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《我的世界》红石电脑制作原理及使用教程

原标题:《我的世界》红石电脑制作原理及使用教程

《我的世界》中的红石可以说是非常好玩的要素,很多玩家就做一些红石小装置就满足了,那么下面小编为大家带来的这个红石设施,绝对让各位玩家献出膝盖,一起来看看《我的世界》32位红石电脑制作原理及使用教程吧!

本电脑由论坛小组The Redpixel成员HappyWater于2016年4月完成。机器编号为RSC-3230。

本作品是一台32位红石电脑,CPU部分是一个 32 位通用处理器,配有512Byte RAM(其中 128Byte为显示缓冲区),8 键输入(其中四个方向键,四个功能键),32x32像素屏幕输出。

一、作品总览

本作品总体由运算器模块,存储器模块,控制器模块,显示屏模块,以及输入按钮等部分组成。下面简要介绍各个模块。

1、运算器

运算器包含一个加法器,两个单向串行移位器(分别对应左移和右移),一个串行乘法器和一个串行除法器。运算器组可以完成加减乘除四则运算,与或非逻辑,移位运算等运算。

2、存储器

存储器总共 128个字,每个字长 32 位,不允许非对齐访问。建筑结构为多层结构,总共分四层,每层容量 128Byte,其中最上面一层被连接在显示屏上,使用屏幕刷新指令即可将这部分存储器中的数据显示在屏幕上。存储器中,靠下的层为地址低位,靠上的为高位。

3、控制器

控制器部分负责产生控制时序,指挥整机的运转。控制器也是分层结构的,面板上每一行对应内部的一层。每一层负责一种基本动作,按下每一层右边的按钮,即可执行这一层的动作。

在正常自动运行时,控制器会依照指令,轮流执行相应的动作,完成程序预期的操作和运算。在单步运行时,玩家可以手动执行每一个动作,观察程序运行状态,以便调试程序。

下数第四层,也就是橙色的一层为取指动作层。通常情况下,按下这一层的启动按钮即是启动整台机器。

在面板右侧有一个拉杆,是整机的停机拉杆。当退出游戏时,应先停止机器的运行。MC在保存地图时,对各个部分的保存时间并不同步,若此时机器处于运行状态,则可能导致红石电脑出错,甚至处于失控状态。

4、显示屏

显示屏为32x32 像素红灯屏幕。利用活塞BUD暂存屏幕画面,当程序正在绘制显示缓冲区中的画面时,显示屏上的画面不受影响,当绘制完成后,可使用刷新屏幕指令将画面刷新到屏幕。

6、输入按键

本作品提供了8 个输入按键,如图中所示,中间是四个方向键,下面四个是功能键。

8 个按键直接连接在寄存器 R30上,软件访问寄存器 R30即可获取当前按键状态,对R30写入则无意义。R30 最高 8bit中,每一个 bit对应一个按键,从最高位(31位)向低位依次为“上”“右”“左”“下”四个按键,紧接着下面从左向右依次四个功能按键。

当按键没有按下时,对应 bit位为0,按下时对应比特位为 1。R30中其余 bit位没有连接外部设备,可留给玩家自己MOD 添加。按键按下后并不会对系统产生中断,按键信息的输入只能通过软件轮询实现。

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二、指令表

本CPU的指令为32位定长,在内存中对齐存放。内存访问时忽略地址的最低 2bit。

CPU中包含32个 32 位通用寄存器,其中R31 为指令计数器,R30 为键盘状态寄存器。当指令运算中引用 R31时,R31 永远指向当前指令的下一条指令地址。当指令执行结果修改 R31时,程序流程即跳转。

1、数据传送指令

单寄存器指针内存读取指令:LDRs R1,R2

即以寄存器 R1 中的数值为指针访问内存,将内存中的数据传送寄存器 R2 中。两个寄存器编号可以相同。

双寄存器指针内存读取指令:LDRd R1,R2,R3

即以寄存器 R1、R2 之和为指针访问内存,将内存中的数据传送到寄存器 R3中。三个寄存器编号可以交叉。

单寄存器内存写入指令:STRs R1,R2

道理同上,以 R1 为指针,将 R2 写入内存。

双寄存器指针内存写入指令:STRd R1,R2,R3

道理同上,以 R1、R2之和为指针访问内存,将 R3 写入内存。

立即数输入指令:LDRi R1, $xx

即向寄存器 R1 中输入一个有符号整数立即数。该立即数长度 19 位,符号扩展至32位存入R1.

上述指令编码如下:

LDRs STRs LDRd STRd

0000 0100 1000 1100 => AAAA

[11][AAAA][00][R1][R2][R3][000000000] 左边 msb,右边 lsb。

LDRi R1, $int

[11][0010][00][R1][int]

例:

LDRs R1, R2 11 0000 00 00001 00000 00010 000000000

STRd R4, R5, R6 11 1100 00 00100 00101 00110 000000000

LDRi R16 , $12345 11 0010 00 10000 1001110000001100000

LDRi R7 , $ -19 11 0010 00 00111 1111111111111101101

2、算术运算及逻辑运算指令

本机器中ALU 支持 ADD SUB OR NOR AND NAND XOR NXOR 等指令,指令结构相似。

ADD R1, R2,R3 即将R1,R2中的数值相加,结果存入R3 中。三个寄存器的编号可以交叉。 SUB R1, R2, R3 即将R2-R1结果存入R3。三个寄存器编号可以交叉。

OR、NOR、AND……等其余指令类似不再赘述。

本机中移位器支持逻辑左移(BSL)、循环左移(BCL)、逻辑右移(BSR)、循环右移(BCR)以及算术右移(BAR)等指令。

BSL R1,R2,R3 即将R1 中的数值逻辑左移R2 位,将结果存入R3。三个寄存器编号可以交叉。R2中的数值忽略高位,仅关注最低 5bit。

BCL、BSR、BCR、BAR等指令同理,不再赘述。

本机中乘法器和除法器分别完成乘法和除法指令。需注意的是,乘法器与除法器指令涉及4个寄存器,两个源操作数,两个目的操作数。

MUL R1,R2,R3,R4 即将R1 R2 中的数值相乘,结果存入R3 R4中。其中R3存放结果低位,R4 存放结果高位。四个寄存器的编号可以交叉,若R3 R4编号相同,则最终寄存器中只存放结果低位。

上述指令编码如下:

[00][AAAA][F][C][R1][R2][R3][R4][A][000] (注意:A 字段有前后两组,共5bit)

ADD SUB OR NOR AND NAND XOR NXOR

00000 01000 00001 00101 11101 11001 00110 00010 => AAAAA

(本组指令可影响标志位)

BSL BSR BCL BCR BAR MUL DIV

00011 10011 01011 11011 10111 10000 10100 => AAAAA

(对本组指令使用标志影响位结果将不可预知)

指令中,F和C 各占1个bit。利用这两个指示位可实现if goto指令。

F为标志影响位,若为1,则本指令执行结果将影响标志位,若运算结果为0,则标志位为1,反之标志位为0。

C为条件执行位,若本为1,则本指令在标志位为1 时才执行,否则将跳过不执行。若本位为 0,则本条指令无条件执行。

3、屏幕控制指令

清白屏:WS 011000[其余填零]

清黑屏:BS 010100[其余填零]

刷新屏:RS 010010[其余填零]

WS和 BS用于清屏,区别是WS让全屏变亮,BS 让全屏变暗。由于显示屏利用活塞BUD 暂存画面,有时活塞可能“失去粘性”,此时应使用清白屏指令使其恢复。

刷新屏指令将RAM 中显示缓冲区里的数据显示在屏幕上。

显示缓冲区为128 字节,每4 字节对应屏幕上一行,高位对应靠左的像素,低位对应靠右的像素。靠高地址端的对应屏幕底下的像素,靠高地址端的对应屏幕上方的像素。

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三、使用方法简述

本机未设置 ROM,整个存储器部分都为 RAM,既可存放指令,亦可存放数据。可手动修改每一个存储位状态以完成编程。若不希望指令被意外修改,可将存储区相应的存储位上的活塞去除,以固定存储位状态。

在机器处于停止状态时,按下下图中左数第二个灯上的按钮即可将R31 清零,以完成程序复位。软件的第一条指令应按放在内存中的第一个单元内。可以在第一个内存单元处安置一条跳转指令,即可跳跃至任意程序入口。软件亦可在各个寄存器中存放初始化数据,而不必各个都从RAM 中加载,以节省RAM 空间和运行加载时间。

如上图所示,控制器面板中橙色的一层为指令读取动作层。按下右边的按钮,机器将从R31所指向内存单元读入指令并存入指令暂存器中,然后立即跳跃到对应的动作层去执行该指令。

如图所示,图中的拉杆为停机拉杆。任意时刻,若拉杆充能,则当前指令执行完毕后,整机便停止运行,机器停止时,左边的指示灯会闪烁一次。

在拉杆充能的情况下,按下取指令动作的按钮,则机器将完成取指和执行两个动作后停止运行。此方法可适用于程序单步执行。

若按下其它各层动作指令按钮,则将按各层方式解析当前指令并执行。每条指令只可以对应一个动作层,若启动的动作层与当前指令不匹配,则结果将不可预知。

屏幕面前地板上的按键连接至寄存器 R30上,软件需轮询 R30以完成按键输入,无按键中断功能。

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