阶段4-2b：vm/Machine V2（变长取指/槽表两级/栈方案 C/CAL 15 条）
- 变长取指（instr_len 前缀定长）、译码（前缀分区+func+uses_* 直推） - 槽表两级访问：slot→slot_addr→值区按 func 读宽/扩展、写宽（含 F32/F64 位模式） - 栈方案 C：预分配 max_stack、帧头 12B（fn_id/ret_pc/ret_fn_id）+ regs 指向栈区、 r0..r7 全宽复制、字节+深度 64 双检查、MAIN 帧常驻、周期结束回退 sp - 指令语义：MOVE（func 宽度高位清 0）、LOADK（常量 8B 按 func）、NOT 逻辑非、 AND/OR/XOR 逐位、算术（各宽度饱和模板+无符号+浮点 IEEE）、CMP（按 func 符号）、 跳转（off 字节相对下一条）、CALL/RET 帧 - CAL 15 条 fb_id 分派：TON/TOF/TP/CTU/DCTU/CTD/DCTD/CTUD/DCTUD/R_TRIG/F_TRIG/ SR/RS/PWM（duty×pt 高电平）/RTC（虚拟时钟：周期×dt_ms，1970 纪元） - 边沿检测 edge_prev_（每槽 2 字节） - 验证：line1 全链路（I 采样→FB→短路→Q=1 真值表一致）、急停 Q=0、 13_call x=7、07 算术 42/10/32/eq、05 while n=10 - 状态：vm_test（48 处）/executor（1 处）待 4-2c/4-3
This commit is contained in:
+67
-81
@@ -1,17 +1,19 @@
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/**
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* @file Machine.h
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* @brief 寄存器虚拟机（12.9）
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* @brief 寄存器虚拟机（V2：变长指令 / 槽表两级访问 / 栈方案 C / CAL 15 条）
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* @author
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* @date 2026-08-21
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*
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* @details 设计说明（详见 Doc/vm/扫描周期.md 与 Doc/vm/指令执行.md）：
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* - 只认 .stb 映像（vm 自带读实现；Machine::create 做型号/SHA-256 校验）；
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* 无 GC、无堆、无线程
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* - 扫描周期：MAIN pc=0 → RET；MAIN 帧跨周期保留，调用栈深度上限 64
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* - 帧：{ fn_id, regs[nregs], ret_pc, ret_fn_id }；CALL 压帧复制 r0..r7，
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* RET 复制回调用方（r0=结果）
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* - 数据区：8 字节定宽槽（方案 a），指令 slot = 槽号，偏移 = slot × 8
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* - 可观察性（v1 预留）：step / pc / fn_id / cycle_count / call_depth / reg
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* @details 设计说明（详见 Doc/vm/扫描周期.md 与 Doc/isa/阶段4-执行侧V2.md）：
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* - 只认 V2 .stb（vm::Image）；create 做结构 + SHA-256 + 型号（STATOR2）校验
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* - 变长取指：instr_len 前缀定长；译码按前缀分区 + func + uses_* 直推
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* - 数据访问两级：slot → 槽表[slot].addr → 值区按 func 读宽/扩展、写宽
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* - 栈方案 C：create 一次性预分配 max_stack；帧头 12B（fn_id/ret_pc/ret_fn_id）
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* + regs（nregs×8，int64）；压帧复制 r0..r7 全宽；字节 + 深度 64 双检查；
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* MAIN 帧常驻栈底，周期结束回退 sp 到 MAIN 帧顶
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* - CAL 15 条（fb_id 分派）：字段布局见 Doc/isa/指令集清单.md §8.1；
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* RTC 用虚拟时钟（累计周期 × dt_ms，1970 纪元）
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* - 可观察性：step / pc（字节）/ fn_id / cycle_count / call_depth / reg
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*/
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#pragma once
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@@ -22,6 +24,8 @@
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#include "vm/Image.h"
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#include "isa/Instr.h"
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#include "isa/Op.h"
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#include "isa/Types.h"
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namespace vm {
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@@ -30,30 +34,29 @@ namespace vm {
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*/
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enum class Fault {
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None, ///< 正常
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CycleLimit, ///< 本周期指令数超过映像头 cycle_limit（用例 6）
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StackOverflow, ///< 调用栈深度超过 64
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BadOp, ///< 非法操作码 / 寄存器越界 / CALL 目标越出函数表
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BadSlot, ///< slot × 8 + 8 越出数据区
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CycleLimit, ///< 本周期指令数超过映像头 cycle_limit
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StackOverflow, ///< 调用栈字节越界或深度 > 64
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BadOp, ///< 非法操作码 / 寄存器越界 / CALL 目标越界
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BadSlot, ///< 槽号越界或值区访问越界
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BadConst, ///< const_id 越出常量表
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};
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/**
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* @brief 寄存器虚拟机：按扫描周期执行 .stb 映像。
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* @details 一个实例 = 一台机器：持有映像只读视图 + 数据区工作副本 + 调用栈。
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* MAIN 帧跨周期保留（PROGRAM 变量状态持久）；每周期从 pc=0 执行到
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* MAIN 的 RET，期间调用栈可进可出（上限 64 帧）。
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* I 采样写入 / Q 读回由外部（executor）经 data() 完成，VM 只管数据区。
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* @brief 寄存器虚拟机（V2）。
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* @details 一个实例 = 一台机器：值区工作副本 + 预分配栈区 + 调用栈。
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* MAIN 帧常驻栈底（跨周期保留，PROGRAM 变量状态持久）；
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* 每周期从 pc=0 执行到 MAIN 的 RET。
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*/
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class Machine {
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public:
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/**
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* @brief 从映像字节构建机器（校验 + 拷贝数据段 + 建 MAIN 帧）。
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* @brief 从映像字节构建机器。
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* @param image .stb 映像字节
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* @param out 输出 Machine（未初始化）
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* @param err 错误输出；可为 nullptr（静默）
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* @return true 成功；false（映像非法，err 已写）
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* @details 校验顺序：解析 .stb（Image::from）→ SHA-256 → 型号标识匹配
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* （内建 kModelName + kModelVersion），任一不符直接拒绝。
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* @return true 成功；false（结构/SHA/型号任一不符，err 已写）
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* @details 校验顺序：Image::from 结构 → SHA-256 → 型号 STATOR2；
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* 通过后拷贝值区、预分配 max_stack 栈区、建 MAIN 帧。
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*/
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static bool create(const std::vector<uint8_t>& image, Machine* out,
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std::string* err);
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@@ -64,96 +67,79 @@ namespace vm {
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*/
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Fault run_cycle();
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// ---- 可观察性（v1 预留，12.11 供单步/回放/TUI）----
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// ---- 可观察性 ----
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/**
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* @brief 执行一条指令，停在指令边界。
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* @return true 继续；false 周期结束（MAIN 的 RET）或发生故障
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*/
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/// @brief 执行一条指令，停在指令边界；false = 周期结束或故障。
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bool step();
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/// @brief 最近一次故障（step 返回 false 后查询）。
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Fault fault() const;
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/// @brief 周期是否已结束（MAIN 的 RET 后为 true）。
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bool ended() const;
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/// @brief 映像头（dt_ms / cycle_limit 等）。
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/// @brief 映像头（dt_ms / cycle_limit / max_stack 等）。
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const vm::ImageHeader& header() const;
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/// @brief 当前指令下标（相对当前函数字节码段）。
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/// @brief 当前 pc（字节偏移，相对当前函数字节码段）。
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uint32_t pc() const;
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/// @brief 当前函数 fn_id。
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||||
uint32_t fn_id() const;
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/// @brief 本周期已执行指令数。
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uint32_t cycle_count() const;
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/// @brief 调用栈深度（MAIN 帧 = 1）。
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uint32_t call_depth() const;
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/// @brief 数据区（I 采样写入 / Q 读回由外部做；8 字节定宽槽）。
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/// @brief 值区工作副本（I 采样写入 / Q 读回由外部做）。
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uint8_t* data();
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const uint8_t* data() const;
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/// @brief 数据区字节数。
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/// @brief 值区字节数。
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size_t data_len() const;
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/// @brief 当前帧寄存器值（i < nregs）。
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int64_t reg(uint8_t i) const;
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/// @brief 当前帧寄存器数（函数头 nregs）。
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/// @brief 当前帧寄存器数。
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||||
uint32_t nregs() const;
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/// @brief 当前指令（pc_ 处；单步/观察用；pc 越界时返回 RET 哨兵）。
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isa::Instr cur_instr() const;
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/// @brief 当前指令字节（pc 处；单步/观察用）。
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const uint8_t* cur_instr_bytes() const;
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||||
/// @brief 当前指令长度。
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||||
uint32_t cur_instr_len() const;
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||||
private:
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/**
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||||
* @brief 调用帧。
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||||
*/
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||||
/// 调用帧（regs 指向预分配栈区子块）。
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||||
struct Frame {
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uint32_t fn_id = 0; ///< 本帧函数
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||||
std::vector<int64_t> regs; ///< 寄存器文件（大小 = 函数头 nregs）
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||||
uint32_t ret_pc = 0; ///< CALL 的下一条（非 MAIN 帧有意义）
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||||
uint32_t ret_fn_id = 0; ///< 返回目标函数
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||||
uint32_t fn_id = 0; ///< 本帧函数
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||||
uint32_t nregs = 0; ///< 寄存器数
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||||
int64_t* regs = nullptr;///< 寄存器文件（栈区内）
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||||
uint32_t ret_pc = 0; ///< CALL 的下一条（字节；非 MAIN 帧有意义）
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||||
uint32_t ret_fn_id = 0; ///< 返回目标函数
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||||
};
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||||
vm::Image image_; ///< 映像只读视图（vm 自实现，指向外部缓冲）
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std::vector<uint8_t> data_; ///< 数据区工作副本（8 字节定宽槽）
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||||
std::vector<Frame> frames_; ///< 调用栈（[0] = MAIN，跨周期保留）
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||||
/**
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* @brief 边沿检测上次输入（每槽 2 字节：[slot*2] 第一边沿、[slot*2+1] 第二边沿；
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||||
* CTU/CTD/R_TRIG/F_TRIG 用第一、CTUD 用两个），跨周期保留。
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||||
*/
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||||
std::vector<uint8_t> edge_prev_;
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||||
uint32_t pc_ = 0; ///< 当前 pc（相对本帧函数字节码段）
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||||
uint32_t cycle_count_ = 0; ///< 本周期指令数
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Fault fault_ = Fault::None;///< 最近一次故障
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bool ended_ = false; ///< step 后周期是否已结束
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/// @brief 当前（栈顶）帧引用。
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Frame& cur_frame();
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||||
/// @brief 当前（栈顶）帧常量引用。
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const Frame& cur_frame() const;
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/// @brief 译码执行一条；false = 故障或周期结束。
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bool exec_one();
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||||
/// @brief 压帧（复制 r0..r7）；fn_id 越界以 BadOp 表示。
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Fault do_call(uint32_t fn_id);
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||||
/// @brief 弹帧 / 周期结束（复制 r0..r7 回调用方）。
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Fault do_ret();
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||||
Fault do_cal(uint16_t fb_id, uint32_t slot);
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||||
/// @brief 执行内置 FB（TON/TOF/TP/CTU/CTD/CTUD/R_TRIG/F_TRIG）。
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Fault do_cal(uint8_t op, uint16_t slot);
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||||
/// 值区字段读写（实例 addr + 偏移，按 func 宽度）。
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bool read_value(uint32_t addr, uint8_t func, int64_t* out);
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bool write_value(uint32_t addr, uint8_t func, int64_t v);
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||||
/// 算术（按 func：整数饱和 / 无符号 / 浮点 IEEE）。
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||||
int64_t exec_arith(const char* name, uint8_t func, int64_t a, int64_t b);
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||||
/// 比较（按 func：有/无符号、浮点）。
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||||
int64_t exec_cmp(const char* name, uint8_t func, int64_t a, int64_t b);
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||||
/// 比较结果（模板：有符号/无符号/浮点共用）。
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||||
template <typename T>
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||||
static int64_t cmp_result(const char* name, T a, T b);
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||||
/// 实例字段读写（slot → addr + off）。
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||||
bool read_field(uint32_t slot, int32_t off, uint8_t func, int64_t* out);
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||||
bool write_field(uint32_t slot, int32_t off, uint8_t func, int64_t v);
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||||
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||||
/// @brief 读数据区槽（8 字节定宽；越界返回 false）。
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bool slot_get(uint16_t slot, int64_t* out) const;
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/// @brief 写数据区槽（8 字节定宽；越界返回 false）。
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bool slot_set(uint16_t slot, int64_t v);
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vm::Image image_; ///< 映像只读视图
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||||
std::vector<uint8_t> data_; ///< 值区工作副本
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std::vector<uint8_t> stack_; ///< 预分配栈区（max_stack 字节）
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size_t sp_ = 0; ///< 栈顶（MAIN 帧之后）
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std::vector<Frame> frames_; ///< 调用栈（[0] = MAIN，跨周期保留）
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std::vector<uint8_t> edge_prev_; ///< 边沿检测（每槽 2 字节，跨周期保留）
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||||
uint32_t pc_ = 0; ///< 当前 pc（字节，相对本帧函数字节码段）
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||||
uint32_t cycle_count_ = 0; ///< 本周期指令数
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uint64_t cycles_total_ = 0; ///< 累计周期数（RTC 虚拟时钟用）
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Fault fault_ = Fault::None; ///< 最近一次故障
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bool ended_ = false; ///< step 后周期是否已结束
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};
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}
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+598
-363
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