Creación de juegos en SoC FPGA utilizando una matriz de led RGB

Abstract

En desarrollos de sistemas complejos con altas prestaciones las opciones a las que se suele recurrir suelen pasar por las FPGA, combinaciones de microprocesadores/microcontroladores y FPGA, o por FPGA que cuentan con núcleos hardware de procesadores como parte de su estructura (SoC-FPGA). [1] En algunos casos, integrar un SoC con FPGA puede resultar en una solución más rentable y eficiente en términos de espacio en comparación con utilizar componentes separados para el procesamiento de CPU y FPGA. Esto es especialmente cierto, sobre todo en sistemas integrados complejos donde el espacio y el costo son factores críticos. El principal objetivo de este trabajo es tomar contacto con las tecnologías SoC-FPGA, estudiando su estructura y sus capacidades, aprendiendo su metodología de diseño y realizando diseños que pongan en valor lo aprendido. Como ejemplo de diseño, en este trabajo se ha realizado un juego que consiste en una versión simplificada de un juego estándar de recoger objetos. El objetivo de este juego es recoger todos los objetos sin que ninguno llegue al suelo. Cada objeto recogido acumulará puntos, hasta que finalmente, cuando un objeto caiga, se mostrará la puntuación total alcanzada por el jugador. Los objetos aparecerán de forma aleatoria, y su velocidad de caída podrá variar a medida que avanza el juego. Este juego se ha implementado sobre una SoC-FPGA realizando una parte del diseño en hardware y otra en software. Este SoC será el Zynq-7000 de Xilinx y la plataforma sobre la que está montado es la placa Pynq-Z2. Como componentes adicionales se usará un Keypad de Digilent con puerto Pmod y una matriz de 32x8 LEDs RGB con protocolo WS2812, que actuarán como entrada y salida del juego respectivamente. Se ha usado Vitis-2022 como entorno de desarrollo para realizar los diseños.

In the development of complex systems with high performance, the options usually used are FPGAs, combinations of microprocessors/microcontrollers and FPGAs, or FPGAs that have processor hardware cores as part of their structure (SoC-FPGA). [1] In some cases, integrating an SoC with FPGA can result in a more cost-effective and space-efficient solution compared to using separate components for CPU and FPGA processing. This is especially true, particularly in complex embedded systems where space and cost are critical factors. The main objective of this paper is to get acquainted with SoC-FPGA technologies by studying their structure and capabilities, learning their design methodology and creating designs that demonstrate the acquired knowledge. As an example of design, this project includes the creation of a game that consists of a simplified version of a standard object-collecting game. The objective of this game is to collect all the objects before any of them reach the ground. Each object collected will accumulate points, until finally, when an object falls, the total score achieved by the player will be displayed. The objects will appear randomly, and their falling speed may vary as the game progresses. This game has been implemented on a SoC-FPGA with part of the design in hardware and part in software. The SoC used is the Xilinx Zynq-7000, and the platform on which it is mounted is the Pynq-Z2 board. As additional components a Digilent Keypad with Pmod port and a 32x8 RGB LED matrix with WS2812 protocol will be used, which will act as input and output of the game respectively. Vitis-2022 has been used as development environment to realize the designs.