# 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
加载（Machine::create）：解析 .stb（vm 自读实现）→ 型号匹配（内建 STATOR1）→ SHA-256 校验
  任一不符 → 直接拒绝（不创建机器）

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<int64_t> 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<Frame>`，**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/TP/CTU/CTD/CTUD/R_TRIG/F_TRIG slot` | 见定时器与边沿推进 |
| `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）

## 定时器与边沿推进（CAL_TON / CAL_TOF / CAL_TP / CAL_CTU / CAL_CTD / CAL_CTUD / CAL_R_TRIG / CAL_F_TRIG）

`CAL_* slot` 的 `slot` 是实例**基槽号**；字段偏移 = 字段序号 × 8（布局冻结：TON/TOF/TP = in/pt/q/et；CTU = cu/r/pv/q/cv；CTD = cd/ld/pv/q/cv；CTUD = cu/cd/r/lu/pv/qu/qd/cv；R_TRIG/F_TRIG = clk/q）。每次执行 = 推进一次，Δt = 映像头 `dt_ms`（不读系统时钟）。边沿检测的"上次输入"存 VM 侧 `edge_prev_`（每实例基槽 2 字节），跨周期保留：

```text
CAL_TON：
  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

CAL_TP（脉冲）：
  in 上升沿启动 PT 时长脉冲（期间 in 变化不影响）
  计时中：et += dt；et ≥ pt → q = 0、et 归零（脉冲结束）；否则 q = 1
  非计时：et = 0；q = 0

CAL_CTU：cu 上升沿 → cv += 1；r → cv = 0；q = (cv ≥ pv) ? 1 : 0
CAL_CTD：cd 上升沿 → cv -= 1；ld → cv = pv；q = (cv ≤ 0) ? 1 : 0
CAL_CTUD：cu 上升沿 → cv += 1；cd 上升沿 → cv -= 1；r → cv = 0；lu → cv = pv；
          qu = (cv ≥ pv) ? 1 : 0；qd = (cv ≤ 0) ? 1 : 0
CAL_R_TRIG：q = clk 且上次 clk 假（上升沿）
CAL_F_TRIG：q = !clk 且上次 clk 真（下降沿）
```

## 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。