DIY创意设计：手舞足蹈跳舞机的软硬件实现，方案设计

项目背景及可行性分析

项目名称：手舞足蹈跳舞机

项目的主要内容：在游戏厅里转一圈不难发现，总会有几个少男少女在跳舞机前手舞足蹈，四周的观众围得水泄不通。劲爆的音乐，富有青春气息的舞姿使跳舞机游戏极其拉风，也正因为如此，跳舞机市场前景非常看好。

我们的目标就是设计一个基于FPGA的跳舞机。伴随着音乐的节奏，跳舞机的LCD显示器上会出现一个个方向不同的箭头符号，引导玩家完成相应的舞蹈动作，玩家可以在跳舞机上尽情地手舞足蹈，而跳舞机的压力传感器和光传感器会忠实地捕捉玩家的动作，转换器将处理过后的动作信息传递给CPU，CPU根据游戏规则，公正地给玩家评分，LCD则会公布玩家的得分情况。在游戏进行的过程中，LED会随着音乐节奏的快慢不停地调整发光节奏，竭力为玩家营造出绚丽的游戏氛围；扬声器也会不停地为玩家呐喊助威，尤其是玩家表现出色时，扬声器会不遗余力地为玩家喝彩。

首先我们要设计一个soc，片上系统的某些功能模块可以使用预定制模块IP核，例如MicroBlaze（我们选择它作为CPU）就可以使用Xilinx公司提供的IP核来实现；当然，我们的系统中也存在独立设计的系统结构，例如PPU（图像处理器）。该系统脱离了pc，这样大大降低了系统的成本与功耗，减小了体积，而且软硬件的更新比较方便。除了完成硬件设计之外，我们还有大量工作需要在soc上用软件完成，例如移植操作系统、编写游戏软件框架和跳舞机游戏软件等。

进展情况：现在处于模块设计阶段

项目关键技术及创新点的论述

要处理大量的图像文件，其中，图层间的α运算、图像的卷动等图形图像运算会频繁发生，如果这些运算都交给CPU处理，就会占用大量的CPU资源，会破坏图像显示的连贯性。我们引入PPU，用于将上述繁重的计算任务从CPU分离出来，从而提高系统的性能。

声像同步也是项目的关键技术之一：SoC集成的Mp3 Decoder将游戏音乐文件解码为PCM流,PCM流传输到两块同样大小的缓冲区（暂且假设每块缓冲区的大小为1K），如下图所示，这两块缓冲区相当于构成一个循环队列，一块缓冲区的PCM流文件播放完以后，接着播放另一个缓冲区中的流文件。在切换缓冲区时，会产生中断，在这个中断周期，系统渲染新的图像帧，从而实现声像像同步。

游戏开发Framework：这是在该硬件驱动上实现的一组API，它是独立于跳舞机游戏的，提供游戏开发的常用接口，规定了游戏开发的模型。

技术成熟性和可靠性论述：

目前市场上有很多基于PC的跳舞机的设计案例可以参考(当中的PPU部件等关键功能模块可以参考任天堂公司红白机的设计)，技术已经相当成熟。

项目实施方案

方案基本功能框图及描述

硬件功能框图及描述

Compact Flash(CF) Card：

CF卡扮演只读存储器的角色，用于存储游戏文件；游戏文件分为三个部分：第一部分是控制程序，这一部分供CPU（MicroBlaze）执行；第二部分是位图文件，这一部分由PPU处理；第三部分是音乐文件，其中MP3格式的文件交给图中所示的MP3 Decoder处理。

之所以使用CF卡作为ROM，是因为CF卡可以很方便地从系统中取出，并与PC兼容，这样容易实现游戏软件的更新。

PPU（Physics Processing Unit）：

用于图像显示加速。在程序运行过程中，有大量位图文件需要显示，考虑到处理这些位图文件会给CPU带来沉重的负担，我们引入PPU，用来实现图像显示加速功能。

LCD显示的图像由三个图层构成，它们分别是背景层、卡通层与前景层。

背景层用于显示游戏背景图像，背景图像有时需要纵向移动。某些游戏为了纵向卷动显示图像，是通过反复改写显示映射单元的内容来实现的，这种办法处理速度太慢。为了更快地实现背景图像的纵向移动，我们采用移动显示窗口的办法。移动显示窗口的大小与LCD的大小相当（1024×768）；背景图像文件在CF卡中以矩阵的形式连续存储，每行也包含1024个像素。因此如果需要画面移动，只需将显示窗口向相反的方向移动即可。这样每次显示画面移动一行，显示窗口仅需要重新绘制一行，可以大幅度提高背景图像的显示速度，降低cpu占用。

卡通层用于显示游戏中的提示动作，提示动作提示玩家该在什么时间完成什么样的游戏动作（例如踩下向前按钮、伸出左手等）。CPU将提示动作的种类、显示时间、显示坐标发送给PPU，PPU则在规定的时间，将规定种类的提示动作显示在规定的坐标处。

前景层显示玩家游戏动作的情况以及最终的得分情况。根据玩家完成游戏动作的时间与游戏规定时间的比较结果，可将完成情况分为不同的级别，每种级别对应不同的前景层位图文件。

值得注意的是显示过程中，层与