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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

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）

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）

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）