小引：

据我了解，目前国内很多大学是没有开设FPGA相关课程的，所以很多同学都是自学，但是自学需要一定的目标和项目，今天我们就去看看常春藤盟校Cornell University 康奈尔大学开设的FPGA项目课程，大部分课程是有源码的，而且和国内使用习惯类似都是Verilog开发，还是很有借鉴意义的。

项目链接

https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/

项目介绍

2024年春季开发板：CycloneV DE1-SoC

太空射击游戏

项目介绍

本项目旨在利用DE1-SoC FPGA平台及其ARM/FPGA功能，开发一款名为“太空射击”的实时游戏。“太空射击”采用内存映射I/O技术，在VGA显示器上输出图形，并直接与硬件组件交互，实现流畅的游戏体验。玩家通过键盘输入控制飞船移动，并向屏幕上的敌人射击。游戏实时追踪玩家得分并进行碰撞检测。该实现方案注重硬件资源的高效利用、精确的动画时序控制以及有效的碰撞检测算法，以确保游戏的沉浸感和动态性。

数学背景

“太空射击游戏”项目涉及多个数学概念和技术，这些概念和技术对其开发和功能至关重要。以下是其中涉及的关键数学要素：

坐标几何：

屏幕坐标：游戏屏幕由一个坐标系定义，其中左上角为 (0,0)，x 轴向右递增，y 轴向下递增。玩家和敌人的位置均使用 (x, y) 坐标进行追踪。
移动：玩家的飞船和子弹通过更新其 (x, y) 坐标来移动。例如，按下“a”键会减小飞船的 x 坐标，使其向左移动。

碰撞检测：

边界框碰撞检测：子弹与敌人之间的碰撞检测基于轴对齐边界框（AABB）碰撞检测。该算法检查两个物体的边界框是否重叠。
子弹要击中敌人，必须满足以下条件：

子弹.x ≤ 敌人.x + 敌人.size

子弹.x + 子弹.size ≥ 敌人.x

子弹的 y 轴 ≤ 敌人的 y 轴 + 敌人的大小

子弹.y + 子弹.大小 ≥ 敌人.y

向量数学：

方向和速度：子弹的运动涉及对其 y 坐标进行固定量的更新，从而模拟运动。这可以用向量加法表示：

子弹的 y 坐标 = 子弹的 y 坐标 - 子弹速度

该公式确保子弹以恒定速度向上运动。

时间安排和延误：

帧率控制：游戏循环中包含一个延迟来控制帧率，以确保动画和游戏运行流畅。延迟通过 usleep 函数设置：`

usleep(100000)`。

这将提供 100 毫秒的延迟，从而实现大约每秒 10 帧的帧率。

几何变换：

缩放和平移：敌人的位置会进行缩放和平移，以创建不同的移动模式。例如：

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

此公式调整每个敌人的 x 坐标，从而在它们之间创建间距。更进一步的变换涉及修改敌人位置的条件，以实现更复杂的移动。

圆形几何：

绘制圆：VGA_disc 函数使用圆的方程来绘制敌人和玩家的子弹。对于一个以 (x, y) 为圆心、半径为 r 的圆，所有满足以下条件的点 (px, py)：( px − x)^2 + (py − y)^2 ≤ r^2

都是该圆的一部分。

评分和时间跟踪：

得分计算：玩家每击中一个敌人，得分增加100分，计算公式为：

得分 += 100

时间测量：游戏开始至今所经过的时间使用 gettimeofday 函数计算，该函数提供当前时间（以秒和微秒为单位）。已用时间计算公式为：

time_used = end.tv_sec − start.tv_sec

摘要：《太空射击》游戏融合了这些数学原理，打造出引人入胜、动感十足的游戏体验。从用于运动和碰撞检测的坐标几何和向量数学，到用于流畅动画的时序控制，这些数学概念构成了游戏实现的核心。

RTL设计

这个项目基于 FPGA 实现了一个完整的《太空射击游戏》，核心由 VGA 控制器、游戏对象位置更新、碰撞检测、计分以及 HPS 软件控制组成。VGA 控制器负责根据当前游戏状态生成图像，并通过并行处理和组合逻辑完成像素绘制、坐标及颜色计算；玩家和敌人的位置则根据输入、速度和预设运动模式实时更新，同时加入边界检测，保证游戏对象始终处于有效区域。

在游戏逻辑方面，项目采用边界框碰撞检测判断玩家、敌人和子弹之间的重叠，并在碰撞发生后同步更新敌人状态、子弹状态以及玩家得分。系统还通过内存映射 I/O将 VGA 字符/像素缓冲区以及敌人位置寄存器映射到 HPS 地址空间，使软件能够直接访问 FPGA 硬件；键盘输入由独立线程处理，主游戏循环则负责统一协调位置更新、碰撞检测、计分和画面渲染，并通过定时机制维持稳定的游戏帧率。

HPS太空射击游戏设计

在“太空射击游戏”中，HPS 主要负责用户交互和游戏状态管理。玩家可以通过键盘控制飞船移动、发射子弹，以及启动、暂停和重置游戏，同时实时显示分数和游戏时间。HPS 通过 GPIO 和内存映射 I/O 与 FPGA 硬件进行通信，读取和更新玩家、敌人的位置以及 VGA 显示内容；键盘输入则由独立线程处理，保证游戏能够及时响应。整体上，HPS 负责输入、控制和状态管理，FPGA 负责图形渲染和实时游戏逻辑，两者共同完成完整的游戏系统。

结果与测试

为了验证“太空射击游戏”项目的功能和性能，记录了系统运行的各个方面并收集了性能指标。虽然照片本身无法完全展现实现的有效性，但我们提供了一些关键图片来说明具体结果。演示视频位于页面的演示部分。

视频和图片展示了游戏的主要特色，包括：

实时玩家移动和控制
子弹发射和碰撞检测
敌方行动与互动
得分和时间跟踪

这些要素突显了系统实时处理输入和更新游戏状态的能力，从而确保流畅且引人入胜的用户体验。

项目链接

https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/s2024/hgh36_kd496_ma2339_lz566/hgh36_kd496_ma2339_lz566/project.html

代码链接

https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/s2024/hgh36_kd496_ma2339_lz566/hgh36_kd496_ma2339_lz566/project.html_a

视频链接

https://youtu.be/1R6PA-tOjBY?si=Qba0tM9Vm2tj8DE-

格子玻尔兹曼钓鱼游戏

在这个项目中，构建了一个基于流体模拟的钓鱼游戏，并在 Dec1-Soc 开发板上使用两种不同的硬件加速方案实现了该游戏。使用格子玻尔兹曼算法对流体进行建模，因为它能够很好地近似流体物理特性，并且易于在 FPGA 上并行化。本项目的主要挑战在于为流体模拟创建一个硬件加速器，使其更接近实时，更适合游戏玩法。两种加速器分别实现了 1.2 倍和 53 倍的加速，而资源限制因素是内存。

数学背景

格子玻尔兹曼算法的开发是为了替代传统的计算流体动力学（CFD）方法。传统的CFD方法通常通过求解纳维-斯托克斯方程来模拟流体物理，而格子玻尔兹曼算法的出现是为了加快模拟速度，缩短模拟时间。在该算法中，流体被假定为由虚拟粒子组成的网格，这些粒子执行两种操作：流动和碰撞。这些虚拟粒子与9个密度相关联，这些密度量化了粒子密度在未来处于9种可能状态之一的趋势，每种状态代表一个可能的运动方向，即北、南、东、西、西北、东北、西南、东南和零（静止粒子）。

在流的过程中，这些密度会沿着与其相关的方向在晶格中传播，即，一个粒子的东向密度会复制到它右边粒子的东向密度，西向密度会复制到它左边粒子的西向密度，依此类推，如下图所示。

这种行为可以用数学公式描述如下：

在碰撞过程中，经过粒子流处理后得到的9个新的密度值会在每个粒子中进行调整，以保持质量和动量守恒。这种行为的数学描述如下：

这个项目采用 ARM + FPGA 异构架构实现流体模拟游戏。ARM 主要负责游戏运行、用户输入和任务调度，FPGA 则将计算量较大的碰撞运算、流式处理、飞船移动和 VGA 颜色更新等任务硬件化。项目还采用 2.25 定点格式表示振幅数据，在精度、DSP 和存储资源之间进行权衡。

项目重点比较了两种加速方案。第一种方案使用片外 SDRAM 存储较大的晶格，ARM 负责流式处理，仅将碰撞计算卸载给 FPGA，优点是能够支持更大的游戏区域、代码也相对简单，但串行内存访问和 ARM-FPGA 通信带来了明显开销。第二种方案则将密度、速度和颜色数据全部放入 FPGA 的 M10K 中，并通过多个 FSM 分别执行初始化、碰撞、流式传输、飞船移动和 VGA 更新，ARM 只负责调度。最终，第二种硬件化方案相比 ARM 实现获得了约 53 倍加速，主要得益于片上 SRAM 更快的访问速度、13 个 M10K 的并行访问以及 FPGA 内部的并行计算。由于加速效果过于明显，系统甚至需要在 ARM 端人为加入 1000 μs 延迟来控制游戏速度。

资源利用

加速器 1

加速器2

项目链接

https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/s2024/sa2236_qx95/5760website_sa2236_qx95/index.html

代码链接

https://github.com/Siddhant-Ahlawat/fluid-simulation-accelerator-based-on-lattice-boltzmann-algorithm.git

视频链接

https://youtu.be/kUcm6xsBcNg?si=E3R3DcPeYqBmT60x

FPGA 数独谜题求解器

利用FPGA解决数独难题，并配以简洁优雅的用户界面，使用户能够与数独网格进行交互。选择这个项目是为了充分利用FPGA的快速处理能力，为数独爱好者打造一个引人入胜的互动平台。数独不仅能带来娱乐，还能提升解决问题和批判性思维等认知能力。

在我们的实现方案中，用户可以通过鼠标和键盘控制数独网格。利用FPGA上的回溯算法高效地求解数独。片上CPU在FPGA的辅助下，将数独网格显示在VGA屏幕上，使用户能够输入数字并直观地查看数独结果。FPGA实时处理求解过程，更新网格并提供即时反馈。

数独是一种广受欢迎的数学游戏。最基本、最广为人知的数独游戏由一个 9×9 的方格组成，部分方格中已预先填入数字。游戏的目标是填满剩余的方格，使每一行、每一列以及九个 3×3 的子方格都恰好包含数字 1 到 9 各一次。解题的关键在于利用方格中已有的数字作为线索来推断可能的解法。下图展示了一个世界上最难的数独谜题示例。它极具挑战性，因为只有一个解，而谜题提供的线索却非常有限。

顶层设计

这个项目是一个基于 FPGA 的数独游戏/求解器，通过 HPS、FPGA 和 VGA 显示组成完整的互动系统。HPS 负责将数独题目发送到 FPGA，同时通过 VGA 界面将题目和求解过程呈现给用户；FPGA 内部则由控制单元、更新单元和检查器协同工作，对数独进行自动求解。

在求解过程中，系统采用经典的回溯算法，从空白单元格开始依次尝试 1～9，并检查数字是否满足行、列以及 3×3 子网格的约束。如果当前选择无法继续得到有效解，就回退到之前的单元格尝试其他数字，直到找到完整解或确定无解。硬件设计中使用 81 个寄存器保存数独网格，并额外保存待更新的空白单元格信息，在硬件资源和求解效率之间进行了权衡。整体来看，该项目将数独游戏、VGA 可视化、FPGA 硬件求解和 HPS 控制结合起来，展示了 FPGA 在逻辑搜索类应用中的硬件加速能力。

硬件设计

这部分主要介绍了数独求解器的硬件结构和模块之间的协同方式。整个设计由控制单元、数独寄存器、更新器和检查器四个核心模块组成：控制单元负责协调各模块的工作流程，数独寄存器保存 81 个单元格的当前状态，更新器负责根据回溯过程修改数独数据，而检查器则负责判断当前填入的数字是否满足行、列和 3×3 宫的约束。通过这种模块化设计，可以将数独求解过程拆分成明确的硬件功能单元，并分别进行设计和测试。

其中，HPS 与 FPGA 之间通过 Qsys 端口进行通信，HPS 负责将数独题目送入 FPGA，同时 FPGA 将求解过程中的状态通过相应接口进行交互。更新器和检查器之间不断传递控制信号，形成“更新 → 检查 → 回溯 → 再更新”的求解流程；数独寄存器则作为核心数据存储区域，为整个求解过程提供状态保存。整体结构体现了将传统软件回溯算法拆解成 FPGA 中多个硬件模块的设计思路，从而实现数独的硬件化求解。

软件设计与实现

这一部分主要介绍数独游戏的 HPS 软件设计和 FPGA 通信流程。系统基于 DE1-SoC 的 ARM Cortex-A9 HPS 运行 Linux 和 C 程序，负责 VGA 界面绘制、鼠标键盘输入以及游戏状态管理。软件通过外部 SDRAM 作为 VGA 帧缓冲区，并使用 drawPixel、drawLine、drawRectangle、drawDisk 等函数完成数独网格和数字的显示，同时通过 USB 鼠标和键盘实现类似纸笔操作的交互方式。用户可以在网格中输入、删除数字，并在用户模式和 FPGA 求解模式之间进行切换。

在 FPGA 模式下，HPS 通过 Qsys 端口将 81 个数独单元的数据逐个发送到 FPGA，并通过启动和完成信号控制数据传输；FPGA 完成求解后，再由 HPS 根据状态信号读取结果，并将最终数独重新显示在 VGA 屏幕上，同时显示 FPGA 的处理时间。整个软件采用持续运行的主循环，不断处理鼠标、键盘输入并刷新 VGA 画面，从而形成完整的“用户输入 → HPS 管理 → FPGA 求解 → HPS 读取结果 → VGA 显示”交互流程。

资源使用情况

该图显示了我们使用的所有资源。

下图展示了我们求解器的芯片规划器。图中展示了所有可用资源，深蓝色区域突出显示了当前正在使用的资源。值得注意的是，可用资源非常丰富，这表明有足够的空间进一步实现并行求解器。这一发现提示我们，通过利用额外的并行处理能力，可以提高求解器的效率和可扩展性。

项目链接

https://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece5760/FinalProjects/s2024/kg535_yl3726_dt538/kg535_yl3726_dt538/index.html

代码链接

https://github.com/dengyutu/CU-Project-FPGA-Sudoku-Solver

视频链接

https://youtu.be/6yiWjeeNqF0?si=CDAxelN73wC2PzB9

总结

本文整理了康奈尔大学 2024 年春季 ECE5760 课程基于 CycloneV DE1-SoC 开发板的 3 个 FPGA 实战项目，全部采用 Verilog 开发，具体项目如下：

《太空射击游戏》：本项目基于 DE1-SoC 平台实现了一款完整的 FPGA 实时射击游戏，通过 ARM HPS 与 FPGA 协同完成用户交互、游戏逻辑和 VGA 图形显示。HPS 运行 C 程序负责键盘输入、游戏状态管理、得分与时间统计，并通过内存映射 I/O 与 FPGA 进行通信；FPGA 则负责 VGA 像素绘制、玩家与敌人位置更新以及碰撞检测等实时任务。项目采用坐标几何、AABB 边界框、向量运动和定时控制等方法实现游戏机制，同时利用并行处理和组合逻辑提高硬件执行效率，最终实现了玩家移动、射击、敌人交互和实时计分等功能。

格子玻尔兹曼钓鱼游戏：本项目基于 DE1-SoC 平台，将格子玻尔兹曼方法（LBM）应用于流体模拟游戏，并探索了 ARM+FPGA 两种不同的硬件加速方案。第一种方案主要由 ARM 负责流式计算，仅将计算量较大的碰撞操作卸载到 FPGA；第二种方案则进一步将密度、速度和颜色数据存储到 FPGA 的 M10K 片上存储器中，并通过多个 FSM 对初始化、碰撞、流式传输、飞船移动和 VGA 颜色更新进行硬件化处理。最终，第二种方案相比 ARM 实现获得了约 53 倍加速，体现了片上 SRAM 高速访问、多 M10K 并行读写以及 FPGA 并行计算在流体模拟中的优势，同时也展示了 FPGA 在实时物理仿真和游戏加速方面的应用潜力。

FPGA 数独谜题求解器：本项目将经典数独游戏与 FPGA 硬件求解相结合，基于 DE1-SoC 的 ARM Cortex-A9 HPS、FPGA 和 VGA 显示构建了一个完整的交互式数独平台。HPS 运行 Linux 和 C 程序，负责 VGA 界面绘制、鼠标键盘输入以及数独数据管理，用户可以像在纸面上解题一样输入和修改数字；FPGA 内部则由控制单元、数独寄存器、更新器和检查器组成，通过回溯算法不断尝试数字，并检查行、列和 3×3 子宫的约束，直到找到有效解。HPS 与 FPGA 之间通过 Qsys 端口进行数据交换，最终形成“用户输入—HPS 管理—FPGA 求解—结果回传—VGA 显示”的完整流程，展示了 FPGA 将传统搜索算法进行硬件化实现的思路。

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