Digital HDL 記述による設計法をマスタする 実験で学ぶ ロジック回路設計 木村 真也 Shinya Kimura １ １回 コントローラでラケットを操作する 第 今回はゲームの要素である壁とラケット（写真 11 − 1）の表示部分 （図 11 − 1）を解説します． ラケットは，コントローラに従って動くので，コン トローラ部分についても解説します． 回路規模を小さくするために 画面表示を荒くする ● VGA の全ドットを扱うのは大変 ゲームを表示する VGA の描画エリアは，水平方向 単純に計算するとゲーム回路で制御すべきドットの 総数は 307200 ドットとなり，これをすべて扱う回路 は相当規模が大きくなりそうです． 制御対象を減らすために，1 ドットを大きくします． 具体的には，ゲームにおける表示要素である「壁」， 「ボール」，「ラケット」を 8 × 8 ドット・サイズが基 本の図形にします．図 11 − 2 に示すように，制御する ゲーム・エリアを実質 80 × 60 サイズに縮小できます． こうすると，制御対象とする点を 4800 個に減らせます． に 640 ドット，垂直方向は 480 ドットです． ● 8 × 8 のサイズを 1 ゲーム・ドットとする ディスプレイのドットで 8 × 8 サイズのエリアを， このゲームでは 1 ドットのように扱うのです．以降， この 8 × 8 のエリアを「ゲーム・ドット」と呼びます． ロジック回路 実験ボード ゲーム・ドットへの対応は，描画点の座標情報であ ラケット 壁 る x_count 信号と y_count 信号の下位 3 ビットを無 視するだけで可能です（下位 3 ビットは 8 ドットぶん の座標情報） ．特別な配慮や回路は必要ありません． 図 11 − 2 に示すように壁はゲーム・エリアの上下左 左右に動く 左右に回す コントローラ 右の端に配置します． ラケットは上から 50 行目（50 ゲーム・ドット目）に 配置し，幅を 10 ゲーム・ドットとして水平移動のみ 可能とします． 輝度信号は本来アナログ信号ですが，回路規模を小 写真 11 − 1 壁とラケットとコントローラ Keyword 1 VGA （Video Graphics Array） VGA は，1987 年に IBM 社が自社のパソコン PS/2 用に 開発したモニタ表示規格の名前です． その後のパソコンは，必ずこの規格での表示モードを持 っていると言っても過言ではないくらいで，パソコン用モ ニタ・ディスプレイでは標準的な規格となっています． 表示は 640 ドット× 480 ライン，正確な規格は 16 色で す．16 色以外の場合など，正確な規格とは異なる場合で も VGA と呼ばれることがあります． 信号のタイミングにはいくつかの種類があります．本連 載のテレビ・ゲーム回路は，ドット・クロックが 194 25.175 MHz，水平同期信号周波数が 31.469 kHz，垂直同 期信号周波数が 59.940 Hz のタイミングに基づいて作成し ています．ただし，部品の関係でドット・クロックを 25 MHz にしているので，少し異なる値になっています． 信号のレベルは，輝度信号（R，G，B）が 0.7 V P − P，同 期信号は TTL レベルとなっています． 信号接続用コネクタはミニ D サブ 15 ピンで，ピンが 3 段に配置されているものです．ミニ D サブ 15 ピンにはピ ンが 2 段に配置されているものもあるので，部品入手時は 間違えないように注意してください． 2007 年 10 月号 Digital BASICS syncgenモジュール（連載第10回；2007年9月号で解説） 電子ビーム座標 （描画座標） 描画期間フラグ x_count y_count squash 最上位モジュール （CPLD 内の回路） 同期信号 同期信号 x_disp y_disp H_SYNC V_SYNC （モニタへ） ゲーム本体部 ボール移動制御部 ボール速度制御 ボール衝突検出 ボール位置座標 ラケット・トリガ ラケット位置制御部 ラケット座標 RKT_TRG （コントローラへ） ラケット・パルス RKT_PLS 得点カウント部 得点 （コントローラへ） score 輝度信号 （赤・緑・青） RD，GR，BL （モニタへ） 得点表示制御部 表示制御部 壁表示制御部 beep 効果音信号 SPKR 音源部 （スピーカへ） 図 11 − 1 今回は壁とラケットの 制御/表示部分を作る クロック信号 XTAL 今回は二つをまとめてwall_racket というモジュールにしている リセット信号 RESET_N syncgen モジュールは前回解説した rkt_lx rkt_rx ball_x さくするため，ロジック回路から出力するＨレベルか Ｌレベルで扱います．赤，青，緑の 3 本ありますから， 壁 ball_y ● どんな入力装置からどんな信号を得るか 10ドット 59 ▲ Keyword 2 ラケット Y座標 は，スイッチを 2 個用意して，一方を右方向移動に， しかし，この方法ではラケットの移動速度をコント ロールできません． ボール 50 Z左と右を指定するスイッチ 2 個では物足りない 簡単にラケットを操作する方法として考えられるの 他方を左方向移動に対応させ，ゲームのプレーヤがス イッチを操作する方法です． 79 0 1 2 白や黒を含めて 8 色を作れます． ラケットの位置を決める コントローラを作る X座標 0 12 数値はゲーム･ドット （8×8ドット） 図 11 − 2 荒くした描画エリアで壁やラケット，ボールを表示する ラケットのＹ座標は 50，幅を 10 ゲーム・ドットと決める トリガ信号 トリガ信号とはフリップフロップやレジスタ，カウンタ 最近のロジック回路設計では，エッジ・トリガ・タイプ の動作，つまり記憶や動作のきっかけ，引き金になる信号 を使用し，トリガ信号としてクロック信号を直結する「完 を言います． 全クロック同期方式」がよく用いられます．今回のゲーム ロジック回路を構成する部品には，エッジ・トリガ・タ イプとレベル・トリガ・タイプ（レベル・センシティブ・ タイプ）があり，いずれも Verilog HDL で記述し，論理合 成ツールでロジック回路化することができます． エッジとは信号が“L”→“H”や“H”→“L”と変わ もそうしています．posedge XTAL という記述に注目して みてください． 開発ツールによっては，レベル・トリガの記述をすると ワーニング（注意表示）を出すものもあります． 今回使った 74HC123 もエッジ・トリガの入力を持ちま るときの，変わり目のことで，エッジ・トリガとは，トリ す．A 入力を使ったので，トリガ信号（RKT_TRG，実際は ガ信号のエッジで動作するタイプです． V_sync と同じ）の立ち下がりで動作を開始します． 2007 年 10 月号 195
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