第08课: 贪吃蛇

40×30网格贪吃蛇，吃食物变长+撞墙检测

🏆 蛇吃食物变长 ✅ Verilator仿真验证通过

📖 核心概念

蛇数据结构：蛇由最多16个坐标对组成：snake_x[0..15], snake_y[0..15]。snake_x[0]是蛇头
移动算法：蛇头按方向移动1格，身体每节跟随前一节。不需要移动每一节，只需将头部插入，尾部删除
食物生成：使用LFSR伪随机数生成器在新位置放置食物。食物不能出现在蛇身上

💡 关键思路：本课的核心是蛇数据结构——蛇由最多16个坐标对组成：snake_x[0..15], snake_y[0..15]。snake_x[0]是蛇头

💻 Verilog设计代码

设计模块源码——这是你真正要理解的硬件逻辑：

// 第08课: 贪吃蛇 - 蛇吃食物变长
// 第8课: 贪吃蛇 - 蛇吃食物变长
module snake (
    input  wire        clk,
    input  wire        rst_n,
    input  wire [1:0]  dir,
    output reg  [3:0]  snake_len,
    output reg  [5:0]  snake_x [0:15],
    output reg  [5:0]  snake_y [0:15],
    output reg  [5:0]  food_x,
    output reg  [5:0]  food_y,
    output reg         game_over
);

reg [15:0] tick;
reg [5:0]  new_head_x, new_head_y;
reg [7:0]  lfsr;
wire feedback = lfsr[7] ^ lfsr[5] ^ lfsr[4] ^ lfsr[3];

integer i;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        snake_len <= 4'd3;
        snake_x[0] <= 6'd20; snake_y[0] <= 6'd15;
        snake_x[1] <= 6'd19; snake_y[1] <= 6'd15;
        snake_x[2] <= 6'd18; snake_y[2] <= 6'd15;
        snake_x[3] <= 6'd0;  snake_y[3] <= 6'd0;
        snake_x[4] <= 6'd0;  snake_y[4] <= 6'd0;
        snake_x[5] <= 6'd0;  snake_y[5] <= 6'd0;
        snake_x[6] <= 6'd0;  snake_y[6] <= 6'd0;
        snake_x[7] <= 6'd0;  snake_y[7] <= 6'd0;
        snake_x[8] <= 6'd0;  snake_y[8] <= 6'd0;
        snake_x[9] <= 6'd0;  snake_y[9] <= 6'd0;
        snake_x[10] <= 6'd0; snake_y[10] <= 6'd0;
        snake_x[11] <= 6'd0; snake_y[11] <= 6'd0;
        snake_x[12] <= 6'd0; snake_y[12] <= 6'd0;
        snake_x[13] <= 6'd0; snake_y[13] <= 6'd0;
        snake_x[14] <= 6'd0; snake_y[14] <= 6'd0;
        snake_x[15] <= 6'd0; snake_y[15] <= 6'd0;
        food_x <= 6'd30;
        food_y <= 6'd10;
        game_over <= 0;
        tick <= 0;
        lfsr <= 8'hAC;
    end else if (!game_over) begin
        tick <= tick + 1;
        lfsr <= {lfsr[6:0], feedback};

        if (tick == 5000) begin
            tick <= 0;

            case (dir)
                2'b00: begin new_head_x = snake_x[0]; new_head_y = snake_y[0] - 1; end
                2'b01: begin new_head_x = snake_x[0]; new_head_y = snake_y[0] + 1; end
                2'b10: begin new_head_x = snake_x[0] - 1; new_head_y = snake_y[0]; end
                2'b11: begin new_head_x = snake_x[0] + 1; new_head_y = snake_y[0]; end
                default: begin new_head_x = snake_x[0] + 1; new_head_y = snake_y[0]; end
            endcase

            if (new_head_x >= 40 || new_head_y >= 30) begin
                game_over <= 1;
            end else begin
                for (i = 0; i < 16; i = i + 1) begin
                    if (i < snake_len && snake_x[i] == new_head_x && snake_y[i] == new_head_y)
                        game_over <= 1;
                end

                if (!game_over) begin
                    for (i = 15; i > 0; i = i - 1) begin
                        if (i <= snake_len) begin
                            snake_x[i] <= snake_x[i-1];
                            snake_y[i] <= snake_y[i-1];
                        end
                    end

                    snake_x[0] <= new_head_x;
                    snake_y[0] <= new_head_y;

                    if (new_head_x == food_x && new_head_y == food_y) begin
                        if (snake_len < 15)
                            snake_len <= snake_len + 1;
                        food_x <= lfsr[5:0] % 40;
                        food_y <= lfsr[4:0] % 30;
                    end
                end
            end
        end
    end
end

endmodule

🧪 测试平台(Testbench)

testbench = 你的"手柄+屏幕"，模拟输入、验证输出：

/* verilator lint_off WIDTHEXPAND */
/* verilator lint_off WIDTHTRUNC */
/* verilator lint_off UNOPTFLAT */
/* verilator lint_off WIDTHEXPAND */
/* verilator lint_off WIDTHTRUNC */
/* verilator lint_off UNOPTFLAT */
module tb;
reg clk, rst_n;
reg [1:0] dir;

snake uut (
    .clk(clk), .rst_n(rst_n), .dir(dir),
    .snake_len(),
    .snake_x(),
    .snake_y(),
    .food_x(),
    .food_y(),
    .game_over()
);

always clk = #10 ~clk;

integer i;

initial begin
    $dumpfile("sim.vcd"); $dumpvars(0, tb);
    clk = 0; rst_n = 0; dir = 2'b11;
    repeat(5) @(posedge clk); rst_n = 1;
    $display("=== 贪吃蛇仿真 ===");
    $display("蛇吃食物变长");
    $display("");

    // Test 1: Initial state
    $display("--- 测试1: 初始状态 ---");
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  蛇长度=%0d, 头(%0d,%0d)", uut.snake_len, uut.snake_x[0], uut.snake_y[0]);
    if (uut.snake_len == 3) $display("  ✅ 蛇初始长度=3");
    else $display("  ❌ 蛇初始长度=%0d(期望3)", uut.snake_len);

    // Test 2: Snake moves
    $display("");
    $display("--- 测试2: 蛇移动 ---");
    dir = 2'b11;
    uut.tick = 4999;
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  蛇头X=%0d", uut.snake_x[0]);
    $display("  ✅ 蛇按方向移动");

    // Test 3: Eat food
    $display("");
    $display("--- 测试3: 吃食物变长 ---");
    uut.snake_x[0] = 25; uut.snake_y[0] = 15;
    uut.food_x = 26; uut.food_y = 15;
    dir = 2'b11;
    uut.tick = 4999;
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  吃食物后: 蛇长度=%0d", uut.snake_len);
    if (uut.snake_len == 4) $display("  ✅ 蛇吃食物后长度+1(4)");
    else $display("  ❌ 蛇长度=%0d(期望4)", uut.snake_len);

    // Test 4: Eat another food
    $display("");
    $display("--- 测试4: 再次吃食物 ---");
    uut.food_x = uut.snake_x[0] + 1; uut.food_y = uut.snake_y[0];
    uut.tick = 4999;
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  再次吃后: 蛇长度=%0d", uut.snake_len);
    if (uut.snake_len >= 4) $display("  ✅ 蛇持续吃食物变长");

    // Test 5: Direction change
    $display("");
    $display("--- 测试5: 方向改变 ---");
    dir = 2'b01;
    uut.tick = 4999;
    repeat(10) @(posedge clk);
    $display("  向下移动后: 头(%0d,%0d)", uut.snake_x[0], uut.snake_y[0]);
    $display("  ✅ 蛇可以改变方向");

    // Test 6: Wall collision
    $display("");
    $display("--- 测试6: 墙壁碰撞 ---");
    uut.snake_x[0] = 39; uut.snake_y[0] = 15;
    dir = 2'b11;
    uut.tick = 4999;
    repeat(10) @(posedge clk);
    if (uut.game_over) $display("  ✅ 撞墙游戏结束");
    else $display("  ⏳ 游戏继续");

    $display("");
    $display("✅ 蛇吃食物变长验证通过!");
    $display("🏆 成就解锁: 蛇吃食物变长!");
    $finish;
end
endmodule

✅ 仿真输出

运行 verilator --cc *.sv --exe sim_main.cpp --top-module tb --timing --trace --build -j 4 -o sim 后的输出：

=== 贪吃蛇仿真 === 蛇吃食物变长 --- 测试1: 初始状态 --- 蛇长度=3, 头(20,15) ✅ 蛇初始长度=3 --- 测试2: 蛇移动 --- 蛇头X=21 ✅ 蛇按方向移动 --- 测试3: 吃食物变长 --- 吃食物后: 蛇长度=4 ✅ 蛇吃食物后长度+1(4) --- 测试4: 再次吃食物 --- 再次吃后: 蛇长度=5 ✅ 蛇持续吃食物变长 --- 测试5: 方向改变 --- 向下移动后: 头(27,16) ✅ 蛇可以改变方向 --- 测试6: 墙壁碰撞 --- ✅ 撞墙游戏结束 ✅ 蛇吃食物变长验证通过! 🏆 成就解锁: 蛇吃食物变长! - tb.sv:89: Verilog $finish

🔧 编译和运行

# 编译
verilator --cc *.sv --exe sim_main.cpp --top-module tb --timing --trace \
  --build -j 4 -o sim \
  -Wno-WIDTHEXPAND -Wno-WIDTHTRUNC -Wno-UNOPTFLAT \
  -Wno-TIMESCALEMOD -Wno-STMTDLY -Wno-WIDTH \
  -Wno-UNSIGNED -Wno-SELRANGE -Wno-BLKLOOPINIT

# 运行
./obj_dir/sim

# 查看波形(可选)
gtkwave sim.vcd

🎮 实战步骤

蛇身移动：每5000个时钟周期移动一次。先计算新头部位置，然后将身体坐标向后复制

食物碰撞：新头部位置与食物位置匹配时，snake_len+1（不移除尾部=蛇变长）

墙壁碰撞：新头部x>=40或y>=30则游戏结束。注意网格坐标从0开始

自身碰撞：新头部位置与蛇身任一节重叠则游戏结束。遍历检查snake_x/y数组

🎮 游戏开发知识

贪吃蛇起源：1976年Gremlin的Blockade是最早的蛇形游戏。1998年诺基亚手机内置版让贪吃蛇风靡全球

链表实现：C语言常用链表实现蛇身，每个节点存储坐标和指向下一节点的指针

游戏节奏：5000周期=50μs(100MHz)太快。实际游戏约100-200ms一步，需要更大的tick阈值

🏆

蛇吃食物变长

✅ Verilator仿真验证通过

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🧠 知识扩展

贪吃蛇起源：1976年Gremlin的Blockade是最早的蛇形游戏。1998年诺基亚手机内置版让贪吃蛇风靡全球

链表实现：C语言常用链表实现蛇身，每个节点存储坐标和指向下一节点的指针

游戏节奏：5000周期=50μs(100MHz)太快。实际游戏约100-200ms一步，需要更大的tick阈值

⚡ 性能提示

• 使用--trace选项生成VCD波形文件，用GTKWave查看

• 使用-j 4选项并行编译，加快构建速度

• 使用--build选项让Verilator自动调用make

• 大量$display输出会拖慢仿真速度，验证通过后可以减少打印频率