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Digital Circuit Laboratory 數位電路實驗

數位電路實驗 數位電路實驗 數位電路實驗

Final Project

Project Name： ： ：Shooting Bird(射小鳥 ： 射小鳥 射小鳥) 射小鳥

組別 組別 組別

組別：9 組員

組員 組員

組員：B97902019 蔡明驊

B97902028 王志勝 B97902030 林運生 B97902074 張洺偉 指導教授

指導教授 指導教授

指導教授：甘宗左教授 指導助教

指導助教 指導助教

指導助教：薛名雄助教

中華民國 100 年 01 月

摘要 摘要 摘要 摘要

這學期的數位電路實驗，我們開始接觸到一點硬體的東 西，從最原本的電壓、電阻和電流的量測，示波器的校準和 使用，最後摸到了 Altera DE2-70 這塊板子，我們利用這塊板 子來操作一些邏輯閘的性質，實作加法、減法、多工器和簡 易 ALU。到了學期末，我們就被要求充分利用這塊板子，完 成我們無限的創意。

一開始我們進行討論，決定我們要做什麼？是要做實用 性目的，還是要做娛樂性目的。最後我們決定要做娛樂性目 的的射擊遊戲，接著我們便開始天馬行空地想像，把一切想 要的結果都歸納進來，緊接著是規劃期末時程表，按表操 課，過程中不斷遭遇各式各樣的難關，有些是可以解決的困 難，有些卻如同 P=NP 般難題，雖不能說無解，但也是難度 頗高。最後，做的東西雖然和原本的設計理念有點不同，但 我們還是欣然接受，因為我們在過程中學到的東西遠比最後 呈現的簡單結果還多。

目錄 目錄 目錄 目錄

摘要………..………….2

目錄………..….3

第一章 Altera DE2-70 介紹………4~6 1-1. 硬體介紹………4~5 1-2. 軟體介紹………6

第二章 遊戲介紹……….7~9 2-1. 設計動機……….7

2-2. 遊戲流程……….8~9 第三章 遊戲實作……….…….10~13 3-1. VGA……….……10~11 3-2. 鍵盤………...12

3-3. 七段顯示器………...12

3-4. 倒數計時器……….12~13 第四章 實作結果……….13~16 4-1. 操作說明………...13

4-2. 遊戲畫面……….14~16 第五章 工作分配………17

第六章 討論與總結………..18~19 6-1. 遇到的困難………18

6-2. 解決方法………18

6-3. 心得………19

第七章 參考資料……….20

第一章 第一章 第一章

第一章 Altera DE2-70 介紹 介紹 介紹 介紹

在這次的實作遊戲中，我們必須要先對所使用到的硬體 和軟體有其基本的認識，這樣我們才能充分利用我們所擁有 的條件，進一步達成目標。首先 DE2-70 繼承了 Altera 一系 列的開發軟體，如 Quartus II 和 Nios II 等。硬體方面，我們 這次使用的是 DE2-70 的這塊板子；軟體方面，我們使用 Quartus II 搭配 VHDL 語言，來控制我們的 DE2-70。

1-1. 硬體介紹 硬體介紹 硬體介紹 硬體介紹

DE2-70 發展板，其上有很多功能，例如：提供強大的多 媒體和網路、紅外線等連結點，可以供應使用者多元發展。

在板子上有 18 個 Switch，可以用來控制輸入訊號；有 4 個 按鈕的輸入控制，因為按下去訊號為 0，所以要利用負緣觸 發來偵測按下去的動作；本身也有 8MB 的 Flash memory 可 供使用。

以下是這塊板子的外觀圖：

(圖 1)

裡面的功能介紹和下面這張圖顯示的一樣：

(圖 2)

1-2. 軟體介紹 軟體介紹 軟體介紹 軟體介紹

Quartus II 使用 VHDL。VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Descrption Language 的縮寫)，顧名思義就是 硬體描述語言，是用來敘述硬體的行為特徵的語言。相關的 語法在這裡不做闡述，想要研究的人可以上網找相關資料或 者相關書籍。

第二章 第二章 第二章

第二章 遊戲介紹 遊戲介紹 遊戲介紹 遊戲介紹

2-1. 設計動機 設計動機 設計動機 設計動機

一開始我們四人不知道要做什麼好，所以決定每個人都 想一種，最後來投票，張洺偉想要做進階版的小朋友下樓 梯，就是會出現很多隨機的門，然後不知道走進去的門會通 到哪個門出來；蔡明驊想要做打磚塊，利用很多 OO 的概念；

王志勝則是上網找了很多影片來看，想要朝搖桿方面努力；

林運生則是想要做貓狗大戰的遊戲，就是一隻貓和一隻狗互 丟東西的遊戲。

最後我們評估了一點發展可能性，決定要做射擊類的遊 戲，並且結合類似 Wii 的紅外線控制手槍來射擊物體，那時 候也想到如果最後做不出紅外線，也許可以來改造 PS/2 的滑 鼠，因為 DE2-70 也支援 PS/2 接頭的鍵盤或滑鼠。

於是乎我們的主題就這麼定下來了，但是要射擊什麼物 體還沒決定，一開始也隨便講講，說要射蔡明驊或射什麼之 類的，沒想到開始構思程式的時候，就畫了一隻鳥，在螢幕 上面飛來飛去，感覺蠻合理的，就沿用到最後的 project 主 題，所以我們就朝著射小鳥邁進，不過可惜的是，不但手槍 沒弄出來，連滑鼠也沒研究出來，還好還有個鍵盤，所以只 好改用鍵盤來代替。

2-2. 遊戲流程 遊戲流程 遊戲流程 遊戲流程

首先把程式 compile 好，燒錄到 DE2-70 的板子上面，同 時板子要先連接好 PS/2 的鍵盤和螢幕，而且 SW[14]～SW[17]

先設定好計時器的時間，SW[0]～SW[3]設定為 logic 0，之後 就會看到螢幕上面顯示三朵雲和四隻鳥飛來飛去，一個十字 瞄準器代表手槍，以及時間倒數的時間顯示在螢幕中間。

接著就利用鍵盤的 ijkl(上左下右)和 A(射擊)來進行遊 戲，進行遊戲前，要先按一次 pushbutton[0](KEY[0])來 reset 全部環境因子(諸如分數或鳥、瞄準器的位置)，再按下

SW[2](遊戲開始，時間開始倒數)，就可以開始遊戲了。

遊戲過程中，時間不斷倒數，時間部份會顯示兩個地方，

第一是板子上面最左邊的兩個七段顯示器，第二是螢幕上 面，當時間剩下三秒時，會以紅字來提示，此外都是黑字；

分數部份也有差別，打中大隻鳥會得一分，因為大隻鳥比較 大隻，飛得比較慢，打中小隻鳥會得三分，因為小隻鳥比較 小隻，飛得比較慢，然後分數部份統一顯示在板子的中間部 份的兩個七段顯示器，在這裡要說明一下，打中鳥時，會有 鳥噴汁的畫面，有些同學試玩後都說我們有點血腥，但是我 們要澄清的是，那不是血跡，而是長得像血的紅色星星，不 過意思好像差不多。

最後時間倒數到零的時候，就會停止一切動作，只會秀 出 TIME UP 的結束畫面，接著就可以看分數，看你是不是 有進到我們的最高得分排行榜囉。

(流程圖)

第三章 第三章 第三章

第三章 遊戲實作 遊戲實作 遊戲實作 遊戲實作

3-1. VGA

裡面控制了螢幕的各項輸入內容，包括三朵雲、四隻鳥 和十字瞄準器，背景天空顏色，時間的倒數，還有分數的計 算及遊戲結束畫面，可以說是 code 部份最多的地方。

VGA 的畫面顯示原理，是它會利用我們 assign 的系統 clock(50MHz)來跑變數 hsync 和 vsync，分別為水平同步和垂 直同步，具體解釋就是一行行地掃描螢幕，這行的水平 x 掃 完，就把 y+1，掃下一行的 x，如此不斷重複下去，當掃到 最後一行時，再重頭開始，如此反覆下去，這裡的螢幕大小 是 640*480。

物體的移動可以分為靜態和動態，靜態物件例如：雲和 不會動的時間數字，我們只要控制要在什麼地方、什麼時候 秀出來即可；麻煩的是動態物件，例如：鳥和十字瞄準器，

我們要設兩個移動方向的變數，分別表示垂直和水平方向的 移動，變數值範圍為(-1), 0 和 1，(-1)代表此刻物件的座標 向左或向上移動，1 則相反，然後可以有個係數來做倍數擴 增，控制移動的速度。

最後值得一提的就是配色，一開始我們採用單純二進位 的 0 和 1 來表示顏色色彩，這樣的複雜度最多只有兩種顏色 可以提供一個物件使用，雖說已經要滿足了，但是效果不是 很好，剛好此時我們的革命同志陳彥豪同學出現，他說配色 可以有另一種方式，就是用 0～f 來表示 16 種顏色，這感覺

表示法。

3-2. 鍵盤 鍵盤 鍵盤 鍵盤

實作部份只有一點需要注意，就是鍵盤的讀入很奇妙，

試從電路的角度來分析，當你按下一個按鍵時，會送出一個 signal，之後這個 signal 就會一直持續下去，即使你把按鍵放 掉也是一樣。

要克服這個問題，就要利用另外一種訊息的讀取，break code(F0)，這是一種 signal，當你放掉鍵盤按鍵時，才會產生，

而我們要記得去讀取這個 signal，當讀取這個 signal 時，取 消按下的 signal 訊息。

3-3. 七段顯示器 七段顯示器 七段顯示器 七段顯示器

最簡易的部份就是七段顯示器了，但是這裡也有一個地 方需要注意，就是宣告方式和最後 assign pin 腳方式的差別，

0..6 和 6..0 是不一樣的。

3-4. 倒數計時器 倒數計時器 倒數計時器 倒數計時器

一開始這部份搞了很久，都以為失敗了，但是其實是 clock 沒算好。以 50MHz 來說，它一秒震盪 50M 次，可以說是非

我們可以設一個變數來紀錄，當它數到 50M，就代表已經過 了一秒。

第四章 第四章 第四章

第四章 實作結果 實作結果 實作結果 實作結果

4-1. 操作說明 操作說明 操作說明 操作說明

KEY[0]是 reset all。

SW[2]是遊戲開始。

SW[3]是時間暫停。

SW[17]～SW[14]是設定時間，例如：1101 代表 13。

鍵盤 ijkl 代表上左下右 鍵盤 A 代表射擊。

當遊戲結束想要再玩一次時，先把 SW[2]調回 logic 0，再 按 KEY[0]reset 即可重新再來。

4-2. 遊戲畫面 遊戲畫面 遊戲畫面 遊戲畫面

開始畫面(舊版，尚未新增螢幕上的時間倒數)：

遊戲進行中畫面(時間倒數從 15 跑到 10)：

遊戲結束的畫面：

DE2 板子的顯示畫面(時間設定為 15 秒，尚未開始，玩家試 玩，得分 26)：

最後要正式開始時，只要 reset 即可重置分數，然後按下 SW[2]

開始遊戲。

第五章 第五章 第五章

第五章 工作分配 工作分配 工作分配 工作分配

蔡明驊：時間倒數計時器，買早餐。

王志勝：鍵盤部份，買午餐。

林運生：VGA 部份，買晚餐。

張洺偉：VGA 部份，買宵夜。

共同部份：report 和 wiki 和程式架構和音效(失敗)。

第六章 第六章 第六章

第六章 討論與總結 討論與總結 討論與總結 討論與總結

6-1. 遇到的困難 遇到的困難 遇到的困難 遇到的困難

1. 一開始借到的 DE2 板子都怪怪的。

2. VGA 的 RGB 配色，是 10-bit 和外面常用的 8-bit 色不一 樣，差了四倍，同時也要注意陣列的元素宣告順序和 pin 腳 assign 的順序。

3. VGA 如何生圖。

4. 鍵盤的輸入會卡鍵。

5. 倒數計時器咻一下就跑完了，當下以為失敗了。

6. 音效弄不出來。

6-2. 解決方法 解決方法 解決方法 解決方法

1. 特別感謝助教的 DE2 板子救援，沒有昨日的助教，就沒 有今日的我們。

2. VGA 和鍵盤的 code，就是參考 DCL 網頁的範例 code。

3. 另外 co 了一個 program 去 run 小畫家畫出來的圖。

4. 因為 if 的判斷順序，導致鍵盤輸入有點卡。

5. 倒數計時器，深刻體會到 clock 的快速。

6. 音效部分，最後還是沒研究出來…，主要還是對於 AUD pin 腳的不認識，有想過把 wav 寫成死的，針對 DAC 輸 出，殘念。

6-3. 心得 心得 心得 心得

心路歷程：

1. 一開始不知道要做什麼主題好，於是組員們隨意開

spec，猶如初生之犢不畏虎，為日後的搞不出來埋下伏 筆。

2. 借的 DE2 板子似乎有點狀況，還好助教不畏辛勞，遠從 地球另一端伸出援手，即刻救援。

3. 第一次把雲和鳥印在上面，覺得世界非常奇妙，但是那 時候很陽春，配色也不全，正所謂鳥非鳥，雲是雲。

4. 把鍵盤和分數的部分搞定，可以控制十字瞄準器打鳥，

很是高興，猶如早起的鳥兒看到蟲兒般雀躍，開始瘋狂 打鳥。

5. 進入無窮迴圈，於是想到了沒有子彈或時間倒數的限 制；加上了時間倒數，但是一開始跑太快了^^”，一下 子就結束，很是挫折，簡直盪到谷底。

6. 修正了時間倒數，完成了基本版，剩下時間幾乎都在研 究音效，但是還是搞不出來，彷彿剛看完明天過後，充 滿了無限悲傷。

7. 完成了某一些東西，就會再多想可以再多弄些什麼，結 果就是有點無限上綱，弄完了上色還不滿足，又弄了噴 血的畫面，又把時間倒數印在螢幕上，又….，導致最後 天天跨年，天天看日出。

第七章 第七章 第七章

第七章 參考資料 參考資料 參考資料 參考資料

圖 1：

http://www.altera.com.cn/education/univ/materials/boards/unv-d e2-board.html

圖 2：

http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=E nglish&CategoryNo=53&No=226&PartNo=3

DCL 課程網：http://eraser.csie.ntu.edu.tw/courses/dcl/99/

DCL wiki：

http://eraser.csie.ntu.edu.tw/courses/dcl/99/wiki/doku.php