數字邏輯課上如何制作FPGA游戲？以超級馬里奧為例子講述FPGA有些制作，

1、FPGA游戲目標

沒有CPU，單純用 FPGA 的verilog硬體語言來實作一個游戲，而這個游戲還得符合老師要求，由于沒有 CPU，游戲邏輯不能太復雜，畫面也不能太復雜？想存盤圖片但是Rom與Ram又那么小，但是要夠好玩，要有彩色畫面，最好有影片，這不是既像馬兒跑又想馬兒不吃草么？

2、最早期的游戲是怎么自作的？

最早FC時代的《 超級馬里奧 》劇情并不是很長，一共也就 8 個場景線性布置關卡，但 8 個關卡在當時看來也算得上是精心制作了，可它真的只有 64 KB（下面的這張圖可能都不止164kb），當時卡帶游戲也沒有cpu，沒有多余的存盤空間我們看看是怎么制作的？

最早早的 2D 游戲由貼圖 + 代碼 + 音效組成，代碼其實一點都不占地兒，說白了就是一堆英文 + 數字 + 標點符號的文本檔案，
但是在八個場景，怎么實作的呢？
會出現的素材提前準備好，然后運行游戲的時候把素材拼接起來就行，這一個個素材叫 Tile ，整個素材包叫做 Tile Map ，
這樣一來，上面展示的那長長的第一關場景就不用提前搭建好再存盤了，而是你在玩的時候重復利用提前準備好的東西，
FC 版本的《 超級馬里奧兄弟 》看似有這么多關卡，其實出現過的東西就這么多

在紅白機時代的游戲，只要素材讀取好了，運行的時候用代碼告訴計算機這塊素材應該出現在哪個位置就行了，，，代碼占地兒小啊，寫起來不心疼！

如此一來只需要在生成草垛的時候借云朵過來，加一個顏色的資訊，就行了，
只不過這些芯片能合成的音色種類有限，往往聽上去都大同小異，但也頗有風味，被稱作 Chiptune —— 芯片音樂或者是 8-bit 音樂，現在還有些音樂人在玩兒這個風格，

音樂小格式 + 專用芯片，FC 時代的老游戲音樂往往不長，就是幾個旋律來回回圈，這么一來游戲音效占地也就不大了，

3、FPGA制作超級馬里奧

3.1FC游戲的架構

3.2VGA同步單元

要想進行視頻輸出，最底層的模塊就是 VGA 同步單元，負責向顯示幕輸出同步信號和像素資訊，

VGA 的掃描方式和 CRT 顯示幕一樣，有一條掃描線從左到右，從上到下地掃描每一個像素點，顯示幕則在收到同步信號之后點亮對應的像素點到指定的顏色，VGA 控制器需要發出 HS 信號和 VS 信號對顯示幕進行同步，然而，并不是每一個掃描點都可以顯示像素，上面圖右下角展示了這一部分，HS與VS信號也是在板子說明書上給出了（看下圖）

在上上圖可以看到在水平方向的左右，各有一段 “Porch” 時間，這個時間在一行掃描完成之后 CRT 顯示幕穩定電壓的時間，因為 CRT 是通過控制電壓來控制電子偏轉的，電壓的下降（也就是回到最左邊）和穩定需要一點時間，在電壓不穩定的情況下，不能輸出像素資訊；類似的，最上面和最下面也各有一段 “Porch” 時間，具體的時間和時鐘周期由時鐘頻率和幀率還有解析度共同決定，下面給出 640 x 480 @ 60Hz 的時鐘資訊：

到這里，只需要按照表格資訊撰寫 Verilog 程式就好了，同時，這個模塊需要輸出當前掃描的像素點的 x 坐標和 y 坐標，

3.3影像

Nexcy3 的 VGA 介面對 RGB 每個分量分別提供 3 位輸出，也就是 9 位元顏色位深（懶得計算到底是多少具體給了多少位輸出自己看吧）如果要將像素資訊放到顯存中則需要 的位數會很大很顯然這是遠遠不夠的，所以我們需要根據當前 VGA 的像素坐標實時計算出像素點的顏色資訊，事實上，在記憶體相當吃緊的年代，FC 也是這么做的，而 FC 有專門的 PPU (Picture Processing Unit) 進行相當復雜的像素操作，雖然不能直接實作一個 PPU，但是其中不少設計思想還是可以借鑒的，

3.3.1ROM與RAM

確定了存盤方式之后，就可以撰寫 ROM 和 RAM 代碼，這個你們課堂上也學過如何寫，只要挪用即可， Vivado 也有自帶的模板代碼，ROM你們也可以直接宣告使用，要將資料在綜合時讀取到暫存器中的話，要用到 $readmemh 這個系統指令，具體使用自己可以探究，

3.3.2Background圖

一般而言，游戲機會有兩個圖層，一個是背景圖層，用來顯示大塊的圖片，但不能自由移動，在記憶體中只存盤下面的資訊：

這里 Tile 指的就是在背景 ROM 中存盤的影像塊，長寬固定，那么我們怎么知道當前的塊要顯示在什么地方呢？這由記憶體資訊的地址決定，按行存盤，直到鋪滿畫面為止，這樣就可以節省大量的空間，因為不用存盤坐標資訊了

3.3.3活動圖

另一個圖層就是活動圖層，一般用來顯示需要靈活移動的影像塊，比如游戲的主角與金幣什么的，這時候我們就要存盤具體的坐標資訊了，占用的位數會更多
同上，我就不具體寫了，一般要32位存盤資訊，
讀取 ROM 的方式其實就是通過 Tile 行列資訊和坐標資訊，計算出在 ROM 中的地址，實作影像資料的存取，計算的方式很簡單：如果當前坐標還沒到達影像塊的顯示范圍，就不讀取；到達范圍之后，讀取的地址就是當前的 x, y 坐標減去影像塊的 x, y 坐標，再加上 Tile 行列對應的偏移即可，

3.3.4圖層融合

兩個圖層需要在渲染的時候融合起來，每個圖層的引擎需要負責輸出當前的像素是否為透明的資訊，然后由上層模塊通過這個資訊和遮擋關系計算出最終顯示的像素資訊，這樣需要我們確定一個透明色，當引擎遇到這個顏色的時候就認為當前像素是透明的，

3.4游戲邏輯

3.4.1人物馬里奧

這個游戲其實只用到一個上鍵，每當我們按鍵的時候，需要將馬里奧的狀態設定成“上升”，并切換人物影片，然后給定一個初始計數器值，每當計數器到達零，就讓馬里奧上升一個像素，然后給一個大一點的計數器值，這樣就實作了有重力的上升，直到計數器值達到最大設定值為止，此時把狀態設定成“下降”，馬里奧開始掉落，同樣給一個初始計數器值，不過這個計數器值是慢慢變小的，就是實作了加速下落的效果，馬里奧模塊需要告訴上層模塊當前的位置，方便碰撞檢測，

3.4.2障礙物

首先確定障礙物資訊如何記錄，需要存盤的資訊有：障礙物左端的 X 坐標，障礙物上端的結束 Y 位置，下端的開始 Y 位置，全部是以背景影像塊作為索引，游戲中障礙去的數量其實是恒定的，按照一定周期向左移動，當檢測到一個水管到達了畫面最左端，就重置資訊到最右邊，并隨機給兩端開始結束賦值，游戲引擎根據水管資訊向背景記憶體寫入影像資訊，

3.4.3其他的金幣得分分數統計等等效果自己可以考慮加進去

實作滾動

前面提到，背景圖層是整整齊齊按照影像塊的方式排列的，那么要怎么滾動呢？方法是設定一個 變數來對整個畫面進行向左偏移，只需要將其加在傳給背景引擎的 x 值上就能達到目的，這個變數的最大值應該是 Tile 的寬度減 1，當這個值達到最大的時候，我們需要更新所有障礙物的 X 坐標，使其減 1，這樣就可以造成障礙物連續向左滾動的效果了！

4、游戲資料的讀寫控制

1，簡單粗暴的利用時鐘
2，使用資料總線來控制

5、參考代碼

我在xlinx官網上選了一個2048游戲的代碼給你們參考，選的開發板型號不一樣（為了防止你們copy代碼）經過測驗無bug的，VGA等介面有區別，因此你們別copy，在大作業你們也別copy2048游戲，這個因為已經有完整的代碼給你們參考了，所以作業中不能出現2048的游戲，也希望跳出超級馬里奧的思維，發揮你們想象力，取得好的成績，
我寫的匆忙，大體上的實作邏輯，細節上可能有很多不足的地方，希望你們不拘小節，耗自為汁，