Simple Blog

由于之前学操作系统时学了一些汇编的知识，于是这个学期便作死选了汇编这门课，而对于这门课的课程项目，最终我选择写一个简单的贪吃蛇小游戏，不过由于水平有限，写出来的成品还存在许多问题，于是决定简单复盘一下整个游戏的设计和存在的问题。

GitHub地址：https://github.com/OmegaZhou/Snake_asm

运行环境

• 本次项目运行于实模式下以及使用大量dos中断来完成的，而Windows10并不支持dos程序，因此使用了dosbox作为运行环境
• 汇编器：nasm
• 汇编指令
  • com文件：
    • nasm -o ./snake.com ./main.asm
  • exe文件:
    • nasm -f obj ./main.asm -o ./snake.obj
    • link snake.obj
    • 其中link为masm汇编器的链接器，用于连接生成16位的可执行文件

实现功能

• 实现贪吃蛇的移动，吃食物等操作
• 小蛇随着吃掉食物数目的增加，移动速度加快，身体变长
• 支持暂停功能
• 支持分数统计
• 支持多种难度
• 使用菜单界面完成游戏的一些选项操作

操作方式

• 游戏以'w'，'a'，'s'，'d'来控制小蛇的移动方向
• 使用'Esc'键完成游戏的暂停功能
• 使用'CTRL+c'退出游戏（也可使用菜单界面退出）
• 使用鼠标来操作右边的菜单界面

代码设计

一些约定

• 所有汇编程序的函数调用时都应保存通用寄存器现场，并在返回前还原现场，使得调用起来不存在心理负担
• 在有返回值的函数中，返回值一律存放在ax寄存器中
• 使用压栈的方式传递参数

计时器

• 对于一个需要不断刷新的游戏来说，首先就是需要一个计时器来完成控制刷新频率的工作，最初想使用时钟中断来实现这一功能，但在设置中断处理函数上还存在一些没搞懂的问题，遂放弃。最后选择使用死循环加监听系统时间的方式来实现。
• 系统时间可通过dos调用int21h的2ch号功能来获取，最小单位为0.01秒，于是我决定以每0.03秒作为计时器的单位时间。毕竟这样最接近30帧（笑）
• 实现计时器的方式很简单，使用TimerCheck函数记录下当前时间并与上一次时间进行比较，当差值大等于0.03秒时便返回检测成功，通知控制程序进行界面的更新。
• 除此之外，考虑到后一次的时间肯定比前一次时间大，因此我们只需将前一次系统时间中以0.01秒为单位的部分，存放于变量last_time，然后记录当前时间中以0.01秒为单位的部分，若该部分小于last_time，则加上100在进行比较，若结果大于3，则返回检测成功。

随机数生成器

• 考虑到食物应当随机出现于各个位置，因此就需要一个随机数生成器，这里选择使用混合同余法生成随机数
• 使用公式Xn+1=(LAMDA*Xn+C) MOD mod_value生成随机数，这里令 LAMDA =91 C=7 mod_value=2^16-1，X0同样使用系统时间中以0.01秒为单位的部分

保存现场

• 游戏的界面绘制需要对整个屏幕进行操作，因此采取的手段是直接向25*80彩色显示模式下的显存0xB8000 ~ 0xBFFFF直接写入数据，由于dosbox始终运行在第一页，因此我们只需对第一页的显存进行操作。
• 由于游戏的绘制会改变整个屏幕，因此在清空屏幕前我们先把原屏幕的信息保存起来，待程序退出之后将页面还原。
• 同时还由于界面还存在不美观的光标，通过对IO端口0x3d4h以及0x3d5h进行读写将光标隐藏起来，待退出时还原。当然这里的写法存在了一点小问题，由于BIOS的int10h中断提供了对光标操作功能，没必要使用麻烦的IO端口进行操作

地图绘制

• 接着则是开始进行绘制地图了，本游戏的地图较为简单，就是由四面墙壁构成的一个方盒。
• 这里就出现了我的一个较为失败的设计了，由于显存空间是线性的，而我们在绘制图像时的思维方式是二维的，因此我决定封装一个能绘制任意大小的矩形的函数DrawLine ，同时该矩形的接受一个横纵坐标作为其左上角位置，想像许多图形库那样作为一个基本组件，所有设计以能够灵活实现功能为主，但这样函数就需要接受五个参数了，横纵坐标，长宽以及填充的字符，调用起来很不方便，而最初设计该函数的目的只是为了绘制游戏的墙壁组件，而墙壁的颜色宽度都是固定的，因此不得不继续在 DrawLine函数的基础上再次封装了 DrawHorizontalWall 和 DrawVerticalWall 函数绘制水平和竖直方向的墙壁。
• 而且由于25*80显示模式下，一个字符的长宽比约为2:1，因此想绘制一个正方形至少需要两个字符，因此水平和竖直方向上绘制同一个图形的操作是不同的。
• 除此之外，在编写程序的过程中，我发现使用线性地址进行绘制很多时候甚至要比使用横纵坐标更为方便，而且在该程序中也用不到像 DrawLine 这么灵活的函数，最终，该函数便被废弃了，仅仅作用于绘制墙壁上。
• 在绘制墙壁的过程中，也体现了我写代码时喜欢过度设计的糟糕特点，在之后应该尽量避免。

食物

• 使用随机数生成器生成两个随机数，之后再对生成的随机数使用游戏场景的长度和宽度进行取模，即得到食物的横纵坐标。
• 然后检测该位置是否可放置食物，若不能重复上述操作
• 经测试绝大部分情况下最多经过150*250次循环就可生成场景内的任意位置的横纵坐标，当然在一般情况下只需要10次循环以内的时间即可，但为避免极端情况导致的死循环，决定设置生成坐标次数的最大值。
• 将横纵坐标转换为线性地址然后将食物字符写入对应的显存中
• 同时保存了生成的食物所在的线性地址，从而判断食物是否存在。
• 提供了CheckFood函数，先检查食物是否存在，然后设置新的食物，并调用相关函数更新分数统计

贪吃蛇设计

节点结构

• 对于贪吃蛇来说，首先考虑到其形状是不规则的，于是我想到可以将其拆分成多条线的组合，每条线用一个结构体维护，结构体的结构如下
  loc dw, dir db, len db
• 最初的设想是用链表的形式维护，但后来发现dosbox没有足够的内存进行动态分配，最终只能作罢，选择直接在代码中开辟大空间维护
• 同时由于贪吃蛇移动时只会存在头部和尾部向前移动，因此只需要对头部节点和尾部节点进行操作，因此可使用队列的形式维护

转弯

• 我们可以发现，若我们将四个方向按顺时针排序，可得到左上右下，依次将其赋值为1，2，3，4，可以发现
  (dir_val.turnleft().val()-1)=(dir_val.val()-1-1) MOD 4, (dir_val.turnright().val()-1)=(dir_val.val()-1+1) MOD 4
• 这样我们就得到转弯时方向的计算公式了
• 当蛇须要转弯时，我们可以先创建一个新的节点进入队列尾部，位置于原队尾一致，长度为0，方向可通过上述公式计算得到
• 这些操作都封装于函数CheckDirection

碰撞检测

• 在绘制移动的头部前检测该位置的字符是否为蛇身或是墙壁，若是墙壁则游戏结束
• 这部分操作封装于函数CheckWall

绘制移动过程

• 由于贪吃蛇的移动只涉及到头部和尾部节点，故只需操作头部节点和尾部节点
• 我们可通过队列的队首及队尾索引得到贪吃蛇的头部和尾部节点的结构体
• 我们通过头部节点的信息计算出下一个到达的位置的显存地址并填充上贪吃蛇的颜色，之后调用CheckWall检测是否碰到墙壁或自身，这一部分操作封装于函数 SnakeHeaderMove
• 我们通过尾部节点的信息计算出下一个离开位置的显存地址并填充上空字符，这一部分操作封装于函数 SnakeEndMove

变长

• 贪吃蛇在吃掉一定食物后会变长
• 因此我们记录吃掉的食物数目food_num，当达到一定数目时，我们只需要调用 SnakeHeaderMove 函数并将food_num清零即可完成一次增长操作
• 判断是否应该增长以及增长操作已经封装于函数Enlongate

移动逻辑

• 首先调用CheckDirection判断贪吃蛇接下来的移动方向
• 调用 Enlongate，选择在这个地方调用该函数是出于以下考虑，若玩家在吃掉了食物时即将碰撞到墙壁或蛇身，若在此时调用该函数可能会使蛇身变长导致游戏结束，影响游戏体验，而在此时调用可让玩家有改变方向的缓冲期。
• 调用SnakeEndMove移动尾部，若尾部长度为0，则将其移出队列
• 调用SnakeHeaderMove移动头部，将移动头部放在移动尾部后是为了避免本应头尾错开却应先移动头部导致游戏结束
• 调用CheckFood判断食物是否被吃，并更新分数和放置新食物。
• 这部分逻辑封装于函数Move中

速率控制

• 采用进度条式的方式控制速率，每次增加的进度为init_v+score/50，其中init_v只与游戏开始时选择的难度有关，当进度达到 MAX_RATE 时，清零进度并调用Move
• 该部分封装于函数RealMove，这也是游戏控制器实际上调用的函数

菜单界面

• 游戏实现了菜单界面，玩家可通过点击相应的菜单调用相应的功能
• 每个菜单选项都是直接像显存写入数据实现的
• 在绘制菜单时需要注意的是，dos系统中鼠标会改变悬浮位置的字符颜色，并在移开后复原，推测这是鼠标驱动同样使用了保存现场和还原现场的机制，但这样导致的在绘制菜单时，鼠标所覆盖的位置将绘制失败，因此在绘制前先将鼠标隐藏起来

鼠标事件监听

• 鼠标采用dos系统提供的int33h中断进行配置
• 和计时器一样，鼠标同样采用死循环的方式进行事件监听，每个循环体内调用 int33h中断的06h号功能判断按键是否有松开按键的操作
• 当按键松开时，则判断按键位置从而调用相应函数
• 由于鼠标位置采用横纵坐标的方式，同时一个字符为8*8的大小，因此要先对齐进行转换才能得到对应的显存地址。
• 得到显存地址后，则判断该地址是否在某一按钮占用的地址之间，同时由于在某些情况，一些按钮的功能没有启用，因此代码中还储存了一些状态变量来辅助判断，如is_pause wait_select，当is_pause==1时，才启用继续按钮，当wait_select==1时，则进行难度选择功能

键盘事件监听

• 监听方式与鼠标类似，采用死循环加判断键盘缓存区是否有输入获取用户输入
• 当获取到的输入不是程序提供的功能按键时，则什么也不做
• 当获取到方向键时，将其存入变量now_dir中供贪吃蛇的移动函数使用
• 当获取到暂停键或退出键时，直接执行相应函数

游戏主控制器

• 使用死循环调用键盘监听和鼠标监听函数
• 同时判断游戏是否结束或是否暂停
• 如果游戏处在开始阶段且不处在暂停状态，调用计时器
• 计时器判断成功时，调用RealMove进行游戏

其他一些问题

• 虽然在程序代码的设计中尽可能采用模块化的方式，但由于汇编自身的语言特点以及自身能力问题，在不同模块之间交互的部分仍存在一些耦合度过高的问题

运行效果