【深圳 IO 攻略】第 24 关：交通信号

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关卡展示

本关要求你控制一个六叉路口的交通信号灯。在没有紧急车辆的时候，按照【灯 0】亮【阶段 0】秒→【灯 1】亮【阶段 1】秒→【灯 2】亮【阶段 2】秒→【灯 0】亮【阶段 0】秒→……的方式循环。而当出现紧急车辆时，关闭所有信号灯，直到紧急车辆离开时，恢复原先的交通模式（不保留之前的计时）。

本关如果没有紧急车辆，我们只需要将三个常数寄存器连到芯片的三个 x 口上，然后用一个 DX-300 连接右侧的三个信号灯输出口，并按照下面的方式设计程序即可：

给 DX-300 赋 100 点亮灯 0，睡 x0 秒；给 DX-300 赋 10 点亮灯 1，睡 x1 秒；给 DX-300 赋 1 点亮灯 2，睡 x2 秒。如此循环即可。

但是现在有紧急车辆，你就不能在点灯过程中一直睡眠。如果在睡眠过程中来了紧急车辆，你总不能告诉我你还没睡醒，信号灯灭不掉呀？

我们现在的思路是：用 dat 寄存器记录当前亮的灯是哪一个（和 DX-300 语言一致，0 都不亮，100 亮灯 0，10 亮灯 1，1 亮灯 2），用 acc 寄存器记录当前灯还要亮多久。当遇到紧急车辆时，将 acc 和 dat 强行清零。当没有紧急车辆时，acc 若未减到 1，则 acc -1，不改变灯的状态；当 acc 减到 1 时，根据当前点灯状态，判断接下来的点灯状态和持续时长，更新 dat 和 acc 寄存器。

这些逻辑看似不复杂，你首先想到的应该是将所有逻辑写在一块 MC6000 里：

结果非常可惜，至少需要 15 行代码，一块 MC6000 写不下。我们来分析一下为什么要占用 15 行，为什么省不掉任何一行代码：

紧急车辆出现时需要关闭所有信号灯，并将计时器重置为 1，这部分的代码占用了 5 行（tcp p0 50, + mov x3 dat, + mov 2 acc, + sub 1, + jmp f）。因为 x3 口连接着 DX-300，进而连接着三个只写 p 口。所以读 x3 口会读到立即数 0，同时清除三个只写 p 口数据。我们在清除三个 p 口数据的同时，可以将读到的这个 0 数字立刻写入 dat 寄存器，一举两得。后两条逻辑是和下一条判断共用的，净占用为 3 行。

没有紧急车辆出现，且计时器尚未减到 1 时，令计时器减 1，这部分的代码占用了 3 行（- tgt acc 1, + sub 1, + jmp f）。因为下方的 +/- 号指令会修改信号灯的状态和计时器。而当计时器尚未减到 1 时，当前信号仍在正常倒计时，信号灯状态不应被改变。所以这里不得不使用 jmp 指令强制跳到最后休眠，以避免错误地执行下方用于修改信号灯状态的 + 号指令。紧急车辆的部分也是一样要强制跳到最后，不能让任意一个信号灯点亮。至此，代码已占用掉了 6 行。

没有紧急车辆出现，且计时器减到 1 时，我们需要用多达 8 行代码来判断下一个信号灯状态，并向 DX-300 写入该值以便修改信号灯的状态。首先检查当前的信号灯状态是否是灯 1 亮的中间状态（tcp dat 10）。我们先假设是中间状态，将下一个状态置为灯 2 亮，持续时长为【阶段 2】秒（mov 1 dat, mov x2 acc）。如果当前状态是端点状态，再撤销之前的设置。如果 dat 是 100，也就是当前状态是灯 0 亮，那么下一个状态为灯 1 亮，持续 x1 秒（+ mov 10 dat, + mov x1 acc）。如果 dat 是 0 或 1，也就是当前状态是灯 2 亮，或紧急车辆刚离开，那么下一个状态为灯 0 亮，持续 x0 秒（- mov 100 dat, - mov x0 acc）。设置完新的信号灯状态后，将该状态值发给 DX-300（mov dat x3）。至此，14 行代码空间已经占用完毕。然而我们还需要最后一行代码：slp 1，休眠一秒，进入下一个时钟周期！很遗憾，即使只多一行代码，我们也无法将所有逻辑写在同一块芯片里。

无奈，只能分工合作。三态判定的部分要占用 8 行，太难受了。

改进思路：将【三态判定】任务分给另一块芯片做

我们一旦进入了三态判定，就需要用多达 8 行代码来更新 acc 和 dat 两个寄存器的值。我们现在可以考虑将这么多行代码逻辑写到另一块芯片里，然后用芯片间通讯的办法，由这另一块芯片告知本芯片，下一个信号灯状态是什么，以及持续时长是多少。电路图和代码如下：

几乎就是上一版方案的代码“分裂”到两块芯片里的结果。

我们先看上方的芯片，和上一版方案相比，改动如下：

首先，去掉了一个 jmp 指令。因为三态判定移动到了下方芯片里，【误执行改变信号灯状态的 + 号指令】这样的前提已经不存在了。所以我们只需要将不满足 - tgt acc 1 判断时要执行的逻辑全部加上 - 号前缀即可，完全不需要使用 jmp 指令。

然后，当需要改变信号灯状态时，我们将当前状态通过 x2 口发给下面的芯片（- mov dat x2），由下方芯片执行三态判定，计算下一个信号灯状态值和持续时长，并传给上方的芯片。上方的芯片只要依次接收完这两个值后（- mov x2 dat, - mov x2 acc），将新的状态值发送给 DX-300（- mov dat x3）就算完成任务。

然后我们看下方的芯片。第 2~8 行代码和上一版方案的第 7~13 行代码相比，除了三态判定由 tcp dat 10 改成了 tcp x3 10 外，其余的地方完全一致。因为在这版方案里，“当前状态”不是存在下方芯片的 dat 里的，而是存在上方芯片的 dat 里的。上方芯片通过 x3 口将它的 dat 发过来，我们的三态判定需要和上方的 dat，也就是和 x3 口作比较，而不是和自己的 dat 做比较。

再然后，加上了第 1 行的等待接收指令（slx x3），以及第 9~10 行的发送指令，依次将本芯片的 dat, acc 寄存器的值发给上方芯片，覆盖上方芯片原始的 dat 和 acc 寄存器（mov dat x3, mov acc x3）。至此，本设计方案相比于上一版已废弃的设计方案的改动就说明完毕了。

点击左下角的【模拟】，运行程序：

紧急车辆出现时，信号灯形状的导线会被点亮，非常漂亮。稍等片刻，便会弹出结算界面：

优化成本

我们的第一个成品方案里，用了两块 MC6000，且都只写了 10 行代码。资源没有得到充分利用。我们如果能将两块芯片的分工做一个微调，让 A 多干点事，B 少干点事，那么 A 可以用足一块大芯片的 14 行代码空间，B 也可以将代码压缩到 9 行以内，进而将芯片由 MC6000 替换成 MC4000X。这样我们就可以物尽其用，节省成本。

节省成本的电路图和代码如下：

同样是 20 行代码，现在我们微调了一下两者的分工。以前是各 10 行代码，现在变成了上方 14 行代码，下方 6 行代码。这就变成了：上方的芯片物尽其用，下方的芯片成功替换成了成本更低的 MC4000X，整体的设计成本就这么降低了。

我们的三态判定是要完成两个任务的：①得到下一个信号灯的状态值；②得到下一个状态值的持续时长。第一个成品方案里，我们将三态判定的两项任务都交给下方芯片来完成，所以下方芯片也需要 10 行代码和 acc、dat 两个寄存器。

这个方案里，我们微调了一下分工。当需要改变信号灯状态时，接下来的状态值由上方芯片自己算，下方芯片只负责计算持续时长。下方芯片的代码改动很简单，就是在上一版方案的基础上，把含有 dat 的指令全部删除了而已。改变了分工后，下方芯片只需要 6 行代码，寄存器也只需要 acc 一个了。因此成功替换成 MC4000X。上方芯片的代码改动也很简单，就是在前一个成品方案的基础上，改为自己推断下一个信号灯的状态值。具体我不再做逻辑推演，请读者自行推演。

本方案的成本降到了 9 块钱，代码行数不变，但是电量稍有增加。原因在于：原先只要一次三态判定就能完成两项任务，现在这两项任务被分配到了两块芯片中，所以变成了两块芯片都要做一次三态判定。资源损耗就来源于此。

使用 RAM 打表，极致优化电量和代码行数

相比于【三态判定法】，我们可以改用【RAM 打表法】，将三路信号灯的状态码和时长都写入 RAM 中。实际执行时，遇到需要切换信号灯的场合，直接读两格 RAM 就切换到了下一个信号灯状态，免去了【对当前状态做三态判定】的过程。如此，便可大幅减少电量和代码行数。而且，由于 RAM 一共有 14 格空间，所以改用 RAM 打表后，何止 6 叉路口，14 叉路口都能给你控制得服服帖帖的！电路图和代码如下：

由于阶段 0~2 的值（三个灯的持续时长）只在同一个样例里保持不变，而不同的样例间，这三个阶段时长是不同的。所以本题我们不能使用 ROM 将三个信号灯的持续时长预先写好，只能【把 RAM 当 ROM 用】，在上电初始化的过程中把三个状态值和三个持续时长填入 RAM 中，后续只读不写。

我们左下角的芯片做的就是这样的事。上电的时候，我们将灯 0 的状态码 100，阶段 0 的时长 x1，灯 1 的状态码 10，阶段 1 的时长 x2，灯 2 的状态码 1，阶段 2 的时长 x3，这六个数写入 RAM。而且只需要写一次，后续就没有任何其他的事情要做了。所以这 6 条指令都加上了 @ 前缀，执行完毕后就永久睡眠了，直到进入下一个样例，重新上电时才会再次执行这六条初始化指令。

因为使用了 RAM，上方的芯片仅用 9 行代码就能完成所有的信号灯控制逻辑。RAM 的右指针永远指向当前阶段计时完毕后，下一个信号灯的状态值。

首先检查是否出现了紧急车辆（tcp p1 50）。当出现紧急车辆时，我们需要将信号灯和计时器都清零（+ mov x3 acc，读连接着若干只写 p 口的 DX-300 时，会读到 0，同时清除这些 p 口的数据，一举两得），然后将 RAM 的右指针也清零，将“下一个信号灯状态”还原成初始状态（+ mov 0 x1）。做完这些后，休眠一秒，进入下一个时钟周期（+ sub 1, slp 1）。这里的 + sub 1 原本是当第五行的 - tgt acc 1 指令成立后执行的，在这里执行只是“省去 jmp 指令所带来的副作用”，会将 acc 的值由 0 减为 -1。当然，由于对 acc 的判断是 tgt acc 1，也就是实际 acc 的值不论是 1、0 还是 -1，最终要执行的操作都是一样的，这里 acc 变为 -1 不会给整个程序带来影响最终输出结果的 bug，甚至可以因此省下关键的一行 jmp 指令。

回到开头，当没有出现紧急车辆时，需要判定 RAM 的地址指针是否指到了 6（- teq x1 6）。当地址指针指到了 6 时，由于我们在初始化时只给 RAM 的前 6 格写上了数据，因此当地址指针指向了有效数据范围之外的地址时，我们需要强制让地址指针归零，确保信号灯正常循环（+ mov 0 x1）。仅当上一秒钟读取了【灯 2 的状态值及阶段 2 的持续时长】时，RAM 的地址指针才会到达 6。所以 RAM 的地址是 6 时，当前一定处在阶段 2 的第 1 秒钟，所以本秒不需要判定计时器是否减到了 1，直接令计时器正常 -1 即可（+ sub 1）。如此，便又省掉了一行 jmp 指令。

没有紧急车辆，RAM 指针也正常时，我们判断计时器是否减到了 1（- tgt acc 1）。尚未减到 1 时，令计时器 -1（+ sub 1）。减到 1 后，我们只需要从 RAM 中连读两格数据，获得下一个信号灯状态及持续时长即可（- mov x0 x3, mov x0 acc）。做完这些操作后，休眠一秒，进入下一个时钟周期（slp 1）。

然后我们发现，上方的 MC6000 芯片没用到 dat 寄存器，且只写了 9 行代码。只是接口方面用了三个 x 口，一个 p 口。那么我们完全可以将这个 p 口用 DX-300 转接一下，变成四个 x 口，用 MC4000X + DX-300 组合代替 MC6000，省下一块钱的成本。最终电路图和代码如下：

上方芯片原先是用 x3 口接输出用的 DX-300 的，现在换到了 x2 口，所以原先代码里的 x3 全部换成 x2。而原先的 p1 信号现在经过 DX-300 的 p2 口转接，输入到了 x3 口里，所以我们将第一行的 p1 改成 x3。其余的代码都不用改变。

点击左下角的【模拟】，稍等片刻，便会弹出结算界面：

元器件上，上一版方案是 MC4000X + MC6000 + DX300（￥9），这一版方案是 2MC4000X + 2DX-300 + RAM（￥10），贵了一块钱。但是另两项指标，电量骤降到 250，代码行数骤减到 15 行，都是质的飞跃。用一块钱换来了这么大的性能提升，值！