# 指令编码（V2：RISC-V 式 op + func）

> 状态：**定案存档**。本文独立存储 RISC-V 式指令编码设计（opcode 定功能、func 定细节），
> 与 [`指令集优化.md`](指令集优化.md)（格式/数据模型/待确认）配套。
> 定案日期：2026-08-24。

## 1. 设计原则（RISC-V 式）

```text
RISC-V:  opcode 决定指令的"功能族"（LOAD/STORE/OP/BRANCH…）
         funct3/funct7 决定"功能细节"（宽度/符号/变体）
         lb 与 lbu 同一 opcode，funct3 区分符号

本方案:  op 决定指令的"功能"（MOVE/LOAD/ADD…）
         func 决定"功能的细节"（宽度/符号/浮点/变体）
         func 的语义由 op 决定（随 op 变，不是全局统一表）
```

- **opcode 只决定指令的功能**；func 决定功能的细节
- **func 语义随 op 变**：MOVE 的 func = 宽度；LOAD 的 func = 宽度×符号；ADD 的 func = 宽度×符号+浮点

## 2. 指令字结构（头两字节 + 操作数区）

```text
指令 = 字节0 + 字节1 + 操作数区（rd/rs/slot/off…，按 fmt 与长度组）

字节 0                 字节 1
[前缀 | op]            [func:4 | fmt:4]
  ↑                      ↑          ↑
  长度+主操作码           功能细节    操作数形态
```

### 2.1 字节 0：长度前缀 + 主操作码（前缀编码，UTF-8/RISC-V 式）

| 前缀（从最高位开始比对） | 指令长度 | op 位宽 | op 空间 |
|---|---|---|---|
| `1` | 4 字节 | 7 位 | 128 |
| `01` | 8 字节 | 6 位 | 64 |
| `001` | 16 字节 | 5 位 | 32 |
| `0001` | 32 字节（预留） | 4 位 | 16 |

- **长度自描述**：前缀本身即长度，未来 64B 可续 `00001`（无限延伸）
- **op 按组分治**：各长度组的 opcode 独立编号（4B 的 MOVE=0 与 8B 的 LOAD=0 不冲突，前缀已区分）
- 取指：读字节 0 → 前缀判定长度 → 搬整条

### 2.2 字节 1：func + fmt（各 4 位）

```text
[func:4 | fmt:4]
  高 4 位 = func   功能细节（宽度/符号/浮点）
  低 4 位 = fmt    操作数形态
```

## 3. func 位段（4 位，16 种）

| func | 语义 | 覆盖类型（编译期映射） |
|---|---|---|
| 0 | 1 字节、无符号 | BOOL、BYTE、USINT |
| 1 | 1 字节、有符号 | SINT |
| 2 | 2 字节、无符号 | WORD、UINT |
| 3 | 2 字节、有符号 | INT |
| 4 | 4 字节、无符号 | DWORD、UDINT、DATE |
| 5 | 4 字节、有符号 | DINT |
| 6 | 8 字节、无符号 | LWORD、ULINT、DT、TOD |
| 7 | 8 字节、有符号 | LINT、TIME |
| 8 | F32 | REAL |
| 9 | F64 | LREAL |
| 10..15 | 预留 | |

- **func 语义随 op**：
  - MOVE：只表达**宽度**（1/2/4/8B 搬运），不管符号/浮点
  - LOAD/STORE：宽度×符号（读几字节 + 符号/零扩展）
  - ADD/SUB/MUL/DIV：宽度×符号（整数饱和）+ F32/F64（浮点 IEEE）
  - 逻辑（AND/OR/NOT/位运算）：宽度（BOOL 情况由编译器保证 0/1 输入）
  - 跳转/调用/CAL/无类型指令：func 不使用（保留 0）
- **VM 只认 func**（10 种数据语义），无类型概念；类型语义全在编译层

## 4. fmt 位段（4 位，9 种格式 + 7 预留）

| fmt | 形态 | 说明 |
|---|---|---|
| 0 | RR | rd, rs（MOVE/NOT/浮点单目） |
| 1 | RRR | rd, ra, rb（算术/比较/位运算） |
| 2 | IMM | rd, 32 位立即数（LOADK/CALL） |
| 3 | SLOT | rd, slot32（LOAD/STORE/CAL） |
| 4 | JMP | off32 |
| 5 | JC | rd, off（JT/JF） |
| 6 | CALL | fn_id（独立格式，未合并） |
| 7 | CAL | fb_id, slot（独立格式，未合并） |
| 8 | NONE | 无操作数（RET/NOP） |
| 9..15 | 预留 | |

- **格式不合并**：fmt 4 位足够，CALL/CAL 保持独立格式（U1 闭合为"不合并"）

## 5. 长度组 × 格式族（操作数区）

| 长度组 | 格式族 | 操作数区 |
|---|---|---|
| 4B | NONE / RR | rd + rs1（各 1B） |
| 8B | RRR / IMM / SLOT / JMP / JC / CALL / CAL | + rs2 + slot32/fn_id32/const_id32/off32 |
| 16B | SLOT+off（字段访问）/ IMM64 | + slot32 + off32/imm64 |
| 32B | 预留（JTBL/复杂字符串） | — |

## 6. 类型系统（编译期）→ func 映射

- **编译期**：19 种 IEC 基础类型（BOOL/BYTE/WORD/DWORD/LWORD/SINT/INT/DINT/LINT/USINT/UINT/UDINT/ULINT/TIME/REAL/LREAL/DATE/TOD/DT），类型检查**严格比对**——类型不匹配编译期报错，不进 VM
- **BOOL 约束**：编译器限制 BOOL 只能填 0/1（TRUE/FALSE），其他值编译期报错；VM 无 BOOL 特例
- **运行时**：VM 只认 func 的 10 种"宽度+符号+浮点"组合，机械执行
- 位串（BYTE/WORD/…）与无符号整数同 func——运算语义由 **op** 区分（SHL 是位运算指令、ADD 是算术指令）
- TIME 用 8B 有符号 func（毫秒语义在编译层）
- 常量表：条目 8B 原始值（无 tag），LOADK 按 func 解释（A2 定案不变）

## 7. 与 RISC-V 的对照

| | RISC-V | 本方案 |
|---|---|---|
| 主功能 | opcode[6:0] | 前缀 + op（按长度组分治） |
| 细节 | funct3（3 位）/ funct7 | func（4 位，10 组合） |
| 形态 | rd/rs1/rs2/imm 固定位置 | fmt（4 位，9 形态） |
| 宽度×符号 | lb/lbu/lh/lhu/lw/lwu/ld | func 0..9 全矩阵 |
| 指令长 | 定长 32 位（+RVC 压缩 16 位） | 变长 4/8/16/32B（前缀编码） |

## 8. 决策历史

- 用户提出 RISC-V 式：opcode 只决定功能，func 决定细节（例：MOVE 按 func 分搬运宽度）
- func 4 位（16 种）够用；10 组合实际使用
- MOVE 只搬宽度不管符号/浮点（例为示意，宽度按 func 全矩阵 1/2/4/8B）
- 19 类型 → 10 func 由编译器映射；类型检查严格，不匹配编译期报错
- BOOL 编译器强制 0/1，越界报错
- 字节 1 = [func:4 | fmt:4] → fmt 4 位 → **格式合并作废**（CALL/CAL 独立格式）