Snake Game with FPGA Control

FPGA 버튼과 FND 디스플레이를 연동하는 snake 게임입니다.

Features

• FPGA push switch로 게임 조작 (버튼: 1=UP, 3=LEFT, 5=RIGHT, 7=DOWN)
• 난이도 선택은 0=Easy, 1=Normal, 2=Hard로 입력
• 점수를 FND 디스플레이에 4자리 숫자로 표시
• 키보드 입력 지원 (fallback)
• 벽 또는 자기 꼬리 충돌 시 게임 오버 처리
• 시작 시 모드 선택 추가: Normal (벽 닿으면 죽음) 또는 Wrap (벽 닿으면 반대편으로 넘어감). FPGA 버튼 또는 키보드로 선택 가능.
• 게임 오버 후 FPGA Switch 0으로 재시작, 2로 종료 선택 가능
  • (확인) 일시정지 상태에서 FPGA 버튼 0으로 재개하고 버튼 2로 종료할 수 있도록 기능을 추가했으며, 스위치 동작을 확인했습니다.
• 매 게임마다 이름 입력받고 점수 기록
• 최고 점수 및 기록자 이름 추적
• 새로운 기록 달성 시 축하 메시지 표시
• 최고 점수 미달 시 현재 점수와 최고 점수, 각각의 플레이어 이름 표시

Device Mapping

• fpga_push_switch: major 265
• fpga_fnd: major 261
• my_led_dev: major 236 (interrupt switch)
• fpga_buzzer: major 264

Buzzer Test Example

버저 드라이버는 1바이트 write/read 방식입니다. 포함된 테스트 유틸리티 buzzer_test 로 여러 동작을 확인할 수 있습니다.

빌드 및 준비

# (라즈베리파이에서) 모듈을 삽입한 뒤 장치 노드 생성
sudo insmod fpga_buzzer_driver.ko
sudo mknod /dev/fpga_buzzer c 264 0
sudo chmod 666 /dev/fpga_buzzer

# 빌드 (로컬이나 라즈베리파이에서)
gcc buzzer_test.c -o buzzer_test

기본 사용법

./buzzer_test on               # 짧게 켰다가 끕니다 (기본 200ms)
./buzzer_test off              # 끕니다
./buzzer_test pulse            # 짧은 펄스 (기본 약 150ms)
./buzzer_test blink <n> <ms>   # n회 깜빡임, 각 on/off 지연(ms)
./buzzer_test tone <hz> <ms>   # 지정 주파수(hz)를 duration(ms)만큼 재생
./buzzer_test note <name> <ms> # 음계 이름(C4, A3, G#5 등)을 duration(ms)만큼 재생
./buzzer_test test             # C major 스케일(C4..C5)을 연주

예시

./buzzer_test tone 440 500    # A4(440Hz)를 500ms 재생
./buzzer_test note C4 300     # C4(약 261Hz)를 300ms 재생
./buzzer_test blink 5 200     # 5회 200ms 간격으로 on/off
./buzzer_test test            # 도레미파솔라시도 재생

설명 및 제약

• tone 모드는 직접 주파수를 받습니다. 유저스페이스 타이머 정밀도의 한계로 매우 높은 주파수나 정밀 주파수 제어에는 한계가 있습니다.
• note 모드는 A4 = 440Hz 기준으로 음계 이름을 계산합니다. 지원 예: C4, G#4 (또는 Ab4), A3 등. 옥타브 숫자를 반드시 포함해야 합니다.
• 주파수 범위: 내부에서 20Hz ~ 20000Hz 로 제한합니다.
• 볼륨(실제 음량) 제어는 하드웨어(버저 회로)나 FPGA 쪽 PWM/증폭기 설계가 필요합니다. 유저스페이스에서는 듀티비 조작으로 감지상 음량을 낮출 수 있으나 효과는 하드웨어에 따라 다릅니다.

빠른 확인: 장치를 올바르게 로드하면 ls -l /dev/fpga_buzzer 로 존재를 확인하고, dmesg에 관련 로그가 남을 수 있습니다.

컴파일 옵션

# 네이티브(라즈베리파이 또는 리눅스 호스트) 빌드
gcc buzzer_test.c -o buzzer_test

# 크로스 컴파일(예: x86에서 ARM 타겟 빌드)
arm-linux-gnueabi-gcc buzzer_test.c -o buzzer_test -pthread

참고: 현재 note_name_to_frequency는 테이블 기반이라 pow()에 의존하지 않습니다. 그래서 -lm은 더 이상 필요하지 않습니다.

play_tone 함수 사용법

buzzer_test.c에는 내부적으로 재사용 가능한 play_tone 헬퍼가 있습니다. 다른 C 프로그램에서 동일한 패턴으로 음을 재생하려면 이 함수를 복사해서 사용하거나 buzzer_test.c의 구현을 참조하세요.

함수 시그니처:

// fd: 열린 /dev/fpga_buzzer 파일 디스크립터
// freq: 재생할 주파수(Hz)
// duration_ms: 재생 시간(밀리초)
static int play_tone(int fd, unsigned int freq, long duration_ms);

간단한 사용 예제:

#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

extern int play_tone(int fd, unsigned int freq, long duration_ms); // 또는 buzzer_test.c 내부 복사

int main(void) {
	int fd = open("/dev/fpga_buzzer", O_RDWR);
	if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }

	// A4(440Hz)를 500ms 재생
	play_tone(fd, 440, 500);

	close(fd);
	return 0;
}

주의:

• play_tone은 사용자공간에서 사각파를 생성하기 위해 write(1)/write(0)를 빠르게 반복합니다. 높은 주파수에서 타이밍 정확도는 제한될 수 있습니다.
• 실제 프로젝트에서 재사용 시에는 play_tone 구현을 모듈화하거나, 정밀 제어가 필요하면 드라이버/FPGA 쪽 PWM 생성을 고려하세요.

Snake 효과음

현재 snake.cpp에서는 다음 상황에서 버저 효과음을 재생합니다.

• 게임 시작 시: G5 → B5 계열의 짧은 상승 멜로디
• 일반 먹이 #를 먹었을 때: A5 → C#6 근처의 짧은 2음 효과음
• 느린 먹이 *를 먹었을 때: E5 계열의 짧은 단음 효과음
• 벽에 부딪혀 게임 오버가 되었을 때: A2 계열의 낮은 경고음
• 자기 꼬리에 충돌해 게임 오버가 되었을 때: A2 계열의 낮은 경고음
• 게임 종료 후 이름 입력 전에: G4 → D4 → G3 계열의 짧은 종료 멜로디

버저 장치가 없으면 게임은 계속 동작하고, 소리만 비활성화됩니다.

일시 정지는 interrupt switch로 토글되고, 다시 같은 스위치를 뒤집으면 resume됩니다.

Troubleshooting

• WSL에서 make로 ARM 크로스컴파일한 뒤 Pi에서 ./note_name_test를 실행했는데 parse error가 나면, 먼저 Pi에서 실행한 바이너리가 최신 빌드인지 확인합니다.
• 이 프로젝트의 note_name_to_frequency는 현재 테이블 기반 구현이라 WSL/Pi에서 같은 결과가 나와야 합니다. 실제로는 오래된 바이너리를 실행했거나, 소스 복사 후 재빌드를 안 한 경우가 대부분입니다.
• 확인 순서: make clean && make note_name_test로 다시 빌드한 뒤 Pi로 복사하고, ./note_name_test를 다시 실행합니다.
• 테스트용 note_name_test는 /dev/fpga_buzzer가 없어도 동작합니다. 소리 재생 확인이 필요할 때만 buzzer_test note ... 또는 buzzer_test test를 사용합니다.

FPGA Setup (라즈베리파이)

모듈 로드 및 디바이스 노드 생성:

# 1) 기본 인터페이스 드라이버 먼저 로드
sudo insmod fpga_interface_driver.ko

# 2) FPGA 디바이스 드라이버 로드
sudo insmod fpga_push_switch_driver.ko
sudo insmod fpga_fnd_driver.ko
sudo insmod fpga_buzzer_driver.ko

# 3) 인터럽트 스위치 드라이버 로드
sudo insmod itr_driver.ko

# 4) FPGA 디바이스 노드 생성
sudo mknod /dev/fpga_push_switch c 265 0
sudo mknod /dev/fpga_fnd c 261 0
sudo mknod /dev/fpga_buzzer c 264 0
sudo mknod /dev/my_led_dev c 236 0

# 5) 권한 부여
sudo chmod 666 /dev/fpga_push_switch /dev/fpga_fnd /dev/fpga_buzzer /dev/my_led_dev

# 6) 모듈 로드 확인
lsmod | grep -E "fpga|itr"
dmesg | tail -20

# 7) 디바이스 노드 확인
ls -l /dev/fpga_push_switch /dev/fpga_fnd /dev/fpga_buzzer /dev/my_led_dev

# 정상이면 이렇게 나옵니다:
# crw-r--r-- 1 root root 265, 0 ... /dev/fpga_push_switch
# crw-r--r-- 1 root root 261, 0 ... /dev/fpga_fnd
# crw-r--r-- 1 root root 264, 0 ... /dev/fpga_buzzer
# crw-r--r-- 1 root root 236, 0 ... /dev/my_led_dev

Build (Windows/WSL)

cd ~/workspace/snake
make snake

Makefile은 arm-linux-gnueabi-g++와 arm-linux-gnueabi-gcc를 사용해서 snake, buzzer_test, note_name_test를 모두 빌드합니다.

Deploy & Run (라즈베리파이)

# 1) 라즈베리파이 접속
ssh pi02@210.125.213.129 -p 51234

# 2) 바이너리 전송 (Windows/WSL에서)
scp -P 51234 snake pi02@210.125.213.129:/home/pi02/workspace/

# 3) 라즈베리파이에서 실행
ssh -p 51234 pi02@210.125.213.129
cd ~/workspace
sudo ./snake

Example Run

FPGA push switch device opened successfully!
FPGA FND device opened successfully!
Interrupt switch device opened successfully!

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Player's Score: 10
Control: Button 1=Up / 3=Left / 5=Right / 7=Down (FPGA Switch)
Enter your name to record this score: John
Game Over! Final Score: 10
*** NEW HIGH SCORE! ***

Restart? FPGA Switch 0 = restart, 2 = exit

(... 다시 게임 진행 후 ...)

Player's Score: 5
Game Over! Final Score: 5
Enter your name to record this score: Alice
Current Score: 5 (Alice)
High Score: 10 (John)

Restart? FPGA Switch 0 = restart, 2 = exit

Cleanup

모듈 언로드 (역순):

sudo rmmod itr_driver
sudo rmmod fpga_buzzer_driver
sudo rmmod fpga_fnd_driver
sudo rmmod fpga_push_switch_driver
sudo rmmod fpga_interface_driver
sudo rm -f /dev/fpga_push_switch /dev/fpga_fnd /dev/fpga_buzzer /dev/my_led_dev

Control Methods (우선순위 순)

1. FPGA Push Switch: 버튼 1,3,5,7로 조작 (4개 버튼)
2. Interrupt Switch: GPIO2 기반 인터럽트로 게임 pause/resume 토글
3. Keyboard: 8,2,4,6 키로 조작 (fallback)

난이도 선택은 FPGA 스위치 0,1,2 또는 키보드 0,1,2로 진행합니다.

게임 시작 시 어떤 입력 방식이 활성화되었는지 화면에 표시됩니다.

Mode Selection

• 게임 시작 시 모드를 선택합니다:

  • Normal: 벽에 닿으면 게임 오버 (기존 동작)
  • Wrap: 벽을 통과하여 반대편으로 이동 (새로운 옵션)

• 선택 방법:

  • FPGA가 연결된 경우: 버튼 0 = Normal, 버튼 1 = Wrap.
  • FPGA 미연결(키보드 사용)인 경우: 0 = Normal, 1 = Wrap 입력.

• 선택한 모드는 게임 화면에 Mode: 항목으로 표시됩니다.

Restart Behavior

• 게임 시작 시 이름 입력을 받지 않고 바로 시작됩니다.
• 게임 오버가 되면 점수를 기록할 이름을 입력받습니다.
• 현재 점수가 최고 점수보다 높으면 최고 점수로 갱신되고 "*** NEW HIGH SCORE! ***" 메시지를 표시합니다.
• 현재 점수가 최고 점수보다 낮으면 현재 점수 및 이름, 그리고 최고 점수 및 그 기록자의 이름을 함께 표시합니다.
• 이후 FPGA Switch 0으로 재시작하거나, 2로 종료를 선택합니다.
• FPGA Switch가 없을 때는 기존처럼 y/n 키보드 입력으로 재시작을 선택합니다.
• 최고 점수는 게임 실행 중 메모리에 유지되며, 현재 세션 동안 갱신됩니다.

Interrupt Switch Behavior

• my_led_dev는 GPIO2의 rising edge 인터럽트로 동작합니다.
• 스위치를 한 번 누르면 게임이 일시정지(pause)됩니다.
• 다시 인터럽트가 들어오면 게임이 이어서 진행(resume)됩니다.
• 입력 우선순위는 FPGA Push Switch > Interrupt Switch > Keyboard 순서입니다.

Interrupt Switch Device

• Device file: /dev/my_led_dev
• Major number: 236
• GPIO input: 27
• GPIO output: 24
• Interrupt trigger: IRQF_TRIGGER_RISING