FPGA实战项目1——坦克大战

FPGA实战项目1——坦克大战

根据模块化思想，可将此任务简单的进行模块拆分：
系统原理，模块划分，硬件架构，算法支持，Verilog实现框架
 

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一，系统总体原理

1.   核心设计思想

      硬件并行处理：利用 FPGA 的并行特性，同时处理多个坦克移动、子弹飞行、碰撞检测等逻辑。
      时序clk驱动：所有模块在统一时钟域下同步运行，通过状态机和计数器实现精准时序控制。
      像素级渲染显示：基于 VGA 接口，将游戏元素（坦克、子弹、得分）渲染为像素信号，驱动显示器显示。

2.   系统架构

（系统时钟模块，输入模块，游戏状态模块，我方坦克，敌方坦克群，子弹管理，得分模块，VGA渲染模块（坐标转为像素），VGA接口，显示器连接）

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二，核心模块详细设计

      具体的讲解均体现在随文Verilog代码中！

1.    输入模块（Input Controller）

       功能

处理用户输入（按键 ），输出我方坦克控制信号（移动方向、射击指令），包含按键消抖。
       需要注意的是：按键消抖模块，一般的设计部分都必须要有属于固定部分。
       该模块的主要功能是对机械按键输入的信号进行消抖处理，去除按键在按下和释放瞬间产生的抖动信号，输出稳定的按键状态。同时，检测按键的按下和释放动作，分别产生单周期的脉冲信号，方便后续模块根据这些脉冲信号执行相应的操作。
       算法
采用计数器计时的方法。当检测到按键输入信号与当前存储的按键状态不一致时，计数器开始计数。如果在计数过程中按键状态再次发生变化，计数器清零重新开始计数。当计数器达到预设值（对应约 20ms 的消抖时间）时，认为按键状态稳定，更新存储的按键状态。
       状态
计数器状态：包括计数中、计数完成（达到 20ms）和清零状态。
按键状态：存储当前按键的稳定状态（按下或释放）。
       逻辑
在每个时钟上升沿检查复位信号和按键状态。复位时，将所有状态初始化为默认值。正常工作时，根据按键状态的变化控制计数器的计数，并在合适的时机更新按键状态和产生脉冲信号。
       原理
机械按键在按下和释放时会产生短暂的抖动，这些抖动信号可能会被误判为多次按键操作。通过设置一个固定的消抖时间（20ms），可以避开抖动期，确保只有当按键状态稳定一段时间后才被认为是有效的按键操作。
      代码如下：

//此模块为按键消抖模块。确保用户按键信号稳定
module key_debounce(input wire clk,         input wire rst_n,       input wire key_in,      // 原始按键输入信号，由于机械特性，该信号可能存在抖动output wire key_out,    // 消抖后的稳定按键输出信号output reg key_pulse_down, // 按键按下时产生的单周期脉冲信号，可用于触发特定操作output reg key_pulse_up    // 按键释放时产生的单周期脉冲信号，可用于停止特定操作
);// 20位计数器，用于计时消抖时间。在50MHz时钟频率下，计数到1000000对应约20ms
reg [19:0] cnt; 
// 存储当前经过消抖处理后的按键状态
reg key_reg; 
// 存储上一个时钟周期的按键状态，用于检测按键状态的变化
reg key_prev; // 时序逻辑，在时钟上升沿或复位信号下降沿触发；
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，计数器清零，按键状态寄存器和上一状态寄存器置为高电平cnt <= 0; key_reg <= 1; key_prev <= 1;// 按键按下和释放脉冲信号清零key_pulse_down <= 0; key_pulse_up <= 0;end else begin// 保存上一个时钟周期的按键状态，随时更新，在CLK到来时，先更新PREV，确保状态存储key_prev <= key_reg; if (key_in != key_reg) begin // 检测到按键状态发生变化，原信号是肯定能采集到的；// 计数器开始计数cnt <= cnt + 1; if (cnt == 20'd1000000) begin // 经过约20ms的消抖时间// 更新按键状态寄存器key_reg <= key_in; // 计数器清零cnt <= 0; endend else begincnt <= 0; end// 检测按键按下的下降沿，出现上升沿，未进行亚稳态消除操作（可进行打拍）key_pulse_down <= key_prev & (!key_reg); // 检测按键释放的上升沿，出现上升沿key_pulse_up <= (!key_prev) & key_reg; end
end// 消抖后的按键输出信号等于按键状态寄存器的值
assign key_out = key_reg; endmodule

相应的仿真测试文件代码如下所示：
 

`timescale 1ns / 1psmodule tb_key_debounce;// 定义信号reg clk;reg rst_n;reg key_in;wire key_out;wire key_pulse_down;wire key_pulse_up;// 实例化按键消抖模块key_debounce uut (.clk(clk), .rst_n(rst_n), .key_in(key_in), .key_out(key_out), .key_pulse_down(key_pulse_down), .key_pulse_up(key_pulse_up));// 生成时钟信号initial beginclk = 0;forever #10 clk = ~clk; // 50MHz时钟，周期20nsend// 测试序列initial begin// 初始化信号rst_n = 0;key_in = 1;#20; // 保持复位20nsrst_n = 1;// 模拟按键抖动#100;key_in = 0;#10; key_in = 1;#10; key_in = 0;#10; key_in = 1;#10; key_in = 0;#20000000; // 等待消抖时间// 模拟按键释放抖动key_in = 1;#10; key_in = 0;#10; key_in = 1;#10; key_in = 0;#10; key_in = 1;#20000000; // 等待消抖时间#1000$finish;endendmodule    

仿真效果如图：

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2.   我方坦克模块（player_tank.v）

      功能
该模块负责控制我方坦克的移动和射击。根据输入的移动方向控制信号，在一定的速度控制下，更新坦克的坐标位置。同时，根据射击请求信号，触发子弹发射。
      算法
使用计数器控制坦克的移动速度，每 16 个时钟周期坦克移动一次。根据移动方向控制信号的不同编码，更新坦克的 x 或 y 坐标。在移动过程中，进行边界检查，确保坦克不会移出屏幕范围。
      状态
      坦克位置状态：通过 x 和 y 坐标表示坦克在屏幕上的位置。
      速度计数器状态：控制坦克移动的时间间隔。
      射击状态：根据射击请求信号决定是否发射子弹。
      逻辑
      在每个时钟上升沿检查复位信号和输入信号。复位时，将坦克位置和射击状态初始化为默认值。正常工作时，计数器不断计数，当计数达到 15 时，根据移动方向控制信号更新坦克位置，然后计数器清零。对于射击请求信号，直接将其传递给发射使能信号。
      原理
      通过计数器实现坦克移动速度的控制，避免坦克移动过快。边界检查可以保证游戏的合理性和稳定性，防止坦克移出屏幕范围。射击请求信号的传递实现了坦克的射击功能。

      代码如下：

//我方坦克模型
module player_tank(input wire clk,         input wire rst_n,       // 将坦克的状态恢复到初始位置input wire [2:0] move_dir, // 移动方向控制信号input wire fire_req,    // 射击请求信号，单周期脉冲，触发坦克射击output reg [9:0] x,     // 坦克的x坐标，10位宽度可表示较大范围的屏幕位置output reg [9:0] y,     // 坦克的y坐标，10位宽度可表示较大范围的屏幕位置output reg fire_en      // 子弹发射使能信号，单周期脉冲，用于触发子弹发射模块
);// 4位计数器，用于控制坦克的移动速度，每16个时钟周期移动一次
reg [3:0] speed_cnt; // 时序逻辑，在时钟上升沿或复位信号下降沿触发
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，坦克初始位置设置在屏幕底部中央x <= 10'd320; y <= 10'd450; // 发射使能信号清零fire_en <= 0; end else begin// 每来一个clk，速度计数器加1speed_cnt <= speed_cnt + 1; if (speed_cnt == 4'd15) begin // 当计数满16个时钟周期，进行移动方向的判别case (move_dir)3'b001: y <= (y > 8) ? y - 1 : y; // 向上移动，同时进行边界检查3'b010: y <= (y < 472) ? y + 1 : y; // 向下移动，同时进行边界检查3'b100: x <= (x > 8) ? x - 1 : x; // 向左移动，同时进行边界检查3'b101: x <= (x < 632) ? x + 1 : x; // 向右移动，同时进行边界检查endcase// 速度计数器清零speed_cnt <= 0; end// 射击处理，将射击请求信号直接传递给发射使能信号fire_en <= fire_req; end
endendmodule

注意到在代码中，有左右移动的指令： 3'b001: y <= (y > 8) ? y - 1 : y;
这是一个条件赋值语句，运用了三元运算符 ? :。其语法形式为 condition ? expression1 : expression2，也就是当 condition 为真时，表达式的值是 expression1；反之则是 expression2。
综合起来，3'b001: y <= (y > 8) ? y - 1 : y; 表示当 move_dir 为 3'b001（向上移动）时，若坦克的 y 坐标大于 8，就将 y 坐标减 1，让坦克向上移动；若 y 坐标小于等于 8，就维持 y 坐标不变，以此避免坦克移出屏幕顶部。

边界值 8 是人为设定的一个常量，其目的是防止坦克移出屏幕范围。因为坦克自身有一定的大小，为了保证坦克不会完全移出屏幕，所以设定了一个安全边界。8 这个值是根据坦克的大小和屏幕分辨率来确定的，以确保坦克在移动到屏幕边缘时能够正确停止。

人眼具有视觉暂留特性，对于一定频率内的连续变化，能够感知到的是平滑的运动。只要坦克的移动速度不是极快，在每 16 个时钟周期移动一个单位的情况下，人眼通常会将其视为连续的移动，而不会察觉到明显的停顿或瞬移。

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  3. 敌方坦克模块（enemy_tank.v）

     功能
该模块实现敌方坦克的随机移动和自动射击功能。敌方坦克会在一定时间间隔内随机改变移动方向，并以一定的概率进行射击。
     算法
使用计数器控制敌方坦克改变移动方向的时间间隔，每 50 个时钟周期随机选择一个新的移动方向。同时，使用随机数生成器，每 1000 个时钟周期有 1% 的概率触发射击。在移动过程中，进行边界检查，确保敌方坦克不会移出屏幕范围。
    状态
敌方坦克位置状态：通过 x 和 y 坐标表示敌方坦克在屏幕上的位置。
方向计数器状态：控制敌方坦克改变移动方向的时间间隔。
移动方向状态：记录敌方坦克当前的移动方向。
射击状态：根据随机数决定是否发射子弹。
    逻辑
在每个时钟上升沿检查复位信号和进行相应操作。复位时，将敌方坦克位置、方向计数器、移动方向和射击状态初始化为默认值。正常工作时，方向计数器不断计数，当计数达到 50 时，随机改变移动方向并清零计数器。同时，根据随机数判断是否进行射击。
    原理
通过计数器和随机数生成器实现敌方坦克的随机移动和射击。边界检查保证了敌方坦克在屏幕范围内活动，增加了游戏的合理性。
    代码如下：

//地方坦克模型
module enemy_tank(input wire clk,        input wire rst_n,       output reg [9:0] x,     output reg [9:0] y,     output reg enemy_fire   // 敌方坦克射击信号，单周期脉冲，触发敌方子弹发射
);// 用于控制敌方坦克改变移动方向的计数器
reg [6:0] cnt_dir; 
// 敌方坦克的移动方向，0-上，1-下，2-左，3-右
reg [2:0] dir; always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，敌方坦克初始位置设置在屏幕顶部中央x <= 10'd320; y <= 10'd30; // 方向计数器清零cnt_dir <= 0; // 初始方向设置为向下dir <= 1; // 射击信号清零enemy_fire <= 0; end else begincnt_dir <= cnt_dir + 1; if (cnt_dir == 7'd50) begin // 每50个时钟周期// 随机改变移动方向dir <= $urandom_range(3, 0); // 方向计数器清零cnt_dir <= 0; end// 按方向移动case (dir)0: y <= (y > 8) ? y - 1 : y; // 向上移动，同时进行边界检查1: y <= (y < 472) ? y + 1 : y; // 向下移动，同时进行边界检查2: x <= (x > 8) ? x - 1 : x; // 向左移动，同时进行边界检查3: x <= (x < 632) ? x + 1 : x; // 向右移动，同时进行边界检查endcase// 随机射击逻辑，每1000个时钟周期有1%的概率射击if ($urandom_range(999, 0) == 0) begin enemy_fire <= 1; endelse beginenemy_fire <= 0; endend
endendmodule

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4. 子弹管理模块（bullet_manager.v）

    功能
该模块负责管理我方和敌方发射的子弹，包括子弹的发射、飞行和碰撞检测。根据坦克的发射信号，设置子弹的初始位置和有效标志，控制子弹的飞行方向，并检测子弹是否超出屏幕范围。同时，提供碰撞检测函数，用于判断子弹是否与坦克发生碰撞。
    算法
当接收到我方或敌方坦克的发射信号时，设置子弹的初始位置和有效标志。在子弹有效时，根据子弹的类型（我方或敌方）控制其飞行方向（向上或向下）。当子弹超出屏幕范围时，将其有效标志清零。碰撞检测通过判断子弹的坐标是否在坦克的矩形范围内来实现。
    状态
子弹位置状态：通过 x 和 y 坐标表示子弹在屏幕上的位置。
子弹有效状态：标志子弹是否处于飞行状态。
子弹类型状态：区分子弹是我方还是敌方发射的。
    逻辑
在每个时钟上升沿检查复位信号和发射信号。复位时，将子弹的所有状态初始化为默认值。当接收到发射信号时，初始化子弹状态。在子弹飞行过程中，根据其类型更新位置，并检查是否超出屏幕范围。碰撞检测函数在需要时被调用，判断子弹与坦克是否碰撞。
    原理
通过对发射信号的响应和对子弹位置的更新，实现子弹的发射和飞行。碰撞检测的原理是基于坐标范围的判断，确保只有当子弹进入坦克的一定范围内才判定为碰撞。
    代码如下：

//子弹模型管理
module bullet_manager(input wire clk,         input wire rst_n,       input wire [9:0] player_x, // 我方坦克的x坐标，用于确定我方子弹的发射初始位置input wire [9:0] player_y, // 我方坦克的y坐标，用于确定我方子弹的发射初始位置input wire [9:0] enemy_x,  // 敌方坦克的x坐标，用于确定敌方子弹的发射初始位置input wire [9:0] enemy_y,  // 敌方坦克的y坐标，用于确定敌方子弹的发射初始位置input wire fire_en,       // 我方坦克发射使能信号，触发我方子弹发射input wire enemy_fire,    // 敌方坦克发射信号，触发敌方子弹发射output reg [9:0] bullet_x, // 子弹的x坐标，输出给其他模块用于显示和碰撞检测output reg [9:0] bullet_y, // 子弹的y坐标，输出给其他模块用于显示和碰撞检测output reg bullet_valid,  // 子弹有效标志，1表示子弹处于飞行状态output reg bullet_is_enemy // 子弹是否为敌方子弹标志，1表示敌方子弹
);// 替代结构体的寄存器，子弹封装打包包括位置坐标，有效状态，敌我子弹
reg [9:0] bullet_x_reg;
reg [9:0] bullet_y_reg;
reg bullet_valid_reg;
reg bullet_is_enemy_reg;// 时序逻辑，在时钟上升沿或复位信号下降沿触发
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，子弹坐标清零，有效标志清零，敌方子弹标志清零bullet_x_reg <= 0; bullet_y_reg <= 0; bullet_valid_reg <= 0; bullet_is_enemy_reg <= 0; end else beginif (fire_en) begin // 我方坦克发射子弹// 子弹初始位置设置在我方坦克中央bullet_x_reg <= player_x + 8; bullet_y_reg <= player_y; // 子弹有效标志置1bullet_valid_reg <= 1; // 子弹为我方子弹，标志置0bullet_is_enemy_reg <= 0; end else if (enemy_fire) begin // 敌方坦克发射子弹// 子弹初始位置设置在敌方坦克中央bullet_x_reg <= enemy_x + 8; bullet_y_reg <= enemy_y; // 子弹有效标志置1bullet_valid_reg <= 1; // 子弹为敌方子弹，标志置1bullet_is_enemy_reg <= 1; endif (bullet_valid_reg) beginif (bullet_is_enemy_reg) begin// 敌方子弹向下飞行，y坐标加5bullet_y_reg <= (bullet_y_reg < 480) ? bullet_y_reg + 5 : 0; if (bullet_y_reg == 0) bullet_valid_reg <= 0; // 子弹超出屏幕范围，有效标志清零end else begin// 我方子弹向上飞行，y坐标减5bullet_y_reg <= (bullet_y_reg > 0) ? bullet_y_reg - 5 : 0; if (bullet_y_reg == 0) bullet_valid_reg <= 0; // 子弹超出屏幕范围，有效标志清零endendend// 将寄存器的值输出bullet_x <= bullet_x_reg; bullet_y <= bullet_y_reg; bullet_valid <= bullet_valid_reg; bullet_is_enemy <= bullet_is_enemy_reg; 
end// 碰撞检测函数，判断子弹是否与坦克发生碰撞
function reg collision_detect(input [9:0] bx, // 子弹的x坐标input [9:0] by, // 子弹的y坐标input [9:0] tx, // 坦克的x坐标input [9:0] ty  // 坦克的y坐标
);// 通过判断子弹坐标是否在坦克矩形范围内来检测碰撞collision_detect = (bx >= tx - 8 && bx <= tx + 8 && by >= ty - 8 && by <= ty + 8);
endfunctionendmodule

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5. 得分模块（score_module.v）
 

    功能
该模块根据子弹击中敌方坦克或我方坦克的情况更新玩家的得分。当我方子弹击中敌方坦克时，得分增加；当敌方子弹击中我方坦克时，得分减少。
    算法
在每个时钟上升沿检查复位信号和击中信号。复位时，将得分清零。当检测到子弹击中敌方坦克信号时，得分加 10；当检测到子弹击中我方坦克信号时，得分减 5，但得分最低为 0。
    状态
得分状态：通过 16 位寄存器存储玩家的得分。
    逻辑
在每个时钟上升沿，首先检查复位信号。如果复位信号有效，将得分清零。然后检查击中信号，根据不同的击中情况更新得分。
    原理
根据游戏规则，通过对击中信号的判断，实现得分的增加或减少，为玩家提供游戏成绩的反馈。
    代码如下：

//得分模块管理
module score_module(input wire clk,          input wire rst_n,         // 复位信号，低电平有效，将得分清零input wire bullet_hit_enemy, // 子弹击中敌方坦克信号，高电平有效input wire bullet_hit_player, // 子弹击中我方坦克信号，高电平有效output reg [15:0] score    // 玩家的得分，16位寄存器存储
);// 时序逻辑，在时钟上升沿或复位信号下降沿触发
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，得分清零score <= 0;end else beginif (bullet_hit_enemy) begin// 子弹击中敌方坦克，得分加10score <= score + 10;end else if (bullet_hit_player) begin// 子弹击中我方坦克，得分减5，最低为0score <= (score > 5) ? score - 5 : 0;endend
endendmodule

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6. VGA 显示模块（vga_controller.v）

关于VGA需要补充的一点：在代码中的计数器原理！
    功能
该模块生成 VGA 时序信号（行同步信号和场同步信号），并根据坦克和子弹的位置信息，在 VGA 屏幕上绘制游戏画面。同时，根据不同的元素（我方坦克、敌方坦克、子弹）设置不同的颜色。
    算法
使用行计数器和场计数器生成 VGA 时序信号。在行计数器和场计数器的计数过程中，根据特定的范围设置行同步信号和场同步信号的电平。在有效显示区域内，根据坦克和子弹的坐标判断当前像素点是否属于某个元素，如果是，则设置相应的 RGB 颜色；否则，设置为黑色。在消隐期，将 RGB 颜色信号清零。
     状态
行计数器状态：记录当前行的位置。
场计数器状态：记录当前场的位置。
同步信号状态：行同步信号和场同步信号的电平。
RGB 颜色状态：当前像素点的颜色。
     逻辑
在每个时钟上升沿检查复位信号和进行相应操作。复位时，将所有状态初始化为默认值。正常工作时，行计数器和场计数器不断计数，根据计数结果生成同步信号和判断是否处于有效显示区域。在有效显示区域内，根据元素的位置信息设置 RGB 颜色。
     原理
VGA 显示的原理是通过行同步信号和场同步信号同步显示器的扫描过程，在有效显示区域内，根据 RGB 颜色信号控制每个像素点的颜色，从而实现图像的显示。

假设 704 个像素的行时序和 512 行的场时序配置如下：

行时序：
有效显示区域：640 个像素
行同步脉冲：48 个像素
后沿：8 个像素
前沿：8 个像素
总计：640 + 48 + 8 + 8 = 704 个像素

场时序：
有效显示行数：480 行
场同步脉冲：2 行
后沿：20 行
前沿：10 行
总计：480 + 2 + 20 + 10 = 512 行

   代码如下：

//VGA显示控制模块
module vga_controller(input wire clk,         // 25MHz像素时钟，为VGA时序提供基准，确保图像正确显示input wire rst_n,       // 复位信号，低电平有效，将VGA状态初始化input wire [9:0] player_x, // 我方坦克的x坐标，用于在VGA屏幕上绘制我方坦克input wire [9:0] player_y, // 我方坦克的y坐标，用于在VGA屏幕上绘制我方坦克input wire [9:0] enemy_x,  // 敌方坦克的x坐标，用于在VGA屏幕上绘制敌方坦克input wire [9:0] enemy_y,  // 敌方坦克的y坐标，用于在VGA屏幕上绘制敌方坦克input wire enemy_alive,    // 敌方坦克存活标志，1表示存活input wire [9:0] bullet_x, // 子弹的x坐标，用于在VGA屏幕上绘制子弹input wire [9:0] bullet_y, // 子弹的y坐标，用于在VGA屏幕上绘制子弹input wire bullet_valid,  // 子弹有效标志，1表示子弹处于飞行状态input wire bullet_is_enemy, // 子弹是否为敌方子弹标志，1表示敌方子弹input wire [15:0] score,    // 玩家的得分output reg hsync,         // VGA行同步信号，用于同步显示器的行扫描output reg vsync,         // VGA场同步信号，用于同步显示器的场扫描output reg [2:0] rgb      // RGB颜色信号，简化为3位，控制显示器的像素颜色
);// 行计数器，用于生成行同步信号和确定当前行位置
reg [9:0] hcnt; 
// 场计数器，用于生成场同步信号和确定当前场位置
reg [9:0] vcnt; // 时序逻辑，在时钟上升沿或复位信号下降沿触发
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) begin// 复位时，行计数器和场计数器清零hcnt <= 0; vcnt <= 0; // 行同步信号和场同步信号置高电平hsync <= 1; vsync <= 1; // RGB颜色信号清零rgb <= 0; end else begin// 行计数器加1hcnt <= hcnt + 1; if (hcnt == 10'd704) begin // 一行结束// 行计数器清零hcnt <= 0; // 场计数器加1vcnt <= vcnt + 1; if (vcnt == 10'd512) begin // 一场结束// 场计数器清零vcnt <= 0; endend// 行同步信号生成if (hcnt >= 10'd656 && hcnt < 10'd704) begin hsync <= 0; end else beginhsync <= 1; end// 场同步信号生成if (vcnt >= 10'd490 && vcnt < 10'd492) begin vsync <= 0; end else beginvsync <= 1; end// 有效显示区域判断if (hcnt < 10'd640 && vcnt < 10'd480) begin // 绘制我方坦克if (hcnt >= player_x && hcnt < player_x + 16 && vcnt >= player_y && vcnt < player_y + 16) begin// 我方坦克显示为白色rgb <= 3'b111; end // 绘制敌方坦克else if (enemy_alive && hcnt >= enemy_x && hcnt < enemy_x + 16 && vcnt >= enemy_y && vcnt < enemy_y + 16) begin// 敌方坦克显示为红色rgb <= 3'b001; end // 绘制子弹else if (bullet_valid && hcnt >= bullet_x && hcnt < bullet_x + 4 && vcnt >= bullet_y && vcnt < bullet_y + 4) beginif (bullet_is_enemy) begin// 敌方子弹显示为蓝色rgb <= 3'b010; end else begin// 我方子弹显示为绿色rgb <= 3'b100; endend else begin// 其他区域显示为黑色rgb <= 3'b000; endend else begin// 消隐期无显示，RGB颜色信号清零rgb <= 0; endend
endendmodule

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7. 顶层模块

   功能
该模块是整个坦克大战游戏系统的顶层模块，将各个子模块连接起来，实现游戏的整体功能。包括按键消抖、坦克控制、子弹管理、得分计算和 VGA 显示等功能的集成。
    算法
通过实例化各个子模块，并将它们的输入输出信号进行连接，实现模块之间的通信和协同工作。根据按键输入信号，控制我方坦克的移动和射击；敌方坦克自动进行随机移动和射击；子弹管理模块处理子弹的发射和飞行；得分模块根据子弹击中情况更新得分；VGA 显示模块将游戏画面显示在显示器上。
    状态
整个游戏系统的状态由各个子模块的状态共同决定，包括按键状态、坦克位置状态、子弹状态、得分状态等。
    逻辑
在顶层模块中，首先对按键输入信号进行消抖处理，生成稳定的按键脉冲信号。然后根据按键脉冲信号生成移动方向控制信号，控制我方坦克的移动和射击。敌方坦克独立进行随机移动和射击。子弹管理模块根据坦克的发射信号处理子弹的发射和飞行，并进行碰撞检测。得分模块根据碰撞检测结果更新得分。最后，VGA 显示模块根据坦克、子弹的位置和得分信息，将游戏画面显示在显示器上。
    原理
通过模块化设计，将游戏的不同功能拆分成多个子模块，每个子模块负责特定的任务。顶层模块将这些子模块连接起来，通过信号的传递和处理，实现整个游戏系统的功能。
    代码如下：

//顶层模块
module tank_war_top(input wire clk_50m,     // 开发板50MHz晶振时钟input wire rst_n,       // 全局复位（低有效）input wire [3:0] keys,  // 方向按键（上/下/左/右）input wire fire_key,    // 射击按键output wire hsync,      // VGA行同步信号output wire vsync,      // VGA场同步信号output wire [2:0] rgb   // RGB颜色信号（3位简化）
);// ================== 1. 时钟处理（50MHz→25MHz分频）==================
reg clk_25m;
clk_25m instance_name(// Clock out ports.clk_out1(clk_25m),     // output clk_out1// Status and control signals.reset(rst_n), // input reset.locked(),       // output locked// Clock in ports.clk_in1(clk_50m));      // input clk_in1// ================== 2. 按键消抖模块实例化 ==================
wire [3:0] key_pulse_down; // 方向键按下脉冲
wire fire_pulse_down;      // 射击键按下脉冲// 方向键消抖（4个按键，使用generate循环实例化）
genvar i;
generate
for(i=0; i<4; i=i+1) begin: dir_key_debouncekey_debounce u_dir_key_debounce(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.key_in(keys[i]),.key_out(),       // 消抖后电平信号（未使用，悬空）.key_pulse_down(key_pulse_down[i]), // 按下脉冲.key_pulse_up()   // 释放脉冲（未使用，悬空）);
end
endgenerate// 射击键消抖（单独实例化）
key_debounce u_fire_key_debounce(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.key_in(fire_key),.key_out(),       // 消抖后电平信号（未使用）.key_pulse_down(fire_pulse_down), // 射击按下脉冲.key_pulse_up()   // 释放脉冲（未使用）
);// ================== 3. 移动方向生成 ==================
reg [2:0] move_dir; // 001-上，010-下，100-左，101-右
always @(*) beginmove_dir = 3'b000;if(key_pulse_down[0]) move_dir = 3'b001; // 上if(key_pulse_down[1]) move_dir = 3'b010; // 下if(key_pulse_down[2]) move_dir = 3'b100; // 左if(key_pulse_down[3]) move_dir = 3'b101; // 右
end// ================== 4. 我方坦克模块实例化 ==================
wire [9:0] player_x, player_y;
wire fire_en; // 我方坦克射击使能
player_tank u_player_tank(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.move_dir(move_dir),.fire_req(fire_pulse_down), // 射击请求来自射击键消抖脉冲.x(player_x),.y(player_y),.fire_en(fire_en)
);// ================== 5. 敌方坦克模块实例化 ==================
wire [9:0] enemy_x, enemy_y;
wire enemy_fire; // 敌方坦克射击信号
enemy_tank u_enemy_tank(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.x(enemy_x),.y(enemy_y),.enemy_fire(enemy_fire)
);// ================== 6. 子弹管理模块实例化 ==================
wire [9:0] bullet_x, bullet_y;
wire bullet_valid, bullet_is_enemy;
bullet_manager u_bullet_manager(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.player_x(player_x),.player_y(player_y),.enemy_x(enemy_x),.enemy_y(enemy_y),.fire_en(fire_en),       // 我方发射使能.enemy_fire(enemy_fire), // 敌方发射信号.bullet_x(bullet_x),.bullet_y(bullet_y),.bullet_valid(bullet_valid),.bullet_is_enemy(bullet_is_enemy)
);// ================== 7. 碰撞检测与得分模块 ==================
wire bullet_hit_enemy, bullet_hit_player;
// 我方子弹击中敌方坦克（子弹有效+我方子弹+碰撞检测）
assign bullet_hit_enemy = bullet_valid && !bullet_is_enemy && u_bullet_manager.collision_detect(bullet_x, bullet_y, enemy_x, enemy_y);
// 敌方子弹击中我方坦克（子弹有效+敌方子弹+碰撞检测）
assign bullet_hit_player = bullet_valid && bullet_is_enemy && u_bullet_manager.collision_detect(bullet_x, bullet_y, player_x, player_y);wire [15:0] score;
score_module u_score_module(.clk(clk_50m),.rst_n(rst_n),.bullet_hit_enemy(bullet_hit_enemy),.bullet_hit_player(bullet_hit_player),.score(score)
);// ================== 8. VGA显示模块实例化（25MHz时钟）==================
wire enemy_alive;
assign enemy_alive = 1'b1; // 简化处理，敌方坦克始终存活（可扩展为生命值系统）
vga_controller u_vga_controller(.clk(clk_25m),       .rst_n(rst_n),.player_x(player_x),.player_y(player_y),.enemy_x(enemy_x),.enemy_y(enemy_y),.enemy_alive(enemy_alive),.bullet_x(bullet_x),.bullet_y(bullet_y),.bullet_valid(bullet_valid),.bullet_is_enemy(bullet_is_enemy),.score(score),.hsync(hsync),.vsync(vsync),.rgb(rgb)
);endmodule

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三，最终效果

1. 与开发板连接的约束文件如下所示

# 系统时钟与复位
set_property PACKAGE_PIN W19 [get_ports clk_50m]          ;# 50MHz有源晶振
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk_50m]set_property PACKAGE_PIN B21 [get_ports rst_n]            ;# 复位信号（拨码开关SW[0]，闭合时低电平）
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]# 方向按键（轻触按键S[0]-S[3]，按下低电平有效）
set_property PACKAGE_PIN D21 [get_ports {keys[0]}]         ;# 上
set_property PACKAGE_PIN E21 [get_ports {keys[1]}]         ;# 下
set_property PACKAGE_PIN G22 [get_ports {keys[2]}]         ;# 左
set_property PACKAGE_PIN G21 [get_ports {keys[3]}]         ;# 右
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {keys[3:0]}]# 射击按键（轻触按键S[4]，按下低电平有效）
set_property PACKAGE_PIN B22 [get_ports fire_key]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports fire_key]# VGA显示接口（使用GPIO0扩展接口，单端信号）
set_property PACKAGE_PIN C18 [get_ports hsync]             ;# 行同步
set_property PACKAGE_PIN C19 [get_ports vsync]             ;# 场同步
set_property PACKAGE_PIN E19 [get_ports {rgb[0]}]          ;# 红色（最低位）
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {rgb[0]}]      ;# 修改此处，将rgb[0]的IO标准改为LVCMOS33
set_property PACKAGE_PIN D19 [get_ports {rgb[1]}]          ;# 绿色
set_property PACKAGE_PIN F19 [get_ports {rgb[2]}]          ;# 蓝色（最高位）
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {hsync vsync rgb[2:1]}]# 未使用的信号（保留注释，避免误分配）
# set_property PACKAGE_PIN ... [get_ports {LED[*] UART_*}]  ;# 其他外设可根据需要分配    

2. 改进与发展

我们可以改变显示路径，使其在TFT显示屏上显示，并不非要通过电脑显示屏，

因为通常情况下，开发板通过 HDMI 线连接笔记本电脑，是无法仅用笔记本电脑显示的。因为笔记本电脑的 HDMI 接口一般是输出接口，只能将笔记本电脑的画面输出到外部显示设备，而不能接收外部设备的信号来在笔记本电脑屏幕上显示。

想在笔记本电脑上显示开发板的内容，一种可能的方法是使用带有视频输入功能的采集卡。将开发板通过 HDMI 线连接到采集卡的 HDMI 输入接口，然后将采集卡通过 USB 等接口连接到笔记本电脑，再在笔记本电脑上安装采集卡对应的软件，通过软件来显示和录制开发板输出的视频信号。

同时更加详细的改进，可以增设多个坦克，优化坦克的显示设置等。同时还可以进行设置多个小游戏，通过开发板的按钮选择进入不同的游戏界面等。

详看下回分解！

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