FPGA学习笔记-拔河游戏电路设计

要求：
设计拔河游戏电路，用按键与LED表示输入与输出。

（1）初始时，16个LED中间的两个点亮，然后游戏双方不停按动按键，点亮的两个LED向按动按键慢的一方移动；

（2）每按动一下按键，LED向对方移动一格；

（3）只要LED移动到头，游戏结束；

（4）工作时钟100Hz即可；

1 翻译

16 个 LED 上有两颗相邻亮点（一段“绳子中心标记”），两个人分别按左右按键：

• 左边玩家按一下→ 亮点整体向右移动 1 格（朝对方移动）

• 右边玩家按一下→ 亮点整体向左移动 1 格

• 亮点移动到最左/最右边界 →游戏结束
  题目里“向按键慢的一方移动”就是在描述：谁按得少/慢，中心就会被对方“拉”向自己这边。

2 4个关键技术点

1. 时钟：板上一般 50MHz/100MHz，但题目说“工作时钟 100Hz 即可”
   → 用分频做一个100Hz tick（10ms 一拍）用于按键扫描/游戏逻辑。

2. 按键消抖：机械按键会抖动，不消抖会一次按出很多下
   → 10ms 扫描下，用“连续 N 次采样一致”当作稳定。

3. 边沿检测：只想要“一次按下=一个脉冲”
   → 稳定后的按键做pressed_pulse（上升沿/下降沿取决于按键高低有效）。

4. 位置寄存器：用一个数pos表示“两颗亮点里左边那颗LED的位置”

• LED 共 16 个，编号 0..15

• 两颗相邻亮点 =led[pos]和led[pos+1]

• 初始中间两颗亮：pos=7（亮 7 和 8）

边界：pos只能在 0..14

• 到pos=0（亮 0,1）或pos=14（亮 14,15） → game_over

3 游戏逻辑（核心，写成规则翻译成代码）

在每个tick_100hz时刻：

• 若game_over=1：保持不动（可选：闪烁）

• 否则：

  • left_pulse=1且right_pulse=0→pos = pos + 1

  • right_pulse=1且left_pulse=0→pos = pos - 1

  • 两个都按/都不按 → 不动（公平，建议这样写）

• 更新后若pos==0 || pos==14→game_over=1
  这套规则和题目(2)(3)完全对齐，而且实现简单稳定。

4 代码

通过网盘分享的文件：tug_game.v.zip
链接: https://pan.baidu.com/s/1LLpMb-XqueEtLLwRipXWEQ 提取码: 1234

默认按键低有效（没按=1，按下=0），LED 默认高有效（1 亮）。如果你板子相反，改参数就行。

5 个文件：

• clk_tick.v：分频产生 100Hz tick

• key_debounce_edge.v：按键消抖 + 按下脉冲（1 次按下=1 个 pulse）

• tug_game.v：拔河核心逻辑（pos + game_over + 可选闪烁）

• led_encode.v：pos→16LED 两点亮

• tug_top.v：顶层连接

• tb_tug_top.v：测试平台

5 仿真结果

5.1错误1

5.1调试

波形里同时观察：

• tick_100

• left_pulse

• pos

你会发现现象是这种错位：

• tick_100在某一拍为 1

• left_pulse反而是在tick_100 后一拍才冒出来（或者反过来）
  → 所以pos一直不动。

原因：

pos 不加 1 的原因基本可以锁定了：
tug_game是在if (tick_100)这 1 个 clk 的瞬间更新 pos，但left_pulse在另一个 always 块里同一拍才“生成出来”，tug_game那一拍读到的还是旧值 0。
到下一拍left_pulse才变成 1，但此时tick_100已经回到 0，于是if(tick_100)不成立——这一按键就被“错过”了。

这就是典型的：单周期脉冲 + 不同 always 块 + 还用 tick 再门控 导致的漏采样。

5.2结果分析

仿真开始后，系统首先经历复位阶段，rst_n处于无效状态时，各寄存器被初始化：位置寄存器pos被置为7(4'b0111)，表示初始亮点位于 LED 的中间区域；同时game_over为0，表明游戏未结束；显示控制blink初始为1，允许 LED 正常显示。由此，输出led对应出现两颗相邻点亮，且与pos=7相一致（即led[pos]与led[pos+1]置亮），体现了“初始时 16 个 LED 中间两个点亮”的题目要求。

进入正常工作后，系统内部节拍信号tick_100按 100Hz 周期性产生窄脉冲，用作按键消抖模块的采样时钟。此时，原始按键输入key_left在测试平台驱动下呈现周期性“按下—松开”的动作序列；由于按键消抖采用“连续多次采样一致才判稳”的策略，稳定状态信号left_stable并不会与key_left同步瞬变，而是在连续若干次tick_100采样确认后才翻转。当left_stable从 0 变为 1 的瞬间，消抖模块输出一次性事件脉冲left_pulse（单次按动仅产生一个脉冲），该脉冲作为“有效按键事件”的唯一标志供游戏逻辑使用。

在每次left_pulse出现后，游戏核心逻辑立即对位置寄存器pos执行加 1 更新，表现为pos从初始的0111(7)依次递增为1000(8)、1001(9)、1010(10)、1011(11)、1100(12)、1101(13)、1110(14)，位置变化呈现严格的“一次按动移动一格”的离散步进特性。与此同时，LED 输出led也同步更新：两颗相邻亮点随pos的递增整体向右平移，且始终保持“相邻两灯同时点亮”的规则，即每次位置变化后，亮点从(pos,pos+1)平移到(pos+1,pos+2)，实现了“亮点按按键向对方移动”的题目要求。

当pos递增到14(4'b1110)时，亮点已经抵达最右边界（点亮 LED14 与 LED15），此时逻辑触发结束条件：game_over由 0 置为 1，系统进入“游戏结束锁定态”。在锁定态下，即使后续仍出现按键动作与脉冲事件，位置寄存器pos也不再更新，保持在边界值不变，从波形上可见pos在达到1110后保持恒定，符合题目“只要 LED 移动到头，游戏结束”的要求。

此外，由于设计中启用了结束闪烁功能（BLINK_ON_OVER=1），在game_over=1之后，显示控制信号blink开始按设定频率翻转，从而使 LED 显示呈现周期性明灭效果：当blink=1时 LED 正常显示边界亮点；当blink=0时 LED 输出被整体熄灭或显示抑制。该现象在波形后段可以观察到blink的翻转变化，进一步证明“结束后进入提示状态（闪烁）”的逻辑链路工作正常。

综上，该波形完整覆盖并验证了关键功能链路：复位初始化 → tick_100 采样消抖 → 按下事件生成 left_pulse → pos 单步移动 → LED 两点同步平移 → 到达边界置位 game_over 并锁死 → 结束闪烁提示，符合拔河游戏课设的功能要求。