【友晶科技】基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（八）——状态机设计

1. 状态机理论知识

Verilog语言可以依靠不同的always语句块实现硬件电路的并行执行，但在实际工程中，不仅需要并行执行电路，偶尔也会遇到需要串行执行的电路。这时候可以选择有限状态机FSM（Finite State Machine）来实现。

状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心。

有限状态机主要分为2大类：

Mealy状态机：时序逻辑的输出不仅取决于当前状态，还与输入有关；

Moore状态机：时序逻辑的输出只与当前状态有关。

贪吃蛇游戏采用的是Mealy状态机模型。

根据代码的设计方式状态机可以分为一段式，二段式和三段式。

一段式写法就是把所有的逻辑（输入、输出和状态）都放在一个always语句块中，这种后期不容易维护。在简单的状态机可以使用。

二段式写法就是有两个always 块，把时序逻辑和组合逻辑分隔开来。时序逻辑里进行当前状态和下一状态的切换，组合逻辑实现各个输入、输出以及状态判断。这种写法不仅便于阅读、理解、维护，而且利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。在两段式描述中，当前状态的输出用组合逻辑实现，可能存在竞争和冒险，产生毛刺。

要求对状态机的输出用寄存器打一拍，但很多情况不允许插入寄存器节拍，此时使用三段式描述。其优势在于能够根据状态转移规律，在上一状态根据输入条件判断出当前状态的输出，从而不需要额外插入时钟节拍。

三段式写法就是有三个always 块，一个时序逻辑采用同步时序的方式描述状态转移，一个采用组合逻辑的方式判断状态转移条件、描述状态转移规律，第三个模块使用同步时序的方式描述每个状态的输出。三段式代码容易维护，时序逻辑的输出解决了两段式组合逻辑的毛刺问题，但是从资源消耗的角度上看，三段式的资源消耗多一些。

2. 游戏状态控制之状态机

这里用一段式状态机来完成游戏的控制过程：

关于这四个状态的描述请参考第一篇（整体描述）：友晶科技FPGA：基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（一）

3. 游戏状态控制完整源码

/游戏控制模块 根据游戏状态产生相应控制信号
module game_ctrl_unit
(
  input clk,//25MHz
  input rst_n,//系统复位
  
  input key0_right,//方向控制按钮，控制向左移动
  input key1_left,//方向控制按钮，控制向右移动
  input key2_down,//方向控制按钮，控制向上移动
  input key3_up,//方向控制按钮，控制向下移动
  input [2:0]sw,//完成难度选择的操作
  
  input hit_wall,//撞墙标志
  input hit_body,//撞自身标志
  input [11:0]bcd_data,//分数累计到100则游戏成功
  
  output reg snake_display,//蛇整体显示标志
  output reg [1:0]game_status//当前游戏状态
)
;
  
  //游戏分四个状态
  localparam RESTART = 2'b00;    //游戏重启
  localparam START = 2'b01;      //游戏开始
  localparam PLAY = 2'b10;      //游戏进行
  localparam DIE = 2'b11;        //游戏结束
  
  reg [32:0]cnt_clk;
  reg[31:0]flash_cnt;//蛇闪烁时间计数器
  //状态机定义初始状态，并描述状态转移与输出
  always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
      cnt_clk<
=
0
;
      flash_cnt<=0;
      snake_display<=1;
      game_status <= RESTART;    //复位后游戏状态进入重启状态
    end
    
    else begin
      case(game_status)  
        RESTART:begin           //游戏重启状态
          cnt_clk<
=cnt_clk+
1
;
          if(cnt_clk>150000000)begin// "欢迎来到贪吃蛇游戏“ 界面显示需要6s时间
            if(sw[0]||sw[1]||sw[2]) begin
              game_status <= START;//选择游戏难度后进入START状态
            end
          end
          else begin
            game_status <= RESTART;
          end
        end
        
        START:begin
          if ((~key0_right) ||( ~key1_left) || (~key2_down) ||( ~key3_up))//四个按键有任意一个按键被按下即可开始游戏
            game_status <
= PLAY;
          else 
              game_status <= START;
        end
        
        PLAY:begin
          if(hit_wall || hit_body||bcd_data[11:8]>=1'd1)//如果撞墙或者撞自身则  游戏结束
             game_status <
= DIE;
          else
             game_status <= PLAY;
        end
        
        //下面代码是在制造闪烁效果
        //snake_display信号初始化的时候为高
        //snake_display信号在0-0.5秒为高，在 0.5-1秒为低，在 1-1.5秒高 在1.5-2低 2-2.5秒高 在2.5-3秒低 
        DIE:begin
          if(flash_cnt <= 100_000_000) begin//flash_cnt计时4秒
            flash_cnt <
= flash_cnt + 
1'b
1;  
            if(flash_cnt == 12_500_000)begin//0-0.5秒 高
              snake_display <= 1'b0;end
            else if(flash_cnt == 25_000_000)begin//0.5-1秒低
              snake_display <
= 
1'b
1;
end
            else if(flash_cnt == 37_500_000)begin//1-1.5秒高
              snake_display <
= 
1'b
0;
end
            else if(flash_cnt == 50_000_000)begin//1.5-2秒低
              snake_display <
= 
1'b
1;
end
            else if(flash_cnt == 62_500_000)begin//2-2.5秒高
              snake_display <
= 
1'b
0;
end
            else if(flash_cnt == 75_000_000)begin//2.5-3秒低
              snake_display <
= 
1'b
1;
            end
          end
          //游戏结束后按任意按键重新开始
          else if((~key0_right) ||( ~key1_left) || (~key2_down) ||( ~key3_up) ) begin
            cnt_clk<=0;
            flash_cnt<=0;
            game_status <= RESTART;
          end      
          else begin
            game_status <= DIE;
          end
        end 
        
        default:begin                
              game_status <= RESTART; //游状态 从游戏结束 到游戏重启
          end
      endcase  
    end
  end
endmodule

4. 2个设计点提醒

这个cnt_clk计数器这里不能写成cnt_clk=150000000，因为第6s的时间只有一瞬间，当这个时候没有拨动SW时，其他时刻它就不再去判断SW的情况了。

当游戏结束时，按任意键触发游戏重新开始，cnt_clk和flash_cnt两个计数器清零，不然重新开始的时候会跳过欢迎界面，以及再次游戏结束时蛇不会闪烁。

其实就是要确保在重启状态下，所有的条件要回到跟复位时一样。

5. 蛇身方向控制状态机

蛇身方向控制用一个三段式的4状态的状态机来实现。四个状态分别是上、下、左、右。

状态机第一段

完成初始化状态，以及完成当前状态转换到下一状态的时序逻辑：

首先方向一定要初始化，否则方向就会错乱， 虽然这里初始化方向是向右，但实际上运行时起步方向的判断是根据key值来判断。

状态机第二段

在当前状态下，根据当前的输入转换为下一状态的组合逻辑。

根据按键进行三个方向的选择，这里是按键按下的时候，信号传导Direct_next，然后由Direct_next送给Direct_r：

状态机第三段

根据当前状态和当前输入产生当前输出的时序逻辑：

上面这段代码解释如下：

• 当方向向上且不撞到墙壁时，蛇头的y轴坐标+1， 也就是蛇向上移动一格。

• 当方向向下且不撞到墙壁时，蛇头的y轴坐标-1， 也就是蛇向下移动一格。

• 当方向向左且不撞到墙壁时，蛇头的x轴坐标-1， 也就是蛇向左移动一格。

• 当方向向上且不撞到墙壁时，蛇头的x轴坐标+1， 也就是蛇向右移动一格。

贪吃蛇系列连载文章：

 ​
1. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（一）

2. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（二）——数码管驱动模块

3. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（三）——计分模块

4. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（四）——VGA驱动模块色块显示

5. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计(五)——VGA驱动模块字符显示

6. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计(六)——VGA驱动模块图片显示

7. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（七）——食物（苹果）的产生

8. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（八）——状态机设计

9. 基于FPGA的贪吃蛇游戏设计（九）——蛇身控制

关注“友晶Terasic”公众号可获取源码下载地址。

移植到DE1-SOC、DE2-115时代码无需改变，只需修改引脚分配即可。