データ構造

以下にデータ構造を示します。

文字一つに対するパラメータは、図417.2のとおりです。

{sx, sy, dx, dy, w, h} = {パターンソースx, パターンソースy, デスティネーションx, デスティネーションy, 幅、高さ}

本来は図417.1及び図417.2のような構造体の配列としたかったのですが、bscでエラーとなるため、やむなく要素毎の配列に分解しました。構造体配列の実現は現在問い合わせ中です。

BSVコード

以下に分解したコードを示します。

UInt#(8) s1sx[19] = { 42, 50, 58, 77, 66, 42, 58, 74, 82, 42, 42, 90, 98,106, 58,114, 82,122, 66},
         s1sy[19] = {137,137,137,126,137,137,137,137,137,129,129,137,137,137,137,137,137,137,137},
         s1dx[19] = {112,120,128,136, 72, 80, 88, 96,104,112,120,128,136,144,152,160,168,176,184},
         s1dy[19] = { 68, 68, 68, 68, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93, 93},
         s1w[19]  = {  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5},
         s1h[19]  = {  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7};

UInt#(8) s2sx[23] = { 42, 50, 58, 66, 74, 82, 90, 98,106, 90,114, 58, 82,122, 90, 82, 90, 82, 42, 52, 68, 51,  2},
         s2sy[23] = {145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,145,162,162,145,145, 16, 64, 80, 80},
         s2dx[23] = { 48, 56, 64, 72, 80, 88,104,112,120,128,136,144,152,168,176,184,192,200,208, 76, 80, 79, 78},
         s2dy[23] = {125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,125,142,155,169,184},
         s2w[23]  = {  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5, 16,  8, 11, 12},
         s2h[23]  = {  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  8,  8,  8};
 
UInt#(8) s3sx[40] = { 98,106, 42,114,122, 82, 90, 98,106,122, 98,  1,  9, 42,114,122, 82, 90, 90, 82, 98,106,114, 42, 82, 90, 98,106,114,122, 98,122,114, 42, 82, 90, 98,106,114,122},
         s3sy[40] = {162,162,129,162,162,170,170,170,170,162,162,154,154,129,170,170,178,178,170,170,178,178,178,129,186,186,186,186,186,186,178,178,178,129,186,186,186,186,186,186},
         s3dx[40] = { 96,104,112,120,128,136,144,152,160,168, 96,104,112,120,128,136,144,152,160,168, 96,104,112,120,128,136,144,152,160,168, 96,104,112,120,128,136,144,152,160,168},
         s3dy[40] = {142,142,142,142,142,142,142,142,142,142,156,156,156,156,156,156,156,156,156,156,170,170,170,170,170,170,170,170,170,170,184,184,184,184,184,184,184,184,184,184},
         s3w[40]  = {  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5,  5},
         s3h[40]  = {  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7,  7};

"SPACE INVADERS"の文字列を、最初は"SPACEINVADERS"とタイミングを空けずに場所を空けて表示していました。が、Youtubeを見ると、"SPACE△△INVADERS"と、空白(△)は場所だけでなくタイミングも空いているようだったので、文字列も"SPACE△△INVADERS"と設定しています。

もうひとつ注意点として、オープニングアニメーション中のウエイト中にSキー(Sボタン)が押された場合は直ちにゲームスタートとなることです。

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Youtube

この動画を観察すると、オープニングアニメーションの際に文字が一文字ずつ表示されているので、これを実装します。文字列は3つの部分から構成されています。

• "PLAY SPACE INVADERS" --- 一文字ずつゆっくりと表示
• "*SCORE ADVANCE TABLE *..." --- 一瞬で表示
• "=? MYSTERY..." --- 一文字ずつゆっくりと表示

これを3つのカタマリとして、3つの表示ルーチンで表示します。最初と最後のルーチンは1文字表示するたびに8/60 sec(=133.3 msec)のウエイトを入れています。文字表示の間にsbuttonを見ているのは、スタートボタンにより、いつでもゲームを開始できるように割り込みを入れるためです。

function Stmt stringS1; // PLAY SPACE INVADERS
   return (seq
      for (str_idx <= 0; str_idx < 19; str_idx <=  str_idx + 1) seq
         copyArea(s1sx[str_idx], s1sy[str_idx], s1dx[str_idx], s1dy[str_idx], s1w[str_idx], s1h[str_idx]);
         wait_timer(`TICK_WAIT8);
         if (sbutton) break;
      endseq
   endseq);
endfunction

 function Stmt stringS2; // *SCORE ADVANCE TABLE* ...
    return (seq
      for (str_idx <= 0; str_idx < 23; str_idx <=  str_idx + 1) seq
         copyArea(s2sx[str_idx], s2sy[str_idx], s2dx[str_idx], s2dy[str_idx], s2w[str_idx], s2h[str_idx]);
      endseq
   endseq);
endfunction

function Stmt stringS3; // =? MYSTERY ...
   return (seq
      for (str_idx <= 0; str_idx < 40; str_idx <=  str_idx + 1) seq
         copyArea(s3sx[str_idx], s3sy[str_idx], s3dx[str_idx], s3dy[str_idx], s3w[str_idx], s3h[str_idx]);
         wait_timer(`TICK_WAIT8);
         if (sbutton) break;
      endseq
   endseq);
endfunction

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sound階層

サウンド階層には4つの独立したサウンドステートマシンの他、サウンドミキサーやパラシリモジュールが存在します。4つの独立したサウンドステートマシンにより、同時に4音の発声が可能となっています。

サウンドステートマシンサブ階層

図415.2にサウンドステートマシンサブ階層を示します。このステートマシンが4チャネルあります。

• mkSoundFSMモジュール --- サウンドROMを読み出すステートマシンであり、それをミキサーに出力する (BSV⇒Verilog)
• サウンドROM --- Waveフォーマットデータを格納するROM (Xilinx IP)

ミキサー&パラシリモジュール

• ミキサーモジュール --- 4個の独立したサウンドFSMからの音データを加算し重畳する (Verilog)
• パラシリモジュール --- ミックス後のパラレルデータをシリアルに変換し、シリアルDACに出力する (Verilog)

コマンドバッファサブ階層

最後にコマンドバッファサブ階層を示します。

• コマンドバッファ(OneStage) --- GameFSMとSoundFSMの間でコマンドを受け渡す (Verilog)

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graphics階層

基本的にはgraphic_controlモジュールが中心となる階層です。次の3つのモジュールから構成されています。

• graphic_controlモジュール --- クロックとリセットを入力し、HS, VS, DT等のグラフィックディスプレイタイミングやVRAMアドレスを生成するモジュール (Verilog)

• xslice --- VRAMデータ中のRGB成分のみを抜き出す (Xilinx IP)。VRAMはRGBの他にもう一面持っており、その面にはシールドデータのみが描画されています。しかしながら、その面は表示はされません。この情報は、自弾及び敵弾の衝突判定に用います。これによりシールドをピクセル毎に破壊することができます。

  図414.1 ピクセル毎の衝突判定

• display_outモジュール --- ディスプレイタイミング時に表示データを出力し、さらに爆発信号EXPにより全面赤表示にするモジュール (Verilog)

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VRAM階層

VRAM階層は、図413.1で示すように以下の2モジュールから構成されます。

• VRAM --- 256×256×4bitのデュアルポートメモリ (Xilinx IP)
• Muxモジュール --- メモリダンプモジュールからのアドレスをマルチプレクスする (BSV⇒Verilog, 過去記事で設計)

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invader階層

引き続きinvader階層です。これはインベーダゲームの中心となる、GameFSM(invader_move)を含む階層です。基本的には、

• GameFSMモジュール --- ゲームのシナリオを実行するFSM (BSV⇒Verilog)
• パターンROM --- インベーダその他のビットマップを格納するROM (Xilinx IP)

の2つのモジュールにより、VRAMをR/Wすることにより絵を動かしています。この階層には、さらに以下のモジュールが存在します。

• buttonsモジュール --- FPGAボード上のプッシュボタンと、PMODのジョイスティックインタフェースのOR取り (Verilog)

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ソフトブロック解説

ここから、簡単に各ソフトブロック階層の解説をします。全体ブロック図は過去記事に挙げてあります。全体ブロック図において、左から順に、clock階層、メモリダンプモジュール(ソフトブロック階層無し)、invader階層、VRAM階層、graphics階層、sound階層となっています。

clock階層

図411.1にclock階層の構造を示します。使用されているモジュールは全てXilinx IPです。

• sys_clock --- 100MHzクロック
• reset --- 負論理リセット

の2本です。出力は、

• C921_6KHz --- 921.6KHzクロックであり、UARTのボーレートクロック
• C60Hz --- 60Hzクロックであり、動画の1フレーム(tick)を決める基準クロック
• C2MHz_FSMCLK --- 文字通り2MHzのFSMクロック
• MCLK --- 11.289MHzクロックであり、サウンド用のマスタークロック
• C40MHz --- 40MHzクロックであり、グラフィックのドットクロック
• locked --- 負論理のリセット信号

バイナリカウンタ説明

• c_counter_binary_0 --- clk_wizからの8MHzクロックを入力し、bit0(4MHz)、bit1(2MHz)、bit2(1MHz)と分周する。xslice_0はそのbit1(2MHz)を取り出し、C2MHz_FSMCLKとして出力する。
• c_counter_binary_1 --- c_counter_binary_0からxslice_2はそのbit2(1MHz)を取り出し、c_counter_binary_1で0x411a(=16666)を計数したらリセットする。xslice_1ではその14bit(16.667msec=59.9988Hz)を取り出し、C60Hzとして出力する。これはデューティは50%ではないが、エッジを見るため問題ない。
• c_counter_binary_2 --- clk_wizからの7.3728MHzクロックを入力し、bit0(3.6864MHz)、bit1(1.8432MHz), bit2(921.6KHz)と分周する。xslice_3はそのbit2(921.6KHz)を取り出しC921_6KHzとして出力する。

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QSPIへの再書き込み

Artyボードにおいて、基本的には過去記事で示した手順でFlashに書き込みます。ところが、一度Flashに書き込むと、Add Configuration Memory Deviceがグレーアウトされていることがあります。その場合は、

このように、JTAGのデバイスを右クリックすると、メニューが現れるので、Program Configuration Memory Deviceをクリックします。すると次の画面が出るので、デバイスを選択し、プログラミングします。

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ブロック図

ブロック図をIP Integratorで示します。

リソース使用量

各階層(ソフトブロック)のリソース使用量を図409.2に示します。

表409.1に示すように、BRAMの割合がかなり大きいです。全部で50個中、39.5個を使用しています。

モジュール配置

各階層の配置状況を図409.3に示します。おもしろいことに、サウンドが4つのまとまりに分かれていますが、図409.4のように4つのステートマシン毎に固まっていました。

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インベーダの歩行音

インベーダの歩行音は、現在は隊列に同期して出力されます。インベーダ一匹の歩行処理は60Hzで実施されるため、初期状態では55/60secに一度、最後の一匹では1/60secに一度歩行音が出力されます。

最後の一匹の時に、どうも歩行音が速すぎると思っていたら、過去記事のとおり、インベーダの数に応じた間隔で歩行音が出力され、必ずしも隊列の動作とは同期していないことが判明しました。アニメーションは、インベーダーの数に比例して徐々に速くなるのに比べ、サウンドは段階的に速くなるのは、どのような意図があるのでしょうか？

なるべくオリジナルに近づけるという方針から、今回はこれを実装します。

歩行音間隔タイマの実装

まず、過去記事の表を実装します。タイマ初期値の最大値は52なので6bitのレジスタが55個必要です。1から55までを使用しており、0を含めた56個を定義しています。

UInt#(6) inv_init_stimer[56] = {5, 5, 7, 9,11,12,13,14,16,16,19,19,19,21,21,21,21,24,24,24,
                         24,24,28,28,28,28,28,28,34,34,34,34,34,34,34,34,39,39,39,39,
                         39,39,39,46,46,46,46,46,46,46,52,52,52,52,52,52};

過去記事の歩行音間隔タイマの仕様に示すように、これはタイムアウトした際に、インベーダ数に応じた値でタイマを初期化するための表です。次に、歩行音間隔タイマ本体を実装します。

Reg#(UInt#(6)) inv_stimer <- mkRegU;

次に、サウンドパターンは4から7を繰り返すため、2bitのパターンレジスタを用意します。

Reg#(UInt#(2)) inv_spattern <- mkRegU;

初期化部分です。タイマの初期値は52とします。パターンの初期値は0とします。

        inv_stimer <= 52;
        inv_spattern <= 0;

隊の先頭で実施していた次のサウンド出力処理を削除します。

//          if (inv_ido != END_STATE) seq
//                sound(extend(inv_pattern) + 4); // from 4 to 7
//          endseq

その代わり、 全てのインベーダについて次の処理を追加します。

     // 全てのインベーダについて処理
     if (inv_stimer == 0) seq
           sound(extend(inv_spattern) + 4); // from 4 to 7
           inv_spattern <= inv_spattern + 1;
           inv_stimer <= inv_init_stimer[inv_no];
     endseq else seq
           inv_stimer <= inv_stimer - 1;
     endseq

これにより過去記事のような動作を行うはずです。⇒実施したところ、正しく動作したようです。

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