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chrome小恐龙项目报告

数字逻辑课程郝广博桂晓琬

背景介绍

Chrome浏览器在没有网络连接的时候，会显示一个小恐龙，点击空格就可以玩这个小游戏，十分有趣，所以我们在这次的project中使用Verilog硬件描述语言来实现这样一个小恐龙游戏。

设计说明

课程设计环境

实验平台: Sword Kintex7

开发环境: Xilinx ISE 14.7

硬件描述语言:Verilog HDL

输入输出交互选择

输入: Sword 实验平台上的按钮、拨动开关

输出: VGA显示器

模块结构

工程一共包括六个模块，关系如下图：

下面是各个模块的具体介绍

Top module

主模块，控制游戏的开始(start)、结束(stop)、重启(reset)，以及衔接各个模块，如，把ground、jump、cactus、score的输出数据送给vga模块来显示在屏幕上。

游戏的开始和结束

首先，我们设计了一个寄存器game_status用来表示游戏是否是正在进行，0表示stop，1表示running，并且把game_status的引脚接给各个子模块从而实现全局的协调控制。

另外，我们设计了一个寄存器trigger_start和一条线trigger_stop。并且在每个时钟周期，都去判断这两个值，如果trigger_stop为1，就把game_status变成0，如果trigger_start为1，就把gama_status变成1。不过值得一提的是，在start操作的时候，我们并不是发现trigger_start等于1以后就立即改变game_status的值，而是等到vs为低电平的时候再去做这个操作，这是为了保证游戏的开始是在VGA的消隐期进行的。

而游戏停止的机制也十分简单，只需要判断dinosaur和cactus的图案是否有重叠部分，一旦发现某个像素px_dinosaur和px_cactus都为1，就表示dinosaur和cactus撞在了一起，即可出发停止游戏的操作。

wire trigger_stop;
assign trigger_stop = px_dinosaur && px_cactus;

分频器

reg [31:0]clkdiv;
always@(posedge CLK) begin
    clkdiv <= clkdiv + 1'b1;
end

一个32位的分频器。

Vga module

有必要在介绍其他模块前，先说明一下vga显示模块的一些引脚定义。

这个模块基本是在老师提供的Vgac模块的基础上做了一些修改。

由于不需要显示彩色的图案，所以我们简化了r、g、b的数据处理：

assign r = rdn ? 4'h0 : px ? 4'b0000:4'b1111; // 3-bit red
assign g = rdn ? 4'h0 : px ? 4'b0000:4'b1111; // 3-bit green
assign b = rdn ? 4'h0 : px ? 4'b0000:4'b1111; // 2-bit blue

px为1，则显示黑色，px为0，则显示白色。

而px这根线的定义则是：

assign px = px_ground || px_dinosaur || px_cactus || px_score;

也就是说，只要px_ground、px_dinosaur、px_cactus、px_score其中有一个为1，px就会为1，使屏幕上对应的位置显示黑色像素。

这个原理类似于投影重叠，如下图，layerA和layerB分别有一个三角形和一个长方形，因此screen上的投影图案显示的是两个图形的叠加。

在这个工程里，我们从ground、jump、cactus、score这几个模块分别引了一根线到vga模块，并且从vga模块引出col_addr和row_addr这两组线，来告诉其他模块此时需要显示的处于哪个位置的像素，这样，其他模块只需要根据col_addr和row_addr计算出自己要在这个位置显示黑色还是白色像素就可以了，vga模块会把这些独立的图像进行叠加。

除此以外，我们还把vga模块的vs这根线接到了其他的模块，以便于一些操作可以控制在消隐期(blanking period)进行。

相较于做显存的方案，我们采用的这种方法可能有些简陋，但是对于这个小游戏，足矣。

一些其他的基本参数

刷新频率：60Hz

屏幕宽度：640px (col)

屏幕高度：480px (row)

Ground module

这个模块控制路面的显示和移动，不涉及太多的逻辑。

所谓的路面，其实是由4块8*160的地砖构成的，每一块的图案都是首尾相接的，因此只需要一个公式，就能算出px的值：

px <= pattern[row_addr-10'd400][(col_addr+ground_position)%10'd160];

而通过

always @(negedge fresh) begin
    if (game_status) begin
        ground_position<=(ground_position+speed)%10'd160;
    end
end

可以在game_status等于1的时候，每经过一帧，就改变一点路面的位置。

Jump module

这个模块用来显示小恐龙以及控制小恐龙的跳跃。

我们把小恐龙切成了两个部分，并且开了5个ram，分别用来存小恐龙的身体的两个状态和脚的三个状态。这样可以让小恐龙在跑、跳、停止这三个状态下可以显示不同的样子，更加生动。

对于jump的过程，实际上是有两个变量的：height和time，但是，我们只是在每一帧改变time的值，而学过物理的同学都知道，小恐龙在竖直方向上是做匀加速直线运动，于是有：

assign height = (jump_time*12'd40 - jump_time*jump_time) / 2'd2;

这样就可以比较逼真的模拟出重力的感觉。

Cactus module

这个模块是用来显示仙人掌的，这里，有两个地方需要做到随机（至少是伪随机）：两个仙人掌之间的间距、仙人掌的种类。但是verilog内的$random函数只能用于仿真，因此我们去stackoverflow查了一番，找到了这样一个伪随机数生成的方法：(使用CFSR)

always @(posedge clk) begin
    data_next[4] = data[4]^data[1];
    data_next[3] = data[3]^data[0];
    data_next[2] = data[2]^data_next[4];
    data_next[1] = data[1]^data_next[3];
    data_next[0] = data[0]^data_next[2];
end

always @(posedge clk)
    if(RESET)
        data <= 5'h1f;
    else
        data <= data_next;

比较遗憾的是，由于时间有限，我们只做了大中小三种仙人掌，没有设计更多的障碍物种类。

Score module

这个模块用于统计并输出分数。

我们在module前利用宏定义``define`定义了单词“score”和四位数字0-9.

此处以字母“S”为例。

S是利用五个矩形简单表示的，其他字母和数字同理。

`define LetterS ((450 <= col_addr) && (col_addr < 470) && (30 <= row_addr) && (row_addr < 34))   || ((450 <= col_addr) && (col_addr < 470) && (48 <= row_addr) && (row_addr < 52))
|| ((450 <= col_addr) && (col_addr < 470) && (66 <= row_addr) && (row_addr < 70)) 
|| ((450 <= col_addr) && (col_addr < 454) && (30 <= row_addr) && (row_addr < 52)) 
|| ((466 <= col_addr) && (col_addr < 470) && (48 <= row_addr) && (row_addr < 70))

在每一个时钟周期，我们都会进行分数输出。

如果reset，则不输出。

其他情况，输出“score”和分数。分数有四位，每一位由四位二进制表示，输出时每四位判断应输出的数字。

always @ (posedge clkdiv[0] or posedge RESET) begin
	if(RESET==1)begin
		px<=1'b0;//if reset , don't display the score
	end
	else if(`LetterS || `LetterC || `LetterO || `LetterR || `LetterE) begin
		px<=1'b1; //display score
	end
	else if(((score[3:0] == 0) && (`Zero0)) ||//every 4 regs shows one number.
			((score[3:0] == 4'd1) && (`One0)) ||
			...
            ) begin
			px<=1'b1;
		end
		else begin
			px<=1'b0;
		end
	end

每个时钟周期，我们都进行分数的更新。

如果reset或start，分数清零。

如果game over，分数不变化。

如果游戏正常进行，则分数增加。特别的，由于储存方式为四位二进制表示一个十进制的数，我们需要转换成BCD码，即如果达到9（4‘b1001），清零当前位并进位。

if(score[15:12] == 4'b1001) begin						
	score[15:12] <= 0;
end
else score[15:12] <= score[15:12] + 1;

程序流程

调试及仿真

Vga

initial begin
    // Initialize Inputs
    vga_clk = 0;
    clrn = 0;
    px_ground = 0;
    px_score=0;
    px_dinosaur=0;
    px_cactus=0;
    // Wait 100 ns for global reset to finish
    #30;
    clrn = 1;
    // Add stimulus here
end
always begin
    vga_clk = 0; #10;
    vga_clk = 1; #10;
end
always begin
    px_ground=0;
    #100000;
    px_ground=1;
    #50000;
end

Ground

initial begin
    // Initialize Inputs
    clkdiv = 0;
    row_addr = 0;
    col_addr = 0;
    game_status = 0;
    fresh=0;
    // Wait 100 ns for global reset to finish
    #100;
    game_status =1;
end
always begin
    clkdiv = clkdiv+1'b1; #10;
end
always begin
    fresh=0;#30;
    fresh=1;#30;
end

Random

initial begin
    // Initialize Inputs
    clk = 0;
    RESET = 0;
    // Wait 100 ns for global reset to finish
    #30;
    RESET=1;
    #30;
    RESET=0;
end
always begin
      clk = 0; #10;
      clk = 1; #10;
end

组内成员分工说明及贡献比例

郝广博 50%

VGA模块
Cactus模块
Random模块
文档书写
仿真测试
模块设计

桂晓琬 50%

Jump模块
Ground模块
Frame模块
文档书写
流程图制作
图案设计
视频制作

项目代码及开发历程

见GitHub (https://github.com/haoguangbo/dinosaur)

awmleer/dinosaur

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