基于FPGA的“2048”游戏综合设计

学号：17020110019    姓名：高少魁

【嵌牛导读】2048游戏在网页端与移动端均可以使用，本设计将该游戏移植到了硬件平台FPGA上，使用Digilent Nexys 4 DDR 开发板，使用Xilinx Vivado 用于搭建基于MicroBlaze 软核处理器的硬件运行环境，“2048”游戏主程序和VGA 显示控制等程序的编写在Xilinx SDK 上进行。游戏必需的上、下、左、右方向控制，在物理上由开发板上的按键实现，在软件层面通过查询方式实现。最终，嵌入式系统的运行结果将输出到显示屏上，包含4×4 棋盘方格、游戏得分和游戏结果。

【嵌牛鼻子】FPGA    VGA    最小嵌入式系统    软核CPU

【嵌牛正文】

一、硬件设计

系统设计的整体电路框图如图所示

硬件部分由基于MicroBlaze 软核处理器的最小嵌入式系统和外围的输入输出模块构成。最小嵌入式系统以MicroBlaze 软核处理器、时钟模块（Clocking Wizard）、处理器系统复位模块（Processor System Reset）、调试模块（MicroBlaze Debug Module，MDM）、内置存储（LocalMemory）和外置存储接口模块（Memory Interface Generator，MIG）为核心，以AXI 总线互联模块（AXI Interconnect）作为处理器与外设的通信基础，以直接或间接挂载于其上的AXI 中断控制器（AXI Interrupt Controller）和中断请求集成器（Concat）作为中断信号的数据通路。

外围输入输出模块包括以下若干部分，它们均通过AXI 总线与处理器通信。UART 模块（AXI Uartlite）实现嵌入式系统与计算机的调试通信，GPIO 模块（AXI GPIO）实现按键输入，TFT 模块（AXI TFT Controller）把系统运行结果通过VGA 接口输出。

由于软件部分需要存储大量的图片资源，且TFT 模块要求显存不少于2MB，而处理器的内置存储空间不足，故使用MIG 模块以使用外置DDR2 存储。硬件系统共需要有三种不同频率的时钟信号：处理器需要100MHz 时钟、MIG 模块需要200MHz 时钟、TFT 模块需要25MHz 时钟，故Clocking Wizard 输出三路时钟。

要把上述嵌入式系统在FPGA 上实现，需要添加管脚约束。共有三处需要添加约束：时钟信号输入、GPIO 模块的按键输入和TFT 模块的VGA 接口输出。前两处在添加相应IP 核时以完成约束，TFT 模块的约束需要手动完成，即把红、绿、蓝三通道颜色信号和行、场同步信号约束到VGA 端子上。

二、软件设计

1.图片素材

嵌入式系统的运行结果，即“2048 ”游戏的状态需要以图形的方式输出到显示屏，因此需要把所有可能显示的较为复杂的内容预先制作好并存储起来。这些内容包括2~ 65536 共16个数字方块、用于显示得分的 0~ 9 这十个数字 、“得分”提示语 和游戏给出的“赢”和“输”的提示信息，均使用 Adobe Photoshop制作。然后，利用 Image 2 Lcd 工具软件把图片输出为 C 语言格式的数组备用。

2.主程序部分

主程序实现的功能为：配置硬件工作参数 、调用 VGA 显示部分的函数来显示两幅静态页面 、初始化游戏、初始化屏幕显示和 识别用户输入的控制信号并传输给游戏核心部分。

硬件工作参数包括GPIO 通道的数据传输方向 、 显存基地址 和 TFT 扫描方式 。 GPIO 用于获取用户输入的控制信息，因此方向为输入 TRI 寄存器的值配置为 0 x1F 。显存基地址为0x 87 E 00000 ，大小为 2MB ，该信息写入 AR 寄存器 。 TFT 显示控制器的工作参数为从左到右扫描、开启显示输出，相应地把 0x 1 写入 CR 寄存器。

程序开始执行时，首先调用VGA 显示部分的两个函数分别 2~ 65536 共 16 种不同数字方格的棋盘。 然后，调用函数开始一局新游戏并在屏幕上预先绘制好不需要更新的棋盘区域底框、“得分”提示信息和显示分数的区域的底框。 主程序使用查询的方式不断获取 GPIO 寄存器提供的用户输入信息。当有输入时，调用游戏核心部分的函数更新“棋盘”信息。

3.VGA显示部分

该部分程序按照一定的规则向显存写入数据以在显示屏上显示不同的内容。这些内容包括 2~ 65536 共 16 种数字方格的棋盘、得分信息、游戏进行时的棋盘和提示信息。

2~ 65536 共 16 种数字方格的棋盘在程序刚开始执行时显示，每幅画面大约显示 5 秒，用软件延时粗略控制。随着游戏的进行， VGA 显示部分不断读取“棋盘”，并把代表相应数字的图片绘制到显示器上。同时，它还读取得分信息，并绘制到预先设定的位置。如果“棋盘”上出现了“ 2048 ”，它输出“赢”的提示信息。如果“棋盘”上的方格均不能移动且没有出现“ 2048 ”，则显示“输”的提示信息。

4.游戏核心部分

游戏核心部分主要涉及对“棋盘” 的处理 ，程序把它抽象为 4 × 4 的二维数组。这部分的功能包括： 游戏初始化、 方块四个方向 的移动和合并策略、向棋盘添加一个新的方块、检查游戏的状态、计算得分和获取游戏的状态信息。

游戏初始化把得分清零，并向棋盘添加两个数字。方块四个方向的移动和合并策略与我们之前体验过的2048 游戏完全一致。方块移动后，“棋盘”上一定会增加一个新的方块，可能是2 或 4 ，概率为 9:1 。之后，程序检查“棋盘”上是否出现过 2048 。如果出现过（“棋盘”上至少有一个不小于“ 2048的方格），则游戏结束，通知 VGA 绘图部分显示“赢”的提示信息。如果没有出现过，则检查棋盘上的空余位置数量数量以以及方块是否还能移动。如果没有空余位置且方块不能继续移动，及方块是否还能移动。如果没有空余位置且方块不能继续移动，则游戏失败，通知则游戏失败，通VGA显示部分显示部分输出“输”的提示信息。接下来，输出“输”的提示信息。接下来，程序将通知程序将通知VGA显示部显示部分更新“棋盘”和得分的显示。分更新“棋盘”和得分的显示。

三、设计运行效果

运行效果如下图

在Zynq-7000上编程PL大致有3种方法：1.用FSBL，将bitstream集成到boot.bin中2.用U-BOOT命令3.在Linux下用xdevcfg驱动。步骤：1.去掉bitstream的文件头用FSBL烧写PLImages没有什么好说的，用XilinxSDK的CreateBootImage工具即可完成，不再赘述。用后两种方法需要把bitstream文件的文件头用bootgen工具去掉。一个典型的bif文件如下所示：the_ROM_image:{[bootloader].elf.bit.elf}bif文件可以用文本编辑器写，也可以用XilinxSDK的CreateBootImage工具生成。然后在命令行下用以下命令即可去掉bitstream文件的文件头。bootgen-image.bif-splitbin-oiBOOT.BIN"-split”参数可以生成以下文件：.bit.bin2.在U-BOOT下烧写PLImage命令”fpgaload”和”fpgaloadb”都可以。区别是前一个命令接受去掉了文件头的bitstream文件，后一个命令接受含有文件头的bitstream文件。在OSL2014.2上，缺省编译就可以完整支持写入PLImage的功能。但是在Petalinux2013.10下，尽管可以在U-BOOT下看到命令”fpga”，还需要在文件/subsystems/linux/configs/u-boot/platform-top.h中增加以下内容后重新编译才可以支持具体的功能。/*EnablethePLtobedownloaded*/#defineCONFIG_FPGA#defineCONFIG_FPGA_XILINX#defineCONFIG_FPGA_ZYNQPL#defineCONFIG_CMD_FPGA#defineCONFIG_FPGA_LOADFS在OSL2014.2U-BOOT中，具体的功能是在zynqpl.c的zynq_load()中实现的。3.在Linux下烧写PLImageOSLLinux2014.2.01中已经含有xdevcfg驱动了（之前就有，不过本文是在这个版本上验证的），直接用以下命令就可以完成PLImage写入。cat/.bit.bin>/dev/xdevcfgLinux驱动的源代码在xilinx_devcfg.c中。因为驱动的编号是通过alloc_chrdev_region()动态分配的，所以不需要手工用mknod命令手动建立设备节点。在Linux驱动中，每次往DevCfg中写入4096字节，直到全部写完。4.在用户程序中烧写PLImage目前没有现成的源码来完成这个功能，不过可以用mmap()把DevCfg的寄存器映射到用户程序的虚地址中，然后参考一些现成的软件代码来完成这个功能：*FSBL中的pcap.c*U-BOOT中的zynqpl.c*Linux中的xilinx_devcfg.c*XilinxSDK中的例子。例子位于以下位置，随SDK的版本会有变化。C:\Xilinx\SDK\2014.1\data\embeddedsw\XilinxProcessorIPLib\drivers\devcfg_v3_0\examples\index.html小结：DevCfg外设内部有自己的DMA，只需要简单的配置PLImage的基地址和长度到DevCfg寄存器，就可以完成Zynq-7000PLImage的加载。Xilinx已经提供了灵活的解决方案，如果开发者要把这个功能集成在自己的应用程序中，也有很多的代码可以参考，并不是很困难的任务。

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