diff --git a/Doc/vm/指令执行.md b/Doc/vm/指令执行.md new file mode 100644 index 0000000..11b72e8 --- /dev/null +++ b/Doc/vm/指令执行.md @@ -0,0 +1,160 @@ +# 指令执行流程(12.9) + +`vm` 模块的指令执行语义:取指、译码、执行、故障。规范以 [`指令与映像.md`](../isa/指令与映像.md) 为准,本文描述**执行器怎么跑一条指令**。执行模型见 [`初步计划.md`](../初步计划.md) 第 2 节。 + +## 执行模型 + +```text +每个扫描周期(run_cycle): + 1. pc = 0,从入口函数(MAIN)开始逐条执行 + 2. 执行到 MAIN 的 RET → 周期结束 + 3. (I 采样 / Q 写回由 executor 按 sidecar 做,VM 只管数据区) + 4. 定时器在 CAL_* 指令执行时用映像 dt_ms 推进 +``` + +- **pc**:当前指令在函数字节码段内的下标(指令条数单位,从 0 起) +- **取指**:函数表 `func_row(fn_id)` → `code_offset`(字节)→ `code_bytes[code_offset/4 + pc]` 读 u32(小端) +- **译码**:拆 `op / rd / a / b` 四字段,`a|b` 按操作码解释为寄存器对、槽号(u16)、或跳转偏移(int16) + +## 帧与调用栈 + +```cpp +struct Frame { + uint32_t fn_id; // 当前函数 + std::vector regs; // 寄存器文件,大小 = 函数头 nregs + uint32_t ret_pc; // CALL 后应恢复的 pc(仅非 MAIN 帧有意义) + uint32_t ret_fn_id; // 返回目标函数(调用方) +}; +``` + +- 调用栈 `std::vector`,**深度上限 64**;超限 → `StackOverflow` 故障 +- **MAIN 帧跨周期保留**(PROGRAM 变量状态持久);周期结束只清调用栈(保留栈底 MAIN 帧) +- 帧寄存器初值 0 + +### CALL / RET(调用约定,冻结于 12.8) + +```text +CALL fn_id: + 1. 新帧:regs 大小 = callee 的 nregs,全部 0 + 2. 复制当前帧 r0..r7 → 新帧 r0..r7(实参已在调用点 MOVE 进 r1..r7) + 3. 新帧 ret_pc = 当前 pc + 1(CALL 的下一条)、ret_fn_id = 当前函数 + 4. 压栈,pc = 0,fn_id = callee + +RET: + 1. 若当前是 MAIN(栈深 0)→ 周期结束 + 2. 否则:复制当前帧 r0..r7 → 调用方帧 r0..r7(r0 = 结果,r1..r7 原样返回) + 3. 弹栈,pc = ret_pc,fn_id = ret_fn_id +``` + +## 值表示(寄存器 / 槽统一约定) + +| 类型 | 表示 | 说明 | +|---|---|---| +| BOOL | `0` / `1` | 逻辑指令产出、字面量 TRUE=1 | +| INT | `int16_t` 符号扩展 | `sat_*` 返回 int16,赋给 int64 寄存器自动符号扩展 | +| TIME | 全 64 位 | 毫秒 | + +推论:**全宽 int64 比较等价于各类型自身比较**(INT 符号扩展后 -5 < 3 正确)。类型语义由编译期类型检查保证,VM 不查类型。 + +## 数据区访问(8 字节定宽槽,方案 a) + +```text +槽号 slot(指令操作数)→ 数据偏移 = slot × 8 +LOAD_* rd, slot → rd = 读 data[slot*8 .. slot*8+8)(8 字节原样) +STORE_* slot, rs → 写 data[slot*8 .. slot*8+8) = rs(8 字节原样) +``` + +`LOAD_I` / `LOAD_M` / `LOAD_GLOBAL` / `STORE_Q` / `STORE_M` / `STORE_GLOBAL` 执行逻辑完全相同(v1 单一数据区,操作码只作语义标签)。 + +## 指令执行表 + +| 指令 | 流程 | +|---|---| +| `MOVE rd, rs` | `reg[rd] = reg[rs]` | +| `LOADK rd, cid` | 查常量表 `const_entry(cid)`:BOOL → 0/1;INT → `(int16_t)value` 符号扩展;TIME → 全宽 | +| `NOT rd, rs` | `reg[rd] = (reg[rs] == 0) ? 1 : 0` | +| `AND/OR rd, ra, rb` | `reg[rd] = (reg[ra] != 0 && reg[rb] != 0) ? 1 : 0`(或 OR) | +| `ADD/SUB/MUL/DIV rd, ra, rb` | `sat_add((int16)ra, (int16)rb)` 等,结果符号扩展入 rd | +| `CMP_xx rd, ra, rb` | 全宽 int64 比较 → `1` / `0` | +| `JMP off` | `pc += off`(见跳转语义) | +| `JT rd, off` / `JF rd, off` | `reg[rd] != 0`(JT)/ `== 0`(JF)时 `pc += off`,否则正常 +1 | +| `LOAD_* rd, slot` | 见数据区访问 | +| `STORE_* slot, rs` | 见数据区访问 | +| `CAL_TON/TOF/CTU slot` | 见定时器推进 | +| `CALL fn_id` / `RET` | 见帧与调用栈 | + +### 跳转语义 + +```text +指令执行后 pc 先 +1(指向下一条),跳转指令再 pc += off +⇒ 目标下标 = 当前 + 1 + off(与编译端 patch_jump 一致) +``` + +### 周期指令计数 + +- 每条指令执行后 `cycle_count++`;超过映像头 `cycle_limit` → `CycleLimit` 故障(周期中止) +- `JMP` / `JT` / `JF` / `CALL` 只算 1 条(cycle_limit 以"执行的指令数"计) + +## 定时器推进(CAL_TON / CAL_TOF / CAL_CTU) + +`CAL_* slot` 的 `slot` 是实例**基槽号**;字段偏移 = 实例布局字段序号 × 8(内建布局冻结:TON/TOF = in/pt/q/et,CTU = cu/r/pv/q/cv)。每次执行 = 推进一次,Δt = 映像头 `dt_ms`(不读系统时钟): + +```text +CAL_TON: + in = 槽[in] 非零;pt = 槽[pt];et = 槽[et];q = 槽[q] + in 为真:et += dt(et ≥ pt 时停在 pt);q = (et ≥ pt) ? 1 : 0 + in 为假:et = 0;q = 0 + +CAL_TOF: + in 为真:q = 1;et = 0 + in 掉电:et += dt;et ≥ pt 时 q = 0 + (in 再次为真 → 重新 q = 1, et = 0) + +CAL_CTU: + 上升沿检测:本周期 cu 为真且上次 cu 为假 → cv += 1 + (上次 cu 存 VM 侧 vector,按实例基槽索引,跨周期保留) + r 为真 → cv = 0 + q = (cv ≥ pv) ? 1 : 0 +``` + +## 故障 + +| 故障 | 触发 | 周期行为 | +|---|---|---| +| `None` | — | 正常完成 | +| `CycleLimit` | 周期指令数 > `cycle_limit`(用例 6) | 中止,返回故障 | +| `StackOverflow` | 调用栈深度 > 64 | 中止 | +| `BadOp` | op ≥ 29 | 中止 | +| `BadSlot` | slot × 8 + 8 > 数据区长度 | 中止 | +| `BadConst` | const_id ≥ n_consts | 中止 | + +## 示例:line1 MAIN 逐指令推演 + +映像:`dt_ms=10`,`cycle_limit=100000`,数据区 56 字节(7 槽 × 8B,方案 a)。 + +```text +初始:MAIN 帧 regs[13] 全 0;槽 0..6 全 0(初值 0) +假定 executor 已采样:槽 0 = EmergencyStop = 0、槽 1 = I0_0 = 1、槽 2 = I0_1 = 0 + +pc 指令 执行后 +── ───────────────────── ────────────────────────────── +0 LOAD_I r8, 1 r8 = data[8..16) 低字节 = 1(I0_0) +1 STORE_GLOBAL r8, 4 槽 4(starter.start)= 1 +2 LOAD_GLOBAL r9, 2 r9 = 0(I0_1) +3 STORE_GLOBAL r9, 5 槽 5(starter.stop)= 0 +4 LOAD_GLOBAL r8, 8 内联体:r8 = 槽 4 = 1(start) +5 JF r8, +3 r8≠0 不跳;pc = 6 +6 LOAD_GLOBAL r10, 9 r10 = 槽 5 = 0(stop) +7 NOT r9, r10 r9 = 1 +8 MOVE r8, r9 r8 = 1 +9 JF r8, +3 r8≠0 不跳;pc = 10 +10 LOAD_I r12, 0 r12 = 槽 0 = 0(EmergencyStop) +11 NOT r11, r12 r11 = 1 +12 MOVE r8, r11 r8 = 1 +13 STORE_GLOBAL r8, 10 槽 6(starter.q)= 1 +14 LOAD_GLOBAL r8, 10 r8 = 槽 6 = 1 +15 STORE_Q r8, 3 槽 3(Q0_0)= 1 +16 RET 周期结束;executor 读槽 3 → 硬件 +``` + +结果:`Q0_0 = 1`(start=1、stop=0、急停=0 → 电机启动)——与 `EXPECTED.md` 真值表一致。 diff --git a/Doc/索引.md b/Doc/索引.md index e45b0c3..a02bd95 100644 --- a/Doc/索引.md +++ b/Doc/索引.md @@ -16,6 +16,7 @@ doc/ compiler/类型检查.md compiler/寄存器码.md vm/扫描周期.md + vm/指令执行.md executor/执行器入口.md ``` @@ -32,6 +33,7 @@ doc/ | [`compiler/类型检查.md`](compiler/类型检查.md) | 12.7 类型检查:表达式类型、语句规则、错误类别 | | [`compiler/寄存器码.md`](compiler/寄存器码.md) | 12.8 寄存器码:布局、指令模式、内联 FB、8 片计划 | | [`vm/扫描周期.md`](vm/扫描周期.md) | 扫描周期与 VM 边界 | +| [`vm/指令执行.md`](vm/指令执行.md) | 12.9 指令执行流程:帧/调用栈、指令表、定时器、故障 | | [`executor/执行器入口.md`](executor/执行器入口.md) | 可执行入口:加载 `.stb` + sidecar,跑扫描周期 | 代码目录里的 README 只作入口;类型、指令、映像以 `isa/指令与映像.md` 为准。