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關(guān)卡展示

這一關(guān)提供了一個沾滿灰塵的隨機數(shù)發(fā)生器。我們要做的是：當(dāng)隨機數(shù)發(fā)生器生成?1 時，令揚聲器播放【邪惡地笑】音效；而當(dāng)隨機數(shù)發(fā)生器生成 2 時，令揚聲器播放【令人毛骨悚然的尖叫】音效。

這兩種音效的波形我們可以在數(shù)據(jù)手冊中找到：

這些音效的波形數(shù)據(jù)由大量的數(shù)字組成，僅靠 MC 系列芯片里的 acc 和 dat 寄存器已經(jīng)無法存儲。這里我們必須要使用到元件面板里的擴展存儲元件。

擴展存儲元件有兩種：一種是 100P-14，黃底，有 14 格額外的存儲空間，數(shù)據(jù)可讀可寫，但初值只能是全 0，任何寫操作都必須在運行時完成，不能在運行前寫好初始數(shù)據(jù)。相當(dāng)于現(xiàn)實世界里的隨機存儲器（RAM）。

另一種是 200P-14，黑底，同樣有 14 格額外的存儲空間。但是里面的數(shù)據(jù)必須在設(shè)計電路板時就確定好，運行時只能讀，不能寫。相當(dāng)于現(xiàn)實世界里的只讀存儲器（ROM）。

這兩個擴展存儲元件有以下共同點：

1. 都帶有兩個指針。讀取 a0/a1 口可以獲得當(dāng)前的左/右指針的位置，范圍 0~13；而向 a0/a1 口寫數(shù)據(jù)則可以更改左/右指針的位置。當(dāng)寫入的地址值在 0~13 范圍之外時，會自動把地址值設(shè)置為傳入的數(shù)取除以 14 的余數(shù)。例如，向 a0 口傳 15?時，會將左指針置為 1；向 a1?口傳 -1 時，會將右指針置為 13。

2. 讀 d0 口會讀取到左指針?biāo)赶虻臄?shù)字，同時左指針自動向后移動一格。讀 d1 口會讀取到右指針?biāo)赶虻臄?shù)字，同時右指針自動向后移動一格。指針自增的這個特性非常優(yōu)秀，可以讓我們在讀連續(xù)數(shù)據(jù)時不需要反復(fù)操作地址口，只要連續(xù)讀數(shù)據(jù)口就完事了。下面舉一個連續(xù)從 ROM 中讀取三個數(shù)，并將 acc 的百位、十位、個位依次置為這三個數(shù)的例子：

3. 對于 RAM 而言，d0/d1 口不僅可讀，而且可寫。向 RAM 的 d0/d1 口寫數(shù)據(jù)時，左/右指針指向的空間里的內(nèi)容會被覆蓋為新內(nèi)容，同時左/右指針自動向后移動一格（指針自增這一點無論讀寫都一樣）。下面給出一個將 ROM 中的內(nèi)容復(fù)制到 RAM 中的示例程序：

首先我們從 ROM 的數(shù)據(jù)口（x0）讀入數(shù)據(jù)，并將讀入的數(shù)據(jù)寫入 RAM 的數(shù)據(jù)口（x2）（mov x0 x2）。執(zhí)行完本次操作后，ROM 的右指針以及 RAM 的左指針都會自增 1。此時我們判斷任意一個地址值，如果指向了 0（teq x1 0，或 teq x3 0），說明前一次讀/寫操作是在 13 地址處進(jìn)行的，那么就說明所有的數(shù)據(jù)都復(fù)制完畢了，直接結(jié)束程序（+ slp 999）。如果自增后的地址值沒有指向 0，說明前一次讀寫并不是在 13 地址處進(jìn)行的，那么就要跳轉(zhuǎn)回去循環(huán)執(zhí)行復(fù)制操作（- jmp 1），直到將 13 地址處的數(shù)據(jù)復(fù)制完成為止。

運行程序，我們發(fā)現(xiàn) RAM?最終會被寫入和 ROM 一模一樣的數(shù)據(jù)：

前面我們花了很大的篇幅介紹 ROM 和 RAM 這兩個擴展存儲元件，現(xiàn)在我們回到題目。這道題因為要在特定的觸發(fā)條件下播放兩種可能的聲音波形，且這兩種波形數(shù)據(jù)的長度均為 13。所以我們肯定是需要兩個 ROM 來存儲兩種聲音的波形數(shù)據(jù)的。

這道題我們發(fā)現(xiàn)可以將一塊 MC6000 物盡其用，4 個 x 口，正好接在兩個 ROM 的地址口和數(shù)據(jù)口上；剩下兩個 p 口，一個接隨機數(shù)生成器的輸入信號，一個接揚聲器的輸出信號。一點不浪費！我們先二話不說，搭出如下的電路圖：

左邊的 ROM 記錄的是《邪惡地笑》的波形數(shù)據(jù)，而右邊的 ROM 記錄的是《令人毛骨悚然的尖叫》的波形數(shù)據(jù)。這兩個 ROM 都以 50 結(jié)尾，是因為播放完對應(yīng)音效后，需要將揚聲器的波形值重設(shè)為 50，而不能一直停留在音效的最終波形值上。

我們現(xiàn)在的思路就是：當(dāng)隨機數(shù)發(fā)生器生成 1 時，我們在接下來的 14 個時鐘周期里不斷讀左邊 ROM 的數(shù)據(jù)口，并將相應(yīng)的波形發(fā)送給揚聲器；同理，當(dāng)隨機數(shù)發(fā)生器生成 2 時，我們在接下來的 14 個時鐘周期里不斷讀右邊 ROM 的數(shù)據(jù)口，并將相應(yīng)的波形發(fā)送給揚聲器。

根據(jù)一開始舉的例子，我們已經(jīng)知道了讀完整個 ROM 的條件是：讀取數(shù)據(jù)后的地址值為 0。因此我們寫出如下的具有循環(huán)結(jié)構(gòu)的代碼：

首先，我們要給揚聲器賦上 50 的初始聲波（@ mov 50 p1）。接下來，我們判斷當(dāng)前時鐘周期里的隨機數(shù)是否為 1（teq p0 1）。如果是 1，我們不斷從左邊的 ROM 中讀取數(shù)據(jù)發(fā)給揚聲器（+ mov x0 p1, + slp 1），并判斷讀取后的地址值是否大于 0（+ tcp x1 0）。如果地址值大于 0，說明當(dāng)前聲波還沒輸出完畢，需要跳到第 3 行繼續(xù)發(fā)送（+ jmp 3），直到地址值為 0 為止，關(guān)閉所有的 + - 號指令，跳到最后一行，休眠一秒，等待下一次信號（slp 1）。如果一開始的隨機數(shù)不是 1，而是 2（- teq p0 2），則改為從右邊的 ROM 循環(huán)讀?。? mov x2 p1, + slp 1, + tcp x3 0, + jmp 8）。等到讀取完畢，右邊的 ROM 的地址值為 0?時，跳到最后一行，休眠一秒，等待下一次信號（slp 1）。

點擊左下角的【模擬】，稍等片刻，便會彈出結(jié)算界面：

優(yōu)化電量

播放特定音效時，我們需要讀取連續(xù)的 14 個波形數(shù)據(jù)。14 除自己外的因數(shù)有 1、2、7，也就是說，我們在循環(huán)的過程中，每次循環(huán)讀取 1/2/7 個波形數(shù)據(jù)時，都能保證循環(huán)正常結(jié)束。為什么每次讀取的數(shù)據(jù)長度必須要是總長度的因數(shù)呢？假如一次讀取 3 個波形數(shù)據(jù)，那么在第 5 次循環(huán)時，就會錯誤地觸發(fā)“讀取第 15 個波形數(shù)據(jù)”這樣的事件。

現(xiàn)在我們的 MC6000 里還有兩行代碼空間。我們可以將其中一個音效的循環(huán)改為“每次讀取兩個波形數(shù)據(jù)”，從而減少判斷循環(huán)是否結(jié)束的次數(shù)。如下圖所示，播放音效 2 的循環(huán)改成了“每次讀取兩個波形數(shù)據(jù)”。

優(yōu)化代碼行數(shù)

這個沾滿灰塵的隨機數(shù)發(fā)生器不會生成值為 0 的隨機數(shù)，因此我們可以將讀到的隨機數(shù)分成三類：小于 2（即 1），等于 2，大于 2。沒錯，一次 tcp 三態(tài)判定就可以一勞永逸。

第一行將揚聲器初始化為 50，所有設(shè)計方案都是一樣的（@ mov 50 p1）。然后我們將 p0 的值存入 acc，并對 acc 做三態(tài)判定（mov p0 acc, tcp acc 2）。這時候可能有讀者會問了：p 口數(shù)據(jù)又不像 x 口那樣只能讀一次，明明可以反復(fù)讀，為啥還得存到 acc 里再做三態(tài)判定呢？因為：①p 口數(shù)據(jù)只能在當(dāng)前時鐘里反復(fù)讀，不代表在后續(xù)的時鐘周期里還能反復(fù)讀當(dāng)前這一秒的數(shù)字，“一旦錯過就不再”；②播放音效時，循環(huán)里的跳轉(zhuǎn)指令會破壞 + - 號狀態(tài)，每次循環(huán)回來都要重新判定。重新判定的時候，我們不能以實時的隨機數(shù)作為依據(jù)，只能以進(jìn)入音效播放流程前的隨機數(shù)作為依據(jù)。所以我們在進(jìn)入音效播放流程前，必須要將隨機數(shù)存入 acc，以方便后續(xù)的判斷。

那為什么前一個方案就不需要將 p0 的值存入 acc 呢？因為前一個方案里，兩個音效的播放流程是各自獨立，不共享代碼的。在各自的流程里，循環(huán)部分全部是用 + 號串聯(lián)起來的，只要跳轉(zhuǎn)指令也使用 + 號，就可以保證不破壞 + - 號狀態(tài)。只有當(dāng)循環(huán)的過程中使用了 + - 號分離了代碼塊時，循環(huán)最后的跳轉(zhuǎn)指令才會起到破壞 + - 號狀態(tài)的副作用。只有這種時候，才需要在循環(huán)的每個周期里都重新執(zhí)行測試指令恢復(fù) + - 號狀態(tài)。

回到程序。如果 acc 的值大于 2，那么直接跳到第 7 行休眠一秒（+ jmp 7）。進(jìn)入下一個時鐘周期后，因為兩個 ROM 的數(shù)據(jù)指針都沒有動過，所以后續(xù)的 tcp x3 0 判斷一定是不成立的，會直接跳回第 2 行，重新對新的隨機數(shù)做三態(tài)判定。

如果 acc 的值小于等于 2，那么我們需要分情況討論是 1 還是 2。我們先假設(shè) acc 是 2，從右邊的 ROM 中讀一格波形數(shù)據(jù)發(fā)給揚聲器（mov x2 p1）。如果 acc 的值是 1，那么再撤銷剛才發(fā)的波形數(shù)據(jù)，改為從左邊的 ROM 中讀取（- mov x0 p1）。讀取完畢后，休眠 1 秒，讓波形數(shù)據(jù)作用到揚聲器上（slp 1）。這就相當(dāng)于：當(dāng) acc 是 2 時，只讀取右邊 ROM 的波形；而當(dāng) acc 是 1 時，左右兩邊的 ROM 一起讀取，但最終生效的是左邊 ROM 的波形。因此，只要進(jìn)入了音效播放流程，右邊的 ROM 指針是一定會動的。此時，我們可以統(tǒng)一以右側(cè) ROM 的地址值是否為 0，作為判定循環(huán)結(jié)束的依據(jù)（tcp x3 0）。如果該地址值大于 0，說明當(dāng)前聲波還沒輸出完畢，需要跳到第 3 行，將 + - 號狀態(tài)還原，并繼續(xù)發(fā)送波形數(shù)據(jù)（+ jmp 3）。等到讀取完畢，右邊的 ROM 的地址值為 0?時，再跳回到開頭，重新對新的隨機數(shù)做三態(tài)判定。

點擊左下角的【模擬】，稍等片刻，便會彈出結(jié)算界面：

我們通過三態(tài)判定，及巧用 + - 號的方式，合并了初始案例中的相似代碼，省去了一行休眠、一行地址判定、一行跳轉(zhuǎn)的代碼，用電量消耗驟然增加的代價，把總代碼行數(shù)減少到了 9 行。當(dāng)不同條件下需要執(zhí)行的邏輯相似時，我們可以【將相似的邏輯合并】，以一定程度的電量為代價，換取【相似邏輯間共享代碼，節(jié)約代碼行數(shù)，甚至節(jié)約成本】的成果。【邏輯合并】是優(yōu)化代碼行數(shù)及優(yōu)化成本時的常用套路，后續(xù)關(guān)卡中仍然會再度用到。

碎碎念

代碼壓縮到了 9 行？沒用到 dat 寄存器？對不起，因為你的 6 個口都接上導(dǎo)線了，想降成本換成 MC4000，沒門。即使左邊 ROM 的地址口沒用上，那也是接了 5 個口。連接的口數(shù)減少不到 4 個，就別想換成 4000。