Minecraft紅石數(shù)電設(shè)計及改進方案

龔漢伯

（寧波財經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院 浙江省寧波市 315175）

1 引言

傳統(tǒng)的課堂數(shù)電教學(xué)大都枯燥無味，因此有些地區(qū)開始嘗試將游戲與教學(xué)結(jié)合來提升教學(xué)質(zhì)量，Minecraft 因其開放性強，知名度高，受眾面廣被成功選中[1-2]。游戲中的紅石設(shè)定與現(xiàn)實中的數(shù)字電路特性相似，可通過紅石元件和紅石特性產(chǎn)生強弱不同的紅石信號，實現(xiàn)延時、比較、放大等功能，因此現(xiàn)實電路移植進游戲成為可能[3-4]。

游戲中的物品特性與現(xiàn)實不同，移植需要適當(dāng)轉(zhuǎn)化，但游戲物品繁多，初學(xué)者很難快速掌握。本文試提煉了部分紅石與指令在數(shù)電設(shè)計中的用法和技巧，用于啟發(fā)初學(xué)者快速入門紅石數(shù)電設(shè)計。

2 電路設(shè)計前的準(zhǔn)備工作

2.1 游戲帶來的額外問題

游戲中的環(huán)境與現(xiàn)實相近，有晝夜交替、天氣變換、山川河流等。晝夜交替會引起光線強度變化，這導(dǎo)致用到陽光探測器的電路輸出的紅石信號不穩(wěn)定。白天的強光讓紅石線、螢石燈、紅石火把等器件的光效不明顯，這讓紅石線和用螢石燈組成的點陣顯示器或數(shù)碼管的故障很難被發(fā)現(xiàn)。天氣變化會降低能見度。山川河流限制了電路搭建的場地，且草綠色也會降低光效觀感。

2.2 解決方法

電路搭建選用中國版Minecraft 版本號為1.13.2 或更高的Java版。創(chuàng)建地圖時選擇創(chuàng)造模式、超平坦地形和作弊可解決地形問題并為指令提供方便。按T 鍵或/鍵打開對話框，鍵入/gamerule doDaylightCycle false 后按回車鍵可關(guān)閉晝夜交替。同理/time set midnight 將時間設(shè)為午夜可增強光效觀感。/weather clear 999999將天氣改為晴天可消除雨天的視線阻礙。/fill～～10～～50～10～100 minecraft:sandstone 將在天空創(chuàng)建一塊長50 寬100 的沙石塊電路基板，地形不再是限制且顏色更美觀。注意指令參數(shù)間用空格分離。

為了獲取更多游戲中的信息方便后續(xù)設(shè)計，可按F3 鍵打開調(diào)試信息。若信息中無坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可按下ESC 鍵進入選項中的聊天設(shè)置，關(guān)閉簡化調(diào)試信息。

3 基礎(chǔ)電路

在數(shù)電中，邏輯門電路是最基礎(chǔ)的電路之一，它是大型集成電路的最小單位，作用是判斷輸入信號是否滿足條件，滿足就通過，不滿足則截止。游戲中可利用物品特性搭建邏輯門電路和其它基礎(chǔ)電路。

3.1 非門

圖1：第一種非門

圖2：第二種非門

圖3：二輸入與門

圖4：三輸入與門

圖5：二輸入或門

第一種，當(dāng)紅石火把所插方塊被充能時火把熄滅，利用此性質(zhì)使輸入輸出相反，如圖1所示。第二種，需要陽光探測器、紅石比較器和紅石中繼器。由于在午夜，陽光探測器需要右鍵切換至反向模式，此時探測器的輸出強度只有11，如圖2所示。紅石比較器有比較和減法模式，這里使用比較模式。比較器三角指向的前端為輸出端，后方和兩側(cè)為輸入端，當(dāng)兩側(cè)輸入小于等于后方輸入時將無衰減輸出后方信號，當(dāng)兩側(cè)輸入大于后方輸入時將不輸出。紅石中繼器可用于放大信號，外部輸入信號經(jīng)中繼器放大后可保證側(cè)方信號強度為15，大于陽光傳感器的11，輸出變?yōu)榱銓崿F(xiàn)非門功能。

3.2 與門

現(xiàn)實中與門可由二極管和電阻搭建，而紅石中繼器的單向特性與二極管相似，自然想到用中繼器代換二極管，但實驗后發(fā)現(xiàn)并不可行。通過分析可知實際電路只要與地相連的均為0，紅石中只要與能量源相連的均為1，因此可將紅石信號通過非門取反后形成與非門，再通過非門輸出形成與門。二輸入與門如圖3所示，三輸入與門如圖4所示。

3.3 或門

或門只需紅石粉，若輸入信號弱，可在兩個輸入或輸出上加中繼器。如圖5所示。

圖6：判斷電路

圖7：雙向紅石中繼器

圖8：原始3/8 線譯碼器

圖9：指令改進型3/8 線譯碼器

3.4 判斷電路

判斷電路在指令簡化部分非常重要，其結(jié)構(gòu)與第二種非門相似，只需在輸入引腳處直接引出輸出端即可，該電路實現(xiàn)了對0 和1 的判斷。輸入0 時只有比較器一端輸出1，該輸出端為復(fù)位端；輸入1 時只有直接引出端為1，該輸出端為置位端。如圖6所示。

3.5 雙向中繼器

單個紅石中繼器只能單向增強信號，想要雙向通信自然想到再并聯(lián)一個反向的中繼器，但如此連接的兩個中繼器會相互激活，成為不受控能量源。解決這個問題可以利用中繼器的中繼鎖特性。當(dāng)紅石中繼器的側(cè)方有信號輸入時會進入保持狀態(tài)，無論輸入端是否有信號，輸出端信號不變，該狀態(tài)的特點是中繼器上出現(xiàn)一條橫杠。

雙向中繼器包含兩個中繼器和兩個比較器，比較器用于控制紅石線走向并作為中繼鎖開關(guān)。由于中繼器的延時特性，在用于放大的中繼器在產(chǎn)生信號前，另一個中繼器先進入鎖止?fàn)顟B(tài)使輸出保持為零，這樣每次只有一個中繼器工作，避免了相互激發(fā)。如圖7所示。

4 純紅石電路搭建

大型電路由基礎(chǔ)電路組成，以3/8 線譯碼器為例，根據(jù)邏輯式畫出邏輯圖后直接用基礎(chǔ)電路搭建即可。搭建時注意紅石線間的間隔，相鄰的紅石線會自動相連，可用比較器或中繼器進行隔離。如圖8所示。

4.1 純紅石電路的弊端

紅石信號衰減速度與電路體積相比還是太快，長距離鋪設(shè)需大量使用中繼器，代價是產(chǎn)生較大延遲和總線的時序混亂，這會導(dǎo)致多個集成電路通信時的數(shù)據(jù)錯誤，處理速度也難以提高。

龐大的體積導(dǎo)致搭建和改動非常耗時。搭建前需要計算好間隔，否則空間不足可能導(dǎo)致紅石信號相互干擾?？傊O(shè)計者將花大量時間在搭建上而不是數(shù)電設(shè)計上，這與游戲?qū)W習(xí)的初衷相違背。

4.2 原因分析

電路規(guī)模龐大和紅石線的某些特性無法直接控制有關(guān)：臨近的紅石線會自動相連，想要獨立走線必須增大間距或用特殊器件改變走向；紅石線要依附方塊才能鋪設(shè)且只能依附于方塊上方，因此電路無法雙面走線且飛線時要浪費大量空間鋪設(shè)方塊；紅石線無法直接在垂直方向鋪設(shè)，需要用實心方塊或半磚搭建樓梯后再在其上鋪紅石線。

4.3 解決方法

紅石信號強度通過某些方法確實能提高，但紅石線的其他特性無法改變，不使用紅石線長距離傳輸是根本辦法，下文的無線紅石能基本解決這個問題，其中指令起了關(guān)鍵作用。

5 基礎(chǔ)指令

豐富的指令是Minecraft 開放的一個重要原因，指令能幫玩家實現(xiàn)正常游戲無法實現(xiàn)的功能，也為自動化提供了便利。指令分為兩個重要部分：指令本身和數(shù)據(jù)標(biāo)簽，數(shù)電入門不必全部知曉，掌握關(guān)鍵幾個即可。了解個別指令后就能制作簡易無線紅石。

5.1 /fill

格式：/fill 起點坐標(biāo) 終點坐標(biāo) 方塊名稱[方塊狀態(tài)]可選參數(shù)。該指令可批量填充方塊，平面立體均可填充?？蛇x參數(shù)可忽略，默認(rèn)值為replace。

5.2 /setblock

格式：/setblock 坐標(biāo) 方塊名稱[方塊狀態(tài)]{數(shù)據(jù)標(biāo)簽} 可選參數(shù)。該指令可更改指定位置的方塊。要刪除指定位置的方塊可用air 方塊填充。可選參數(shù)可忽略，默認(rèn)值為replace。

5.3 /clone

格式：/clone 被復(fù)制區(qū)域的開始坐標(biāo) 被復(fù)制區(qū)域的結(jié)束坐標(biāo) 新位置坐標(biāo) 可選參數(shù)一 可選參數(shù)二。該指令可復(fù)制指定空間內(nèi)包括空氣在內(nèi)的方塊至新的位置，兩坐標(biāo)為被復(fù)制空間的對角坐標(biāo)，兩個可選參數(shù)均可忽略，默認(rèn)值分別為replace 和normal。注意命令方塊內(nèi)的指令也將被復(fù)制。

5.4 /summon

格式：/summon 實體名稱 坐標(biāo) {數(shù)據(jù)標(biāo)簽}。該指令可在指定位置召喚實體，實體包括但不限于具有速度、位置、角度、生命值等特征，占據(jù)一定空間并受重力影響的物體。其中下落的方塊falling_block 較為特殊，與數(shù)據(jù)標(biāo)簽配合能轉(zhuǎn)變成其他方塊。

5.5 /kill

格式：/kill 目標(biāo)[目標(biāo)選擇器]。用于清除實體，例如/kill @e[type=command_block_minecart,distance=..2]的效果是清除所有命令方塊礦車，@e 表示所有實體，type 選擇具體的實體類型，distance控制選擇范圍，點點2為距指令發(fā)出者小于兩個方塊的實體。

6 純紅石電路的初次簡化

6.1 簡易無線紅石的原理

數(shù)字信號的特點給無線紅石帶來了極大便利，無須知道紅石線的具體能量強度，只要紅石線上有能量則代表1，無能量則代表0。無線紅石傳遞的不是紅石強度信號而是直接遠程放置紅石源，放置則為1，不放則為0。

將上文的判斷電路稍加改裝：在兩個輸出端各放一個命令方塊，兩方塊內(nèi)均使用setblock 指令且坐標(biāo)相同，區(qū)別是置位端的方塊種類為redstone_block 的紅石塊或其他紅石源，而復(fù)位端為air 空氣。輸入為1 時將激活置位端的命令方塊，坐標(biāo)處被放置紅石源，這樣高電平信號就能無線傳遞到指定位置。輸入0 時激活復(fù)位端的命令方塊，坐標(biāo)處被填充空氣使紅石塊移除即傳遞低電平信號。如圖10所示。

圖9為使用指令簡化的3/8 線譯碼器，相比原始譯碼器，改進型體積更小且線路更簡潔。三位輸入端的右位使用連鎖型無線紅石，其余兩位使用OOC 無線紅石。

6.2 簡易無線紅石的弊端

由于一個命令方塊只能存一條簡易指令，一個判斷電路只能控制一個坐標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸，若一條紅石線有多個分支就要多個判斷電路，這種設(shè)計任然較為復(fù)雜。

6.3 原因分析

判斷電路的作用是鑒別紅石線的電平高低，而相連的分支線路的電平應(yīng)是相同的，所以不需要多個判斷電路，只需一個能同時執(zhí)行多個setblock 指令，能在多個坐標(biāo)同時放置紅石源的方法。

6.4 解決方法

如圖11所示，多條指令可用連鎖命令方塊執(zhí)行，使用時需將第二個以及后方的命令方塊的模式調(diào)至連鎖且保持開啟，方塊上的箭頭指向的是下一個將被觸發(fā)的連鎖方塊[5]。每個方塊中都有一條setblock 指令且坐標(biāo)不同，由于指令簡單所以執(zhí)行速度很快，效果接近同時執(zhí)行。

這種方法可稱為連鎖型無線紅石。該種方法執(zhí)行效率最高且穩(wěn)定性最好但仍有缺陷，從圖9可看出與用OOC 無線紅石的其它兩個端輸入端相比，連鎖型的體積仍然較大。使用下文的OOC 可以再次簡化紅石電路。

7 數(shù)據(jù)標(biāo)簽

NBT（Named Binary Tags）又稱數(shù)據(jù)標(biāo)簽是游戲中一種儲存數(shù)據(jù)的格式，可在指令中設(shè)定方塊的各項參數(shù)。想要執(zhí)行復(fù)雜指令甚至編寫程序比如OOC，就需要了解NBT。

7.1 BlockState

格式：BlockState:{Name:方塊名稱,Properties:{方塊狀態(tài)1:值1,方塊狀態(tài)2:值2…}}。該標(biāo)簽用于下落的方塊，Name 和Properties為BlockState 的子標(biāo)簽，前者用于指定下落方塊將轉(zhuǎn)變成的類型且不可省略，后者用于設(shè)定方塊狀態(tài)可以省略，大多方塊的狀態(tài)僅朝向起作用，若召喚的是連鎖命令方塊就需要用該狀態(tài)控制朝向。

7.2 Time

圖10：改裝后的判斷電路

圖11：連鎖型命令方塊

格式：Time:數(shù)值。用于下落的方塊，表示已存在的時刻數(shù)（一刻為0.05 秒），若沒有該標(biāo)簽下落方塊將瞬間消失。和summon 指令配合時建議設(shè)置為1。

7.3 TileEntityData

格式：TileEntityData:{其他標(biāo)簽}。該標(biāo)簽用于下落的方塊，當(dāng)下落的方塊接觸到其它方塊變?yōu)閷嶓w時，標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)會被復(fù)制到實體中。

7.4 Command與auto

這兩標(biāo)簽用于命令方塊且常與TileEntityData 配合使用。TileEntityData{ auto:1,Command:"完整指令"}}，Command 為往命令方塊寫入的指令，auto 為命令方塊是否保持開啟，1 開啟0 關(guān)閉，開啟后方塊無需紅石信號也能立即運行。

7.5 Passengers

格式：Passengers:[{id:方塊名稱,其它標(biāo)簽},{id:方塊名稱},...]。騎乘標(biāo)簽，該標(biāo)簽召喚的實體將騎在前一個實體上，標(biāo)簽中的id為并列關(guān)系即多個實體騎在同一個實體上，但執(zhí)行每個id 的順序有先后。若要按順序騎乘即后一個騎在前一個之上，可在id 后方繼續(xù)嵌套騎乘標(biāo)簽如Passengers:[{id:…,Passengers :[{…}]},{...}]。該標(biāo)簽用于實體，對普通方塊不起作用。

8 一鍵命令方塊

一鍵命令方塊亦稱OOC（Only One Command），主體只有一個命令方塊，與之前的簡易指令不同，有了數(shù)據(jù)標(biāo)簽的加入，方塊內(nèi)可存入多條能連續(xù)執(zhí)行的指令，只需將載體命令方塊激活，指令將自動運行。OOC 對于電路簡化以及代碼化傳播有非常大的幫助。

8.1 堆疊型OOC

堆疊型程序比較繁瑣但思路清晰，適合新手鞏固命令和數(shù)據(jù)標(biāo)簽的語法。原理是利用Passengers 標(biāo)簽不斷嵌套指令召喚出命令方塊，同時用Command 標(biāo)簽在每個命令方塊內(nèi)存入指令并運行，最后填充空氣消除所有召喚出的方塊來結(jié)束程序。以下為模板。

/summon falling_block～1～1～{BlockState:{Name:command_blo ck},Time:1,TileEntityData:{auto:1,Command:"命令1"},

Passengers:[{id:falling_block,BlockState:{Name:command_block},Time:1,TileEntityData:{auto:1,Command:"命令2"},

Passengers:[{id:falling_block,BlockState:{Name:command_block},Time:1,TileEntityData:{auto:1,Command:"命令3"},

Passengers:[{id:falling_block,BlockState:{Name:command_block},Time:1,TileEntityData:{auto:1,Command:"命令..."},

Passengers:[{id:falling_block,BlockState:{Name:command_block},Time:1,TileEntityData:{auto:1,Command:"/fill～～～～～-4～air"},

}]}]}]}]}

8.2 礦車型OOC

命令方塊礦車于Java1.7 版加入游戲，礦車型程序利用了礦車的疊加特性，即多個礦車使用騎乘標(biāo)簽疊加在一起卻不會掉落，以下為模板。

/summon falling_block～～1～{BlockState:{Name:redstone_block},Time:1,

Passengers:[{id:falling_block,BlockState:{Name:activator_rail},Time:1,

Passengers:[{id:command_block_minecart,Command:"命令1"},

{id:command_block_minecart,Command:"命令2"},

{id:command_block_minecart,Command:"命令3"},

{id:command_block_minecart,Command:"命令..."},

{id:command_block_minecart,Command:"/setblock～～2～command_block{auto:1,Command:"fill～～～～～-3～air"}"},

{id:command_block_minecart,Command:"/kill@e[type=command_block_minecart,distance=..2]"}]}]}

8.3 兩種OOC的優(yōu)點

堆疊型的方塊種類單一，且能嚴(yán)格按照騎乘順序執(zhí)行指令，因此程序執(zhí)行不易出錯，可靠性高。礦車型程序的主體為命令方塊礦車，因其本身為實體，所以無須用falling_block 做中間轉(zhuǎn)換而省去了BlockState 的大量代碼，也無須嵌套大量Passenger 標(biāo)簽就能連續(xù)運行，程序執(zhí)行效率遠超堆疊型。

8.4 堆疊型OOC的弊端

程序代碼冗長，實際執(zhí)行的只有Command 后方的指令，其余代碼只為保持程序的自動運行，這導(dǎo)致程序運行速度不高。單個OOC 中若有多條指令，執(zhí)行過程中方塊將疊加到很高的高度，這會影響多層電路的設(shè)計。

8.5 堆疊型弊端分析

一是由于summon 指令與Passenger 標(biāo)簽只能用于實體，普通方塊想要被召喚和騎乘必須經(jīng)過falling_block 這一實體媒介轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換的代碼較長因此耗費較多時間且代碼顯得冗長。二是為了程序的連續(xù)運行，每添加一條指令須嵌套一個騎乘標(biāo)簽，這也降低了程序執(zhí)行效率。三是被召喚的方塊的空間若被其它方塊占用，則召喚方塊將變成掉落物，其攜帶的指令也無法執(zhí)行，所以堆疊型OOC 上方不能有障礙物。

8.6 礦車型OOC的弊端

程序最后kill 指令里的distance 標(biāo)簽用于控制清除范圍。范圍太小容錯率低，礦車可能不會全部清除，范圍大又會誤刪附近的程序礦車。程序中獨立放置的命令方塊不會嚴(yán)格按照程序順序執(zhí)行，當(dāng)電路速度很快時，前一個未執(zhí)行的方塊將影響下一個將要放置的方塊。

8.7 礦車型弊端分析

由于命令方塊礦車需要激活才能運行，所以下方要放置用紅石塊充能的激活鐵軌。礦車出現(xiàn)到被鐵軌激活有一定的時間，若附近有多條OOC 同時執(zhí)行，未激活的礦車被附近范圍設(shè)定錯誤的kill指令清除，那么礦車搭載的指令將無法執(zhí)行。

獨立放置命令方塊是為了解決方塊與實體無法用一條指令清除的問題。如果按順序運行kill 和fill 指令，無論哪個先執(zhí)行都將破壞另一條的觸發(fā)環(huán)境，只有將其中一條轉(zhuǎn)移至外部獨立運行才能解決這個問題。

由于兩種OOC 主要依靠游戲特性實現(xiàn)，所以弊端無法避免，只能在設(shè)計電路時靈活運用。

9 純紅石電路的再次簡化

將判斷電路輸出端的命令方塊中的簡易指令換成OOC 即可，所有Command 標(biāo)簽后均為setblock 指令只是坐標(biāo)不同，這樣只需一個命令方塊就能向多個坐標(biāo)傳數(shù)據(jù)。

由于OOC 的弊端不可不免，設(shè)計時最好根據(jù)實際情況選擇合適的無線紅石，或者將連鎖型與OOC 結(jié)合使用來彌補各自短板，例如將堆疊型程序拆成兩部分別放在兩個連鎖方塊中，這樣能將堆疊高度降低一半。

10 設(shè)計程序化

為方便設(shè)計的傳播，可將設(shè)計好的電路寫成OOC 程序。集成電路多由基礎(chǔ)電路組合而成，編寫時可先放置基礎(chǔ)電路，之后大量使用clone 指令復(fù)制已放置好的部分能提高編寫效率。

編寫帶有程序的命令方塊時注意，一對雙引號間若還有引號則每個引號都須用反斜杠/轉(zhuǎn)義，如同礦車型放置fill 指令一樣。若嵌套層數(shù)過多，反斜杠自身也需要反斜杠轉(zhuǎn)義。為了避免過多的符號轉(zhuǎn)義，可將普通方塊和程序方塊分開編寫，用不同的OOC 放置。

11 結(jié)論

紅石數(shù)電入門并不難，在了解部分紅石特性并學(xué)習(xí)少量基礎(chǔ)電路后，利用數(shù)電模塊化特點搭建大型電路不再困難，搭建時利用指令優(yōu)化電路不僅效率高，還能降低電路搭建難度。將電路編寫成OOC，電路就能以代碼的形式儲存和傳播，極大方便了紅石數(shù)電的交流和學(xué)習(xí)。