналы char_count и line_count информируют нас о координатах точки которая отрисовывается на экране в настоящий момент. Исходя из координат мячика и ракетки закрашиваем нужными цветами зоны которые соответствуют им.
<pre>always @(pixel_state) begin if((char_count>=start_horz) && (char_count<=start_horz+50))begin if((line_count>=i) && (line_count<=i+100)) begin VGA_BLUE<=6'b111110; end else VGA_BLUE<=6'b000000; end else VGA_BLUE<=6'b000000; if((ball_x-char_count)*(ball_x-char_count)+(ball_y-line_count)*(ball_y-line_count)<400) VGA_RED<=5'b11110; else VGA_RED<=5'b00000; end </pre> Перерасчет координат мячика и ракетки происходит при восходящем фронте тактового сигнала clk. Так же если мячик столкнулся со стенкой происходит изменение направления его движения.
<pre>always @(posedge clk) begin if(key_2==0) begin if(i<vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time) i=i+1; else i=0; end if(key_0==0) begin if(i>vert_sync+vert_back_porch) i=i-1; else i=vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time; end if(flag == 2'b00) begin ball_x=ball_x-1; ball_y=ball_y-1; end if(flag == 2'b01) begin ball_x=ball_x+1; ball_y=ball_y+1; end if(flag == 2'b10) begin ball_x=ball_x-1; ball_y=ball_y+1; end if(flag == 2'b11) begin ball_x=ball_x+1; ball_y=ball_y-1; end if(ball_y<=vert_sync+vert_back_porch) if(flag==2'b00) flag=2'b10; else flag=2'b01; if(ball_x<=horz_sync+horz_back_porch) if(flag==2'b10) flag = 2'b01; else flag = 2'b11; if(ball_y>=vert_sync+vert_back_porch+vert_addr_time) if(flag==2'b01) flag=2'b11; else flag=2'b00; if(ball_x>=start_horz && ball_y>=i && ball_y<=i+100) if(flag==2'b11) flag=2'b00; else flag=2'b10; if(ball_x>=horz_sync+horz_back_porch+horz_addr_time) begin if(goal_2==9) begin goal_2<=0; goal<=goal+1; end else goal_2<=goal_2+1; if(flag==2'b11) flag<=2'b00; else flag<=2'b10; end end </pre> Так же в случае если шарик не встретился с ракеткой при приближении к правому краю игрового поля, то счет отображаемый на семисегментных индикаторах увеличится на единицу тк происходит срабатывание на изменение goal, в случае переполнения goal происходит изменение goal_2 и увеличение на единицу десятичного разряда.
<pre>always @(clk) begin case(goal) 0: HEX_1 = 7'b1000000; 1: HEX_1 = 7'b1111001; 2: HEX_1 = 7'b0100100; 3: HEX_1 = 7'b0110000; 4: HEX_1 = 7'b0011001; 5: HEX_1 = 7'b0010010; 6: HEX_1 = 7'b0000010; 7: HEX_1 = 7'b1111000; 8: HEX_1 = 7'b0000000; 9: HEX_1 = 7'b0010000; default: HEX_1 = 7'b1111111; endcase end always @(clk) begin case(goal_2) 0: HEX_2 = 7'b1000000; 1: HEX_2 = 7'b1111001; 2: HEX_2 = 7'b0100100; 3: HEX_2 = 7'b0110000; 4: HEX_2 = 7'b0011001; 5: HEX_2 = 7'b0010010; 6: HEX_2 = 7'b0000010; 7: HEX_2 = 7'b1111000; 8: HEX_2 = 7'b0000000; 9: HEX_2 = 7'b0010000; default: HEX_2 = 7'b1111111; endcase end </pre> Заключение
Синтезируем полученный проект и получаем статистику по занятым в ПЛИС ресурсам:
Реализуя этот проект мы увидели, что с помощью FPGA достаточно просто можно реализовывать сложные интерфейсы такие как VGA, с очень высокие требования к таймингам которые трудно выдержать используя МК. Ссылка на проект: https://github.com/MIPSfpga/pre-mipsfpga/tree/master/pinpong
ссылка на оригинал статьи https://habrahabr.ru/post/281549/
Добавить комментарий