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Projeto Módulo Integrador de Sistemas Digitais - Problema 03.

Projeto produzido a ser avaliado pela disciplina de M.I Sistemas Digitais da Universidade Estadual de Feira de Santana.

🖥️Implementação do jogo Breakout em linguagem C para exibição no monitor CRT através do KIT de desenvolvimento DE1-SoC.

Sumário

• Equipe de Desenvolvimento
• Introdução
• Objetivos e Requisitos do problema
• Recursos Utilizados
• Desenvolvimento e Descrição em Alto Nível
• Descrição e Análise dos Testes e Simulações, Resultados e Discussões
• Conclusão
• Bibliografia
• Uso do projeto

Equipe de Desenvolvimento

• Douglas Oliveira de Jesus
• Emanuel Antonio Lima Pereira
• Emerson Rodrigo Lima Pereira
• Gabriel Sousa Sampaio

Introdução

O Breakout é um clássico jogo de arcade lançado pela Atari em 1976, que desafiou gerações de jogadores com sua jogabilidade simples e viciante. O jogo consiste em mover uma plataforma móvel localizada na parte inferior da tela para rebater uma bola, destruindo blocos dispostos em fileiras na parte superior da tela. Com mecânicas simples, mas desafiadoras, e uma estética retrô, o Breakout continua a ser uma referência na história dos videogames, influenciando inúmeras criações e permanecendo uma fonte de diversão atemporal até os dias de hoje.

O desenvolvimento do Breakout se deu em uma época em que a tecnologia disponível era bastante limitada em comparação com os padrões atuais. Na década de 1970, os recursos computacionais eram escassos, e os desenvolvedores enfrentaram desafios significativos ao criar jogos devido às limitações de hardware e software da época. O Breakout original foi projetado para máquinas de arcade, que tinham recursos muito mais restritos do que os sistemas de jogos contemporâneos. A programação era feita em linguagem de montagem, uma linguagem de baixo nível que permitia um controle mais direto sobre o hardware, mas que também exigia um entendimento profundo da arquitetura específica da máquina.

Dessa forma, o projeto descrito abaixo busca integrar a nostalgia do Breakout com a tecnologia moderna, utilizando o Kit de Desenvolvimento DE1-SoC, que oferece recursos como acelerômetro e botões para a interação do jogador. Neste desafio, o objetivo é desenvolver uma implementação em linguagem C, aproveitando exclusivamente os componentes disponíveis na placa FPGA. O movimento do jogador será captado pelo acelerômetro, enquanto os botões servirão para controlar o jogo, proporcionando uma experiência envolvente através da interface VGA em um monitor CRT.

Objetivos e Requisitos do problema

Desenvolver este projeto implica na criação de um jogo inspirado no clássico Breakout, utilizando o Kit de Desenvolvimento DE1-SoC. O movimento do jogador será captado pelo acelerômetro integrado no kit, proporcionando uma experiência interativa e dinâmica. A interação com o jogo, incluindo ações como iniciar, pausar e continuar, será controlada pelos botões disponíveis na placa. A interface VGA será utilizada para a visualização do jogo em um monitor CRT.

O objetivo principal deste trabalho é capacitar os discentes a programar em linguagem C para um sistema embarcado, explorando os recursos do Kit DE1-SoC. Isso envolverá a compreensão e aplicação do conjunto de instruções específicas da arquitetura, bem como a integração do acelerômetro para capturar o movimento do jogador. A interface VGA, por sua vez, será empregada para renderizar visualmente o jogo no monitor CRT, reforçando a atmosfera clássica do Breakout.

Para atingir essas metas, é crucial atender aos seguintes requisitos:

• 📝 O código deve ser escrito em linguagem C;
• 📝 O sistema só poderá utilizar os componentes disponíveis na placa FPGA DE1-SoC.

Este projeto não apenas representa um desafio técnico significativo, mas também oferece uma oportunidade valiosa para a aplicação prática de conhecimentos em programação, arquitetura de computadores e desenvolvimento de sistemas embarcados, destacando-se pela integração de dispositivos como o acelerômetro e a interface VGA para proporcionar uma experiência de jogo envolvente e nostálgica.

Recursos utilizados

• 🔧 Visual Studio Code;
• 🔧 Git e Github;
• 🔧 FPGA DE1-SoC;
• 🔧 Monitor CRT Dell E773C;
• 🔧 Linguagem C;

FPGA DE1-SoC

A DE1-SoC (Cyclone V SoC Development and Education Board) é uma placa de desenvolvimento criada pela Terasic, projetada para oferecer uma ampla gama de recursos e capacidades para aplicações de desenvolvimento (Figura 1). A DE1-SoC é baseada na família de FPGA Cyclone V da Intel (anteriormente Altera). Dentre suas principais especificações, têm-se:

• Processador:

  • O processador da placa é um dual-core ARM Cortex-A9 integrado no mesmo chip (SoC - System on Chip). Isso permite a execução de sistemas operacionais, como Linux, diretamente na placa.

• Recursos de Memória:

  • A placa possui vários tipos de memória, incluindo DDR3 SDRAM para armazenamento de dados e código, SRAM para armazenamento temporário e memória flash para armazenamento persistente:

    • SDRAM de 64 MB (32Mx16) em FPGA
    • SDRAM DDR3 de 1 GB (2x256Mx16) em HPS
    • Soquete para cartão Micro SD no HPS

• Conectividade:

  • A DE1-SoC oferece várias opções de conectividade, incluindo portas USB, HDMI, áudio, Ethernet e muito mais. Essas interfaces possibilitam a interação com periféricos e a comunicação com outros dispositivos.

• Entradas/Saídas (I/O):

  • A placa possui uma variedade de pinos de entrada/saída que podem ser configurados para se adaptar a diferentes aplicações. Isso permite a conexão de sensores, displays, botões e outros dispositivos externos.

• Periféricos Integrados:

  • A DE1-SoC inclui vários periféricos integrados, como acelerômetro, ADC (Conversor Analógico-Digital), entre outros.

• Interfaces de Expansão:

  • A DE1-SoC possui conectores de expansão, como GPIO (General-Purpose Input/Output) e headers de pinos, permitindo a conexão de placas de expansão ou a integração de módulos adicionais.

• Display VGA:

  • A placa é equipada com uma interface VGA que permite a conexão, como no caso desse projeto, a monitores CRT, proporcionando uma saída visual para projetos gráficos, como o caso do jogo Breakout.

• Botões e Interruptores:

  • A DE1-SoC possui botões e interruptores que podem ser utilizados como entradas do usuário em projetos, oferecendo uma forma de interação física.

  

Figura 1. Kit FPGA DE1-SoC e seus dispositivos.

Acelerômetro

Funcionamento geral do dispositivo

Um acelerômetro é um dispositivo que mede a aceleração experimentada por um objeto em relação à livre aceleração de queda devido à gravidade. A maioria dos acelerômetros mede a aceleração em três direções espaciais: X, Y e Z. Essa capacidade tridimensional permite a detecção de movimentos em qualquer direção. Dessa forma, sua utilidade é notável em diversas aplicações, desde dispositivos móveis (para orientação automática da tela) até carros (para acionamento de airbags) e dispositivos médicos.

Existem diversos tipos de acelerômetros, dentre eles, temos alguns mais modernos que utilizam a tecnologia MEMS (Microeletromecânica) para detectar mudanças na aceleração. Essa tecnologia envolve pequenas estruturas mecânicas em escala microscópica dentro do dispositivo. Na Figura 2 vemos as três principais estruturas presentes neste tipo de dispositivo, sendo eles: a massa de prova, o substrato e os eletrodos.

Figura 2. Principais estruturas do dispostivo.

1. Massa de Prova (Massa Móvel):

   • A massa de prova, muitas vezes chamada de massa sísmica, é um componente chave em um acelerômetro MEMS. Trata-se de uma pequena estrutura em formato de H, com dedos sensoriais que se estendem a partir dela. Essa estrutura pode se mover em resposta à aceleração.

2. Substrato:

   • O substrato é a base sólida sobre a qual outros componentes são construídos. No contexto de um acelerômetro MEMS, o substrato geralmente é feito de silício, um material amplamente utilizado na fabricação de dispositivos microeletromecânicos devido às suas propriedades mecânicas e elétricas favoráveis.

3. Eletrodos:

   • Eletrodos são estruturas condutoras que desempenham um papel crucial na operação do acelerômetro. Existem geralmente dois conjuntos de eletrodos associados à massa de prova:
     • Eletrodos de Acionamento (Drive Electrodes): Geram um campo elétrico que interage com a massa de prova, forçando-a a se mover quando há aceleração.
     • Eletrodos de Detecção (Sense Electrodes): Detectam a posição ou mudança na posição da massa de prova. A mudança na capacitância ou resistência entre os eletrodos de detecção e a massa de prova é usada para medir a aceleração.

Geralmente, os acelerômetros MEMS funcionam detectando mudanças na capacitância ou resistência de pequenos elementos mecânicos quando há aceleração. O movimento do dispositivo causa deflexões microscópicas nessas estruturas, que são então convertidas em sinais elétricos mensuráveis.

O que acontece na prática é que a massa de prova está ligada ao substrato pelas extremidades, tornando-se uma estrutura capaz de se mover para frente e para trás (Figura 3). Os eletrodos, por sua vez, são presos de maneira fixa ao substrato formando uma estrutura de pente com a massa de prova.

Figura 3. Ilustração da massa de prova ligada ao subtrato.

Quando aplicamos uma voltagem à massa de prova e aos eletrodos, enquanto os dedos sensoriais estão perfeitamente centrados, tem-se um acúmulo igual de capacitância. Quando o acelerômetro é submetido a uma aceleração, a massa de prova se move em direção aos eletrodos. Essa aproximação e afastamento altera as características elétricas (capacitância) entre a massa de prova e os eletrodos de detecção (Figura 4).

Figura 4. Ilustração da capacitância gerada pela aproximação entre a massa de prova e os eletrodos.

A capacitância é inversamente proporcional à distância (Figura 5), dessa forma quanto maior a capacitância, menor a distância e do contrário, quanto menor a capacitância ,maior será a distância. Assim, essa capacitância é registrada e passa por uma série de estágios que amplificam a carga, convertida em um sinal elétrico proporcional à aceleração e posteriormente a converte para um sinal digital.

Figura 5. Fórmula da capacitância.

Porém esse processo todo é capaz de ler os valores de aceleração em um só eixo, ou seja, em apenas uma direção. Sendo assim, necessita-se usar outras estruturas como essa posicionadas estrategicamente para lermos em direções diferentes.

Comunicação entre a placa DE1-SoC e o acelerômetro

O acelerômetro digital presente na placa é o ADXL345 da Analog Devices, também conhecido como G-sensor. Ele utiliza a tecnologia MEMS para medir a aceleração em três direções (X, Y e Z). O sensor acoplado possui uma resolução ajustável, permitindo que você escolha a precisão desejada nas leituras.

Os dados de aceleração são digitalizados e apresentados em formato digital para fácil processamento por dispositivos conectados. A saída digitalizada é formatada como 16 bits em complemento de dois e pode ser acessada por meio da interface I2C. O sensor ADXL345 fornece interfaces I2C e SPI. A interface I2C é selecionada configurando o pino CS como alto na placa. O endereço I2C do G-sensor é 0xA6/0xA7.

A interface I2C (Circuito Interintegrado) é um protocolo de comunicação serial utilizado para a transferência de dados entre dispositivos em um barramento. No contexto do sensor de acelerômetro ADXL345, a comunicação I2C é utilizada para acessar e transferir dados digitais entre a placa DE1-SoC (HPS - Hard Processor System) e o sensor ADXL345 (Figura 6).

Figura 6. Conexão entre a Cyclone V (HPS) e o G sensor.

As conexões e informações relacionadas aos pinos (FPGA Pin) e suas funcionalidades na interface entre o HPS (Hard Processor System) e o sensor G (acelerômetro) na placa DE1-SoC estão representadas na Tabela 1.

Tabela 1. Tabela de atribuição dos pinos do G sensor.

Nomes dos sinais e suas descrições:

• HPS_GSENSOR_INT: Sinal de interrupção do sensor G para o HPS.

• HPS_I2C1_SCLK: É o sinal de clock (SCLK) para a interface I2C1 do HPS, que é compartilhado com o barramento LTC.

• HPS_I2C1_SDAT: Representa o sinal de dados (SDAT) para a interface I2C1 do HPS, compartilhado com o barramento mencionado anteriormente.

O G-sensor na placa está conectado ao controlador I2C0 no HPS. O endereço do dispositivo G-Sensor I2C de 7 bits é 0x53. O driver do barramento I2C do sistema é usado para acessar os arquivos de registro no sensor G (Figura 7).

Figura 7. Diagrama de blocos da demonstração do G sensor e suas conexões.

Para acessar os dados vindos do sensor, via barramento, a interface cumpre uma série de passos advindos do protocolo I2C:

• O processo de comunicação I2C é iniciado pelo mestre (neste caso, o HPS), ou seja, o mestre envia um sinal de início (start) no barramento I2C. Geralmente os barramentos quando estão disponíveis se encontram em nível lógico alto, nesse caso o mestre gera uma borda de descida na linha de dados.

• Em seguida, o mestre envia o endereço do dispositivo I2C que ele deseja acessar. No caso do ADXL345, esse endereço é 0xA6/0xA7, como já foi citado.

• Dependendo da operação desejada (leitura ou escrita), o mestre indica ao dispositivo que deseja ler ou escrever dados em um dos bits após o endereço.

  • Para leitura, o dispositivo responde aos dados solicitados.
  • Para escrever, o mestre envia os dados que deseja configurar no dispositivo.

• Após cada byte de dados, o receptor (mestre ou dispositivo) envia um sinal de confirmação (ACK) para confirmar a recepção correta.

• Quando a comunicação é concluída, o mestre envia um sinal de parada (stop) no barramento I2C de dados.

A comunicação I2C é bidirecional, o que significa que o mestre pode enviar e receber dados para o dispositivo. Esse protocolo permite a conexão de vários dispositivos ao mesmo barramento, cada um com um endereço único. Isso facilita a integração de múltiplos sensores e dispositivos em um sistema.

O G-sensor fornece resolução selecionável pelo usuário de até 13 bits ± 16g. A resolução pode ser configurada através do registro DATA_FORAMT(0x31).

O valor dos dados X/Y/Z pode ser derivado dos registros DATAX0(0x32), DATAX1(0x33), DATAY0(0x34), DATAY1(0x35), DATAZ0(0x36) e DATAX1(0x37). Sendo o DATAX0 o byte menos significativo e o DATAX1 a o byte mais significativo.

Monitor CRT Dell E773C

O monitor CRT Dell E773C é um modelo de monitor de tubo de raios catódicos (CRT) produzido pela empresa Dell. Este monitor foi lançado em uma época em que os monitores CRT eram amplamente utilizados antes da popularização dos monitores de tela plana (LCD e LED).

O monitor utiliza a tecnologia de tubo de raios catódicos (CRT), que era comum em monitores antes do surgimento dos monitores de tela plana. Os monitores CRT funcionam através da emissão de elétrons, por um canhão, que percorre um tubo de vácuo, que atinge uma tela revestida de fósforo para gerar a imagem (Figura 8).

Figura 8. Representação da formação da imagem em um monitor CRT.

Um cátodo, localizado na parte traseira do CRT, emite três feixes de elétrons (A), cada um representando uma cor base. Esses feixes são acelerados e direcionados para a tela revestida de fósforo (D) por um dispositivo chamado ânodo (C), que é energizado positivamente para atrair os elétrons.

A tela do CRT é composta por milhares de pontos de fósforo (B) que se iluminam quando atingidos por esses elétrons. Para garantir uma boa resolução, um conjunto de três pontos de fósforo, um para cada cor base, não pode ultrapassar o tamanho de um pixel. Quando os três feixes de elétrons atingem os três pontos de fósforo de um pixel, o mesmo assume uma cor. Com milhares desses pixels na tela, uma imagem é formada.

Eletroímãs localizados nos lados superior, inferior, direito e esquerdo do CRT (G e H na Figura 8) controlam o posicionamento do feixe de elétrons. Os eletroímãs reagem com intensidades variáveis dependendo da energia aplicada, atraindo os feixes de elétrons para direções específicas. Por exemplo, se os feixes de elétrons precisam atingir um conjunto de três pontos de fósforo na extremidade superior esquerda da tela, os eletroímãs do lado superior e esquerdo recebem uma carga para atrair os feixes de elétrons até esse conjunto de pontos.

O processo de renovação da imagem ocorre da extremidade esquerda superior para a extremidade direita inferior, sempre na direção horizontal. Após iluminar todos os pixels de uma linha, os feixes de elétrons são redirecionados para a linha abaixo, continuando até alcançar o último pixel na extremidade inferior. Quando isso ocorre, os feixes de elétrons são redirecionados para o primeiro pixel na extremidade superior.

As especificações de resolução e tamanho do monitor CRT podem variar, mas geralmente possuem resoluções mais baixas em comparação com os monitores modernos de tela plana. Nesse caso, o monitor Dell E773C possui 17 polegadas e uma taxa de atualização de 60Hz, ou seja, os feixes de elétrons precisarão acender cada pixel da tela 60 vezes a cada segundo.

Os monitores CRT geralmente ofereciam profundidades de cor mais baixas em comparação com monitores modernos, sendo comuns as profundidades de cor de 16 bits ou 24 bits.

Possui uma conectividade VGA (Video Graphics Array), que era padrão na época. Isso significa que ele seria conectado ao computador por meio de um cabo VGA.

Interface VGA

A interface VGA (Video Graphics Array) é um padrão de interface de vídeo amplamente utilizado para conectar dispositivos de exibição, como monitores e telas, a computadores e outros dispositivos de processamento de vídeo.

Através da interface VGA, os dispositivos transmitem sinais de vídeo como ondas analógicas para exibir imagens na tela. Isso significa que as informações de vídeo são transmitidas como variações contínuas de tensão elétrica ao longo do tempo.

O conector VGA, ou cabo VGA, é um conector de 15 pinos em três linhas de 5 pinos cada. Cada linha é responsável por transmitir um tipo específico de informação: os primeiros cinco pinos (R, G, B, Hsync, Vsync) transportam os sinais de cor (vermelho, verde, azul) e os sinais de sincronização horizontal e vertical. Os demais pinos são usados como alimentação, terra, retorno, reserva, etc.

• R (Vermelho): Sinal de cor vermelha.
• G (Verde): Sinal de cor verde.
• B (Azul): Sinal de cor azul.
• Hsync (Sincronização Horizontal): Sinal que sincroniza a varredura horizontal da imagem.
• Vsync (Sincronização Vertical): Sinal que sincroniza a varredura vertical da imagem.

O padrão VGA é conhecido por sua resolução de vídeo de 640x480 pixels, embora também possa suportar resoluções mais altas, como 800x600 e 1024x768 pixels. Como dito anteriormente, essa interface permite a transmissão de sinais de vídeo em cores, possibilitando a exibição de imagens nítidas e coloridas nos dispositivos de exibição compatíveis, além de suportar várias taxas de atualização, geralmente indo de 60Hz a 75Hz. Ela é comumente encontrada em computadores pessoais, monitores de computador, projetores e outros dispositivos de exibição.

Para utilizar a interface VGA, os dispositivos devem ser equipados com portas VGA correspondentes, geralmente na forma de conectores macho e fêmea de 15 pinos. Ao conectar um dispositivo de exibição a um computador ou outro dispositivo fonte através da interface VGA, é possível visualizar e interagir com conteúdo de vídeo com facilidade e clareza.

VGA no DE1-SOC

No DE1-SOC, há uma porta de saída de vídeo conectada a um controlador VGA integrado que pode ser conectado a um monitor VGA padrão. A qual a porta de saída de vídeo suporta uma resolução de 640 x 480 pixels. A imagem a ser exibida pela porta de saída pode vim tanto de um buffer de pixels quanto de um buffer de caracteres.

O Buffer de pixels da porta de saída de vídeo contém os dados de cor de cada pixel a ser exibido. Conforme é mostrado na Figura 9, este buffer fornece uma resolução de imagem de 320 × 240 pixels, com a coordenada 0,0 no canto superior esquerdo da imagem. Para suportar a resolução de tela de 640 × 480, cada valor de pixel no buffer de pixels é duplicado nas dimensões x e y quando está sendo exibido na tela.

Figura 9. Representação da matriz de pixels.

Cada cor de pixel é representada como uma meia palavra de 16 bits, com cinco bits para os componentes azul e vermelho e seis bits para o verde. Conforme representado na parte b da Figura 10. Os pixels são endereçados no buffer de pixels usando a combinação de um endereço base e um deslocamento x,y. No computador DE1-SoC, o endereço padrão do buffer de pixel é 0xC8000000, que corresponde ao endereço inicial da memória no chip FPGA.

Figura 10. Representação dos valores dos pixels e dos seus endereços.

Um controlador de buffer de pixel dedicado lê continuamente esses dados de pixel a partir de endereços sequenciais na memória correspondente para exibição na tela. Você pode criar uma imagem escrevendo valores de cores nos endereços de pixel conforme descrito acima. É possível modificar os dados dos pixels a qualquer momento simplesmente escrevendo nos endereços dos pixels, permitindo assim a alteração da imagem mesmo durante o processo de exibição.

No entanto, para evitar fazer alterações ao buffer de pixel enquanto ele está sendo exibido, pode-se usar o conceito de buffer duplo. Neste esquema, dois buffers de pixels estão envolvidos, chamados de buffers frontal e traseiro. Isso permite que uma imagem seja renderizada em um buffer enquanto o outro está sendo exibido, proporcionando uma transição suave entre as imagens e evitando artefatos visuais durante a atualização.

No contexto do DE1-SoC, o controlador de buffer de pixel inclui uma interface de programação através de um conjunto de registros. O registro no endereço 0xFF203020 é denominado registro Buffer, enquanto o registro no endereço 0xFF203024 é o registro Backbuffer. Cada um desses registros armazena o endereço inicial de um buffer de pixel.

Por padrão, o registro Buffer contém o endereço do buffer de pixels atualmente exibido na tela, enquanto o registro Backbuffer tem o mesmo valor. No entanto, o software pode modificar o endereço armazenado no registro Backbuffer, criando assim um segundo buffer de pixel.

Uma troca de buffer de pixel ocorre escrevendo o valor 1 no registro Buffer. Essa operação não afeta diretamente o conteúdo do registro Buffer, mas troca os conteúdos dos registros Buffer e Backbuffer. Essa troca ocorre no final de um ciclo de desenho de tela, após a exibição do último pixel no canto inferior direito, que é sincronizado com o tempo vertical de sincronização, ocorrendo a cada 1/60 segundos.

O software pode verificar o bit S no registro de status para saber quando ocorreu a sincronização vertical. Escrever o valor 1 no registro Buffer faz com que S seja definido como 1, e quando a troca dos registros Buffer e Backbuffer é concluída, S é redefinido para 0.

Na prática, enquanto a imagem contida no buffer de pixels apontado pelo registro Buffer está sendo exibida, uma nova imagem é desenhada no buffer de pixels apontado pelo registro Backbuffer. Quando essa nova imagem está pronta para ser exibida, uma troca de buffer de pixels é realizada. Dessa forma, a próxima imagem a ser exibida é sempre desenhada no buffer de pixels "traseiro", e os dois ponteiros de buffer de pixel são trocados quando a nova imagem está pronta para ser exibida. Cada vez que uma troca é realizada, o software precisa sincronizar com a porta de saída de vídeo, aguardando até que o bit S no registro de status se torne 0.

O buffer de caracteres para a porta de saída de vídeo é armazenado na memória on-chip no FPGA na placa DE1-SoC. Este buffer fornece uma resolução de 80 × 60 caracteres, onde cada caractere ocupa um bloco de 8 × 8 pixels na tela. Os caracteres são armazenados em cada um dos locais usando seus códigos ASCII; quando esses códigos de caracteres são exibidos no monitor, o buffer de caracteres gera automaticamente o padrão correspondente de pixels para cada caractere usando uma fonte integrada.

Os caracteres são endereçados na memória usando a combinação de um endereço base, que tem o valor 0xC9000000, e um deslocamento x,y. Usando este esquema, o caractere na localização 0,0 tem o endereço 0xC9000000, o caractere 1,0 tem o endereço base de endereço + (000000 0000001)₂ = 0xC9000001, o caractere 0,1 tem a base de endereço + (000001 0000000)₂ = 0xC9000080, e o caractere na localização 79,59 tem a base de endereço + (111011 1001111)₂ = 0xC9001DCF. A Figura 11 nos traz uma representação visual de como é o buffer de caracteres e como chegar aos endereços de caracteres nesse buffer.

Figura 11. Representação das coordenadas.

Botão no DE1-Soc

Os botões do DE1-SoC são elementos cruciais para interação e entrada de dados. Eles estão conectados a uma porta paralela composta por três registros de 4 bits cada. Esses registros têm o endereço base de 0xFF200050 e são acessados usando operações de palavra.

A Figura 12 apresenta uma visão dos registros associados à porta paralela dos botões, incluindo seus endereços. O registro de dados fornece os estados atuais dos botões KEY3-0, sendo que é um registro de apenas leitura.

O registro de máscara de interrupção permite a ativação ou desativação de interrupções quando um botão é pressionado, com cada bit representando um botão específico da placa.

Por sua vez, o registro de captura de borda registra eventos de transição dos botões, identificando qual botão foi pressionado. Sendo que qualquer valor escrito nesse registro limpa o sinal de interrupção e redefine os valores dos bits.

Figura 12. Registradores utilizados.

Por fim, esses recursos fornecem uma maneira eficiente de detectar e responder a eventos de botão em sistemas baseados na placa de desenvolvimento DE1-SoC.

Desenvolvimento e Descrição em Alto Nível

DEFINICAO DAS REGRAS E ESTRUTURAS DO JOGO: ASPECTOS TÉCNICOS

A primeira etapa do desenvolvimento do projeto Breakout, dedicou-se a atenção meticulosa à definição das regras e funcionalidades fundamentais que moldarão a experiência de jogo. Cada aspecto foi estrategicamente concebido para garantir não apenas a essência do jogo original, mas também uma execução eficiente no contexto de sistemas embarcados.

O projeto possui três telas principais, a tela de início (start game), o jogo em si e a de final de jogo (Figura 13). Ao acionar o programa, a interface inicial é revelada dando a opção do usuário iniciar o jogo. Em seguida, ao selecionar a opção de start, o jogo se inicia apresentando-lhe os tijolos localizados na parte superior da tela, uma plataforma na parte inferior e o brick breaker (bola) no centro. O objetivo central do jogo é evitar que a bola (brick breaker) ultrapasse a parte inferior da tela utilizando a plataforma móvel para rebater a bola e, ao mesmo tempo, destruir todos os tijolos. Se a bola ultrapassar a área da plataforma a vida do jogador é decrementada, e se as suas vidas acabarem a partida se encerra e a pontuação é zerada.

Figura 13. Represetanção das telas do jogo.

O jogo possui apenas uma fase e a pontuação é registrada de acordo com a quantidade de tijolos destruídos, atribuindo 2 pontos a cada tijolo, uma vez que é necessário atingir o mesmo tijolo/ bloco duas vezes para quebrá-lo. Na primeira vez ele troca de cor e na segunda ele é destruído. Além disso, possibilita-se o registro da maior pontuação já feita, sendo esse o recorde da rodada.

A plataforma reflete a bola de acordo com o ângulo de incidência, com um acréscimo ou decréscimo arbitrário de graus para evitar constância. Paredes e tijolos, da mesma forma, reagem refletindo o ângulo da bola.

A bola é lançada inicialmente em uma certa direção, e sua velocidade permanece constante após o lançamento. Essas regras e funcionalidades combinadas proporcionam uma experiência dinâmica e estrategicamente desafiadora, ressaltando a complexidade envolvida na criação de jogos em ambientes embarcados. No DE1-SOC

FLUXO DE EXECUÇÃO DO SISTEMA

O fluxo de execução do sistema do jogo segue uma sequência lógica que abrange desde a conexão e inicialização até as iterações principais do jogo.

Antes da inicialização do programa, o usuário estabelece uma conexão via SSH com a placa FPGA DE1-SoC. Isso pode ser feito através do terminal do sistema operacional do computador através de um comando específico para o acesso. Após a conexão SSH ser estabelecida com sucesso, o usuário pode transferir o código fonte do jogo e os recursos necessários para a placa. Ademais, necessita-se também fazer a conexão da placa com o monitor CRT, através do cabo VGA, que será responsável pela exibição do jogo (Figura 14).

Figura 14. Diagarama de comunicação dos dispositivos.

O programa se dá com a inicialização de recursos e bibliotecas essenciais, que controlam o sistema de vídeo VGA, módulo de entrada dos botões, display de 7 segmentos para a demonstração das “vidas” do jogador e o acelerômetro. Em seguida, são definidas as estruturas principais do jogo, como a plataforma, a bola e os blocos.

Essas estruturas, que por sua vez, são consideradas “structs" em C e portanto possuem atributos (como suas dimensões) que servirão para definir o estado daquele objeto. Esses atributos são definidos através de funções logo no início do programa. Dessa forma, tem-se por exemplo, a localização e dimensão das principais estruturas.

Em seguida, também são definidas algumas funções auxiliares que servirão para controlar o fluxo do programa, como a funções que checam a colisão entre os objetos, funções de exibição dos elementos (estruturais, pontuação, recorde, etc.) na tela e funções de exibição dos estados do jogo (tela de início e tela de fim de jogo).

Após essas etapas de inicialização, o jogo entra em um loop principal que é executado continuamente. Durante cada iteração do loop, o programa lê os dados do acelerômetro para determinar o movimento da plataforma (raquete). As coordenadas da bola são atualizadas com base nas direções dx e dy, determinando seu movimento na tela.

O programa verifica constantemente as colisões da bola com as paredes, a plataforma e os blocos através das funções auxiliares. Se a bola atinge as paredes, as direções dx e dy são invertidas para simular o reflexo. As Colisões com a plataforma (raquete) também alteram a direção da bola, proporcionando uma jogabilidade interativa. A colisão entre a bola e um bloco resultam em sua destruição, alterando a direção da bola e incrementando a pontuação do jogador.

O programa também lê constantemente o estado do botão para verificar se o jogador pressionou o botão de pausa. Se o botão for pressionado, o jogo entra em um estado de pausa (um loop infinito) até que o botão seja pressionado novamente para retomar o jogo.

O jogo verifica se todos os blocos foram quebrados, reiniciando o layout dos blocos e incrementando a pontuação. Se a bola ultrapassar a plataforma, o número de vidas é decrementado. Se o jogador ficar sem vida, o jogo entra em um estado de game over. Após o término do jogo, uma tela de game over é exibida e o programa aguarda a interação do jogador para reiniciar o jogo.

Ao final do programa, os módulos do acelerômetro, do botão, do display de sete segmentos e do sistema de vídeo VGA são fechados para liberar os recursos utilizados.

CONTROLE DOS PRINCIPAIS RECURSOS UTILIZADOS (VGA, BOTÕES E ACELERÔMETRO)

O controle dos principais recursos utilizados para a confecção do projeto são dados pela biblioteca lintelfpgaup. Através dela, conseguimos manipular alguns dos elementos presentes na placa que auxiliaram no projeto, sendo eles: a saída VGA, os botões, display LCD e o acelerômetro.

EXIBIÇÃO NA TELA CRT ATRAVÉS DO VGA

A exibição do jogo e seus elementos na tela é facilitada pela biblioteca lintelfpgaup, que oferece funcionalidades essenciais para manipulação de vídeo no ambiente de sistemas embarcados. O processo de exibição e atualização dos elementos na tela envolvem o uso do pixel buffer e funções como: video_box(), video_clear(), video_show().

O pixel buffer é uma área de memória designada para armazenar a representação gráfica dos elementos do jogo, como a bola, a raquete e os blocos. Ele atua como um espaço intermediário onde as alterações visuais são aplicadas antes de serem refletidas na tela.

A função video_show() desempenha um papel vital no processo, uma vez que, atualiza a tela com as informações contidas no pixel buffer. Essa função efetua o processo de "swap" entre o Backbuffer e o Buffer Register. Isso significa que, ao escrever ou apagar informações na tela, os valores alterados são inicialmente armazenados no Backbuffer. O video_show() executa o swap, fazendo com que o Buffer Register agora referencie o Backbuffer atualizado, resultando na exibição visual dessas alterações na tela (Figura 15). Essa técnica é chamada de Double-Buffering.

Figura 15. Representação do processo de Double-Buffering.

Válido ressaltar que a área do pixel buffer é de 320x240, enquanto o monitor utilizado possui uma resolução de 640x480. Dessa forma, entende-se que cada valor do pixel será duplicado nas direções x e y (Figura 16).

Figura 16. Representação da duplicação dos pixels de 1x1 para 2x2.

Ademais, tem-se a função video_box() que é utilizada para desenhar caixas (ou retângulos) na tela, preenchendo determinadas áreas com cores específicas. Nesse contexto, essa função é empregada para renderizar a raquete, a bola, os blocos e outros elementos visuais. As coordenadas e dimensões dos elementos são especificadas como argumentos para posicionar e dimensionar corretamente cada componente do jogo.

A função video_clear(), por sua vez, é responsável por apagar o conteúdo do pixel buffer, preparando-o para receber novas informações. Isso é crucial para evitar sobreposições indesejadas e garantir que apenas os elementos relevantes sejam renderizados na próxima iteração do loop do jogo.

O processo de renderização, portanto, envolve a manipulação cuidadosa do pixel buffer usando as funções mencionadas. À medida que os elementos do jogo são movidos, colidem ou são atualizados, essas funções garantem uma representação visual precisa e dinâmica na tela. Essa abordagem otimizada é essencial para oferecer uma experiência de jogo continua e envolvente aos usuários, especialmente em sistemas embarcados onde os recursos são limitados.

CRIAÇÃO DAS ESTRUTURAS DO JOGO

A criação das principais estruturas do jogo envolvem a definição e inicialização de três principais elementos: a plataforma (raquete), a bola e os blocos.

A plataforma é representada pela estrutura “Plataforma”, que contém as coordenadas (x, y) do canto superior esquerdo e (x2, y2) do canto inferior direito. A função criarRaquete() é responsável pela inicialização da plataforma com base nas coordenadas iniciais.

A bola é representada pela estrutura “Ball", que armazena as coordenadas (x, y) da posição da bola, bem como as variáveis dx e dy que indicam a direção do movimento e size que indica seu tamanho. A função initBall() inicializa as propriedades da bola, como sua posição inicial (no centro da tela) e sua direção.

Os blocos são representados pela estrutura “Block", que armazena as coordenadas (x, y) de cada bloco na matriz de blocos. A matriz de blocos é uma representação visual do layout dos blocos na tela. A função initBlocks() inicializa as propriedades dos blocos, definindo suas posições iniciais e marcando-os como não destruídos.

Essas estruturas formam a base do jogo Breakout, permitindo a representação e manipulação eficaz dos elementos visuais e lógicos do jogo. O código utiliza essas estruturas em conjunto com funções de colisão e manipulação de elementos gráficos para criar uma experiência interativa para o jogador.

MOVIMENTO DA BOLA E COLISÃO

O movimento da bola é implementado através da atualização contínua das coordenadas da bola no plano bidimensional (X, Y) durante cada iteração do loop principal. Como dito anteriormente, o código utiliza a estrutura Ball para representar a bola, e as variáveis dx e dy são responsáveis por determinar a direção do movimento nos eixos horizontal e vertical, respectivamente.

No início do jogo, a função initBall() é chamada para inicializar as propriedades da bola. As coordenadas iniciais (x, y) são posicionadas no centro da tela, e as variáveis dx e dy determinam a direção inicial do movimento.

Dentro do loop principal do jogo, as coordenadas da bola são atualizadas continuamente com base nas variáveis dx e dy. A posição (x, y) da bola é modificada de acordo com essas direções, causando seu movimento na tela.

Após cada atualização de posição, o código verifica colisões da bola com as paredes, a raquete e os blocos. Caso uma colisão seja detectada, as direções dx e dy podem ser invertidas ou ajustadas, dependendo do componente com o qual a bola colidiu.

Essencialmente, o movimento da bola é uma combinação da atualização contínua de suas coordenadas e da gestão de colisões com outros elementos do jogo. Isso resulta em um comportamento dinâmico da bola.

A mecânica de colisão é implementada por meio das funções checkCollision() e checkBlockCollision(). Essas funções são cruciais para determinar se a bola colidiu com a raquete, com as paredes ou com os blocos.

A função checkCollision() é responsável por verificar se a bola colidiu com a raquete. Ela retorna um valor que indica se houve uma colisão e, em caso afirmativo, em qual direção a bola colidiu com a raquete. Ela verifica se a parte inferior da bola (ball->y + 6) está na mesma linha vertical que o topo da raquete (paddle->y). Além disso, verifica se a posição horizontal da bola (ball->x) está dentro dos limites horizontais da raquete (paddle->x e paddle->x2). Dependendo dessas condições, a função retorna um valor indicando a direção da colisão.

A função checkBlockCollision() é utilizada para verificar a colisão da bola com um bloco específico. Ela retorna um valor indicando se a colisão ocorreu na direção vertical ou horizontal. Primeiro a função verifica se o bloco ainda não foi destruído (!bloco->destroyed). Em seguida, verifica se a posição horizontal (bola->x) e vertical (bola->y) da bola está dentro dos limites do bloco. Dependendo dessas condições, a função retorna um valor indicando a direção da colisão.

Essas mecânicas de colisão são fundamentais para o funcionamento do jogo, determinando as reações da bola ao interagir com a raquete, as paredes e os blocos. A lógica dessas funções contribui para uma experiência de jogo dinâmica e envolvente.

MOVIMENTO DA PLATAFORMA

O movimento da plataforma no jogo Breakout é possibilitado pela integração do módulo do acelerômetro, que fornece funcionalidades cruciais para a configuração e leitura de dados do dispositivo 3D. As principais funções utilizadas são accel_format(), accel_calibrate(), e accel_read().

A função accel_format() é utilizada para configurar o formato de saída do acelerômetro. Nesse contexto, ela é invocada com os parâmetros adequados (1, 2) para garantir que os dados de saída sejam apresentados de maneira consistente, fornecendo informações detalhadas sobre a variação nas três dimensões (X, Y e Z). O segundo parâmetro define o alcance (range) da leitura do acelerômetro, ou seja, o intervalo máximo de valores que o dispositivo pode fornecer. Valores de alcance podem capturar acelerações mais intensas, comuns em valores como 2, 4, 8 ou 16, indicando quantas vezes o valor do alcance deve ser multiplicado pela g (gravidade). O segundo parâmetro refere-se ao modo de operação, geralmente indicado com o valor 1 (alto), definindo uma maior precisão da leitura. Quanto maior o número de bits, maior a precisão da leitura, mas também aumenta o volume de dados.

A calibração é uma etapa crucial para assegurar a precisão dos dados do acelerômetro. A função accel_calibrate() é responsável por calibrar o sensor, considerando possíveis variações e compensando quaisquer desvios na leitura dos dados. Isso garante uma resposta mais confiável e precisa durante o controle da plataforma no jogo.

A função accel_read() desempenha um papel fundamental ao realizar a leitura dos dados provenientes do acelerômetro. Ela recupera informações sobre a aceleração nas três dimensões, representadas pelos parâmetros ptr_x, ptr_y e ptr_z. Essas leituras são então utilizadas para interpretar a inclinação do dispositivo e, consequentemente, movimentar a plataforma horizontalmente no jogo.

O processo inicia com a captura das leituras do acelerômetro, mais especificamente do eixo horizontal (X), representando os movimentos laterais do jogador. O valor obtido, após a calibração, é então processado para determinar a direção do movimento da plataforma. Caso a leitura indique uma inclinação para a esquerda, a posição da plataforma é ajustada para a esquerda; similarmente, para uma inclinação para a direita, a plataforma se move para a direita.

Dessa forma, a utilização coordenada dessas funções do módulo do acelerômetro possibilita uma resposta fluida e precisa aos movimentos físicos do jogador que serão transmitidos para a plataforma dentro do jogo.

PAUSE

A mecânica de pausa no jogo Breakout é implementada para permitir que o jogador interrompa temporariamente o jogo e, posteriormente, retome a jogabilidade.

Durante o loop principal do jogo, o programa constantemente lê o estado do botão. Se o botão correspondente à pausa for pressionado, o jogo entra em um estado de pausa, ou seja, o código entra em um loop infinito que representa o estado de pausa. Dentro desse loop de pausa, o jogo continua a ler o estado do botão. Quando o botão para a pausa é acionado novamente, o código sai do loop, retomando assim o fluxo normal do jogo.

Essa mecânica de pausa permite que o jogador tenha controle sobre o ritmo do jogo, proporcionando uma experiência mais flexível e adaptada às suas preferências. O uso do botão de pausa é uma característica comum em jogos para oferecer maior interatividade e conveniência ao jogador.

MECÂNICA DE VIDAS

A mecânica de vidas no jogo Breakout implementado em C segue um padrão comum em jogos arcade. O jogo começa com um número inicial de vidas, neste caso, 3. A posição da bola é monitorada, e se ela ultrapassar uma determinada altura na tela (238 no caso), indica que a bola escapou da área da plataforma. Nesse ponto, o número de vidas é decrementado.

A exibição do número atual de vidas acontece através do display de 7 segmentos. Entre as funções fornecidas pela biblioteca lintelfpgaup, tem-se a função HEX_set(). Ela é responsável por atualizar o display de 7 segmentos com o valor atual da variável “vidas". Nesse caso, ela converte o valor numérico em uma representação adequada para o display de 7 segmentos. Cada segmento do display é controlado individualmente para formar os dígitos desejados.

Quando o número de vidas atinge zero, o jogo entra em um estado de "Game Over", onde o jogador pode interagir para reiniciar o jogo.

Descrição e Análise dos Testes e Simulações, Resultados e Discussões

Na fase conclusiva do projeto proposto, alcançaram-se resultados notáveis ​​em conformidade com as especificações determinadas. A implementação do jogo com sucesso demonstra a compreensão eficaz do uso dos recursos presentes na placa, tais como: botões, display lcd, acelerômetro e interface VGA.

A avaliação do desempenho do sistema foi rigorosamente conduzida por meio de uma bateria abrangente de testes listados a seguir:

NOME DO TESTE	EVENTO PREVISTO
PAUSAR	JOGO DEVE SER PAUSADO
COLIDIR COM RAQUETE	Y DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM TIJOLO	LADO ESQUERDO: X DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM TIJOLO	LADO DIREITO: X DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM TIJOLO	LADO SUPERIOR: Y DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM TIJOLO	LADO INFERIOR: Y DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM PAREDE	LADO DIREITO: X DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM PAREDE	LADO ESQUERDO: X DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM PAREDE	LADO SUPERIOR: Y DA BOLA É INVERTIDO
COLIDIR COM LOSE ZONE	PERDE UMA VIDA
COLIDIR COM LOSE ZONE 3 VEZES	PERDE JOGO (TELA DE FIM DE JOGO)
ELIMINAR TODOS OS BLOCOS	BLOCOS SÃO INICIALIZADOS NOVAMENTE
ATUALIZAR RECORD	PONTUAÇÃO SUPERIOR AO RECORD
REINICIAR JOGO	APÓS PERDER, CLICAR NO BOTÃO 1 REINICIA A PARTIDA
COLISÃO DUPLA COM O TIJOLO	CASO DA BOLA COLIDIR EM DOIS TIJOLOS DIFERENTES
INICIALIZAÇÃO ALEATÓRIA DA BOLA	A BOLA DE SER INICIADA DE MANEIRA ALEATÓRIA APÓS PERDER

Para fornecer uma visão detalhada sobre as estatísticas e resultados obtidos, disponibilizamos um link para um vídeo contendo todos os testes realizados: https://www.youtube.com/watch?v=aIF27KevEsE&ab_channel=DouglasdeJesus. Esta forma de se exibir os testes oferece uma análise visual aprofundada de cada componente do sistema, destacando tanto os sucessos quanto as áreas de melhoria identificadas durante os testes. Os resultados obtidos e analisados ​​foram importantes significativamente para a compreensão do desempenho do projeto em diversas situações e cenários.

Conclusão

A execução bem-sucedida deste projeto destaca a valiosa aprendizagem obtida ao enfrentar desafios no desenvolvimento de jogos em sistemas embarcados com recursos limitados. A integração eficaz entre o acelerômetro, os botões e a interface VGA no Kit FPGA DE1-SoC não apenas resultou em uma experiência de jogo fluida e responsiva, mas também proporcionou insights valiosos sobre a otimização de recursos em ambientes computacionais embarcados.

A escolha da linguagem C para a implementação do projeto destaca sua versatilidade, mostrando que é possível criar aplicações complexas mesmo em ambientes restritos. Ao cumprir as restrições impostas e alcançar resultados satisfatórios, o desenvolvedor não apenas aplicou conhecimentos teóricos, mas também desenvolveu habilidades práticas na manipulação eficiente de recursos e na solução de problemas específicos de sistemas embarcados.

O aprendizado derivado deste projeto vai além da simples realização técnica, pois envolve a compreensão profunda da interação entre hardware e software, bem como a importância da otimização para alcançar um desempenho eficiente. Essa experiência prática fortaleceu a capacidade do desenvolvedor de enfrentar desafios complexos e de aplicar criatividade e engenhosidade para superar limitações, preparando-o de maneira robusta para futuros projetos e oportunidades no campo dos sistemas embarcados.

Bibliografia

• Manual da placa DE1-SoC: https://fpgacademy.org/Downloads/DE1_SoC_User_Manual.pdf ,acessado em 02 de 2024;

Uso do projeto

Com o acelerômetro e o monitor CRT 640x480 conectados na placa DE1-SOC, é necessário fazer a conexão na placa e mover o repositório para ela.

Na pasta src, o usuário deve executar através do make all, com o GCC instalado.

A raquete será movida a partir da movimentação da placa com o acelerômetro.

Observação: o funcionamento pode falhar dependendo do endereço dos dispositivos de E/S.