引言

今天继续常春藤名校之一——康奈尔大学的FPGA课程ECE 5760典型案例分享：基于DE1-SOC开发板的太空射击游戏。

1. 项目概述

项目说明

该项目是在DE1-SoC FPGA平台上开发一个名为“太空射击”的实时游戏，利用系统的ARM+FPGA功能，“太空射击”使用内存映射I/O在VGA显示器上输出图形，并直接与硬件组件交互以实现响应式游戏体验。玩家通过键盘输入控制飞船移动并发射子弹攻击屏幕上的敌人，游戏实时跟踪玩家得分和碰撞检测。

该实现强调高效利用硬件资源、精确的定时以实现流畅动画以及有效的碰撞检测算法，以确保游戏的吸引力和动态性。

使用的硬件：

该系统的功能框图如下：

2.数学背景

《太空射击》项目涉及几个关键的数学概念和技术：

• 几何坐标：

◦ 屏幕坐标：游戏屏幕由一个坐标系统定义，左上角为（0,0），x轴向右增加，y轴向下增加。玩家和敌人的位置使用（x,y）坐标进行跟踪。

◦ 移动：玩家的飞船和子弹通过更新它们的（x,y）坐标来移动。例如，按下'a'键会减少飞船的x坐标，使其向左移动。

• 碰撞检测：

◦限界框碰撞：子弹与敌人之间的碰撞检测基于轴对齐限界框（AABB）碰撞检测。算法检查两个对象的包围盒是否重叠。

◦ 对于子弹击中敌人，以下条件必须成立：

子弹x ≤ 敌人x + 敌人尺寸

子弹x + 子弹大小 ≥ 敌人x

子弹y ≤ 敌人y + 敌人大小

子弹y + 子弹大小 ≥ 敌人y

• 向量数学：

◦ 方向和速度：子弹的运动通过固定量更新其y坐标来模拟运动。这可以表示为：

子弹y = 子弹y - 子弹速度

此公式确保子弹以恒定速度向上移动。

• 时间控制和延迟：

◦ 帧率控制：游戏循环包括一个延迟以控制帧率，确保平滑的动画和游戏玩法。延迟使用`usleep`设置：

usleep(100000)

这提供了100毫秒的延迟，实现每秒约10帧的帧率。

• 几何变换：

◦ 缩放和平移：敌人的位置被缩放和平移以创建不同的运动模式。例如：

enemies[i].px = *(enemy_pos_x_ptr) + 20 × i

此公式调整每个敌人的x位置以创建间距。进一步的变换涉及修改它们的位置以实现更复杂的运动。

• 圆形几何：

◦ 绘制圆：`VGA_disc`函数使用圆的方程绘制敌人和玩家子弹。对于以（x,y）为中心、半径为r的圆，所有满足以下条件的点（px,py）都是圆的一部分：

(px - x)^2 + (py - y)^2 ≤ r^2

• 计分和时间追踪：

◦ 计分计算：玩家每次击中敌人得分增加100分：

score += 100

◦ 时间测量：自游戏开始以来经过的时间使用`gettimeofday`函数计算，该函数提供当前时间的秒数和微秒数。使用的时间为：

time_used = end.tv_sec − start.tv_sec

太空射击游戏结合了这些数学原理，创造出一个引人入胜且动态的游戏体验。从用于运动和碰撞检测的坐标几何和向量数学到用于平滑动画的时间控制，这些数学概念构成了游戏实现的基础。

3. 硬件设计和软件设计

FPGA端Qsys系统如下：

HPS端要处理的操作有：

移动玩家的飞船

火球子弹

开始和停止游戏

重置游戏

显示和更新评分

跟踪和显示时间耗尽