С чего начать изучение FPGA Altera?

    Сделаем простую видеоигру!

    Когда-то, в далекие времена , появились в магазинах первые электронные телевизионные видеоприставки. Эти приставки позволяли своим счастливым владельцам играть в довольно незамысловатые игры: «питон», «теннис», «тетрис». Я помню мы, мальчишками, выстраивались в очередь, что бы поиграть. Приставка была только у одного моего друга. Конечно сейчас видеоиграми никого не удивить. Современные игры для компьютеров и приставок красочны, динамичны и увлекательны. Стоимость разработки таких настоящих игр в дизайн студиях исчисляется миллионами долларов и ведется много месяцев. Мы же сейчас поставим перед собой совсем простую цель. Мы будем делать примитивную игру «теннис».

    Вот что я хочу, чтобы было на экране монитора или телевизора:

  Конечно, когда игра будет готова, насладиться супер графикой нам не удастся. Слишком проста микросхема, на которой мы все будем делать. Меня интересует другой вопрос: «сможем ли мы сделать видео игру используя менее 240 триггеров?». В самом деле, на нашей плате стоит микросхема Altera MAX-II EPM240T100 и в ней действительно всего 240 триггеров, ну и плюс еще всякая логика. Тут интересно само проектирование, а не игра!

    Прежде всего нужно решить, что будет у нас дисплеем. Первое, что пришло мне на ум – пусть дисплеем будет обычный компьютерный SVGA монитор. В самом деле, не к телевизору же подключать!

    Чтобы подключить нашу ПЛАТУ к VGA монитору нам понадобится вот такой разъем:

    Этот раъем для SVGA имеет следующую распайку:

    Я выделил красным цветом те сигналы, которые нам действительно нужны: «Земля» GND, сигналы синхронизации HSYNC и VSYNC и собственно сигналы видео «красный» RED, «зеленый» GREEN, «синий» BLUE. Мы соединим вместе одним проводом RED, GREEN и BLUE и получим один «белый» цвет на экране. Таким образом, все подключение платы к монитору мы сделаем по 4-м проводам.

    Теперь нужно выбрать, какой видеорежим мы будем использовать. На SVGA монитор должны подаваться сигналы строчной и вертикальной синхронизации и собственно сам сигнал, формирующий изображение. Параметры сигналов определяют видеорежим. Вообще-то видеорежимы стандартизированы в спецификации VESA (Video Electronics Standards Association). Нам нужно выбрать один видео режим.

    Просматривая спецификацию VESA я обнаружил, что пожалуй самый удобный для нас видеорежим – 800х600 60Гц. Вот спецификация на этот видео режим (нажмите на картинку, чтобы увеличить ее):

Сейчас объясню: на самом деле в этом режиме частота точек, отображаемых на экране (Pixel Clock) равна 40МГц. На нашей ПЛАТЕ, внутри микросхемы MAX-II мы уже имеем какой-то генератор, который может работать на частоте примерно 5МГц. Этот генератор внутри чипа не очень точный, но его можно попробовать! Фишка в том, что 5МГц меньше 40МГц ровно в 8 раз. Это значит мы не сможем рисовать на экране настоящие «точки», но сможем рисовать горизонтальные полосочки длиной 8 точек. Из полосочек можно формировать на экране квадратики, а из квадратиков и все изображение.

    Итак, пользуясь этой спецификацией можно представить как должны выглядеть сигналы синхронизации для монитора:

    Теперь, пользуясь этими картинками, мы можем начинать делать наш проект в системе проектирования Altera QuartusII. Вот как он выглядит:

    На картинке даны кое-какие пояснения красным цветом.

    Весь проект QuartusII можно выкачать здесь:

    Отдельные модули для видео синхронизации HVSYNC и сама логика игры GAME были написаны на языке VERILOG (мне так удобнее и проще).

    Исходный текст модуль HVSYNC здесь.

    Исходный текст модуля GAME здесь.

    Итак, после успешной компиляции проекта мы зашиваем его в плату, подключаем монитор SVGA, подаем на плату питание и вот что видим:

    Двумя кнопками можно управлять положением ракетки. «Мячик» отскакивает от стенок и от ракетки. Пропущенный «мяч» это ГОЛ. Количество голов отображается на светодиодах. Все работает!

    Этот проект можно и дальше улучшать. Можно добавлять звуки в момент отскакивания мяча или в момент гола. Можно сделать еще и вторую ракетку для игры вдвоем. Можно на лету увеличивать темп игры. В общем, было бы желание, а усовершенствовать можно еще и еще.

    Да, чуть не забыл. Если применить внешний генератор, более стабильный, чем тот, что внутри чипа, то картинка на экране монитора перестанет дрожать. Если вдобавок еще и поднять частоту генератора, то можно будет делать изображение более детализованным.