🕹️ PS/2 + VGA 打字游戏：输入输出综合实战

这一篇在干嘛？

前面我们已经分别玩过 PS/2 键盘和 VGA 显示，这一篇把两个模块合在一起做一个打字游戏：屏幕上弹出随机字符，你敲对键盘它就会变色、进度条前进，通关还有庆祝动画，背景音乐也由 FPGA 自己「演奏」。这是对输入解码、VGA 时序、状态机设计的综合大练兵。

实验目的

基于 FPGA 技术实现打字游戏：用 VGA 完成显示、PS2 键盘完成输入，两者联动构成一个完整的人机交互小游戏。

实验原理：整体框图

打字游戏的原理框图如下图所示，主要由四部分组成：PS2 键盘解码模块、打字游戏控制模块、显示模块以及背景音乐模块。

2.1 打字游戏的设计框图

点阵思想与随机字符

打字游戏控制主要基于点阵思想，在程序上通过状态机实现。显示器画面可以看成由列与行坐标构成的点阵，控制某个特定位置就能显示对应内容。

通过外围的模可控计数器产生随机字符，并送到 VGA 显示在屏幕上；再通过状态机让随机字符像弹球一样在屏幕上运动。

键盘比对逻辑

PS2 键盘输入数字，经 PS2 解码电路得到键值数据，将输入数据与随机数产生的数据进行比较：如果两个数据相等，则将 aa 置 1，供内部处理并输出。

判断正确的效果是：爬动的动态阿狸图案会变色，显示器下方的进度条向前增加一格；打错了进度条保持不变。当进度条到达边界（通关）时，会产生动态的蜡笔小新图案表示庆祝。

背景音乐：音调与音长

乐曲由音调和音长组成，只要控制好音调和音长并准确驱动蜂鸣器，就能演奏出动听的乐曲。该模块通过蜂鸣器产生不同音乐，并用数码管实时显示音乐音高，模块框图如下：

图2.2

音调控制：根据简谱音符的音高控制蜂鸣器频率。数字电路中，模 N 计数器溢出信号的频率是计数脉冲频率的 1/N，所以设计一个模可控计数器、改变分频比，就能让溢出信号频率满足不同音高的要求。三个八度音程中相同音名的频率相差一倍，因此分频系数不变时，把计数脉冲频率升高（或降低）一倍，音调就升高（或降低）八度。

音高对应的分频比如下表（分频比 / 预置数）：

音名	分频比	预置数	音名	分频比	预置数	音名	分频比	预置数
低音1	11468	4916	中音1	5736	10647	高音1	2867	13516
低音2	10222	6168	中音2	5111	11272	高音2	2555	13829
低音3	9102	7281	中音3	4552	11831	高音3	2276	14108
低音4	8592	7791	中音4	4296	12087	高音4	2148	11535
低音5	7653	8730	中音5	3827	12556	高音5	1913	14470
低音6	6818	9565	中音6	3409	12974	高音6	1704	14678
低音7	6073	10310	中音7	3036	13346	高音7	1518	14864

图 2.3 音高对应分频比

音长控制：某个音符的音长由该音高频率信号的持续时间决定，可用一个计数器对音长定时，计数脉冲周期是乐谱时值，决定了该音符的持续时间。做法是：以乐谱中时值最短的音符作为度量单位，其它音符按与最短音符的倍数关系持续不同的计数脉冲周期。比如乐谱中最短音符为 8 分音符，则 4 分音符为 2 个时钟周期，全音符为 8 个时钟周期。

实验程序：控制模块

控制模块 ball3 的端口包括 25MHz 时钟 clk_25m、RGB 与行场同步输出（r, g, b, hs, vs）、PS2 键盘信号（ps2_clk, ps2_dat）、随机种子 seed、点阵数据 q 与 rgbin、比较结果 aa 等：

module ball3(clk_25m, r, g, b, hs, vs, clk_count, rst, ps2_clk, ps2_dat, seed, q, DOUT, DOUT1, rgbin, aa);
input[5:0] seed;////////
input clk_25m;
input clk_count;
input rst;
input ps2_clk;
input ps2_dat;
input [7:0] q;///////////////
input [199:0] rgbin;
output [9:0] DOUT;//////////
output r, g, b, hs, vs, aa;
reg [9:0] x_cnt;
reg [9:0] y_cnt;
reg [9:0] x_ball;
reg [9:0] y_ball;
reg [2:0] rgb;
reg hs, vs;
reg [2:0] state;
reg flag_x;
reg flag_y;
reg [9:0] x_block;
reg [7:0] ps2_byte_buf;
reg ps2_clk_r0;
reg ps2_clk_r1;
reg [3:0] cnt;
reg[9:0] DOUT;
reg a;
reg aa;
reg bb;
reg[199:0] charbit;
output [10:0] DOUT1;

reg [10:0] DOUT1;
reg [5:0] data; /////////
reg[5:0] data1;
reg[4:0] time1; /////////
assign r=rgb[2];
assign g=rgb[1];
assign b=rgb[0];
always @(posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if(x_cnt==10'd800) begin x_cnt<=10'd0;end
else x_cnt<=x_cnt+1'b1;
end
always @(posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if(x_cnt==800)
begin
if(y_cnt<10'd525) y_cnt<=y_cnt+1'b1;
else y_cnt<=10'd0;
end
end
always @(posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if((x_cnt>=640+8+8)&& (x_cnt<640+8+8+96)) hs<=1'b0;
else hs<=1;
end
always @ (posedge clk_25m)
if(rst)
begin
ps2_clk_r0<=ps2_clk;
ps2_clk_r1<=ps2_clk_r0;
end

VGA 时序就在这两个计数器里

x_cnt 数到 800 归零、y_cnt 随 x_cnt 归零递增到 525，这就是 640×480@60Hz 的扫描骨架；hs 在 640+8+8 到 640+8+8+96 之间拉低，vs 在 480+10 到 480+12 之间拉低，行场同步脉冲全靠这两个计数器划分区间。理解了这段，后面的所有「画图」都只是在给 (x_cnt, y_cnt) 区域上色。

PS/2 键盘解码

ps2_clk 经过两级寄存器打拍同步后取下降沿 ps2_clk_n，在每个 ps2_clk_n 到来时用 cnt 计数，把 ps2_dat 上的 8 个数据位依次移入 ps2_byte_buf（跳过起始位，取 cnt=1~8 共 8 位）：

wire ps2_clk_n=(~ps2_clk_r0)&ps2_clk_r1;
always @(posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if(ps2_clk_n)
begin
if(cnt==4'hA) cnt<=0;
else cnt<=cnt+1'b1;
end
end
always @ (posedge clk_25m)
begin
if(ps2_clk_n)
begin
case(cnt)
4'h1:ps2_byte_buf[0]<=ps2_dat;
4'h2:ps2_byte_buf[1]<=ps2_dat;
4'h3:ps2_byte_buf[2]<=ps2_dat;
4'h4:ps2_byte_buf[3]<=ps2_dat;
4'h5:ps2_byte_buf[4]<=ps2_dat;
4'h6:ps2_byte_buf[5]<=ps2_dat;
4'h7:ps2_byte_buf[6]<=ps2_dat;
4'h8:ps2_byte_buf[7]<=ps2_dat;
endcase
end
end
always @(y_cnt)
if(rst)
begin
if((y_cnt>=480+10)&&(y_cnt<480+12)) vs<=1'b0;
else vs<=1'b1;
end
always @ (posedge clk_25m) if(rst)
begin

随后用查表法把键盘扫描码翻译成 0~42 的字符序号 data1（原文扫描码表中有个别笔误，如 8’hle 应为 8’h1e，按原样保留）：

case(ps2_byte_buf)
8'h1c:data1<=0;
8'h32:data1<=1;
8'h21:data1<=2;
8'h23:data1<=3;
8'h24:data1<=4;
8'h2b:data1<=5;
8'h34:data1<=6;
8'h33:data1<=7;
8'h43:data1<=8;
8'h3b:data1<=9;
8'h42:data1<=10;
8'h4b:data1<=11;
8'h3a:data1<=12;
8'h31:data1<=13;
8'h44:data1<=14;
8'h4d:data1<=15;
8'h15:data1<=16;
8'h2d:data1<=17;
8'h1b:data1<=18;
8'h2c:data1<=19;
8'h3c:data1<=20;
8'h2a:data1<=21;
8'h1d:data1<=22;
8'h22:data1<=23;
8'h35:data1<=24;
8'h1a:data1<=25;
8'h45:data1<=26;
8'h16:data1<=27;
8'hle:data1<=28;
8'h26:data1<=29;
8'h25:data1<=30;
8'h2e:data1<=31;
8'h36:data1<=32;

8'h3d:data1<=33;
8'h3e:data1<=34;
8'h46:data1<=35;
8'h4e:data1<=36;
8'h55:data1<=37;
8'h5d:data1<=38;
8'h54:data1<=39;
8'h58:data1<=40;
8'h4c:data1<=41;
8'h4a:data1<=42;
endcase
end
/*always @(data1)
if(data1==data) */

进度条与命中判断

aa 置 1 后在 x_cnt==0 时刻更新：data 取新的随机种子 seed，进度条位置 x_block 前进 20，到 400 封顶：

always @ (posedge clk_25m)
if(rst)
begin
    if((aa==1)&&(x_cnt==0))begin data<=seed;x_block<=x_block+20;begin
    if(x_block==400)
    begin x_block<=400;end end end
    else begin data<=data;x_block<=x_block;end
    end
    else
    x_block<=0;
    always @(posedge clk_25m)
    if(rst)
    if((x_cnt==0)&&(y_cnt==100))begin timel<=time1+1;if(time1==60)
    timel=0;end
    always @(posedge clk_25m)
    if(rst)
    begin
    if(((x_cnt>=640)&&(x_cnt<800))||((y_cnt>=480)&&(y_cnt<525))
    rgb<=3'b000;
    else

屏幕区域划分与上色

接下来的大段组合逻辑按 (x_cnt, y_cnt) 把屏幕划分成多个区域：边框、进度条（每格 20 像素、格间留黑缝）、字符显示区（用 rgbin 点阵数据上色，字符颜色随 data%8 变化）、阿狸图案区与弹球区（弹球区域内用 q 点阵画出字符，命中时变色）：

if (((x_cnt<10)&&(x_cnt>=0)&&(y_cnt>=0)&&(y_cnt<460)) || ((x_cnt<420)&&(x_cnt>=0)&&(y
    _cnt>=0)&&(y_cnt<10)) || ((x_cnt<420)&&(x_cnt>=0)&&(y_cnt>=450)&&(y_cnt<460)) || ((x_c
    nt<420)&&(x_cnt>=410)&&(y_cnt>=0)&&(y_cnt<460))) rgb<=3'b110;
else
if((x_cnt>=0)&&(x_cnt<x_block)&&(y_cnt>=460)&&(y_cnt<480)) if((x_cnt%20)<3)
rgb<=3'b000;else rgb<=3'b100;
else if((x_cnt>=430)&&(x_cnt<630)&&(y_cnt>=0)&&(y_cnt<200))
begin
if(x_block<400)
begin
if(time1<=20) DOUT1<=y_cnt;else if(time1<=40) DOUT1<=y_cnt+200;else
DOUT1<=y_cnt+400;
charbit<=629-x_cnt;
if(rgbin[charbit]) begin rgb<=data%8;if(rgb==3'b011) rgb<=010;end
else begin rgb<=3'b011;end
end
else rgb<=3'b011;
end
///gaile
else if((x_cnt>=430)&&(x_cnt<630)&&(y_cnt>=200)&&(y_cnt<250))
begin
if(x_block==400)
rgb<=3'b011;
else
begin
DOUT1<=y_cnt+400;
charbit<=629-x_cnt;
if(rgbin[charbit]) begin rgb<=data%8;if(rgb==3'b011) rgb<=010;end
else begin rgb<=3'b011;end
end
end

else if((x_cnt>=100)&&(x_cnt<300)&&(y_cnt>=250)&&(y_cnt<450))
begin
if(x_block==400)
begin
begin if(time1<=20) DOUT1<=400+y_cnt;else if(time1<=40)
DOUT1<=y_cnt+600;else DOUT1<=y_cnt+800;end
charbit<=299-x_cnt;
if(rgbin[charbit]) rgb<=3'b101;else rgb<=3'b011;
end
else
if((x_cnt>=x_ball)&&(x_cnt<x_ball+16)&&(y_cnt>=y_ball)&&(y_cnt<y_ball+32))
begin
DOUT<=(y_cnt-y_ball)/2+data*16;a<=q[(x_cnt-x_ball)/2%8];
begin
if((a==1)&&(data1!=data)) begin rgb<=3'b000;aa<=0;end
else if(data1==data) begin aa<=1;rgb<=3'b011 ;end
else begin rgb<=3'b011;aa<=0;end
end
end
else rgb<=3'b011;
end
else if((x_cnt>=100)&&(x_cnt<300)&&(y_cnt>=200)&&(y_cnt<250))
begin
if(x_block==400)
begin
DOUT1<=y_cnt+1050;
charbit<=299-x_cnt;
if(rgbin[charbit]) rgb<=3'b100;else rgb<=3'b011;
end
else
if((x_cnt>=x_ball)&&(x_cnt<x_ball+16)&&(y_cnt>=y_ball)&&(y_cnt<y_ball+32))
begin

DOUT<=(y_cnt-y_ball)/2+data*16;a<=q[(x_cnt-x_ball)/2%8];
begin
if((a==1)&&(data1!=data)) begin rgb<=3'b000; aa<=0;end
else if(data1==data) begin aa<=1; rgb<=3'b011 ;end
else begin rgb<=3'b011;aa<=0;end
end
end
else rgb<=3'b011;
end
else
if((x_cnt>=x_ball)&&(x_cnt<x_ball+16)&&(y_cnt>=y_ball)&&(y_cnt<y_ball=32))
if(x_block==400) rgb<=3'b011;
else begin
DOUT<=(y_cnt-y_ball)/2+data*16;a<=q[(x_cnt-x_ball)/2%8];
if((a==1)&&(data1!=data)) begin rgb<=3'b000; aa<=0;end
else if(data1==data) begin aa<=1; rgb<=3'b011 ;end
else begin rgb<=3'b011;aa<=0;end
end
else rgb<=3'b011;
end
always @(posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if(aa==1);
end

弹球运动状态机

弹球有 8 个状态（state 的 3’b000~3’b111），对应「右移上升 / 右移下降 / 左移下降 / 左移上升」等 8 种运动方向组合。每个时钟节拍里 x_ball 步进 1、y_ball 步进 2，撞到上下边界（y_ball10 或 420）或左右边界（x_ball10 或 390）时用 flag_x/flag_y 标记反弹方向：

always @(posedge clk_25m)
begin
if(rst)
begin
case(state)
3'b000: if((y_ball!=10)&&(clk_count)&&(x_ball!=390)) begin
x_ball<=x_ball+1;y_ball<=y_ball-2; flag_x<=1;flag_y<=0; end
else if((y_ball==10)||(x_ball==390)) begin flag_x<=1;flag_y<=0;end

3'b001:if((x_ball!=390)&&(clk_count)&&(y_ball!=420)) begin
x_ball<=x_ball+1;y_ball<=y_ball+2; flag_x<=1;flag_y<=1; end
else if((y_ball==420) ||( x_ball==390)) begin flag_x<=1;flag_y<=1;end
3'b010:if((y_ball!=420)&&(clk_count)&&(x_ball!=10)) begin
x_ball<=x_ball-1;y_ball<=y_ball+2; flag_x<=1;flag_y<=0; end
else if((y_ball==420) || (x_ball==10)) begin flag_x<=0;flag_y<=1;end
3'b011:if((y_ball!=10)&&(x_ball!=10)&&(clk_count)) begin
x_ball<=x_ball-1;y_ball<=y_ball-2; flag_x<=0;flag_y<=0; end
else if((y_ball==10) ||( x_ball==10)) begin flag_x<=0;flag_y<=0;end
3'b100:if((y_ball!=420)&&(clk_count)&&(x_ball!=390)) begin
x_ball<=x_ball+1;y_ball<=y_ball+2;flag_x<=1;flag_y<=1; end
else if((y_ball==420) ||( x_ball==390)) begin flag_x<=1;flag_y<=1;end
3'b101:if((y_ball!=10)&&(clk_count)&&(x_ball!=390)) begin
x_ball<=x_ball+1;y_ball<=y_ball-2; flag_x<=1;flag_y<=0; end
else if((y_ball==10) ||(x_ball==390)) begin flag_x<=1;flag_y<=0;end
3'b110:if((y_ball!=10)&&(clk_count)&&(x_ball!=10)) begin
x_ball<=x_ball-1;y_ball<=y_ball-2; flag_x<=0;flag_y<=0; end
else if((y_ball==10) ||( x_ball==10)) begin flag_x<=0;flag_y<=0;end
3'b111:if((y_ball!=420)&&(clk_count)&&(x_ball!=10)) begin
x_ball<=x_ball-1;y_ball<=y_ball+2; flag_x<=0;flag_y<=1; end
else if((y_ball==420) ||(x_ball==10)) begin flag_x<=0;flag_y<=1;end
endcase
end
else
begin
x_ball<=240;
y_ball<=120;
end
end

状态切换同样依据 flag_x/flag_y 与当前碰撞边界：

always @ (posedge clk_25m)
if(rst)
begin
if ((flag_x==0)&&(flag_y==0)&&(x_ball==10)) state<=3'b000;
else if((flag_x==1)&&(flag_y==0 )&&(y_ball==10)) state<=3'b001;

else if((flag_x==1)&&(flag_y==1)&&(x_ball==390)) state<=3'b010;
else if((flag_x==0)&&(flag_y==1)&&(y_ball==420)) state<=3'b011;
else if((flag_x==0)&&(flag_y==1)&&(x_ball==10)) state<=3'b100;
else if((flag_x==1)&&(flag_y==1)&&(y_ball==420)) state<=3'b101;
else if((flag_x==1)&&(flag_y==0)&&(x_ball==390)) state<=3'b110;
else if((flag_x==0)&&(flag_y==0)&&(y_ball==10)) state<=3'b111;
else state<=state;
end
else state<=3'b011;
endmodule

弹球为什么用 1:2 的步进

x 方向每拍走 1 个像素、y 方向每拍走 2 个像素，且运动节拍受 clk_count 门控（每若干帧走一步），这样弹球速度才适合人眼观察。另外注意状态机里 y 方向在「上升」时是减、在「下降」时是加，屏幕坐标系 y 轴向下，别和数学坐标系搞混。

实验仿真

根据描述语言进行仿真测试，分析波形。

管脚约束

set_pin_assignment { b } { LOCATION = E13; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { clk } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { g } { LOCATION = N6; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { hs } { LOCATION = E7; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { ps2_clk } { LOCATION = M16; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { ps2_dat } { LOCATION = K16; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { r } { LOCATION = D5; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { rst } { LOCATION = A2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { spk_kk } { LOCATION = H11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { vs } { LOCATION = F7; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }

ps2_clk、ps2_dat 都配了上拉，这是 PS/2 接口开漏特性的要求；r/g/b、hs/vs 是 VGA 的六根模拟接口线。

下载测试

将 PS/2 键盘连接扩展模块 PS/2 接口，VGA 连接开发板 VGA 接口；
将连接线连接至学习板的 USB 下载端口，并连接计算机的 USB 接口后，给板上电，进行程序下载；
程序下载完毕后 KEY1 复位，显示屏跳出字符，根据字符敲打键盘对应字符，看屏幕出现什么效果：打对时阿狸图案变色、下方进度条前进一格，通关后出现蜡笔小新庆祝动画。

KEY1复位 BUZ/SW拨上蜂鸣器工作

现象与总结

这个实验把三个「零件」拧成了一台机器：PS/2 解码提供输入，VGA 扫描提供画布，弹球状态机提供游戏逻辑。最重要的设计思想有两点——一是一切显示都是坐标区间判断，只要会划分 (x_cnt, y_cnt) 区域就能画边框、进度条、点阵图案；二是用状态机描述运动，把「方向 + 反弹」编码成 8 个状态，让随机字符像弹球一样动起来。这两招组合起来，你就可以自己设计任何简单的屏上小游戏了。

自测

自测

打字游戏整体分为哪几个模块？各模块的职责是什么？

PS/2 键盘的扫描码是如何被解码成字符序号的？解码时为什么要在 25MHz 时钟域对 ps2_clk 打两拍？

程序中 hs 与 vs 分别在什么计数区间被拉低？对应 640×480@60Hz 时序的哪一段？

打对字符后屏幕上会发生哪两件事？x_block 计数到多少表示通关？

模可控计数器如何控制音调？为什么「分频系数不变、计数脉冲频率翻倍」音调就升高八度？

description	PS/2 键盘输入与 VGA 显示联动，用状态机实现弹球式打字小游戏。
tags	移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

嵌入式开发之路

探索

🕹️ PS/2 + VGA 打字游戏：输入输出综合实战

实验目的

实验原理：整体框图

点阵思想与随机字符

键盘比对逻辑

背景音乐：音调与音长

实验程序：控制模块

PS/2 键盘解码

进度条与命中判断

屏幕区域划分与上色

弹球运动状态机

实验仿真

管脚约束

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现象与总结

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