32位無命令方塊紅石電腦簡介及設計原理

本作品是一臺32位紅石電腦，CPU部分是一個 32 位通用處理器，配有512Byte RAM(其中 128Byte為顯示緩沖區)，8 鍵輸入(其中四個方向鍵，四個功能鍵)，32x32像素屏幕輸出。

本電腦由論壇小組The Redpixel成員HappyWater于2016年4月完成，@乙烯_中國代為發布至mcbbs。機器編號為RSC-3230。

RSC-3230使用說明鏈接://pan.baidu.com/s/1bF9nCq密碼: 艦C

RSC-3230最新存檔鏈接://pan.baidu.com/s/1pLy4aH9密碼: 艦C

一、作品總覽

本作品總體由運算器模塊，存儲器模塊，控制器模塊，顯示屏模塊，以及輸入按鈕等部分組成。下面簡要介紹各個模塊。

1、運算器

運算器包含一個加法器，兩個單向串行移位器(分別對應左移和右移)，一個串行乘法器和一個串行除法器。運算器組可以完成加減乘除四則運算，與或非邏輯，移位運算等運算。

2、存儲器

存儲器總共 128個字，每個字長 32 位，不允許非對齊訪問。建筑結構為多層結構，總共分四層，每層容量 128Byte，其中最上面一層被連接在顯示屏上，使用屏幕刷新指令即可將這部分存儲器中的數據顯示在屏幕上。存儲器中，靠下的層為地址低位，靠上的為高位。

3、控制器

控制器部分負責產生控制時序，指揮整機的運轉。控制器也是分層結構的，面板上每一行對應內部的一層。每一層負責一種基本動作，按下每一層右邊的按鈕，即可執行這一層的動作。

在正常自動運行時，控制器會依照指令，輪流執行相應的動作，完成程序預期的操作和運算。在單步運行時，玩家可以手動執行每一個動作，觀察程序運行狀態，以便調試程序。

下數第四層，也就是橙色的一層為取指動作層。通常情況下，按下這一層的啟動按鈕即是啟動整臺機器。

在面板右側有一個拉桿，是整機的停機拉桿。當退出游戲時，應先停止機器的運行。MC在保存地圖時，對各個部分的保存時間并不同步，若此時機器處于運行狀態，則可能導致紅石電腦出錯，甚至處于失控狀態。

4、顯示屏

顯示屏為32x32 像素紅燈屏幕。利用活塞BUD暫存屏幕畫面，當程序正在繪制顯示緩沖區中的畫面時，顯示屏上的畫面不受影響，當繪制完成后，可使用刷新屏幕指令將畫面刷新到屏幕。

6、輸入按鍵

本作品提供了8 個輸入按鍵，如圖中所示，中間是四個方向鍵，下面四個是功能鍵。

8 個按鍵直接連接在寄存器 R30上，軟件訪問寄存器 R30即可獲取當前按鍵狀態，對R30寫入則無意義。R30 最高 8bit中，每一個 bit對應一個按鍵，從最高位(31位)向低位依次為“上”“右”“左”“下”四個按鍵，緊接著下面從左向右依次四個功能按鍵。

當按鍵沒有按下時，對應 bit位為0，按下時對應比特位為 1。R30中其余 bit位沒有連接外部設備，可留給玩家自己MOD 添加。按鍵按下后并不會對系統產生中斷，按鍵信息的輸入只能通過軟件輪詢實現。

二、指令表

本CPU的指令為32位定長，在內存中對齊存放。內存訪問時忽略地址的最低 2bit。

CPU中包含32個 32 位通用寄存器，其中R31 為指令計數器，R30 為鍵盤狀態寄存器。當指令運算中引用 R31時，R31 永遠指向當前指令的下一條指令地址。當指令執行結果修改 R31時，程序流程即跳轉。

1、 數據傳送指令

單寄存器指針內存讀取指令：LDRs R1,R2

即以寄存器 R1 中的數值為指針訪問內存，將內存中的數據傳送寄存器 R2 中。兩個寄存器編號可以相同。

雙寄存器指針內存讀取指令：LDRd R1,R2,R3

即以寄存器 R1、R2 之和為指針訪問內存，將內存中的數據傳送到寄存器 R3中。三個寄存器編號可以交叉。

單寄存器內存寫入指令：STRs R1,R2

道理同上，以 R1 為指針，將 R2 寫入內存。

雙寄存器指針內存寫入指令：STRd R1,R2,R3

道理同上，以 R1、R2之和為指針訪問內存，將 R3 寫入內存。

立即數輸入指令：LDRi R1, $xx

即向寄存器 R1 中輸入一個有符號整數立即數。該立即數長度 19 位，符號擴展至32位存入R1.

上述指令編碼如下：

LDRsSTRsLDRdSTRd

0000010010001100 =>AAAA

[11][AAAA][00][R1][R2][R3][000000000] 左邊 msb，右邊 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、 算術運算及邏輯運算指令

本機器中ALU 支持 ADD SUB OR NOR AND NAND XOR NXOR 等指令，指令結構相似。

ADD R1, R2，R3即將R1，R2中的數值相加，結果存入R3 中。三個寄存器的編號可以交叉。 SUB R1, R2, R3 即將R2-R1結果存入R3。三個寄存器編號可以交叉。

OR、NOR、AND……等其余指令類似不再贅述。

本機中移位器支持邏輯左移(BSL)、循環左移(BCL)、邏輯右移(BSR)、循環右移(BCR)以及算術右移(BAR)等指令。

BSL R1，R2，R3 即將R1 中的數值邏輯左移R2 位，將結果存入R3。三個寄存器編號可以交叉。R2中的數值忽略高位，僅關注最低 5bit。

BCL、BSR、BCR、BAR等指令同理，不再贅述。

本機中乘法器和除法器分別完成乘法和除法指令。需注意的是，乘法器與除法器指令涉及4個寄存器，兩個源操作數，兩個目的操作數。

MUL R1，R2，R3，R4 即將R1 R2 中的數值相乘，結果存入R3 R4中。其中R3存放結果低位，R4 存放結果高位。四個寄存器的編號可以交叉，若R3 R4編號相同，則最終寄存器中只存放結果低位。

上述指令編碼如下：

[00][AAAA][F][C][R1][R2][R3][R4][A][000](注意：A 字段有前后兩組，共5bit)

ADD SUB OR NOR AND NANDXORNXOR

00000 01000 00001 00101 11101 11001 00110 00010 => AAAAA

(本組指令可影響標志位)

BSL BSR BCL BCR BAR MUL DIV

00011 10011 01011 11011 101111000010100 => AAAAA

(對本組指令使用標志影響位結果將不可預知)

指令中，F和C 各占1個bit。利用這兩個指示位可實現if goto指令。

F為標志影響位，若為1，則本指令執行結果將影響標志位，若運算結果為0，則標志位為1，反之標志位為0。

C為條件執行位，若本為1，則本指令在標志位為1 時才執行，否則將跳過不執行。若本位為 0，則本條指令無條件執行。

3、 屏幕控制指令

清白屏：WS011000[其余填零]

清黑屏：BS010100[其余填零]

刷新屏：RS010010[其余填零]

WS和 BS用于清屏，區別是WS讓全屏變亮，BS 讓全屏變暗。由于顯示屏利用活塞BUD 暫存畫面，有時活塞可能“失去粘性”，此時應使用清白屏指令使其恢復。

刷新屏指令將RAM 中顯示緩沖區里的數據顯示在屏幕上。

顯示緩沖區為128 字節，每4 字節對應屏幕上一行，高位對應靠左的像素，低位對應靠右的像素。靠高地址端的對應屏幕底下的像素，靠高地址端的對應屏幕上方的像素。

三、使用方法簡述

本機未設置 ROM，整個存儲器部分都為 RAM，既可存放指令，亦可存放數據。可手動修改每一個存儲位狀態以完成編程。若不希望指令被意外修改，可將存儲區相應的存儲位上的活塞去除，以固定存儲位狀態。

在機器處于停止狀態時，按下下圖中左數第二個燈上的按鈕即可將R31 清零，以完成程序復位。軟件的第一條指令應按放在內存中的第一個單元內。可以在第一個內存單元處安置一條跳轉指令，即可跳躍至任意程序入口。軟件亦可在各個寄存器中存放初始化數據，而不必各個都從RAM 中加載，以節省RAM 空間和運行加載時間。

如上圖所示，控制器面板中橙色的一層為指令讀取動作層。按下右邊的按鈕，機器將從R31所指向內存單元讀入指令并存入指令暫存器中，然后立即跳躍到對應的動作層去執行該指令。

如圖所示，圖中的拉桿為停機拉桿。任意時刻，若拉桿充能，則當前指令執行完畢后，整機便停止運行，機器停止時，左邊的指示燈會閃爍一次。

在拉桿充能的情況下，按下取指令動作的按鈕，則機器將完成取指和執行兩個動作后停止運行。此方法可適用于程序單步執行。

若按下其它各層動作指令按鈕，則將按各層方式解析當前指令并執行。每條指令只可以對應一個動作層，若啟動的動作層與當前指令不匹配，則結果將不可預知。

屏幕面前地板上的按鍵連接至寄存器 R30上，軟件需輪詢 R30以完成按鍵輸入，無按鍵中斷功能。