匯編語言的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)及其在俄羅斯方塊中的應(yīng)用

引言

　　匯編語言是一種用助記符表示的面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言。助記符使得原來的機(jī)器語言變得相對(duì)較為直觀、易懂、易用，并且匯編語言與機(jī)器語言具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此它繼承了機(jī)器語言直接、快速、高效的特點(diǎn)，是一種底層語言。但是匯編語言的劣勢(shì)也十分明顯，如對(duì)于編寫較大的程序需要考慮諸多硬件存儲(chǔ)器的分配以及中斷程序的處理等非常細(xì)節(jié)的問題，否則容易出現(xiàn)寄存器沖突，從而導(dǎo)致程序崩潰。為了簡(jiǎn)化匯編語言的編寫過程，本文提出了一種結(jié)構(gòu)化的匯編編程思路，并以基于AT89C51芯片（以下對(duì)匯編語言的討論針對(duì)51單片機(jī)系統(tǒng)）的俄羅斯方塊游戲?yàn)槔?，來展現(xiàn)在51單片機(jī)中匯編語言結(jié)構(gòu)化編寫的優(yōu)勢(shì)。

1　匯編語言的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想

1.1　變量定義

　　匯編語言中無需變量的聲明，因?yàn)閰R編語言是直接對(duì)具體的內(nèi)存單元操作，而每個(gè)單元有16進(jìn)制的地址碼，因此所有變量都可人為地由該地址碼表示。但是匯編語言提供了EQU偽指令，可以將特定的內(nèi)存空間標(biāo)記為特定的名稱，這就為變量定義提供了可能。而使用EQU偽指令的好處就是將抽象的物理內(nèi)存分化為具體的變量名，避免了內(nèi)存沖突，同時(shí)又增加了程序可讀性。

1.2　子函數(shù)設(shè)計(jì)

　　子函數(shù)對(duì)程序結(jié)構(gòu)化的作用是其可簡(jiǎn)化主函數(shù)的編寫，使得程序主干的編寫思路清晰化，而一些復(fù)雜的算法與功能則放在一層層的子函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。但是，匯編語言在調(diào)用子函數(shù)的過程中如果處理不當(dāng)，極其容易造成堆棧錯(cuò)誤、內(nèi)存沖突等問題。本文提出了一種優(yōu)化的子函數(shù)設(shè)計(jì)方案。

圖1　工作寄存器區(qū)臨時(shí)變量存放層次結(jié)構(gòu)

　　首先，把51單片機(jī)內(nèi)存的4組工作寄存器區(qū)（00H~1FH），用作子函數(shù)的臨時(shí)變量存放區(qū)，如圖1所示；另一部分是用戶區(qū)（20H~7FH），用作主函數(shù)變量與堆棧區(qū)域。其次，4組工作寄存器區(qū)的每一組用作同一層次的子函數(shù)的臨時(shí)變量，低層次的子函數(shù)只能被高層次的子函數(shù)調(diào)用，同一層次的子函數(shù)不允許相互嵌套調(diào)用。所有的子函數(shù)在編寫時(shí)需要聲明其使用的工作寄存器組編號(hào)，以防止沖突。在函數(shù)嵌套時(shí)，用RS1、RS0兩個(gè)標(biāo)志位的切換來實(shí)現(xiàn)工作寄存器組的切換，如此就可以方便可靠地實(shí)現(xiàn)子函數(shù)的調(diào)用和嵌套。

1.3　中斷函數(shù)設(shè)計(jì)

　　與順序設(shè)計(jì)的程序不同，51系列單片機(jī)還需考慮中斷函數(shù)的設(shè)計(jì)。51單片機(jī)的中斷有外部中斷、定時(shí)器中斷、串口中斷等。中斷程序在中斷源觸發(fā)后即起作用，換句話說，中斷程序可能隨時(shí)中止主程序的運(yùn)行。如果在這個(gè)時(shí)候，中斷函數(shù)與主程序中的主函數(shù)或子函數(shù)享用相同的臨時(shí)變量，那么在中斷發(fā)生時(shí)，這些臨時(shí)變量就會(huì)被改寫，從而導(dǎo)致內(nèi)存沖突。因此，中斷函數(shù)的臨時(shí)變量體系應(yīng)與主程序有別，以下是三種可選方案：

　　第一種方案是將工作寄存器區(qū)分為兩類，一類用作主程序函數(shù)的臨時(shí)變量，另一類用作中斷函數(shù)的臨時(shí)變量。這種方案中，單片機(jī)工作寄存器的組數(shù)對(duì)函數(shù)設(shè)計(jì)起限制作用。

　　第二種方案允許中斷函數(shù)與主程序的子函數(shù)共用工作寄存器區(qū)，但是代價(jià)是在調(diào)用中斷時(shí)必須保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，即在中斷函數(shù)的開始、結(jié)尾必須將中斷函數(shù)及其子函數(shù)使用的工作寄存器的數(shù)據(jù)壓入、彈出堆棧，從而保證中斷前后主程序函數(shù)臨時(shí)變量的一致。

　　第三種方法是通過設(shè)置標(biāo)志變量，避免在中斷函數(shù)中插入子函數(shù)。在中斷程序中，根據(jù)狀態(tài)修改標(biāo)志變量后即返回主函數(shù)。在主函數(shù)中，判斷相應(yīng)的中斷標(biāo)志執(zhí)行相應(yīng)的子程序。這種編程方法的優(yōu)點(diǎn)是中斷程序十分簡(jiǎn)單，能在很短的時(shí)間內(nèi)完成，減少了中斷出錯(cuò)的可能性；其缺點(diǎn)是中斷執(zhí)行的反應(yīng)速度會(huì)有所降低，因?yàn)橹骱瘮?shù)對(duì)中斷標(biāo)志位一定是滯后于中斷發(fā)生的，且如果主函數(shù)的結(jié)構(gòu)是大循環(huán)型的，那么一次循環(huán)中只能處理若干次中斷（大多數(shù)情況往往只為一次），這種編程方法對(duì)需要高頻中斷的功能是不合適的。

2　俄羅斯方塊的軟件實(shí)現(xiàn)方法

　　俄羅斯方塊是一款風(fēng)靡全世界的十分經(jīng)典的休閑游戲。本文在基于MCS51單片機(jī)和具有矩陣式按鍵、雙色LED點(diǎn)陣和數(shù)碼管等功能模塊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上，采用以上所述的匯編語言結(jié)構(gòu)化的編程思想，編寫能夠運(yùn)用按鍵操作游戲、將游戲圖像顯示于16×8的LED雙色點(diǎn)陣上，將玩家分?jǐn)?shù)顯示在靜態(tài)數(shù)碼管上、并伴隨游戲產(chǎn)生音樂效果的俄羅斯方塊游戲。

2.1　功能分析

　　俄羅斯方塊游戲的規(guī)則很簡(jiǎn)單，屏幕上方隨機(jī)產(chǎn)生不同形狀的方塊并以一定速度落下，玩家可以控制方塊的左右位置以及旋轉(zhuǎn)方塊，巧妙地布置安排使方塊落下后充分利用屏幕空間。每當(dāng)屏幕的一整行被方塊排滿時(shí)，該行方塊從屏幕上消失，其上的方塊依次下降一行，玩家獲得一定的分?jǐn)?shù)。當(dāng)方塊堆積達(dá)到屏幕頂端的時(shí)候，游戲結(jié)束。本游戲的主要功能包括：

① 開機(jī)進(jìn)入開機(jī)歡迎界面。按任意鍵進(jìn)入游戲難度選擇界面，難度選擇后，按確定鍵進(jìn)入游戲界面。

② 每4個(gè)格點(diǎn)（雙色LED）組成一個(gè)圖形，游戲中共有7種方塊圖形。屏幕上端隨機(jī)產(chǎn)生一種方塊圖形，并按著一定的時(shí)間周期向下移動(dòng)。當(dāng)前一個(gè)方塊無法再次移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生下一個(gè)方塊。

③ 當(dāng)方塊向下移動(dòng)時(shí)，玩家可以通過上、下、左、右4個(gè)按鍵分別調(diào)整方塊的角度、加速方塊的下移速度、向左移動(dòng)方塊1格、向右移動(dòng)方塊1格。

④ 游戲中，玩家可以按停止鍵，選擇停止游戲并返回到開始界面；或者是按暫停鍵，暫停游戲；再次按暫停鍵時(shí)，游戲繼續(xù)進(jìn)行。

⑤ 當(dāng)一個(gè)方塊無法繼續(xù)向下移動(dòng)時(shí)，判斷此時(shí)能否將屏幕的一行或多行完全填滿。若能則將這些行的方塊閃爍后消除，玩家獲得相應(yīng)的分?jǐn)?shù)（每消去一行，玩家得到10分），并顯示玩家總的分?jǐn)?shù)；而未被消除的方塊則會(huì)一直積累。隨著玩家分?jǐn)?shù)的增加，游戲的難度會(huì)增加，方塊下落的速度會(huì)加快。

⑥ 如果未被消除的方塊堆放的高度很高，達(dá)到屏幕頂端以至無法產(chǎn)生新方塊，則游戲結(jié)束，返回到開始?xì)g迎界面。

⑦ 游戲開始、結(jié)束、按鍵以及消行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的音樂效果。

2.2　變量定義與子函數(shù)模塊

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)化的編程思想，程序中需要對(duì)變量進(jìn)行空間分配，并根據(jù)其功能進(jìn)行命名，以增加程序的可讀性，使得后期的調(diào)試工作更加方便。變量定義的具體內(nèi)容包括單片機(jī)及功能模塊所需的引腳命名、功能模塊所需的常量命名、單片機(jī)用戶儲(chǔ)存空間的預(yù)分配和命名。

　　首先列出需要用到的所有引腳和變量，并將總程序空間分塊并合理分配每一塊的大小。本程序?qū)AM空間劃分為即時(shí)調(diào)用區(qū)、固定區(qū)和堆棧區(qū)。即時(shí)調(diào)用區(qū)為通用寄存器組，地址00H~1FH；固定區(qū)為用戶存儲(chǔ)區(qū)的20H~5FH；堆棧區(qū)為60H開始的剩余空間。

　　對(duì)于函數(shù)的調(diào)用方法、數(shù)據(jù)的應(yīng)用輸出、寄存器工作組的使用等關(guān)系到程序儲(chǔ)存空間的細(xì)節(jié)問題，前文已經(jīng)作出論述。子函數(shù)與主函數(shù)的數(shù)據(jù)接口采用C51的4個(gè)工作寄存器組存放，在子函數(shù)調(diào)用時(shí)將臨時(shí)數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的工作寄存器進(jìn)行處理，執(zhí)行完畢后將數(shù)據(jù)返回上一級(jí)函數(shù)。

2.3　中斷的設(shè)計(jì)

　　中斷的使用和中斷程序的設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用的難點(diǎn)之一。

　　首先，要根據(jù)程序功能設(shè)計(jì)中斷的邏輯流程。80C51單片機(jī)中有兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1。程序要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)定時(shí)掃描顯示以及播放音樂的功能（音樂功能通過一條口線和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)），所以要同時(shí)使用T0和T1的中斷：T0控制顯示模塊，中斷間隔時(shí)間較長(zhǎng)，優(yōu)先級(jí)較低；T1控制音樂模塊，中斷間隔較短，中斷中執(zhí)行的代碼也較短，優(yōu)先級(jí)較高。

　　然后，根據(jù)中斷的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)中斷的使用規(guī)則。本程序中設(shè)計(jì)使用雙中斷，這使得程序的主體邏輯流程變得簡(jiǎn)單，但同時(shí)也使得中斷函數(shù)本身的設(shè)計(jì)，尤其是即時(shí)數(shù)據(jù)的空間分配和斷點(diǎn)的保護(hù)等，變得十分重要。為了使函數(shù)簡(jiǎn)單可靠，程序中允許中斷函數(shù)與主程序的其他函數(shù)共用工作寄存器區(qū)，但是在每次調(diào)用中斷函數(shù)時(shí)都需要全面保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)。音樂中斷因?yàn)椴簧婕肮ぷ骷拇嫫鳎灾恍枰Ｗo(hù)、恢復(fù)基本的數(shù)據(jù)就可以。

2.4　主函數(shù)流程和偽代碼描述

　　根據(jù)俄羅斯方塊游戲的功能以及結(jié)構(gòu)化的匯編設(shè)計(jì)方法，主函數(shù)流程如圖2所示。

圖2　主函數(shù)流程

偽代碼如下：
歡迎界面；
難度選擇；
數(shù)據(jù)初始化；
主循環(huán) {
難度設(shè)置；
產(chǎn)生新方塊；
判斷新方塊是否已經(jīng)無法移動(dòng)，如果無法移動(dòng)則游戲結(jié)束；
檢測(cè)按鍵，如果有按鍵則判斷方塊是否可執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作 {
如果可以執(zhí)行，則執(zhí)行；
如果不可以執(zhí)行，則保持不動(dòng)；
}
判斷方塊是否已經(jīng)無法繼續(xù)向下移動(dòng) {
如果可以移動(dòng)則循環(huán)繼續(xù)檢測(cè)按鍵；
如果不可以移動(dòng)則判斷能否消行，如果能則消行、得分；
判斷分?jǐn)?shù)是否需要加快游戲速度；
}
}
中斷1：定時(shí)方塊下落一格；
中斷2：產(chǎn)生相應(yīng)的音樂效果；

2.5　實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

　　開機(jī)測(cè)試與結(jié)果：開機(jī)全速運(yùn)行程序，LED雙色顯示器上顯示的“Hello”歡迎界面如圖3所示。按任意鍵可進(jìn)入難度選擇界面。

　　難度選擇界面測(cè)試：進(jìn)入難度選擇界面，雙色LED上顯示紅色的“123”字樣，并在‘3’下有一綠色小圓點(diǎn)，如圖4所示。按數(shù)字鍵1、2、3鍵，用于選擇相應(yīng)的等級(jí)，同時(shí)綠色小圓點(diǎn)會(huì)移到相應(yīng)等級(jí)的下方；按“enter”鍵結(jié)束難度選擇，進(jìn)入游戲界面。

圖3　開機(jī)界面 圖4　難度選擇界面

　　游戲流程測(cè)試：進(jìn)入游戲主界面。LED上方產(chǎn)生方塊，不操作時(shí)方塊可以自由下落，此時(shí)方塊為紅色。按動(dòng)‘7’鍵，方塊改變其角度，再次按動(dòng)，角度可以繼續(xù)改變；按動(dòng)‘6’鍵，方塊下移一格，并且不影響其自由下落，表現(xiàn)為方塊下移速度加快；按動(dòng)‘2’鍵，方塊向左移動(dòng)一位，當(dāng)移動(dòng)到左邊邊界時(shí)，無法再移動(dòng)；按動(dòng)‘A’鍵，方塊向右移動(dòng)一位，當(dāng)移動(dòng)到右邊邊界時(shí)，無法再移動(dòng)。方塊移動(dòng)到無法再向下時(shí)，顏色變?yōu)榫G色，并且在LED上方產(chǎn)生新的方塊，如圖5所示。滿足消行條件時(shí)，該行閃爍后即消失，同時(shí)在數(shù)碼管上顯示分?jǐn)?shù)增加10分；多行消除時(shí)，為每行依次消除，增加相應(yīng)分?jǐn)?shù)，如圖6所示。隨著分?jǐn)?shù)的增加，方塊的自由下落速度加快。按動(dòng)‘8’鍵，游戲暫停，此時(shí)按動(dòng)除‘8’鍵的其他鍵均無效。當(dāng)再次按動(dòng)‘8’，游戲繼續(xù)進(jìn)行。游戲進(jìn)入、按鍵、消行時(shí)，均有音樂產(chǎn)生，并且兩者同步。

　　游戲結(jié)束測(cè)試：按‘C’鍵或者游戲結(jié)束時(shí)，屏幕所有LED燈從底端到上端逐行點(diǎn)亮，再從上端到底端逐行熄滅，此時(shí)伴隨著音樂產(chǎn)生，然后進(jìn)入歡迎界面。

圖5　游戲流程

圖6　加分顯示

結(jié)語

　　本文以俄羅斯方塊游戲的程序編寫為例子，提出、分析并具體說明了在功能復(fù)雜的匯編程序設(shè)計(jì)過程中，采用的結(jié)構(gòu)化編程思路。并從變量定義、子函數(shù)設(shè)計(jì)、中斷函數(shù)設(shè)計(jì)等方面探討了匯編語言結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的具體方法，從而有效解決了匯編程序編寫中易發(fā)生的寄存器內(nèi)存沖突等問題。這種匯編語言編程的結(jié)構(gòu)化思維，對(duì)于運(yùn)用編寫匯編大程序具有重要的指導(dǎo)和借鑒作用。