USB2.0接口傳輸的FPGA控制系統
——由PC機控制8乘8點陣實現五子棋游戲

王振紅 王子龍 金曉文 蔡昕蘢 齊林 崔伯棟 張振佳 北方工業大學

USB2.0接口傳輸的FPGA控制系統
——由PC機控制8乘8點陣實現五子棋游戲

王振紅 王子龍 金曉文 蔡昕蘢 齊林 崔伯棟 張振佳 北方工業大學

Cypress公司生產的EZ-USB FX2LP系列CY7C68013A芯片的主要功能是通過USB口實現P C機與外部設備的通訊，并滿足USB2.0的通信要求。本系統可通過PC機的可執行程序產生數據，經由CY7C6801A3芯片傳輸至外設FPGA中，最終實現由PC端操作并由FPGA端顯示的五子棋游戲系統。

USB2.0；FPGA；CY7C68013A；串行接口

1.PC機控制的五子棋游戲系統結構

此系統為基于CY7C68013A芯片的數據交換系統，通過PC機的可執行程序，模擬五子棋游戲的真實環境。由PC端構建游戲數據，利用CY7C68013A芯片，將五子棋棋盤在FPGA連接的8×8點陣上顯示。PC機控制的五子棋游戲系統的結構圖如圖1.1所示。

圖1.1

2. FPGA部分

本系統的FPGA部分，采用ALTERAEPM7128SLC84-15芯片。EPM7128系列是可編程的大規模邏輯器件，為ALTERA公司的MAX7000系列產品，具有高阻抗、掉電可存儲等特點，可用門單元為5000個，管腳間最大延遲為5ns，工作電壓為+5V。芯片內控制單元使用V H D L語言編寫。VHDL的程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統）分成外部（或稱可視部分及端口)和內部（或稱不可視部分）即涉及實體的內部功能和算法完成部分。

圖2.1 CY7C68013A與FPGA及8×8點陣連接框圖

CY7C68013A向PFGA傳輸12位邏輯矢量，在FPGA中轉換成3組8位邏輯矢量，其中兩組輸出GA7-0，RA7-0，一組輸出ROW IN7-0。通過24位邏輯矢量驅動8×8點陣顯示棋盤。CY7C68013A與FPGA及8×8點陣連接框圖如圖2.1所示。

圖2.2 VHDL外接紅綠雙色24管腳8×8LED燈點陣及驅動電路

ALTERA-EPM7128SLC84-15外接紅綠雙色24管腳8×8LED燈點陣及驅動電路如圖2.2所示。

3. CY7C68013A部分

CY7C68013A集成了USB 2.0收發器、SIE（串行接口引擎）、增強的8051微控制器以及可編程的外部接口。本系統采用CY7C68013A的SSOP封裝，其管腳如圖3.1所示。

圖3.1 CY7C68013A管腳

管腳PB7-0、PD3-0與FPGA連接，作為FPGA的輸入口；XTALIN、XTALOUT與24MHZ晶振連接，DPLUS、DMINUS與USB電纜線的D+、D-連接，其余管腳按Cypress官方所給的連接方法接線，這里不再贅述。

4.傳輸程序部分

4.1 驅動程序：采用了CyPress公司的通用驅動程序ezusb.sys，完全能夠滿足本系統設計的要求。在驅動程序被系統加載后，它的許多進程處于Idle狀態，需要應用程序去調用激活。應用程序利用Win32API直接調用驅動程序，實現應用程序和驅動程序的信息交互。應用程序實現了數據下載和數據上傳兩個功能，在Windows操作系統中，只需要通過調用幾條簡單的文件操作API函數就可以實現與驅動程序中USB設備通信。

4.2 CY7C68013A：在CyPress公司的程序框架下添加自定義請求（PC機應用程序調用E Z-U S B的專用函數，可向CY7C68013A芯片發送請求，芯片接受請求后調用相應函數）讀取PC機數據，并向FPGA部分傳輸。

4.3 PC端應用程序的傳輸部分：向CY7C68013A發送請求。請求被響應后，每次由PC機向CY7C68013A發送數據，CY7C68013A自動接收并調用相應函數處理。

5.游戲程序部分

五子棋的棋具與圍棋相同，棋子分為黑白兩色，棋盤為15×15，棋子放置于棋盤線交叉點上。兩人對局，各執一色，輪流下一子，先將橫、豎或斜線的5個或5個以上同色棋子連成不間斷的一排者為勝。為了節約設備資源，用8×8雙色LED點陣作為外部設備代替15×15棋盤，并編寫了8×8五子棋的專用算法。由于FPGA的內存資源有限，數據存儲、處理程序用C語言程序實現，并以可執行文件的方式在PC機上運行，FPGA用于數據輸出。

5.1 游戲算法

1)棋盤：設 8×8無符號整數型數組a[8][8],數組中每一位代表棋盤的一個交叉點。數組的某位為0時，代表無子狀態；為1時，代表有紅子；為2時，代表有綠子。

2)光標：設定8×8無符號整數型數組i[8][8],與a[8][8]類似，光標指向某位時(以i[y][x]為例)，按下落子鍵，若此位的數組a[y][x]為0，則將此位置為1或2。

3)按鈕上、下、左、右、紅落子、綠落子：在應用程序界面設定按鈕，完成改變光標位置、將a[x][y]置數的功能。

（4)判勝：每次落子后，用二維循環程序掃描棋盤a[8][8],出現橫、豎、斜連續5次為1或為2的情況，則在程序界面輸出勝利提示。

（5)數據整形、發送：設定無符號整數PD、PB，將PD、PB看作二進制數組，用循環語句控制PD在0x00至0x0F范圍內累加循環。PD的二進制最低位為0時，掃描a[PD/2][7]至a[PD/2][0]中1的個數與位置（掃描時額外添加算法語句，使光標數組i [x][y]即作為1判斷，也作為2判斷），以邏輯矢量的格式存入PB中；PD的二進制最低位為1時，掃描并在PB中保存2的個數與位置。每次改變PD,向CY7C68013A發送一次數據。

5.2 FPGA邏輯

將PD的最低位PD0作為顏色選擇信號，為0時，FPGA將PB寫入RA7-0，并將GA7-0置為低點平;為1時，寫入GA7-0,并將RA7-0置為低點平。PD3-1經過3-8線譯碼器、非門，與Row7-0連接，作為點陣行選擇線。

結論

至此，已經形成了完整的由USB2.0接口傳輸的FPGA控制系統。根據不同的設計要求，編寫相應的應用程序與FPGA邏輯，可制成不同功能的傳輸系統。這里用五子棋游戲程序來驗證系統的可用性。事實證明，游戲程序在此系統之上運行良好無誤。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.20.033