【学术不端】李乔丹,刘昌华-基于FPGA的吃豆人游戏设计与实现

基于FPGA的吃豆人游戏设计与实现
李乔丹，刘昌华
（代写代发未办理尾款，曝光）
（武汉轻工大学数学与计算机学院，湖北武汉 430023）
摘要：使用DE2开发板为硬件操作平台，基于EP2C35F672C6为主控芯片，使用VHDL语言设计各个IP核组件，参考并重用了经过验证的VGA图像显示模块和PS/2键盘输入模块，使用256Kx16位的双端口SRAM为存储器，在SOPC中完成IP核设计，生成硬件配置文件，并下载到目标板，在NiosIIIDE中使用C语言完成游戏功能设计，在软硬件协同设计下实现了基于FPGA的吃豆人游戏系统。

关键字:DE2开发板；VHDL；FPGA;吃豆人游戏
1 引言
游戏作为人们娱乐的方式，越来越被人们青睐，游戏的开发大多是软件开发，如Android、Java等，但是开发一款游戏需要考虑很多因素，如开发周期、成本，游戏运行的硬件环境是否安全，以及是否有可能存在盗版也是必须要考虑在内的。

近年来，知识产权越来越引起人们重视，设计人员以“设计+重用”的设计思想对现有的经过验证的IP核[1]进行重复使用，从而降低了开发成本，缩短了产品上市周期，而作为可编程逻辑器件之一的FPGA [2]的飞速发展，其设计性能及性价比远远超过了ASIC，而SOPC技术正是在可编程逻辑器件的基础上发展起来的一种灵活、高效的嵌入式系统解决方案，它将CPU处理器、存储器、I/O 口，以及一些常用外围设备等系统设计所需要的部件集成到一片 FPGA 器件上，各个部件一般都以IP 核的形式构建成一个可编程的片上系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能，具备软硬件在系统可编程的能力。

吃豆人[3]是电子游戏中比较经典的一款街机游戏，在1980年由Namco公司的岩谷彻设计。

游戏中的主角是一个嘴巴一张一合的小精灵，可以左右、上下移动，去吃经过的路径上的小豆子，然后得分，碰到怪物幽灵就会死亡，然后复活重来。

这款游戏是我们童年的回忆，因此，本文设计实现了基于FPGA和SOPC的吃豆人游戏，意在了解基于FPGA平台利用SOPC 技术的IP可重用设计，以及软硬件协同设计的设计理念和流程方法。

2 系统总体设计
本文所搭建的游戏系统以Altera 公司开发的基于SOPC技术的32位RSIC处理器—Nios II处理器作为设计的基础，它包括了JTAG调试模块和Avalon交换结构总线[4]，以及外围设备（如存储、接口等）构成了Nios II嵌入式处理器系统[5]。

为了迎合玩家的游戏体验，在本游戏系统中，采用了自顶向下的设计方法，添加了VGA显示模块和PS2键盘控制模块，采用了FPGA 来驱动16 x 16 LED 点阵[6]实现吃豆人游戏，玩家可以通过PS2键盘的4个方向键来控制吃豆人的移动，去吃分布在经过的路径上的小豆子，并获得分数，而幽灵会按照一定的算法路径去追吃豆人。

3 系统设计步骤
该系统是采用EDA技术[7]在软硬件协同设计下完成的，大概设计流程如下：（1）在Quartus II环境和SOPC Builder 中完成硬件设计，添加系统总体设计框架中相关的IP模块，通过Avalon 结构总线将各个模块连接在一起，定制Nios系统；（2）然后在Quartus II 中进行引脚锁定，编译并仿真，生成硬件配置文件（.sof），并下载到FPGA板中；（3）软件设计部分，该部分设计是在 Nios II IDE中，用C代码编写的用户程序，主要是游戏的功能实现。

4 系统硬件设计
吃豆人游戏硬件平台设计的总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图
4.1 PS/2键盘输入模块
PS/2键盘与系统设计所使用的DE2开发板的PS/2接口相连接，玩家通过键盘控制方向，录入数据，PS/2键盘输入模块[8]就会处理与标准键盘的接口数据，读取在标准键盘上的按键信息，PS/2模块会持续扫描这些信息，根据按键的控制方向，转化为能够控制吃豆人的移动方向的数据，从而传递到控制模块。

该游戏设计中，PS/2键盘主要对吃豆人位置的移动进行控制，采用了VHDL语言进行描述，其IP核模型如图2所示。

（a）PS/2 IP核顶层设计图(b) PS/2IP核符号
图3 PS2IP核模型
4.2 VGA画面输出模块
VGA显示接口，即视频图形阵列（Video graphics Array）,现在绝大部分的显示设备都采用了VGA接口，应用非常广泛。

因此，对于由嵌入式微处理器构成的视频图像处理系统来说，采用VGA接口作为显示输出，具有很强的兼容性和可用性。

VGA显示接口的结构相对
比较简单，时序信号也很容易由微处理器处理来实现，因此，结合了FPGA的多分辨率VGA 图像控制器[9]在嵌入式系统设计的图像处理中占有很大的应用空间。

在SOPC中进行IP核的设计时要添加VGA模块，其时序驱动模块也是采用的VHDL语言进行了描述，建立的IP核模型如图3所示。

（a）VGA IP核顶层设计图 (b) VGA IP核符号
图3 VGA IP核模型
4.3 存储模块
FPGA中可使用的外部存储模块有ROM、DRAM、SRAM等，采用什么样的存储器决定了读取数据控制模块的数据存取方式。

ROM存储器可以直接产生地址信号对FPGA芯片进行访问，DRAM 需要每隔一段时间刷新一次，否则存储器内部的数据就会消失，而SRAM不需要刷新电路就可以保存它内部存储的数据。

本游戏设计便是采用了存储容量为256K X16位的双端口SRAM作为存储器，这两个端口有各自独立的地址线，数据输入/输出线以及口选信号，读写控制，输出使能信号等，数据的存取比较方便，性能相对高。

5 系统软件设计
按照系统总体设计的框架将各个组件的IP核设计完成，生成.sof文件完成硬件设计后，接着在Nios II IDE中用C代码进行编写应用程序，对游戏系统的画面设计和功能进行描述。

代码编译完成且无错误后，将系统配置文件.sof下载到目标板，运行软件，系统不断地读取键盘的输入信息，并更新键盘状态。

图4是软件控制伪代码。

图4 软件控制伪代码
6 系统测试及结果
游戏运行界面如图5所示，经过测试，一些功能和操作都能够实现，基本达到了预期的
目标。

本游戏系统设计并且经过验证的功能主要有以下几点：（1）PS2键盘通过方向键（上下，左右）对游戏画面中的吃豆人进行控制，可以吃掉沿路上的豆子并且获取得分，得分显示在屏幕左下方。

（2）吃豆人吃到一个豆子就会得1分，吃到分布在屏幕四个角的大豆子时会得5分，当吃豆人被幽灵吃掉后，会在原地留下一个吃字，然后原地复活。

（3）在控制吃豆人移动的过程中，当吃豆人靠近幽灵时，幽灵就会展开追击，这些幽灵是通过自动寻路算法找到追击吃豆人的路径的。

本次游戏系统的设计，简单地实现了pc-man游戏的功能，，但是仍有一些功能需要进一步改进，当然也可以添加声音输出模块（如audio音频、或者单片机），对显示器界面进行规划，使游戏功能更加完善，满足玩家的需求。

（a）游戏初始画面（b）吃到大豆子得分
图5 游戏运行界面
7 结束语
不难看出，目前Android、Java等软件开发游戏是一个趋势，但仍存在很多问题，高成本，周期长，性能低、安全性差。

而基于FPGA的硬件平台开发则凭借着设计灵活、可重用、安全的优点越来越被设计者关注，本文设计的吃豆人游戏正是基于FPGA开发的。

本系统在软硬件协同设计下完成，测试结果表明游戏可以稳定运行，相应功能也能够实现，达到了预期目的，当然，也可以添加一些功能组件对系统进行改进，趋于完善。

参考文献：
[1]孙辰. 基于SOPC架构的IP核设计研究[D].电子科技大学,2014.
[2]王伟. 基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计[J]. 淮北职业技术学院学报，2013，（01）：137-138.
[3]Bruno Apolloni,Simone Bassis,Anna Esposito,Carlo Francesco Morabito,Nicole Alicia Rossini,Christian Quadri,N. Alberto Borghese,Clever Pac-man[J]. Frontiers In Artificial Intelligence and Applications,2011,234:.
[4]姚洁,孔祥营,王桂强. 一种基于Avalon总线PCI从设备IP核设计[J]. 电子测量技术,2016,(02):142-146.
[5]孟芳,于立佳,张文志. 基于Nios Ⅱ的SOPC系统设计分析[J]. 无线电通信技术,2012,(01):73-76.
[6]戴禄君,刘战峰. 基于单片机的LED点阵显示系统的设计[J]. 计算机与数字工程,2014,(04):734-738.
[7]刘昌华, EDA技术与应用-基于QUARTUS II 与 VHDL[M].北京航空航天大学出版社,2010
[8]彭若晨,闫妍. 基于可编程逻辑器件(FPGA)为核心的PS/2接口键盘的输入输出电路的设计[J]. 电子设计工程,2015,(11):128-130+134.
[9]姜漫,吴志勇,曹腾. 基于SOPC技术的VGA字符和图像显示系统[J]. 液晶与显示,2013,(01):120-126.
作者简介：李乔丹（1992-），男，湖北洪湖人，武汉轻工大学数学与计算机学院硕士研究生，研究方向：网络安全
通信作者：刘昌华（1963-），男，武汉轻工大学数学与计算机学院硕士生导师，副教授，研究方向：计算机网络及应用、嵌入式FPGA设计。