# 指令与映像 isa 模块规范：指令集 + 映像 + 定宽类型。不是编译器，不把 `.st` 编成映像。 `compiler` 按本文件写出字节，`vm` 只认这些字节。两边不互链。 全工程定案见 [`初步计划.md`](../初步计划.md)。**类型、指令编码、映像布局以本文为准**，不要另写一份互相打架的表。头文件实现本文，不另当规范。 ```text STCompiler → compiler → isa BytecodeExecutor → vm → isa ``` CMake 目标：`isa`（`STATIC`），无依赖。公开头：`isa/include/isa/`。 --- ## 做 / 不做 **做** - 操作码与 32 位指令布局 - 映像头与段（函数字节码、全局 / FB 槽、工程哈希） - `BOOL` / `INT` / `TIME` 宽度与溢出规则 - 编解码、工程哈希、一条指令的文本转储（反汇编，给 STCompiler `--disasm` 与测试打印） **不做** - toml 字段、关键字表、符号表、AST - 扫描周期循环、I/O 采样 - 短路语义（`AND`/`OR` 指令只组合已算好的值；短路由 `compiler` 编成跳转） 指令表可作为内部 IR 的文本形态，不必当主语言。 --- ## 特性 | 项 | 第一版 | |---|---| | `BOOL` | `uint8_t`，只允许 0/1 | | `INT` | `int16_t`（IEC `INT`） | | `TIME` | `int64_t` 毫秒（有符号）；与 `INT` 不混用 | | 整数溢出 | **饱和**（夹到 `INT` 最小/最大） | | 字节序 | 小端 | | 指令宽度 | 32 bit，一种主布局 | | 寄存器 | 下标 0..255；每函数实际个数写在函数头 `nregs` | | 跳转 | 相对 offset，单位是**指令条数**，不是字节 | | `CALL` | 立即数 `fn_id`（u16），无函数指针 | ### 调用约定（冻结，compiler 12.8 与 VM 12.9 共同遵守） - 结果寄存器 **r0**；参数寄存器 **r1..r7**（最多 7 个输入，按声明序） - 变量与表达式临时**全部从 r8 起**（调用约定区 r0..r7 不受用户数据占用） - `CALL`：VM 复制当前帧 r0..r7 到新帧 r0..r7 - `RET`：VM 复制当前帧 r0..r7 回调用方帧 r0..r7（r0 = 结果；r1..r7 原样返回） - 函数输入在函数体内只读（compiler 拒绝写入） | 映像魔数 | `STSC`，版本 `1` | | 工程哈希 | 源文件路径排序后对内容做 FNV-1a 64（非密码学） | | I/O 绑定 | **不进映像**；编译期把 `var` 收成槽号，channel/bit 由 STCompiler 写进 sidecar（`.runtime.toml`），BytecodeExecutor 读 sidecar 采样 | | 不做 | `REAL`、隐式宽化 | --- ## 类型 C++20 定宽： - `BOOL`：`uint8_t`，0/1 - `INT`：`int16_t`；加减乘除溢出饱和 - `TIME`：`int64_t` 毫秒，有符号 `compiler` 与 `vm` 都按同一规则，不再另选溢出策略。 `TIME` 选 `int64_t` 的理由（冻结，不再反复问）： - 有符号：`TOF` 剩余时间、两个时间点相减会出负值，免去无符号边界处理 - 64 位：为将来 `DATE_AND_TIME`（毫秒时间戳）与 `TON` / `TOF` / `TP` 的 64 位定时器预留；毫秒量程约 2.9 亿年，扫描周期场景永不溢出 - 代价：槽位 8 字节对齐。**槽位规则**（12.9 方案 a）：每槽 8 字节定宽，`BOOL` 用低 1 字节、`INT` 用低 2 字节（小端）、`TIME` 全 8 字节；槽号 × 8 = 数据偏移，无 padding。 --- ## 指令 定宽 32 bit： ```text [ op:8 | rd:8 | a:8 | b:8 ] ``` - 三寄存器：`a`/`b` 为 `ra`/`rb`（`MOVE`/`NOT` 只用 `rd`+`a`） - `LOADK`：`a|b` 为 `const_id`（u16） - `JMP` / `JT` / `JF`：`a|b` 为有符号相对 offset（指令条数），**相对下一条指令**：目标下标 = 当前下标 + 1 + off - `CALL`：`a|b` 为 `fn_id`（u16） 操作码一次列全（`CMP_xx` 冻下面六种）： ```text MOVE rd, rs LOADK rd, const_id NOT rd, rs AND/OR rd, ra, rb (* 已算好的值；短路用跳转 *) ADD/SUB/MUL/DIV rd, ra, rb CMP_EQ/NE/LT/LE/GT/GE rd, ra, rb JMP offset JT/JF r, offset LOAD_I / STORE_Q / LOAD_M / STORE_M LOAD_GLOBAL / STORE_GLOBAL CAL_TON / CAL_TOF / CAL_TP / CAL_CTU / CAL_CTD / CAL_CTUD / CAL_R_TRIG / CAL_F_TRIG CALL fn_id RET ``` > 12.11 修订：内置功能块扩为 8 个（TON/TOF/TP/CTU/CTD/CTUD/R_TRIG/F_TRIG）， > `CAL_*` 操作码**连续占 24..31**（原 CALL=27、RET=28 后移为 32、33）。 > 操作码数值即编码，本表为准。 局部 / `VAR` = 固定寄存器；表达式临时值往后编号；`nregs` 写进函数头。 `I`/`Q`/`M` 走映像指令，不是通用寄存器。 FB 实例固定布局，字段偏移编译期算死。 ### 反汇编格式（disasm） `disasm` 输出一条指令的一行文本，格式冻结： | 形态 | 格式 | 示例 | |---|---|---| | 二寄存器 | `MOVE rd, rs` / `NOT rd, rs` | `MOVE r1, r2` | | 三寄存器 | `OP rd, ra, rb`（逻辑 / 算术 / 比较） | `ADD r1, r2, r3` | | 常量 | `LOADK rd, imm` | `LOADK r0, 3` | | 无条件跳转 | `JMP off` | `JMP +4` | | 条件跳转 | `JT rd, off` / `JF rd, off` | `JT r0, -1` | | I/Q/M/全局 | `LOAD_I rd, slot` 等；STORE 同形 `STORE_Q rs, slot` | `LOAD_I r0, 2` | | FB 内置 | `CAL_TON instance` 等 | `CAL_TON 0` | | 调用 | `CALL fn_id` | `CALL 1` | | 返回 | `RET` | `RET` | | 未知操作码 | `??? 0x` | — | 跳转偏移带符号、恒显正负号（`%+d`）；寄存器一律 `r`；常量/槽号/`fn_id` 无符号十进制。 --- ## 映像 魔数 `STSC`，版本 `1`。全部整数小端。文件 = 头 + 五个段 + **文件尾校验**，段序：常量表 → 函数表 → 字节码 → FB 布局 → 数据。偏移记在头里，段必须连续、偏移单调不减，末段终点不超过文件长度（文件尾在数据段之后）。 > 12.13 修订：头新增 **型号标识[32]**（原头 72 字节 → 104 字节，段偏移基准同步后移）； > 文件尾新增 **SHA-256[32]**（对文件尾之前全部内容计算，compiler 写侧 / vm 读侧各自实现）。 > 执行器读取时：型号标识与自身支持型号不匹配 → 报错；SHA-256 不匹配 → 报错（损坏/篡改）。 ### 头（104 字节） | 偏移 | 宽 | 字段 | |---|---|---| | 0 | 4 | 魔数 `STSC` | | 4 | 4 | 版本 `1` | | 8 | 4 | `cycle_limit` | | 12 | 4 | `dt_ms` | | 16 | 8 | 工程哈希（FNV-1a 64） | | 24 | 4 | 入口 `entry_fn_id` | | 28 | 4 | 全局槽数 `n_globals` | | 32 | 4 | I 槽数 `n_i` | | 36 | 4 | Q 槽数 `n_q` | | 40 | 4 | M 槽数 `n_m` | | 44 | 4 | 常量数 `n_consts` | | 48 | 4 | 函数数 `n_funcs` | | 52 | 4 | `offset_const` | | 56 | 4 | `offset_funcs` | | 60 | 4 | `offset_code` | | 64 | 4 | `offset_fb` | | 68 | 4 | `offset_data` | | 72 | 32 | **型号标识**（定长 ASCII，含版本，如 `"STATOR" + "1"` 拼 32 字节补 `'\0'`） | ### 文件尾（SHA-256） 数据段之后追加 **32 字节 SHA-256**：对文件尾之前全部内容计算。执行器必须校验通过才运行；compiler 写入。 ### 常量表一行（12 字节） `[tag:u32][value:u64]`；`tag`：0=BOOL、1=INT、2=TIME。`value` 按 tag 解释，未用高位为 0。 ### 函数表一行（12 字节） `[nregs:u32][code_offset:u32][code_len:u32]`；行下标即 `fn_id`，`code_offset` 相对字节码段起点，`code_len` 为指令条数。 ### 字节码段 指令按 `u32` 连续排；`CALL` 的 `fn_id` 是函数表行下标。 ### FB 布局段 第一版为空；每类型一行 `[field_count:u32][field_count × (tag:u32, offset:u32)]`，offset 相对实例基址，12.8 落地 codegen 时冻精确表。 ### 数据段 槽初值按序排：全局（`n_globals`，v1 不拆 I/Q/M）→ FB 实例块（每字段一槽）。**每槽 8 字节定宽**（12.9 方案 a）：`BOOL` 用低 1 字节、`INT` 用低 2 字节（小端）、`TIME` 全 8 字节。指令 `slot` 操作数即**槽号**，数据偏移 = 槽号 × 8；符号表 `address` 与指令 slot 一致，无映射。 工程哈希：收录源文件路径排序后对内容做 **FNV-1a 64**，只保证回放槽位一致，不是密码学哈希。FNV-1a 64：basis `0xcbf29ce484222325`，prime `0x100000001b3`。 `[[io.input]]` / `[[io.output]]` 不进映像。 --- ## 映像文件（`.stb`）与 sidecar 编译产物是单文件 `.stb`：映像头 + 各段按本文布局连续排，魔数 `STSC`、版本 `1`、小端。`STCompiler` 写，`BytecodeExecutor` 读。 - `dt_ms` / `cycle_limit` 在映像头，执行器只认映像，不重复配置。 - I/O 绑定不进映像：`STCompiler` 另写 sidecar `.runtime.toml`，`BytecodeExecutor` 读 sidecar 做采样与写回，不创造变量。 sidecar 格式（TOML 子集，冻结）： ```toml [[io.input]] # 或 [[io.output]] var = "I0_0" # 已在 GVL 声明的名字 slot = 1 # 全局槽号（编译期已解析） channel = 0 bit = 0 ``` 每行一个绑定；`var` 顺序不要求与映像槽序一致（`slot` 为准）。 --- ## 目录与 CMake ```text isa/ CMakeLists.txt README.md # 代码目录入口，指向本文 include/isa/ Types.h # 宽度、饱和、槽值表示 Op.h # 操作码枚举 + 助记符 Instr.h # 32-bit 打包/拆字段（inline） Image.h # 头、段、函数表/常量表/FB 布局 Encode.h # 编解码、哈希、反汇编一行 src/ Encode.cpp Image.cpp ``` ```cmake add_library(isa STATIC src/Encode.cpp src/Image.cpp) target_include_directories(isa PUBLIC ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/include) ``` `compiler` / `vm`：`target_link_libraries(... PUBLIC isa)`。 --- ## 实现顺序（对齐初步计划 12.0～12.1） 1. `Types.h`：三类型 + `sat_add` 等饱和函数（inline 即可） 2. `Op.h` + `Instr.h`：枚举与 32-bit 编解码 3. `Encode.cpp`：`encode` / `decode` / `disasm` 一条指令 4. `Image.h` + `Image.cpp`：头布局、FNV-1a、读写缓冲（先能写空映像 + 一条 `RET`） 5. 测试随后在 `tests/` 加编解码往返；本阶段以头文件和库能链为准 不在本模块做：VM `switch`、toml、关键字、符号表。