Virtual Venture

运行在FPGA上的跑酷动作游戏，使用VHDL编写。

[游戏介绍]

硬件

FPGA: Cyclone II (EP2C70F672C8N)
SRAM: IS61WV102416BLL-10TLI
显示: VGA 640×480@60Hz, 3bits per channel

注：SRAM有两片，通过另一块FPGA间接访问。

总体架构

main              顶层模块，将其包含的所有子模块相连
input_controller  由串口输入给出玩家动作
game              游戏主逻辑，生成地形，更新物体/角色状态
geometry          生成绘图调用
renderer          执行绘图调用，绘制到帧缓冲
sram_controller   使多模块共享SRAM读写
vga_controller    控制VGA显示器输出图像

传感器控制器

输入：clk,Rx 输出：（跳起/落下/无命令）+（向左/向右/无命令）

  UD: 2位无符整型，00表示跳起，11表示向下滑，01、10表示上下无操作
  LR：2位无符整型，00表示向左，11表示向右，01、10表示左右无操作

地形生成器+游戏主逻辑

port in:clk，UD,LR,rst

port out:type_carriage,pos_carriage,num_carriage,type_barrier,pos_barrier,character_y,character_h 每轨道：

列车数量，每列车：种类，起点，车厢数量，有没有斜坡 <=4x(enum+real+short+bool) ~12byte

  	N：2位无符整型，表示列车数量
    	kind[4]：2位无符整型：00表示不存在，01为静止的列车，10为向前匀速运动的列车
    	pos_start[4]：12位有符号整数，表示列车起点的坐标，-1024表示不存在
    	num_carriage[4]：3位无符整型，车厢的数量（不包含斜坡）
    	slope[4]:1位bool，1表示有斜坡

障碍数量，每个障碍：位置，种类 10 x (real + enum) ~20bytes

	num_barrier:4位无符整型：障碍数量（不超过10个）
	pos_barrier[10]:12位有符号整数，表示障碍起点坐标,-1024表示不存在
	type_barrier[10]:2位无符整型：00表示上下都可通过类型，01表示只能跳跃通过类型，10表示只能下方滑过类型，11为不可通过

process:

每个周期
    对每个轨道：
---maintain
      每节列车：起点--；
      每个障碍：起点--；
      \*金币，景观，隧道
---free
      如果列车起点<（-车厢长度):                            --以主角所在的地方为x轴原点但非屏幕最左端
        如果列车有斜坡:
          列车没有斜坡；
        否则：
          列车车厢数目-1，起点+=车厢长度；
      如果障碍起点<(-障碍长度+人物宽度）：
        该障碍消失；
---new
      #如果最后一节列车最后一节车厢进入画面，则读取随机数表格并随机生成新的列车、障碍

---玩家与列车，金币作碰撞检测。碰撞检测：玩家所在轨道离散

signal:

（pos_x:int，x坐标，常为0）
pos_y:int，y坐标
pos_y_discrete:std_logic_vector(2)，由y坐标得到角色属于三条铁路中的哪一条
pos_h:int，高度坐标，表示角色高度。用于碰撞检测
pos_h_center:int,重心高度坐标，考虑跳跃/下滑影响后即为高度坐标。用于斜坡对角色的高度影响
time_mov_y:int，左右移动剩余时间。+表示向左移动，-表示向右移动，不可被打断（不为0时不接受LR对其值的更改）
time_mov_h:int，上下移动剩余时间。+表示跳起，-表示下滑，可被打断（UD）
survive:std_logic,角色是否死亡

process：角色接收指令

---加速度指令
UD==00：
  time_mov_h=10;起跳
  pos_h=pos_h_center;中断上一次跳跃/下滑的影响
UD==11：
  time_mov_h=-10;下滑
  pos_h=pos_h_center;中断上一次跳跃/下滑的影响
time_mov_y==0:左右运动结束
  LR==00:
    time_mov_y=10;
  LR==11:
    time_mov_y=-10;


---速度指令
pos_h = pos_h_center + function_h( time_mov_h );
pos_y = pos_y + function_y( time_mov_y );
pos_y_discrete = function_yd( pos_y );

状态检测&碰撞检测

                                                                                                         ---状态检测
如果角色未死亡：
                                                                                                         ---碰撞检测
  根据pos_y_discrete判断角色在哪一条轨道上（在两条轨道中间时只考虑pos_y_discrete确定的轨道的影响）
  列车碰撞检测：
    如果pos_h<=列车高度:                                                                                                 ---处于列车上不必碰撞检测
      如果第一节列车的起点<0且>(-车厢长度）:
        如果有斜坡：
          pos_h_center=（0-列车起点）*列车高度/车厢长度；                                                                        ---假设斜坡为三角形
        没有斜坡：
          角色死亡，survive=0；

  障碍碰撞检测：
    如果障碍起点<0且>(-障碍长度）:
      如果type_barrier为11:
        角色死亡，survive=0；
      如果type_barrier为01:
        如果time_mov_h<5:
          角色死亡，survive=0；
      如果type_barrier为10:
        如果time_mov_h>-5:
          角色死亡，survive=0；
      如果type_barrier为00:
        如果time_mov_h<5且>-5:
          角色死亡，survive=0；

port out:

玩家位置 (x:real,h:real)

几何实例化

接受地形与玩家信息

输出绘制指令

clk: in std_logic;
type_carriage: out std_logic_vector(11 downto 0);
pos_carriage:out std_logic_vector(71 downto 0);
num_carriage:out std_logic_vector(17 downto 0);
pos_barrier:out std_logic_vector(71 downto 0);
type_barrier:out std_logic_vector(11 downto 0);
character_y:out std_logic_vector(11 downto 0);
character_h:out std_logic_vector(11 downto 0);

-- internal ports to main game logic
...
-- internal ports to geometry buffer (RAM)
ram_clk: out std_logic;
ram_addr: out std_logic_vector();
ram_data: out std_logic_vector();
...
-- internal ports to renderer
data_available: out std_logic;

渲染器

执行贴图操作，支持格式RGBA5551，贴图尺寸1024×1748（竖版）。

贴图颜色可以预先dither到8色每通道，也可以保留原色，渲染器内部会进行实时dither。

使用 util/tex2bin/rgba5551 中的程序可以将贴图转换为二进制格式。

接口

每次从几何缓冲中接受一系列绘制指令，将渲染得到的所有像素颜色发送给SRAM控制器。

指令在几何缓冲中从地址0开始排列 XY-UV-WH-D-XY-UV-WH-D-... ，每条指令即复制贴图上一个矩形到屏幕缓冲上，指令参数含义如下（全部小端序）

X 12位有符号整数，所绘制矩形在屏幕上的左上角横坐标，屏幕最左列为0
Y 12位有符号整数，所绘制矩形在屏幕上的左上角纵坐标，屏幕最上行为0
-  8位占位符，会被忽略
U 12位无符号整数，所绘制矩形在贴图上的左上角横坐标，贴图最左列为0
V 12位无符号整数，所绘制矩形在贴图上的左上角纵坐标，贴图最上行为0
-  8位占位符，会被忽略
W 12位无符号整数，所绘制矩形的宽度（横向像素数量）
H 12位无符号整数，所绘制矩形的高度（纵向像素数量）
-  8位占位符，会被忽略
D 16位无符号整数，所绘制矩形的深度（深度小的矩形覆盖深度大的矩形）
- 16位占位符，会被忽略

几何缓冲数据位宽32位，地址位宽为12位（最多1024条指令）。

具体地，当输入 start 为高时，将 busy 置为高并开始工作，不断从几何缓冲中读取绘图指令进行渲染，直到渲染完成并全部写入SRAM后，将 busy 置为低，等待下一次 start 信号。

clk0: in std_logic; -- 100MHz master clock input
-- internal ports to geometry buffer (RAM)
n_element   : in unsigned(11 downto 0); -- number of rectangles to draw
geobuf_clk  : out std_logic;
geobuf_addr : out std_logic_vector(11 downto 0);
geobuf_q    : in  std_logic_vector(23 downto 0);
-- controls
start : in std_logic; -- set to HIGH to start
busy : out std_logic;
-- internal ports to SRAM controller
sram_addr1 : out std_logic_vector(19 downto 0);
sram_q1    : in  std_logic_vector(31 downto 0);
sram_addr2 : out std_logic_vector(19 downto 0);
sram_q2    : in  std_logic_vector(31 downto 0);
sram_addrw : out std_logic_vector(19 downto 0);
sram_dataw : out std_logic_vector(31 downto 0);
sram_wren  : out std_logic

实现

实现思路：用时钟和状态机控制顺序执行

遍历所有块：
    遍历当前块内像素：
        重置深度
    遍历所有绘制指令：
        取指令
        遍历绘制区域包围盒与当前块的相交矩形内像素：
            判断深度并写入贴图坐标和深度
    遍历当前块内像素：
        读取贴图值
        抖动量化
        向SRAM写入像素颜色

块缓冲格式：80x80 words ，行优先，数据位宽36位，其中RGB888,

SRAM控制器

此模块的作用是将SRAM共享给VGA控制器（只读）和渲染器（读写）。

SRAM最高频率为100MHz，经过中间FPGA的读周期总延迟约为35ns，时序特性测得如图（CE=0,OE=0,WE=1）

实际操作中以80ns为周期，执行三次读操作和一次写操作。读取时刻由PLL上升沿控制，相对于地址时钟相位为270°（即给出地址后37.5ns读取）。

使用此SRAM控制器的读取和写入延迟可预测，且总带宽是阻塞读写方式（40ns一次I/O）的两倍。

VGA控制器

以25MHz像素时钟运行，从SRAM控制器读取像素值，输出各3位的RGB数字值及消隐信号。

帧缓冲为每地址两个像素，每个像素为RGB333。

111116/virtualventure