Привет Хабр. Изучение FPGA я начал совсем недавно. 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: есть ползунок управляемый с клавиатуры, который должен отбивать мячик, еремещающийся 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 — готовый ip блок для получения синхронизирующих импульсов обходимых для тактирования системы.
- PS/2 – блок, на вход которого приходят сигналы с PS/2 порта и переводятся в коды нажатых клавиш.
- vga – блок — драйвер для работы с VGA монитором
- game – непосредственно реализация самой логики 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.
Контроллер 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, тактирующими.
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 — кнопка не нажата. Так же тут мы проверяем коды нажатых клавиш:
— в случае если код нажатой клавиши совпадает с кодом клавиши «стрелки вверх» выход up переходит в 1;
— если нажата клавиша «стрелка вниз»-выход down переходит в 1.
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
В случае если на входе PS2_CLK_in фиксируется переход от высокого уровня к низкому, то происходит считывания состояния с входа PS2_DAT_in.
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
Код для тестирования в среде ModelSim приведен ниже:
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;
Диаграммы поведения блока:
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. Посмотреть необходимую частоту и тайминги. Выберем видорежим 1440x900 60Hz. Необходимая тактовая частота — 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:
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;
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.
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
Когда счетчик pixel_count доходит до конца строки, происходит увеличение счетчика строк line_count и, в зависимости от заданных ранее параметров, выставляются нужные значения на выход вертикальной синхронизации vsync.
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
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:
always @* begin visible <= hvisible & vvisible; end
Работа game блока.
Переход сигнала pixel_state в логическую единицу означает лучение разрешения 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.
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
Перерасчет координат мячика и ракетки происходит при восходящем фронте тактового сигнала clk. Так же, если мячик столкнулся со стенкой, происходит изменение направления его движения.
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
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;
— переполнения goal — происходит: изменение goal_2 и увели��ение на единицу десятичного разряда.
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
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 высокими требованиями к таймингам которые трудно выдержать используя МК. https://github.com/MIPSfpga/pre-mipsfpga/tree/master/pinpong
PS: в мир FPGA вошел недавно, очень извиняюсь перед более опытными людьми которым мой код выжег глаза. Прошу понять, простить, помочь советом.
