# 指令集优化（V2 规格，型号 STATOR2）

> 状态：**规格冻结中**。核心决策已全部定案（§2），本文为 V2 规格草案；
> §4 列出**尚未确定的细节项**，全部闭合后进入实现阶段。
> 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**（1/2/4/8 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 全基础类型（19 种） |
| 5 | 结构体无法支持 | 槽表引用 + LOAD 16B 变体（基槽+偏移，预留） |
| 6 | 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. 已定案设计

### 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 = 操作数形态（fmt）的自然覆盖

```text
字节 0           字节 1          字节 2..n（按长度组）
[len:2 | op:6]  [type:5 | fmt:3] 操作数区
```

| 位段 | 宽度 | 内容 |
|---|---|---|
| len | 2 | 4 / 8 / 16B + 32B 预留 |
| op | 6 | 主操作码（64 空间，实际约 30 个） |
| type | 5 | **32 种：19 IEC 基础类型 + 13 预留** |
| fmt | 3 | 8 种形态：**RR、RRR、IMM、SLOT、JMP、JC、NONE、预留** |

**格式合并（9 → 7 种形态）**：`CALL` 并入 **IMM**（fn_id 即 32 位立即数，rd 未用）、`CAL` 并入 **SLOT**（实例号即槽号，rd 未用）——形态相同，指令身份由 op 位段区分。

| 长度组 | 指令长度 | 覆盖形态 | 操作数区 |
|---|---|---|---|
| `00` | 4 字节 | NONE / RR | rd + rs1（各 1B） |
| `01` | 8 字节 | RRR / IMM / SLOT / JMP / JC | + rs2 + slot32/fn_id32/const_id32/off32 |
| `10` | 16 字节 | **SLOT+off**（字段访问）/ IMM64 | + 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**（全部编码在头 2 字节）：
  - 指令长度 ← `len` 组
  - 操作数形态 ← `fmt`：`uses_rd = fmt∈{RR,RRR,IMM,SLOT,JC}`、`uses_ra = fmt∈{RR,RRR}`、`uses_rb = {RRR}`（CALL/CAL 的 rd 恒 0，按 fmt 检查无害）
  - 数据宽度/符号 ← `type`（查 constexpr 宽度/符号表）
- **字段访问统一为 LOAD/STORE 16B 变体**：`LOAD rd, slot, off32`（基槽 + 偏移，编译期算死）——结构体字段与 FB 共享体字段**同一指令**，无单独 LOADF
- **跳转偏移字节化**：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

### 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 / INT 2B（对齐）   │
│ 槽 0..n_slots-1          │          │ DINT·REAL 4B / TIME 8B   │
└─────────────────────────┘          │ 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 1/2/4/8 字节；字段访问 `LOAD rd, slot, off32` → `addr + off`
- **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**：`type` 位段携带宽度 + 符号，VM 无歧义读写（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：1/2/4/8 字节，编译器布局保证
- 初值**整合在 .stb 内分段**（ELF 式）：槽表段 / 值段 / 元数据段并列，单文件 SHA-256 校验
- 寻址规模：**全 32 位**——槽号 u32（2^32 引用）、值区地址 u32（4GB）

### 2.4 类型系统：IEC 全基础类型（19 种，type:5）

`type` 位段 **type:5（32 种）**：19 个 IEC 基础类型 + 13 预留；结构体/字符串/数组不占位段（组合类型走元数据段）。

| type | 类型 | 宽度 | 符号 | C 对应 | type | 类型 | 宽度 | 符号 | C 对应 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | BOOL | 1B | — | bool | 10 | UINT | 2B | 无 | uint16_t |
| 1 | BYTE | 1B | 无 | uint8_t | 11 | UDINT | 4B | 无 | uint32_t |
| 2 | WORD | 2B | 无 | uint16_t | 12 | ULINT | 8B | 无 | uint64_t |
| 3 | DWORD | 4B | 无 | uint32_t | 13 | TIME | 8B | 有(ms) | int64_t |
| 4 | LWORD | 8B | 无 | uint64_t | 14 | **REAL** | 4B | IEEE754 | **float** |
| 5 | SINT | 1B | 有 | int8_t | 15 | **LREAL** | 8B | IEEE754 | **double** |
| 6 | INT | 2B | 有 | int16_t | 16 | **DATE** | 4B | 无 | uint32_t(天) |
| 7 | DINT | 4B | 有 | int32_t | 17 | **TOD** | 4B | 无 | uint32_t(当日 ms) |
| 8 | LINT | 8B | 有 | int64_t | 18 | **DT** | 8B | 无 | uint64_t |
| 9 | USINT | 1B | 无 | uint8_t | 19..31 | 预留 | | | |

- **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
- **常量表契约（A2 定案）**：条目 = **8 字节原始值（无 tag）**，按位模式去重；
  `LOADK rd, const_id`（8B IMM 形态）**用指令 type 位段**解释（读 width 字节、按符号扩展），
  与 LOAD 语义统一；同一常量可被不同 type 的 LOADK 复用（字面量按上下文适配的落地）。
  V1 的 {tag, value} 契约废弃。IMM64 形态（16B 内嵌 64 位值）**保留编码、v1 不发射**。
- **ST 层**：19 类型名全量进关键字；**进制前缀** `2#`/`8#`/`16#` 支持（浮点无前缀）；浮点十进制字面量（`1.5`、`-2.5e3`）
- **类型转换**：**禁止隐式变量转换**（赋值/比较/算术要求类型严格一致，Typecheck 阶段报错）；**字面量按上下文适配**（`5` 可赋 INT/REAL/DINT 等，编译期解释，非运行时转换）；显式转换函数（`INT_TO_REAL()`）v1 不做

### 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（原 offset_data 改义）
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**
- **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）
- **LOADF 取消**：结构体/FB 字段访问统一用 LOAD/STORE 16B 变体（基槽 + 偏移）
- **FB 共享体实施**：16B 变体即基址寻址指令，FB 体编译一次消除内联膨胀
- 结构体语法 v1 **不实现**，只留编码路径（16B 变体 + 元数据段）
- **FB 编码定案（B1/B2）**：**1 条 CAL**（SLOT 形态，8B：头 2 + fb_id:16 + slot32）+ **fb_id 16 位**（查 machine.toml `[[fb]]` 表）；新增内建 FB 只改配置 + VM 实现，指令格式零变化。V1 的 CAL_TON..CAL_F_TRIG 8 个 opcode 作废
- **领域指令不进指令集（B4 定案）**：运动控制 / 通信等**全部走 FB 库**（ST 层 FB + CALL + 共享体），V2 **不设 EXT 服务指令**——op 位段只承载基础指令

### 2.7 调用与内联策略（V1 现状 + V2 方向）

**V1 现状**：

| 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**，不同实例基址不同，共享体无法复用 |
| FUNCTION（FC） | 独立函数 + `CALL fn_id` 帧栈 | FC 无状态，寄存器约定（r1..r7 / r0），无地址冲突；递归在前层被拒 |
| 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 |

**V2 定案**：16B 变体 `LOAD/STORE rd, slot, off` = 基址寻址——FB 体编译一次，运行时按实例槽定位字段，**消除内联膨胀**。FUNCTION 仍走 CALL 帧栈；内建 FB 仍走 CAL（SLOT 形态，实例号即槽号）。

## 3. 与 V1 的差异对照

| 项 | V1（现状） | V2（定案） |
|---|---|---|
| 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]` + `[type:5\|fmt:3]` 位域 |
| 格式 | 9 种（RR/RRR/IMM/SLOT/JMP/JC/CALL/CAL/NONE） | **7 种形态**（CALL→IMM、CAL→SLOT 合并）+ 1 预留 |
| 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**（1/2/4/8B） |
| 宽度信息 | 无（定宽） | **type 位段**（RISC-V 式） |
| 类型 | BOOL/INT/TIME | **19 IEC 基础类型 + 13 预留** |
| 字段访问 | 无（FB 内联） | **LOAD/STORE rd, slot, off**（结构体/FB 共用） |
| FB 调用 | 用户 FB **内联展开** | **基址寻址共享体**（消除膨胀） |
| 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** |
| 型号 | STATOR1 | STATOR2 |

## 4. 尚未确定项（细节，待逐项闭合）

核心决策已全部定案，以下为进入实现前需闭合的设计细节：

| # | 项 | 状态 |
|---|---|---|
| A1 | 元数据段格式 | 结构体/字符串的表 schema——v1 预留但格式未定（待定） |
| ~~A2~~ | ~~常量内嵌 vs 常量表~~ | **已定案**：常量表（8B LOADK 查表）；LOADK 用 type 位段解释；条目 8B 无 tag；IMM64 预留不发射 |
| A3 | 内建 FB 字段类型化 | **已定案**：字段类型化（TON: in/pt/q/et = BOOL/TIME/BOOL/TIME；R_TRIG: clk/q = BOOL/BOOL）；计数器单/双字（INT/DINT）**编码形式 = CAL 的 type 位段给计数宽度**（B3，说明中待确认） |
| A4 | DATE/TOD/DT 字面量 | **已定案**：v1 **不支持**（类型存在，仅声明/存取/比较，无 `D#/TOD#/DT#` 字面量语法） |
| A5 | 算术语义细化 | **已定案**：饱和模板化到各宽度（SINT/DINT/LINT）；TIME+TIME / TIME-TIME / TIME 比较；浮点 IEEE 常规（溢出→±inf、0 除→±inf、NaN 传播，无特判）；DATE/TOD/DT **不做运算**（仅存取/比较） |
| A6 | sidecar/I/O 绑定 | **已定案**：与现状一致——绑定粒度仍 `slot = 槽号`（指向槽表条目），channel/bit 语义不变 |
| A7 | disasm 文本格式 | **已定案**：**类型后缀**形式：`LOAD.I16 r5, s3`、`STORE.U32 s1, r7`、`ADD.F64 r1, r2, r3` |
| A8 | machine.toml V2 schema | **已定案**：type 表 = **编译器内建基元别名**（bit/int8/int16/int32/int64/uint8/uint16/uint32/uint64/float32/float64）：REAL→base float32（=C float）、LREAL→base float64（=C double），其余按位宽/符号映射；op 表 {name, op(0..63), fmt} + fmt/type 位段互锁校验 |
| ~~A9~~ | ~~字面量类型推断~~ | **已定案**：按上下文适配；默认 DINT 仅作兜底语义（上下文恒存在，正常程序不触发） |
| ~~A10~~ | ~~FB 编码~~ | **已定案（B1/B2）**：1 CAL + fb_id **16 位**（查 [[fb]] 表）；新增 FB 只改配置 + VM 实现 |

另：CALL 的 V2 确认（随 A10）——ret_pc 字节化（随跳转已定）；CALL（IMM 形态）rd 恒 0；帧/寄存器约定不变（r0..r7 复制）。

### 未定 / 待细化（C1..C6）

| # | 项 | 说明 |
|---|---|---|
| C1 | 元数据段格式（原 A1） | 结构体/字符串表 schema——v1 预留但格式未定；建议 v1 定「0 长度占位段，schema 延后」 |
| C2 | 头 128B 布局终稿 | §2.5 字段表（64/68 改义、n_slots/n_values）需与 A8 schema 最终核对 |
| C3 | machine.toml `[[fb]]` 表 schema | fb_id/name/字段类型（含单/双字计数 width 列）细则——随 B3 定 |
| C4 | CALL/CAL 的 rd 字段约定成文 | 已定「恒 0」，待写入规范文档 |
| C5 | line1 推演重算 | 实施阶段（阶段 5）才需要 |
| C6 | CTU/CTD/CTUD 字段表终稿 | pv/cv 定 INT/DINT 后，字段宽度/对齐/偏移终稿（随 B3 定） |

## 8. 待讨论（用户反问）

### A9：什么情况下会没有上下文？（已定案）

ST 中字面量只能出现在表达式/赋值里（`x := 5`、`y + 5`、`IF 16#FF > t THEN`），
目标类型或运算操作数类型恒在，v1 无"裸字面量"位置——**上下文恒存在**。
因此"默认 DINT"只是防御性兜底（编译器内部缺类型时的报错路径），
正常程序不触发。结论：按上下文适配即可，默认 DINT 保留为兜底语义。**已确认（2026-08-24）**。

### A10：FB 为什么会有 8 种？（已定案）

V1 的 CAL_TON..CAL_F_TRIG 是 8 个 opcode（24..31），因为 V1 opcode 充足、无位段压力。
V2 的 op 位段仅 6 位（64 个），FB 占 8 个不划算，且 machine.toml 已有 `[[fb]]` 表
（8 条，含 opcode 字段）——**可收敛为 1 个 CAL（SLOT 形态）+ FB 类型 id（立即数/查 fb 表）**：
- 收益：op 位段省 7 个；新增 FB（如自定义内建）不加 opcode、只加配置
- 代价：VM 按 id 分派（一次查表，可接受）；disasm 需查 fb 表打印名称
- 关联：A3 的单字/双字计数变体编码也随此定（fb 表加 width/type 列即可）
**已定案（B1/B2）**：1 CAL + fb_id 16 位。

后续扩展讨论（B4/B5）：领域指令（运动控制/通信）**不进指令集**——PLCopen 运动控制本
是 FB 库；V2 不设 EXT 服务指令，一切领域功能走 FB 库（CALL + 共享体）。op 位段预算见 B5。

## 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 19 条 + fmt/type 位段互锁）、MachineConfig 校验、Codec 变长、Codegen（槽表+值区布局、初值写值段、E_* 变长发射、字节化回填）、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**：本文 §4 全部闭合后，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 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：IEC 整数族 12 种 + REAL/LREAL（= C float/double）+ DATE/TOD/DT → **19 种，type:5（32 种）**
- 格式合并：用户确认原子类型固定后选位段方案；数位得出 type:5；CALL→IMM、CAL→SLOT 形态合并，fmt 3 位
- 调用策略：V1 用户 FB 内联 / FC CALL / 内建 CAL_*；V2 用 16B 变体（基槽+偏移）实现 FB 共享体
- LOADF 取消：用户指出 LOADF 与 LOAD 无本质区别（仅数据搬运）→ 字段访问统一 LOAD/STORE 16B 变体
- 类型转换：用户定「禁止隐式变换，编译阶段检查」+ 字面量按上下文适配
- 字面量：用户定支持 IEC 进制前缀（2#/8#/16#）
- A2 定案：LOADK 用 type 位段解释常量值（与 LOAD 语义统一）；常量表条目 8B 无 tag；IMM64 预留不发射
- A3..A8 定案（2026-08-24）：计数器单/双字两种；DATE 字面量不支持；TIME/浮点运算按推荐；sidecar 一致；disasm 类型后缀；type 表=基元别名（REAL→float32、LREAL→float64）
- A9 定案：按上下文适配、默认 DINT 兜底（用户确认）
- A10 定案（B1/B2）：1 CAL + fb_id 16 位（查 [[fb]] 表）；V1 的 8 个 CAL_* opcode 作废
- B4 定案：领域指令（运动控制/通信）不进指令集，一律 FB 库；无 EXT 服务指令
- B3/B5 说明中待确认：单/双字计数编码（CAL type 位段）、op 位段预算
- 未定项记录：C1 元数据段 / C2 头终稿 / C3 fb 表 schema / C4 rd 约定成文 / C5 line1 推演 / C6 计数器字段表