Este projeto implementa o jogo Tetris utilizando a linguagem C e o acelerômetro ADXL-345 do kit de desenvolvimento DE1-SoC. O jogo é reproduzido em um monitor conectado via VGA, e a mecânica de controle é baseada na inclinação da placa, que determina o lado para o qual as peças se movem.
Linguagem: C Plataforma: DE1-SoC (com FPGA Cyclone V) Controle de Jogo: Acelerômetro ADXL-345 Saída de Vídeo: Conexão VGA
- O código deve ser escrito em linguagem C;
- O sistema só poderá utilizar os componentes disponíveis na placa;
- Não é permitido o uso de bibliotecas para o acelerômetro;
- O usuário não muda a orientação das peças;
- O jogo deve pontuar e eliminar agrupamentos.
kit de desenvolvimento DE1-SoC
A placa DE1-SoC é um kit de desenvolvimento que combina um processador ARM Cortex-A9 dual-core com um FPGA Cyclone V da Intel. Sendo ideal para o desenvolvimento de projetos de prototipagem e desenvolvimento de sistemas embarcados. A execução do jogo é acessada por meio de uma conexão SSH (via Ethernet) através do terminal de um computador.
Acelerômetro ADXL345
O ADXL345 é um acelerômetro digital de baixa potência e alta resolução, projetado para medir aceleração em três eixos (X, Y e Z). Ele pode detectar acelerações de até ±16g com uma precisão de 13 bits e é amplamente usado em dispositivos portáteis, sistemas de navegação, sensores de inclinação, e várias aplicações em robótica e sistemas embarcados.
Linguagem C
A linguagem C foi escolhida por sua eficiência, portabilidade e grande popularidade em sistemas embarcados. Sua sintaxe clara oferece controle direto sobre o hardware, ao mesmo tempo em que suas bibliotecas padrão e ferramentas possibilitam o desenvolvimento de código compacto e otimizado para dispositivos com restrições de recursos.
Compilador GNU
O Compilador GNU (GCC - GNU Compiler Collection) é uma coleção de compiladores de código aberto que faz parte do projeto GNU, sendo amplamente utilizado para compilar programas em várias linguagens de programação, como C, C++, Fortran, Ada e outras. Ele é um dos compiladores mais populares e é essencial no desenvolvimento de software livre e projetos baseados em Linux.
VSCODE
O Visual Studio Code (VSCode) é um editor de código-fonte leve, desenvolvido pela Microsoft, que oferece uma ampla gama de funcionalidades para programadores. Ele é gratuito, de código aberto e disponível para várias plataformas, incluindo Windows, macOS e Linux.
Acelerômetro, Mapeamento de Memória e I2C
O acelerômetro utilizado no jogo é um dispositivo ADXL345, que se comunica via o barramento I2C (Inter-Integrated Circuit). Para acessá-lo, o código implementa o mapeamento de memória e manipulação direta de registradores. Mapeamento de Memória: O sistema Linux oferece um dispositivo especial chamado /dev/mem, que permite que processos de usuário acessem endereços físicos de hardware. O código usa o mapeamento de memória através da função mmap(), transformando os registradores do controlador I2C em ponteiros acessíveis pelo programa. Isso permite a leitura e escrita direta nos registradores de controle do barramento I2C. Comunicação I2C: Após o mapeamento, as funções implementadas permitem a leitura e escrita nos registradores do acelerômetro. Para isso, a inicialização do controlador I2C é feita com a função I2C0_Init(), que configura o dispositivo para o modo mestre e define o endereço do acelerômetro. Funções como accelerometer_x_read() são usadas para capturar os valores do eixo X do acelerômetro, enquanto accelerometer_isDataReady() verifica se os dados estão prontos para leitura. Função no Jogo: O acelerômetro detecta a inclinação do dispositivo, e com base nesses valores, o jogo move as peças para a esquerda ou direita no tabuleiro, conforme os movimentos do jogador. Isso adiciona uma camada de interatividade física ao jogo.
Threads
O jogo faz uso de threads para permitir a execução de tarefas concorrentes. Duas threads são criadas para gerenciar a leitura contínua do acelerômetro e o monitoramento dos botões do dispositivo. Thread do Acelerômetro: A função accel_working() é executada em uma thread separada. Essa thread continuamente verifica se há novos dados no acelerômetro e, se houver, lê os valores do eixo X para determinar se a peça deve se mover para a esquerda ou direita no tabuleiro. O uso de usleep() controla a frequência de leitura para evitar sobrecarga de processamento. Thread dos Botões: A função button_threads() também é executada em uma thread separada, que monitora o estado dos botões do hardware. Os botões têm diferentes funcionalidades: um deles pausa e retoma o jogo, e outro termina o jogo. Isso é feito através de uma leitura contínua dos botões usando a biblioteca KEY_read(), onde os eventos de pressionamento dos botões disparam as ações correspondentes no jogo. Sincronização com o Jogo: As threads permitem que o jogo continue a rodar independentemente, enquanto as entradas de controle (acelerômetro e botões) são monitoradas em segundo plano. Isso garante que a interação seja fluida e sem interrupções na lógica principal do jogo.
Tabuleiro e Peças no VGA
O jogo exibe o tabuleiro e as peças na tela usando um controlador VGA (Video Graphics Array). Tabuleiro: O tabuleiro é uma matriz bidimensional (int board[ROWS][COLS]) que representa as células onde as peças caem. A função initBoard() inicializa essa matriz, e cada célula pode estar vazia ou ocupada por parte de uma peça. O tabuleiro é renderizado na tela a cada iteração do loop principal do jogo, sendo atualizado conforme as peças se movem ou são fixadas. Peças: As peças do jogo são representadas por structs que contêm suas formas e posições. A função getRandomPiece() seleciona aleatoriamente uma nova peça para cair. A peça atual é renderizada na posição adequada no tabuleiro com a função renderWithPiece(), que combina o estado do tabuleiro com a peça ativa. Exibição VGA: A comunicação com a tela VGA é feita através de um dispositivo de vídeo. As funções video_open(), video_clear(), e video_text() são responsáveis por gerenciar a exibição gráfica. A tela é constantemente limpa e redesenhada a cada ciclo do jogo para refletir o estado atual do tabuleiro, a peça em queda e outras informações, como a pontuação. Pontuação e Fim de Jogo: A pontuação é exibida na tela junto com o tabuleiro. A cada vez que uma linha do tabuleiro é completada, ela é removida e a pontuação é atualizada usando a função clearLines(). Quando o jogo termina (se a peça alcançar o topo do tabuleiro), a mensagem "GAME OVER" é exibida e o jogo é finalizado.
As peças são formadas por quatro blocos quadrados. Existem sete formas básicas de peças, cada uma com uma letra correspondente.
Início:
O jogo é iniciado em um tabuleiro que consiste em uma grade retangular (10 colunas x 20 linhas), o jogo começa com um espaço vazio e, gradualmente, os tetriminos começam a cair do topo da tela.
Mecânica de Jogo:
As peças caem de uma posição inicial no topo do tabuleiro e continuam descendo até tocarem a linha mais baixa ou outra peça já posicionada. O diferencial na jogabilidade é o uso de um acelerômetro: ao inclinar a placa, o jogador pode mover as peças para a esquerda ou direita. O acelerômetro detecta o grau de inclinação, e, conforme os dados de inclinação são lidos, o movimento da peça no tabuleiro é ajustado.
Esse controle intuitivo permite que, inclinando a placa para a direita, a peça se mova para a direita no tabuleiro, enquanto inclinações para a esquerda fazem a peça se deslocar para a esquerda. A precisão do acelerômetro faz com que o jogador tenha controle direto sobre o posicionamento das peças em tempo real, influenciando a estratégia de encaixe nas lacunas.
Quando uma linha é completamente preenchida com blocos, ela desaparece, e as linhas acima descem uma posição, gerando pontos. O jogador ganha pontos ao remover linhas, e a habilidade de controlar a movimentação das peças com a inclinação da placa cria uma experiência de jogo mais dinâmica e interativa.
Objetivo:
O jogo tem como objetivo fazer a maior pontuação possível sem que as peças atinjam o topo do tabuleiro.
Pausa e retomada
Botão de Pausa: Quando o jogador pressiona o botão correspondente, o jogo é pausado. Durante a pausa, o jogador não pode mover as peças, e uma mensagem indicando o estado de pausa aparece na tela. Pressionar o botão novamente retoma o jogo. Botão de Retomar: Esse botão é usado para retornar ao jogo após ele ter sido pausado. Ele faz com que o jogo volte à sua dinâmica normal, permitindo o controle das peças e a continuidade da partida. Botão de Encerramento: Pressionar este botão encerra o jogo imediatamente, interrompendo qualquer ação em andamento e levando ao fim da partida.
A implementação apresentada demonstra a capacidade de atender integralmente aos requisitos propostos. Preliminarmente ao laço principal de execução, é realizada uma verificação para confirmar o desejo do usuário em iniciar o jogo. Em seguida, são inicializados os periféricos necessários para o funcionamento do sistema, a saber: interface gráfica (VGA), acelerômetro e botões de controle. Na sequência, são instanciados os elementos essenciais para o jogo, o mecanismo de geração aleatória de peças e as threads responsáveis pela execução concorrente das diferentes funcionalidades do sistema. Dentro do laço principal, o sistema realiza a leitura contínua dos dados provenientes do acelerômetro e verifica a ocorrência de eventos de clique nos botões. Na ausência de eventos de clique, a execução do jogo prossegue normalmente. Os dados obtidos do acelerômetro são utilizados para determinar a movimentação da peça em jogo, que é atualizada de acordo com os valores capturados. Após a atualização da posição da peça, é verificada a ocorrência de colisões com outras peças ou com as bordas do tabuleiro. Caso ocorra uma colisão, a peça é fixada na posição atual, sendo incorporada à matriz principal. Em seguida, é realizada uma verificação para determinar se o jogo chegou ao fim, condição que ocorre quando a pilha de peças atinge o topo do tabuleiro. Caso o jogo não tenha terminado, é verificada a ocorrência de eventos de clique nos botões, sendo executada a ação correspondente a cada botão pressionado. Ao final do jogo, é exibida a mensagem "GAME OVER!" na tela.
Nesta seção, serão abordadas as principais bibliotecas essenciais para o funcionamento completo do Tetris.
intelfpgaup/video.h
A biblioteca VGA (Video Graphics Array) desempenha um papel fundamental na implementação do tetris, fornecendo acesso direto ao framebuffer da VGA para controle granular de cada pixel. Funções como video_pixel, video_box, e video_line permitem a manipulação precisa das coordenadas e cores, essenciais para renderizar as peças do tetris e o tabuleiro em tempo real. O uso de buffers duplos (video_show) permite alternar entre o buffer de desenho e o buffer de exibição, eliminando o tearing (descontinuidade na imagem) e garantindo atualizações suaves da tela. Essa abordagem reduz a latência entre os cálculos lógicos do jogo e a atualização visual, otimizando a jogabilidade.
sys/mman
O uso de mmap é fundamental para acessar o acelerômetro na DE1-SoC, pois permite mapear o endereço físico do hardware (como o controlador I2C do acelerômetro) diretamente no espaço de memória do processo. Isso facilita a leitura e escrita de registradores do acelerômetro sem a necessidade de chamadas de sistema frequentes, reduzindo a latência e permitindo acesso direto e eficiente ao dispositivo.
pthread
A biblioteca pthread é crucial para integrar a leitura dos dados do acelerômetro ao loop principal do tetris, permitindo que ambos funcionem de maneira paralela. Ao criar duas threads principais — uma para a leitura contínua dos dados do acelerômetro e outra para o loop principal do jogo — é possível evitar que a leitura dos sensores bloqueie ou atrase a execução do jogo. A thread dedicada ao acelerômetro interpreta os valores de inclinação para mover as peças do Tetris (esquerda, direita) sem interferir na renderização ou na lógica do jogo. Simultaneamente, a thread do loop principal mantém o fluxo do jogo, verificando colisões, atualizando o estado da tela VGA e respondendo rapidamente às ações do jogador. A sincronização entre as threads, usando mutexes ou variáveis de condição, garante que a comunicação seja correta e sem inconsistências.
intelfpgaup/KEY.h
A biblioteca de botões é essencial para a implementação de controles interativos permitindo ao jogador pausar e finalizar o jogo de forma. Através da integração dessa biblioteca, é possível mapear ações específicas a eventos de pressionamento de botões, oferecendo uma experiência de usuário mais rica e responsiva. Quando um botão de pausa é acionado, a biblioteca permite interromper temporariamente o loop principal do jogo, mantendo o estado atual da partida e congelando a lógica de movimento das peças. Além disso, a biblioteca de botões também pode implementar a funcionalidade de finalização do jogo.
Tela do jogo
Tela de Game over
Tela do jogo pausado
O teste foi realizado com sucesso e o jogo foi pausado após o botão responsável por pausar ser pressionado
Teste de despausar o jogo
O teste foi realizado com sucesso e o jogo retornou de onde parou logo após o botão de despausar ser pressionado Teste de eliminar linhas e pontuar
Teste de Pontuação - Linha Completa
Teste de Pontuação - Pontuação efetivada
O teste foi realizado com sucesso e a linha foi deletada e acrescentado a pontuação na variável de Score Teste perder o jogo
Teste de finalização da partida ao perder
O teste foi realizado com sucesso e o jogo parou quando as peças chegaram ao topo do tabuleiro
A presente implementação do clássico jogo Tetris, desenvolvida em linguagem C para a plataforma DE1-SoC, demonstra a viabilidade e eficácia da utilização de sistemas embarcados em aplicações de entretenimento. A arquitetura da placa DE1-SoC, aliada a drivers disponíveis, proporcionou o ambiente ideal para o desenvolvimento e execução do jogo, atendendo integralmente aos requisitos propostos. A integração entre o software e o hardware da plataforma permitiu a utilização coordenada de diversos periféricos, como a interface VGA para a renderização gráfica, o acelerômetro para a interação por movimento e os botões para o controle tradicional do jogo. Os testes realizados demonstraram a estabilidade e o desempenho satisfatório do sistema, garantindo a execução confiável do jogo em diferentes cenários. A arquitetura ARM da plataforma DE1-SoC, em conjunto com a linguagem C, proporcionou um ambiente de desenvolvimento eficiente, permitindo a implementação de algoritmos para a execução. Além de cumprir os objetivos específicos do projeto, a implementação do Tetris em plataforma DE1-SoC contribuiu significativamente para o desenvolvimento das competências dos envolvidos, aprofundando os conhecimentos em sistemas embarcados, arquitetura ARM e programação em linguagem C. A experiência adquirida neste projeto abre novas perspectivas para o desenvolvimento de sistemas digitais mais complexos e a criação de soluções inovadoras em diversos setores.
Siga os passos abaixo para baixar, compilar e executar o código do projeto em um dispositivo FPGA DE1-SoC.
Passo 1: Clonar o Repositório Abra o terminal e execute o comando a seguir para clonar o repositório com o código-fonte:
git clone https://github.com/GHenryssg/PBL---SD.git
Passo 2: Navegar até o Diretório e Compilar Após clonar o repositório, entre no diretório do projeto com o comando:
cd PBL---SD
Passo 3: Em seguida, compile e execute o código utilizando o comando:
make
