基于FPGA的俄罗斯方块游戏设计毕业论文打印版

《基于FPGA的俄罗斯方块游戏设计毕业论文打印版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于FPGA的俄罗斯方块游戏设计毕业论文打印版（46页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在 年解密后适

2、用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目录摘要 .4前言 .51 绪论 .61.1 游戏的历史 .61.1.1 追根溯源 .61.1.2 图形硬件的革命 .61.2 游戏的意义与内涵 .71.3 游戏的组成因素 .72 游戏的可行性分析 .82.1 设计目的 .82.2 可行性研究前提 .82.3 可行性分析 .82.4 结论意见 .93 需求分析 .93.1 引言 .93.2 游戏需求 .94 设计分析 .94.1 系统方案设计支持 .94.1.1 开发环境 .94.1.2 编程语言 .104.1.3 硬件平台 .104.2

3、系统实现框图 .104.3 模块实现 .124.3.1 实验电路图 .124.3.2 随机产生模块 .124.3.3 PS/2 键控模块 .164.3.4 VGA 显示模块 .194.3.5 分频模块 .244.3.6 键控模块 .245 仿真分析 .245.1 随机数产生序列仿真 .245.2 VGA 显示模块仿真波形 .255.3 实现运行结果仿真 .256 总结与展望 .296.1 本文完成的主要工作 .296.2 未来研究展望 .29致谢 .31参考文献 .32附录 .33基于 FPGA 的俄罗斯方块游戏设计摘要：俄罗斯方块游戏是一款风靡全球的游戏，它的基本规则是旋转、移动、下落和摆放

4、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消除得分。本设计是用 FPGA 开发板实现俄罗斯方块，具体是在显示器上显示 1020的点阵以及外围方框。点阵表示方块，方框表示方块的活动范围。关键词：俄罗斯方块 VGA FPGA 串口通信Abstract:Tetris is a popular game around the world,its basic rule is to rotate,move and place all sorts of boxes which the game automatically output,making them arranged in complet

5、e one or more lines to get the relevant score.The design introduces a Tetris game through FPGA programming ,the 1020 dot matrix and external boxes are shown on the display.The dot matrix represent box,and the boxes represent the scope of activities of the box.Keywords:Tetris VGA FPGA Serial port前言：在

6、现今电子信息高速发展的时代，电子游戏已经深入人们的日常生活，成为老少皆宜的娱乐方式。但是游戏设计结合了日新月异的技术，在一个产品中整合了复杂的设计、艺术、声音和软件，所以并不是人人皆知。知道今天，在中国从事游戏设计的人任然很少，但是游戏行业的发展之快，远超家电、汽车等传统行业，也正因为如此，游戏人才的教育、培养远落后于产业的发展。俄罗斯方块是个老幼皆宜的小游戏，它实现由四块正方形的色块组成，然后存储在一个数组的四个元素中，随机产生不同的七种类型方块，根据时钟控制它在一定的时间不停的产生，用户根据键盘的四个方向键控制翻转、向左、向右和向下操作。然后程序根据这七种方块对叠成各种不同的模型。俄罗斯方

7、块游戏可以说是随计算机的发展而发展，并不断推陈出新演变出各种类似游戏，深受广大玩家喜爱。这个游戏有的简单，有的复杂，但其根本原理是一样的，都是对运动的方块组合，来训练玩家的反应能力。谈到游戏软件，大多数人都认为其神妙莫测，高不莫及。而一般游戏软件也确实具有很高的技术难度，随着开发工具及软件开发方法学的不断发展，动手开发游戏也不是十分困难的。俄罗斯方块游戏是一种古老而有趣的游戏，游戏软件不计其数，网上就有关于实现的复杂算法和设计，其难度让一般初学者望而却步。本文利用 FPGA 硬件描述语言 VHDL 进行游戏的开发和实现。1 绪论1.1 游戏的历史游戏开发至今已经有 30 多年,在这个短暂的时期

8、里,随着硬件水平的提高,游戏开发新技术层出不穷,经典游戏比比皆是。1.1.1 追根溯源真正的电子游戏机产生于 20 世纪 70 年代。1971 年，麻省理工学院的学生Nolan Bushnell 设计了世界上的第一个业务用游戏机（俗名街机） ，叫做电脑空间 。这台游戏机用一台黑白电视机作为显示屏，用一个控制柄作为操纵器，不过由于市场因素这款游戏以失败告终。但是最后他在电子游戏的发展上取得了非凡的成就。上面介绍的是专用机游戏的历史，而最早的电脑游戏可以追溯到 1972 年，一个叫 Crowther 的工程师用当时最流行的主机DEC 公司的 PDP10 编写一段简单的 FORTRAN 程序。在这个

9、程序里，Crowther 设计了一张地图，地图上不规则的分布着陷阱，游戏者必须寻找路径避开陷阱。这个程序被公认为是最早的电脑游戏程序。1989 年，BroderBund 公司的设计师乔丹.麦克纳根据阿拉伯民族的古老传说一千零一夜在 Apple 平台上制作了一部动作冒险相结合的电脑游戏波斯王子。这个游戏获得了第一作，它代表了当时电脑技术的最高水平。1986 年，任天堂公司发售了一款真正的游戏巨作超级马里奥。20 世纪 80 年代 IBM PC 兼容机的出现打破了 Apple 公司的垄断地位。到了 20 世纪 90 年代，游戏业才真正成熟起来，成为了一种产业。由于 PC 机价格非常低而且硬件速度越

10、来越快，游戏逐渐成为人们生活中不可缺少的一部分。游戏产业也逐渐发展成熟。1.1.2 图形硬件的革命图形硬件的飞速发展是近些年来的事情，部分原因是来自工业方面的压力，例如在军事和医疗方面对于实时图形的需求很强烈，而交互娱乐产业也极大的推动了图形硬件的发展。技术上的因素同样也推动着图形硬件的发展，许多图形算法可以很容易地表达为并行方式，这样硬件执行的效率变得很高。摩乐定律也起了作用，越来越多的晶体管可以集成到一块单独的芯片上。在所谓的 GPU（图形处理器）概念出现以前，特殊的图形硬件只出现在诸如 SGI 和 E&S 系统里面，这些硬件价格太昂贵，不过这些公司提供了第一代基于硬件的顶点变换和纹理映射

11、的解决方案。1.2 游戏的意义与内涵游戏这个名称一直就存在于每个人的日常生活中,如猜拳游戏、猜谜游戏、大地游戏、球类游戏等,林林总总,不胜枚举,甚至于有些流行歌曲把人生也比喻为游戏,好比“一场游戏一场梦” 。因此,游戏对于现代人的成长历程,绝对是一个不可或缺的重要角色。1.3 游戏的组成因素“游戏”,最简单的定义,就是一种供人们娱乐休闲的快乐元素。从更专业的角度形容, “游戏”是具有特定行为模式、规则条件、身心娱乐及输赢的一种行为表现。这种行为表现具备以下 4 个要素。行为模式: “游戏”最简单的要素就是游戏有特定的流程模式,这种流程模式贯穿于整个游戏的行为,用户必须依照它的模式流程来执行。倘

12、若一种游戏没有了特定的行为模式,那么就没有执行的行为；在没有执行的行为之后,这个游戏也玩不下去了。举个例子来说,如果猜拳游戏没有了剪刀、石头、布等行为模式,那么这还能叫做“猜拳游戏” 吗?所以不管游戏的流程有多么复杂还是多么简单,一定要有特定的行为模式。条件规则:当游戏有了一定的行为模式后,接着就必须制定出一系列的条件规则。简单来说,这些游戏的条件规则就是大家必须去遵守的游戏行为守则,只要是大家一致以为的游戏行为,在游戏中,玩家就必须遵守它,如果不遵守这种游戏行为,那么就失去了公平性。如同一种简单的球赛,打球的英文解释可以用PLAY GAME 来加以说明,按照英文字面上的解释,它就是执行游戏的

13、行为,而球赛必须有一定的条件规则,并且参与者都要必须去遵守它,不能遵守它就叫作“犯规” 。所以不管是什么游戏,它都会具备一组规则条件,在游戏进行的时候才会有足够的公平性。一般而言，游戏又可以分为动态和静态两种形态。动态的游戏必须配合肢体动作，如猜拳游戏；而静态游戏则是较偏向思考的行为，如同纸上游戏。然而不管是动态或是静态游戏，只要具备上述 4 项组成要素，都可以将它称为“游戏” 。2 游戏的可行性分析2.1 设计目的综合运用在校期间所学理论知识和技能，设计开发俄罗斯方块，使自己熟悉应用系统的开发过程，培养独立思考能力，检验学习效果和动手能力，提高工程实践能力，为将来实际工作打下坚实的基础。2.

14、2 可行性研究前提基本需求:系统开发的总体任务是实现游戏的可操作性、美观性、及时性。开发过程遵循软件工程规范，可采用结构化或面向对象分析设计方法。主要实现 FPGA 的 VHDL 程序开发，对游戏中的图形图像进行键盘控制。游戏者可以通过上下左右键来对游戏进行操作。主要开发目标:采用结构化设计方法，开发出一个可操作性、美观性、及时性的游戏，实现 FPGA 的 VHDL 程序开发,并通过此次软件开发过程全面提高自身的综合素质。评价尺度:由于本软件是一个初级产品，对其要求不是太苛刻，所以能够达到俄罗斯游戏的一般功能即可。2.3 可行性分析管理可行性: 该游戏软件为首次开发，目的只为提高工作自身素质和

15、检查自学 VHDL 的效果，用 Quartus11.0 软件编写，所有功能均根据基本需求所做。便于管理，所以在这方面是可以实现的。技术可行性:可用与本游戏的编程语言有 VB，Java，Delphi,VHDL 等，考虑到用于编写程序的困难度，和对语言的了解程度，选择硬件描述语言 VHDL 作为编程语言。需要对变量定义、变量初始化、界面初始化、游戏初始化、然后进入游戏、处理游戏过程中的各种操作。2.4 结论意见综上所述，本游戏软件的技术成熟、完备。各方面均无重大问题，因此本游戏软件可开始着手编写。3 需求分析3.1 引言对软件需求完全理解对于软件开发工作的成功是至关重要的，需求说明的任务是发现、规

16、范的过程，有益于提高软件开发过程中的能见度，便于对软件开发过程中的控制与管理，便于采用工程方法开发软件，提高软件的质量，便于开发人员、维护人员、管理人员之间的交流、协作，并作为工作成果的原始依据，并且在向潜在用户传递软件功能、性能需求，使其能够判断该软件是否与自己的需求相关。3.2 游戏需求随机给出不同的形状（田字形、长条形、Z 字形、反 Z 形、7 字形、反 7 形、T 字型）下落填充给定的区域，若填满一条便消掉。游戏功能要求如下：游戏界面需求:简单良好的用户界面，在显示频上显示游戏方框区间，游戏界面，考虑到自己的能力有限，目前只打算完成简单的游戏试玩。游戏形状(方块)需求:良好的方块形状设

17、计，绘制七种常见的基本图形（长条形、Z 字形、反 Z 形、田字形、7 字形、反 7 形、T 字型） ，各个方块要能实现它的变形，可设为顺时针或逆时针变形，一般为顺指针。键盘处理事件:方块下落时，可通过键盘方向键（J、K、L 键）对该方块进行旋转、向左、向右移动。显示需求:当不同的方块填满一行时可以消行，剩余方块向下移动。4 设计分析4.1 系统方案设计支持4.1.1 开发环境本次设计使用的软件是 Altera 公司生产的 Quartus软件。它是 Altera 公司的综合性 PLD 开发软件，可以完成从设计输入到硬件配置的完整 PLD 设计流程。4.1.2 编程语言本次设计使用的编程语言是硬件

18、编程语言 VHDL，主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分） ，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设计的基本点。4.1.3 硬件平台本次设计使用的核心器件是 Altera Cyclone EP2C35F484C84.2 系统实现框图本游戏有通过 FPGA 实现的，主要通过键盘送入数据，通过 PS/2 接口送入到 FPGA 中，然后通过 FPGA 程序控制，通过 VGA 接口输出到 VGA 显示频上，所以我的设计方案如图 4.2.1 所示：V G A 接口F P G AV G A 显示器P S / 2 接口键盘图 4.2.1 设计框图设计方案介绍：由于 VGA 是有 640 480 的显示矩阵显示，所以我们将俄罗斯方块分成 2010 的矩阵，每一个矩阵代表一个方块，每一个方块一起显示，如图 4.2.2 所示：图 4.2.2 方块显示图