# 指令集优化（V2 草案，型号 STATOR2）

> 状态：**设计中**。本文汇总「指令集优化」的全部信息：动机、已确认设计决策、
> 待确认问题、影响面与实施阶段。全部内容为**草案**，未进入实现。
> 与现状（V1）的关系：V1 编码冻结不可改（opcode 0..33、32bit 指令、8 字节定宽槽），
> 本优化为**全新 V2 架构**，.stb 格式 / 指令字 / 数据模型全部重设计，型号 bump 为 STATOR2。

## 1. 背景与动机

| # | 现状问题 | 优化方向 |
|---|---|---|
| 1 | opcode 定义草率：34 条按语义乱序编号，无位域结构 | format/宽度**编码进 opcode**，位掩码机械推导 |
| 2 | 8 字节定宽槽浪费：BOOL 只用 1/8 空间 | **变宽紧凑值区**（1/2/8 字节按类型） |
| 3 | 变量区利用率低 | 值区按类型紧凑布局 + 地址 u32（4GB） |
| 4 | 类型只有 BOOL/INT/TIME | 扩展 IEC 整数族（12 种）+ REAL 预留 |
| 5 | 结构体无法支持 | 槽表引用 + 元数据段字段表（预留） |
| 6 | 寄存器上限 256、指令 32bit 固定 | 变长指令（长度编码在 opcode）；寄存器编号维持 8 位 |
| 7 | 槽（变量）与初值（数据）耦合在同一格 | **槽表（引用）与值区（数据）解耦** |

## 2. 已确认设计决策

### 2.1 变长指令，长度编码在 opcode

- 指令长度**不固定**：4 / 8 / 16 字节（32 字节预留）
- **长度组 = opcode 高 2 位**：`[len:2 | op:6]`
- 长度组 = 格式（fmt）的自然覆盖，由格式决定整条长度

```text
字节 0        字节 1       字节 2   字节 3   字节 4   字节 5..13（按长度组）
[len:2|op:6] [fmt:4|type:4] rd:8   rs1:8   rs2:8   扩展区
```

| 长度组 | 指令长度 | 覆盖格式 | 字段 |
|---|---|---|---|
| `00` | 4 字节 | NONE / RR | 头 + rd + rs1 |
| `01` | 8 字节 | RRR / JMP / JC / CALL / CAL / IMM / SLOT | 头 + rd + rs1 + rs2 + slot32/fn_id32/off32/const_id32 |
| `10` | 16 字节 | SLOT+off / IMM64 | 头 + rd + rs1 + slot32 + off32/imm64 |
| `11` | 32 字节 | 预留 | 超大立即数/未来扩展 |

- 取指：读字节 0 → `len` 位段定总长 → 搬 4/8/16 字节
- **位掩码推导**（三件事全编码在头两字节）：
  - 指令长度 ← `len` 组
  - 格式（uses_rd/uses_ra/uses_rb）← `fmt` 位段：`uses_rd = fmt∈{RR,RRR,IMM,SLOT,JC}`、`uses_ra = fmt∈{RR,RRR}`、`uses_rb = {RRR}`
  - 数据宽度/符号 ← `type` 位段（查 constexpr 宽度/符号表）

### 2.2 寄存器模型（维持现状）

- **寄存器编号 = 1 字节（8 位）→ 256 个/帧**（定长）
- 编号容量恒定关系：`8bit×256 == 16bit×128 == 32bit×64 == 64bit×32`（编号位宽 × 数量反比，总容量恒定）
- 寄存器值仍 8 字节（int64）；codegen `register overflow (>256)` 检查保留
- 调用约定不变：r0 结果、r1..r7 参数、r8+ 变量/临时

### 2.3 数据模型：槽表（引用）→ 值区（数据）

```text
槽表段（静态引用表，8B/条）           值段（初值，紧凑变宽）
┌─────────────────────────┐          ┌──────────────────────────┐
│ { addr:u32, 预留:u32 }  │ ──地址──▶ │ BOOL 1B（1 对齐）          │
│ 槽 0..n_slots-1          │          │ INT  2B（2 对齐）          │
└─────────────────────────┘          │ TIME 8B（8 对齐）          │
                                     │ 结构体 = 连续字段块（预留）  │
                                     └──────────────────────────┘
```

- 访问：`LOAD rd, slot` → `addr = 槽表[slot].addr` → 值区按 `type` 位段读 1/2/8 字节
- **两级间接**：每次访问多一次内存读（PLC 规模无感）
- **宽度编码进 opcode**（用户决策）：`type` 位段携带宽度 + 符号，VM 无歧义读写（解决 V1 定宽的原因——V1 因"变宽布局无法从槽号推断宽度"而改定宽，V2 用 type 位段化解）
- 对齐规则：1/2/8 字节，编译器布局保证
- 初值**整合在 .stb 内分段**（用户决策，ELF 式）：槽表段 / 值段 / 元数据段并列，单文件 SHA-256 校验
- 寻址规模（用户决策）：**全 32 位**——槽号 u32（2^32 引用）、值区地址 u32（4GB）

### 2.4 类型系统：IEC 标量族扩展（16 种满编）

`type` 位段：**type:4（16 种）**，16 个 IEC 标量**满编零预留**（BOOL + 位串 4 + 有符号 4 + 无符号 4 + TIME + REAL + LREAL）；**结构体/字符串/数组不占位段**，走元数据段字段表（`LOADF rd, slot, field_id`，宽度从元数据查）。将来新增标量类型需扩 type:5（32 种）——待确认（见 §4 项 2）。

| type | 类型 | 宽度 | 符号 | C 对应 | type | 类型 | 宽度 | 符号 | C 对应 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | BOOL | 1B | — | bool | 8 | LINT | 8B | 有 | int64_t |
| 1 | BYTE | 1B | 无 | uint8_t | 9 | USINT | 1B | 无 | uint8_t |
| 2 | WORD | 2B | 无 | uint16_t | 10 | UINT | 2B | 无 | uint16_t |
| 3 | DWORD | 4B | 无 | uint32_t | 11 | UDINT | 4B | 无 | uint32_t |
| 4 | LWORD | 8B | 无 | uint64_t | 12 | ULINT | 8B | 无 | uint64_t |
| 5 | SINT | 1B | 有 | int8_t | 13 | TIME | 8B | 有(ms) | int64_t |
| 6 | INT | 2B | 有 | int16_t | 14 | **REAL** | 4B | IEEE754 | **float** |
| 7 | DINT | 4B | 有 | int32_t | 15 | **LREAL** | 8B | IEEE754 | **double** |

- **type 位段红利**：CMP/算术按类型自动语义——无符号类型无符号比较、整数饱和到类型宽度（模板化）、浮点走 IEEE 754（无饱和，溢出→±inf）、读取按宽度+符号/零扩展
- **浮点表示**：REAL 4B / LREAL 8B，值区 4/8 字节对齐；寄存器 int64 位模式搬运（REAL 低 4 字节），运算时按 type 重解释
- 常量表 `tag` 契约升级：tag = type 位段值（0..15），REAL=14 / LREAL=15 存位模式
- **ST 字面量**：浮点十进制字面量（`1.5`、`-2.5e3`）v1 是否支持——待确认（见 §4 项 10）

### 2.5 映像格式（头 128 字节，16 对齐）

```text
0..71   原 15 字段（magic/版本/cycle_limit/dt_ms/hash/entry/n_globals/n_i/n_q/n_m/
        n_consts/n_funcs + offset_const/funcs/code）
64      offset_slots      ← 槽表段（原 offset_fb 改义，FB 并入值区）
68      offset_values     ← 值段
72..103 型号标识（STATOR2）
104     n_slots           ← 新增
108     n_values          ← 新增（值段字节数）
112..127 预留
```

段序：头 → 常量表 → 函数表 → 字节码 → 槽表段 → 值段 → 元数据段（预留） → SHA-256 尾

### 2.6 其他定案

- **型号 bump**：STATOR1 → **STATOR2**（格式大变，老 .stb 被型号校验明确拒绝）
- **I/Q/M 六条 LOAD/STORE 合并为 LOAD/STORE 两条**（单一值区，语义标签交给 sidecar）——待确认（见 §4）
- 结构体 v1 **只留编码（LOADF + 元数据段）不实现语法**——待确认（见 §4）

### 2.7 调用与内联策略（V1 现状 + V2 方向）

**V1 现状**：POU 调用三种处理方式：

| 对象 | V1 处理 | 原因 |
|---|---|---|
| 用户 FB（FUNCTION_BLOCK） | **调用点内联展开**（字节码随调用点数膨胀） | 12.8 定案：FB 体访问**绝对字段地址**（`LOAD_GLOBAL rd, 基槽+字段序`），不同实例基址不同，共享函数体无法复用；无递归、无动态实例 → 内联安全 |
| FUNCTION（FC） | 独立函数 + `CALL fn_id` 帧栈 | FC 无状态，参数/结果走寄存器约定（r1..r7 / r0），无字段地址冲突；递归在前层被拒（用例 19） |
| 内建 FB（TON/CTU/…） | `CAL_*` 指令（VM 运行时原语 `do_cal`） | 定时器/计数器是 VM 侧状态机，天然共享 |

代价：内联 = 字节码膨胀（FB 每调用一次复制一份体），V1 规模可接受；寄存器码.md 注记「以后可升级为基址寄存器寻址指令」。

**V2 机会**：槽表模型下 FB 体可共享——FB 实例字段经「槽表条目 → 值区地址」定位，若引入**基址寻址指令**（如 `LOAD rd, base_slot, field_off` / `STORE base_slot, field_off, rs`，base 槽取自寄存器或立即数），FB 体编译一次、运行时按实例基址定位字段，**消除内联膨胀**。16 字节长度组（SLOT+off）已为此预留。是否实施 → 待确认（见 §4 项 9）。

## 3. 与 V1 的差异对照

| 项 | V1（现状） | V2（草案） |
|---|---|---|
| 指令长度 | 固定 32bit | **变长 4/8/16B**，长度在 opcode |
| opcode | 0..33 乱序，无位域 | `[len:2\|op:6]` + `[fmt:4\|type:4]` 位域 |
| 寄存器编号 | 8 位（256/帧） | 8 位（256/帧，不变） |
| 变量访问 | 立即数槽号直接寻址 | **槽表引用 → 值区**（两级间接） |
| 槽 | 8B 定宽 | 8B 引用表（{addr:u32}） |
| 值区 | 定宽 8B/变量 | **变宽紧凑**（1/2/8B） |
| 宽度信息 | 无（定宽） | **type 位段**（RISC-V lb/lh/lw 式） |
| 类型 | BOOL/INT/TIME | **14 IEC 标量 + REAL 预留** |
| 结构体 | 不支持 | 元数据段字段表（预留） |
| FB 调用 | 用户 FB **内联展开**（字节码膨胀） | 基址寻址指令共享 FB 体（待确认 §4） |
| 寻址空间 | 槽 65535（512KB） | 槽 2^32、值区 4GB |
| 初值 | 槽内 | 值段（逻辑分段，同文件） |
| 跳转/pc | 条数单位 | **字节单位**（待确认 §4） |
| 型号 | STATOR1 | STATOR2 |

## 4. 待确认问题

| # | 问题 | 选项 | 推荐 |
|---|---|---|---|
| 1 | **跳转偏移单位字节化**：off32（字节，相对下一条）、pc/code_offset/code_len 全字节单位、code 段 16 字节对齐 | 接受 / 保持条数 | 接受（变长指令下按条数算偏移不成立） |
| 2 | **type 位段宽度**：type:4（16 种，14 标量+REAL+预留 1，结构体走元数据）vs type:5（32 种，寄存器位段借位） | type:4 / type:5 | type:4 + 元数据段 |
| 3 | **长度组映射**：00=4B、01=8B、10=16B、11=32B 预留 | 接受 / 2B 粒度 | 接受 4/8/16 |
| 4 | **I/Q/M 合并**：六条 LOAD_I/M/GLOBAL、STORE_Q/M/GLOBAL 合并为 LOAD/STORE 两条 | 合并 / 保留 | 合并 |
| 5 | **结构体 v1 范围**：只留编码（LOADF + 元数据段）不实现语法 | 预留 / 实现 | 预留 |
| 6 | **ST 语言层类型支持**：12 类型名进关键字全量支持 vs 仅类型系统支持 | 全量 / 仅系统 | 全量（声明即可用） |
| 7 | **类型转换规则**：隐式升宽（SINT→INT→DINT→LINT、BYTE→WORD→…）允许、降宽禁止 | 按此 / 全显式 | 隐式升宽 |
| 8 | **字面量**：IEC 进制前缀（2#/8#/16#）是否 v1 支持 | 十进制 only / 进制前缀 | 十进制 only |
| 9 | **FB 共享体**：基址寻址指令（LOAD/STORE rd, base_slot, field_off）消除用户 FB 内联膨胀 | 实施 / 维持内联 | 实施（16B 长度组已预留） |
| 10 | **REAL/LREAL**：浮点类型与 C float/double 对应（4B/8B，IEEE 754）；type 位段随之满编 16 标量（零预留） | type:4 满编 / type:5 留扩展 | 见 §2.4 |

## 5. 影响面清单

| 模块 | 改动 |
|---|---|
| isa | Op.h 重排（位域）、Instr.h 变长 pack/拆、Encode disasm 表驱动、Types 宽度/符号表 + 饱和模板化 |
| compiler | machine.toml V2（type 表 14 条 + fmt/type 位段列）、MachineConfig 互锁校验、Codec 变长、Codegen（槽表+值区布局、初值写值段、E_* 发射器）、Stb 新头/段 |
| vm | Image 新头/段校验、Machine 取指变长 + 两级访问（槽表→值区）+ 按 type 读写 |
| executor | slot_bool 按 BOOL 读 1 字节（小改） |
| tests | isa/vm/machine/codegen/compiler 全部重写；cases 20 个重新生成产物 |
| docs | 指令与映像、指令配置、stb文件格式、寄存器码、指令执行（line1 推演重算）、扫描周期、初步计划、README |

## 6. 实施阶段（每阶段独立可验证 + 提交）

1. **规格冻结**：文档先行——本文件确认全部待确认项后，重写指令与映像.md / 指令配置.md / stb文件格式.md
2. **isa 重构**：变长 Instr + 位域 Op + Encode + isa_test
3. **compiler 侧**：machine.toml V2 + MachineConfig + Codec + Codegen + Stb + 对应测试
4. **vm 侧**：Image + Machine（两级访问）+ vm_test
5. **executor + 全链路**：cases 20 个 + cli 测试 + line1 产物重生成
6. **文档收尾**：指令执行推演、扫描周期、初步计划、README

## 7. 决策历史（讨论纪要）

- 动机源起：用户质疑 opcode 定义草率；探索 format 位前缀编码（方案 A）与 uses_rd 位掩码推导
- 数据模型演进：8B 定宽槽 →（用户提出槽表引用 + 初值分离）→ 槽表/值区两级模型
- 宽度信息：用户选「宽度编码进 opcode」（RISC-V lb/lh/lw 式，对应「槽表条目带类型」被否）
- 初值组织：用户选「整合 .stb 内分段」（ELF 式）
- 寻址规模：用户选「全 32 位」（槽号 u32 + 地址 u32）
- 指令长度：用户定「变长指令，长度编码在 opcode」；此前 128bit 固定长度方案被否
- 寄存器：用户定「编号 8 位（256/帧）维持现状」，容量恒定式 8bit×256=16bit×128=32bit×64=64bit×32
- 类型扩展：用户提出 IEC 整数族（BYTE..ULINT 12 种）+ REAL/LREAL（= C float/double，IEEE 754）
- 调用策略：确认 V1 用户 FB 内联 / FUNCTION 走 CALL / 内建 FB 走 CAL_*；V2 探索基址寻址指令消除内联膨胀
- 类型扩展：用户提出 IEC 整数族 12 种（BYTE..ULINT）