《俄罗斯方块》的基本规则是移动、旋转和摆放游戏自动输出的各种方块，使之排列成完整的一行或多行并且消除得分。该项目基于Xilinx公司的EGO1平台，利用现场可编程门阵列FPGA设计了俄罗斯方块小游戏，并且通过VGA接口来实现对屏幕的控制。整个系统由六个模块组成，分别是键盘输入模块、按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及数码管计分模块。玩家通过键盘上的WASD实现对方块的移动和旋转，并且每消除一行就会进行加分。基本原理是将整个显示屏分为10*20的矩阵，不断对矩阵进行更新和判断是否能消除。俄罗斯方块是一个休闲游戏，它面对的是那些没有精力或兴趣玩大型游戏的玩家，这些人需要一类简单好玩的游戏，拿起来就能进入状态，在忙碌的生活中寻求片刻放松。
整个系统采用自上向下的层次化设计方法，顶层模块调用键盘控制模块、按键处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及玩家计分模块。系统的总体结构如图图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示，其中最左侧的为键盘输入模块，将键盘上面的WASD和空格键数据导入。第二级和第三级为按键输入处理模块，对于输入的信号进行消抖和输出上升沿处理。第四级为信号控制模块也就是最主要的状态机模块，即将输入进来的信号进行区分，并且输出状态的控制信号到下一级。第五级为数据控制信号，接受来自状态机的各种状态输出的信号，对背景矩阵进行不断地判断和更新。第六极第一层为数据输出模块，所要输出的数据为背景矩阵要显示的数据。后面几级分别是数码管显示模块和计分模块。
图 2‑1 RTL顶层逻辑图
基于基本的俄罗斯方块设计方法，设计的俄罗斯方块小游戏可以实现方块的下落、旋转、方块行的消除以及玩家得分的显示。用户通过键盘上面的空格键进行游戏的开始。并通过键盘上面的WASD控制键来实现方块的移动和旋转。当玩家完整的消除一行俄罗斯方块后，数码管上会显示出玩家当前的分数，以供玩家进行参考。如图 2‑2 功能设计展示所示。
图 2‑2 功能设计展示
关于输入输出设计，这部分在总模块会有体现。这里介绍一下。
输入设计，我们使用了FPGA板子上面的100MHz模块clk（P17），用来分频产生脉冲。然后就是复位信号rst（P5）的输入，这里我们使用一个开关，当复位信号有效时，游戏回归初始状态。下面就是5个按键，其中FPGA板子中间的按键用来控制游戏的开始，键盘上面WASD按键控制方块的移动和旋转。
输出设计，我们使用了FPGA板子上面的数码管，所以输出有两个四位的位选信号，还有两个七位的数据信号。除了这些输出，还有控制VGA显示的输出，输出有行同步信号（hsync_r）、场同步信号（vsync_r）、红色变量信号（OutRed）、蓝色变量信号（OutBlue）还有绿色变量信号（OutGreen）。
模块的划分，分别是键盘输入模块、按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及数码管计分模块，展示如图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示。
系统的RTL顶层逻辑图如图 2‑1 RTL顶层逻辑图所示，该图展示出了各个模块以及各个模块之间的连线以及输入输出功能。在层次化的设计当中，常常将比较复杂的电路进行模块划分，分成一个个的子模块，然后在顶层模块中通过实例化连接这些子模块。
接收键盘传来的数据相对简单，如图 2‑3 键盘信号所示。当时钟Clock的下降沿时，侦测到数据Data也拉低，代表一个数据包传送出来，之后的10个时钟下降沿，分别收到从最低位LSB到MSB的八位数据，1位的奇偶校验（1表示八位数据中1的位数为偶数，0是奇数），最后1位高电平表示数据包结束。时钟信号由K5检测输入，数据Data由L4检测输入。
图 2‑3 键盘信号
对键盘来说，它用的是扫描码，每个按键对应一个代码，当一个按键被按下，每100ms会重复发送一次；当这个按键被松开，一个0xF0被发出，跟着是那个被松开的按键。那些可以被shift的按键，比如大小写字母和可以代表符号的数字键，它的扫描码后面会跟着shift码，FPGA需要根据这个来决定用哪个ASCII字符。有些按键，比如Ctrl和Alt被按下时，会在扫描码前先发一个E0，当它们被松开时，会发E0F0，并跟随着相应按键的扫描码。
键盘按键主要分为三类，图 2‑4 键盘按键码中展示了它们的通码和断码。
图 2‑4 键盘按键码
俄罗斯方块采用的按键均为第一类按键，通码为1字节，断码为0xF0+通码形式。如A键，其通码为 0x1C，断码为0xF0或0x1C。通过寄存输入的通码或者断码来达到输出W/A/S/D/Space的信号目的。
模块在识别到断码时，保持低电平输出，在检测到通码后进行对应的按键高电平输出。
按键处理模块的主要功能是对输入系统的up，down，left，right四个控制信号进行消抖处理，并对其进行上升沿检测。为了简化控制系统，在本系统的设计过程中，不考虑长时间按键产生连按效果。因而，需要对按键进行上升沿检测。上升沿检测的基本实现方案是加入一组寄存器，对前一个的按键信号进行暂存，将暂存的值与当前值进行比较，当上一个值为0而当前值为1时，即认为其检测到了一个上升沿。
图 2‑5 按键处理模块
控制模块采用有限状态机的方式进行控制，在控制模块中定义了10个状态：
S_idle：空状态，即屏幕显示为空白
S_new：用于产生新的俄罗斯方块。
S_hold：保持状态。在这个状态中进行计时，当时间到达一定间隔时，转到下落状态（S_down）；或者等待输入信号（up，down，left，right）时，转到下落状态（S_down）或者（up，left，right）状态。
S_down：判断当前俄罗斯块能否下移一格。如果可以，则转到更新状态，如果不行，则转到更新状态状态。
S_move：判断当前俄罗斯块能够按照按键信号指定的指令进行移动，如果可以，则转到更新状态（S_shift），如果不可以，则转到消除状态1状态（S_remove_1）。
S_shift：更新俄罗斯方块的坐标信息。返回保持状态（S_hold）。
S_remove_1：更新整个屏幕的矩阵信息。转移到消除状态2状态（S_remove_2）。
S_remove_2：判断是否可以消除，将可以消除的行消除，并将上面的行下移一行。重复此过程，直到没有可消除的行为止。跳转判定状态（S_isdie）
S_isdie：判断是否游戏结束。如果结束，则跳转到停止状态（S_stop）。如果没有，则跳转到产生俄罗斯方块状态，生成新的俄罗斯方块。
S_stop：清楚整个屏幕，并跳转到判断状态（S_isdie）。
图 2‑6 状态机总模块
方块分为非活动方块与活动方块。非活动方块为：（1）之前下落的方块；（2）下落后方块消除之后的结果。由背景矩阵表示。活动方块为当前下落中的方块，由活动方块坐标与方块类型表示。
reg [9:0] Background [23:0];
背景矩阵Background是20行10列的reg型数组，负责保存非活动方块坐标，生成20*10的背景矩阵，当背景矩阵某一位置为1时，屏幕显示为白色，否则为黑色。
output reg [4:0] n,
output reg [3:0] m,
n, m分别为当前活动方块的行、列指针，指向方块固定点位置。因为我们要通过W键对方块实现旋转。所以方块固定点为方块旋转时不变的格点，依据方块种类决定。不同的种类有着不同的旋转点。
俄罗斯方块共有7中形状的方块，每种方块有至少一种，至多四种不同的旋转变形方式。为方便起见，将方块和旋转类型分别编号，可以得到一共十九种方块。方块类型如图 2‑3 方块展示列表所示。
图 2‑7 方块展示列表
系统使用计数器产生随机数进入新状态，这里的随机数是一种伪随机，旧状态的值被新状态覆盖。同时，根据计数器，状态值的值刷新为未旋转的俄罗斯方块中的一种中的一种，作为下一次方块。
方块的移动分为四种：分别是旋转，下落，左移，右移。由键盘来控制，方块的移动主要分为两部分：（1）判断；（2）转换
判断分两步：首先，判断变换后方块坐标是否合法，即变换后是否会造成方块越界。然后，判断变换后方块可能占据的新位置是否有背景矩阵方块存在。两步判断通过后返回成功信号，否则失败。
转换过程进行方块的移动或变形。根据KEYBOARD，移动时，改变方块坐标；变形时，方块按类别变换。
方块消除由两个状态来实现，分别是remove1和remove2.
在remove1状态中，将活动方块位置覆盖至R，变为非活动方块。
在remove2状态中，根据满行状态，进行行的消除与平移。
R中的0-3行位于屏幕上方，不进行显示，仅有新生成的方块坐标会进入这一区域。因而，当消除完成后，如R[3]不为空，游戏结束。
VGA 的英文全称是Video Graphic Array，即显示绘图阵列。VGA 支持在
640X480 的较高分辨率下同时显示16种色彩或256 种灰度，同时在320X240 分辨率下可以同时显示256 种颜色。肉眼对颜色的敏感远大于分辨率，所以即使分辨率较低图像依然生动鲜明。计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的数字/模拟转换器转变为R、 G、B三原色信号和行、场同步信号，信号通过电缆传输到显示设备中。
这里我们首先对系统自带时钟100MHz进行分频，由于显示屏的参数为640*480*60Hz，所以我们近似处理为25MHz。为了实现发送端与接受端图像各点一一正确对应，发送端与接收端的扫描必须同步。同步脉冲是周期稳定，边沿陡峭的脉冲。按我国电视标准，行同步脉冲的频率等于行频为15.625KHZ，行周期为64us。在电视技术中常以64us 作为时间单位，并以H 表示，即1H＝64us。场同步脉冲频率等于场频为50HZ，场周期为 20ms，即312.5H。行同步脉冲宽度为4.7us 左右，场同步脉冲宽度为2.5～3H。
图 2‑8 VGA显示模块
我们利用数码管来显示玩家的得分情况。当判定到某一行信号全部为1可以消除的时候，玩家的分数可以提高并且在数码管上显示出来，数码管前五位显示SCORE，后面三位显示得分，所以得分上限为999分。由于内部原理的设置，每次玩家消除奇数行加23分，偶数行加22分。
图 2‑9 玩家计分模块
| 现态 | 触发条件 | 次态 |
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| 空状态（S_idle） | Start=1 | 新俄罗斯方块（S_new） |
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| 新俄罗斯方块（S_new） | 无 | 保持状态（S_hold） |
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| time_cnt = time_val | 下降状态（S_down） |
| 保持状态（S_hold） | (down_reg = 0) (down =1) | 下降状态（S_down） |
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| 控制信号为1 | 移动状态（S_move） |
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| 移动状态（S_move） | move_comp=1 | 更新状态（S_shift） |
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| 更新状态（S_shift） | 无 | 保持状态（S_hold） |
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| 下降状态（S_down） | down_comp=1 | 更新状态（S_shift） |
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| 更新矩阵状态（S_remove_1） | 无 | 更新矩阵状态（S_remove_2） |
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| 更新矩阵状态（S_remove_2） | remove_2_finish=1 | 判断结束状态（S_isdie） |
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| 判断结束状态（S_isdie） | die = 1 | 清除状态（S_stop） |
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| 清除状态（S_stop） | 无 | 空状态（S_idle） |
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1）基本俄罗斯方块功能：方块下落、随机方块的产生、方块能否消除的判断。
2）键盘控制游戏的开始和方块的移动。上升键（W）控制方块的旋转。
3）数码管显示玩家当前的得分情况。
用户主要通过键盘上面的按键来进行操控。
当想要开始进行游戏的时候，按下键盘上面的空格键，游戏开始。玩家通过A和D来控制方块的左移和右移，W键来控制方块的旋转。从而进行俄罗斯方块游戏的使用。
系统的模块化设计流程一般分为设计思路确定、代码编写、RTL逻辑图分析、行为仿真、添加设计约束、设计综合、设计实现和比特流文件生成。
对于已有系统的调试一般在三方面，首先分析设计思路的缺陷，是否存在信号的有效利用，是否存在信号之间的冲突状况等，其次分析代码编写的部分，检查是否有遗漏的部分，对于每种情况下变量能否做到全部赋值，或者在.条件选择的顺序上是否将条件多者放在最前面。最后便是输出输入端口检查，通过RTL顶层逻辑图进行检查信号输出的端口是否符合要求，输入的信号是否通过有效端口进入。
在俄罗斯方块设计过程中曾出现过两个问题：
首先，在键盘检测模块输出的信号不能有效进入状态机当中。具体的原因在于键盘发送的信号仅会在通断码变化时有效区别，因此检测模块的信号持续时间很短。具体分析如下：由于在键盘输入处理的模块当中，只会在键盘通码变化为断码时，在一个clk周期内输出一个按键信号到后面的模块当中，因此由于按键的有效信号很短，因此在后面的按键处理模块当中难以采用相同周期的clk信号采样识别到，因此需要适当延长有效信号输出的时间，帮助后续模块正常检测采样。
因此解决的方法分为两种，首先是引入状态机模块，将短暂的有效信号看作状态的触发信号，从而切换状态，通过不同的状态下重新输出有效信号，并在内部采用计数器，在计数时间结束之后切换回初始状态。其次是利用模块将有效信号延长至可识别的范围之内。从繁琐程度上考虑我们采用了第二种方法，在信号检测模块之后输出进一个信号延时模块当中，通过内部计数器工作，将有效信号延长至0.1s长度，即有效信号输入之后开始计数，此时对应的按键信号输出有效高电平，当达到阈值10000000之后停止计数，此时对应的按键信号输出低电平恢复，然后对应的信号传入后续模块当中，便有效地解决了有效信号持续时间很短的问题。
其次，在设计计分模块当中，由于对于每一次消除方块的操作，状态机的清零信号激活的类别不同，激活的次数也不同，因此难以输出有效的记数信号或分数。原因在于对于消除信号的检测产生了重复，并且在计分器模块当中，进位语句未使用标准的编写方式，产生了寄存现象，从而使得整个计分系统产生了错误。解决的方法是，对于消除信号，偶数行的消除是进行22次行消除，奇数行进行23次行消除，从而对于计数器而言，行数的奇偶不同时，采用的计分规则就不同，并且在进位方面使用标准的计数器语句格式，最终解决了计分结果有误的问题。
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