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2026-08-18 16:14:28 +08:00

8.6 KiB

Raw Blame History

子集 ST + toml 工程 + 寄存器 VM

独立方案说明。调研全文见 PLC-DSL.md。

定案： IEC 风格的子集 ST，用 .toml 组织多个 .st，编译成单一映像，由寄存器虚拟机按扫描周期执行。

1. 做什么、不做什么

多个 .st 源文件
    ↑ 由 project.toml 列出
    ↓
编译器（词法/语法 → 符号表 → 类型检查 → 寄存器码 → 链接）
    ↓
单一映像（函数字节码 + 全局/FB 数据槽 + 工程哈希）
    ↓
寄存器虚拟机，按扫描周期执行

做

子集 ST（不是完整 IEC）
.toml 管工程，不声明变量
寄存器 VM + 扫描周期
有界 CALL / RET
全局只在指定 GVL 文件里声明

不做

「很像 ST 的 Python」
完整 IEC：指针、OOP、ANY、VAR_IN_OUT、间接寻址
CPython 特化 / JIT / 真 Python 模块系统
第一版不做梯形图编辑器（以后编译到同一套 IR）

指令表可作为内部 IR 的文本形态，不必当主语言。

2. 执行模型

每个扫描周期：
  1. 按 toml 的 io 绑定，采样 → I / 输入全局
  2. 从 PROGRAM MAIN 的 pc=0 执行到 RET
  3. 写回 Q / 输出全局
  4. 用本周期 Δt 推进 TON / TOF / CTU（不用 wall clock）

运行时是 一台 VM、一个入口、一份映像。多文件只影响源码怎么切、怎么链接。

3. 工程文件（toml）

toml 不声明 ST 变量。只做三件事：列出源文件、指定唯一 GVL、（可选）把已声明的全局接到硬件。

[project]
name = "line1"
entry = "program MAIN"
cycle_limit = 100000
dt_ms = 10

[files]
st = ["globals.st", "motor.st", "main.st"]

# 全工程只允许这一处出现 VAR_GLOBAL（第一版：单个文件）
[gvl]
file = "globals.st"

# 可选：I/O 绑定。不创造变量，var 必须已在 GVL 里声明
[[io.input]]
var = "EmergencyStop"
channel = 0
bit = 2

[[io.input]]
var = "I0_0"
channel = 0
bit = 0

[[io.output]]
var = "Q0_0"
channel = 0
bit = 0

规则：

所有源文件编译前已知；无运行时加载。
gvl.file 自动并入编译集合（已在 files.st 里则不重复）。
文件集合排序后算 工程哈希，写入映像，回放时槽位一致。
同名 VAR_GLOBAL 链接失败，禁止覆盖。
[[io.*]] 的 var 未在 GVL 中出现 → 编译错误。
第一版禁止：模块级副作用、实例/函数体循环调用、函数指针、无界递归。

不要在 toml 里用 [[globals]] name/type/init 再声明变量。
名字和类型属于 ST；针脚和通道属于工程。

4. ST 子集（第一版）

保留

类别	内容
POU	`PROGRAM` / `FUNCTION` / `FUNCTION_BLOCK`
变量段	`VAR` / `VAR_INPUT` / `VAR_OUTPUT` / `VAR_GLOBAL` / `VAR_EXTERNAL`
类型	`BOOL`、`INT`、`TIME`（以后再加 `DINT` / 定点数或 `REAL`）
运算	`:=`，`AND` `OR` `NOT`，比较，算术
控制	`IF / ELSIF / ELSE / END_IF`，`WHILE … END_WHILE`
功能块	内置 `TON` / `TOF` / `CTU`；`fb(in := …)`，字段 `fb.Q`

WHILE 不做终止证明，靠 cycle_limit 卡死。
AND / OR 必须短路，编成跳转；两边都算会让定时器、FB 多执行。

第一版不做： 指针、REF、接口、类、VAR_IN_OUT、ANY、间接寻址、用户类型套娃、FUNCTION 改全局。

5. 全局变量

ST 有全局：VAR_GLOBAL 声明，VAR_EXTERNAL 引用。I / Q / M 也是全局映像。
FUNCTION 第一版禁止写全局。

5.1 在哪个文件声明

第一版：只有 globals.st 可以出现 VAR_GLOBAL。
多文件指 PROGRAM / FB / FUNCTION 分文件，不是全局可以散落声明。

种类	放哪	几个文件
`VAR_GLOBAL` / `CONSTANT` / `RETAIN`	`globals.st`	1 个
`I` / `Q` / `M`	同一份 `globals.st`	第一版不拆
FB / PROGRAM 的 `VAR`	各自的 `.st`	多个（局部 / 实例）
`VAR_EXTERNAL`	各 POU 的 `.st`	多个（只引用）

其他文件写 VAR_GLOBAL → 编译错误。

单文件的好处：声明顺序 = 地址顺序，不必再规定多 GVL 的排序和回放。

以后要拆，仍须 toml 显式列出全部 GVL，按类别拆，不按功能块拆：

[gvl]
files = ["io.st", "globals.st"]

io.st        只放 I/Q/M          （以后才拆）
globals.st   只放命名全局
motor.st     只有 FB + VAR_EXTERNAL
main.st      只有 PROGRAM

不要 motor_globals.st、pump_globals.st 各写一套同名点。

5.2 寿命

种类	寿命
`VAR` / `VAR_TEMP`	本次调用或该 POU 内部
FB 的 `VAR`	跟着实例（各一份）
`VAR_GLOBAL`	全工程一份
`I/Q/M`	全局，绑定 I/O 映像

VAR_EXTERNAL 接到已有槽，不是新变量。
第一版按 globals.st 声明顺序定址；以后若 [gvl] files：先 toml 列表，再文件内顺序。

5.3 编译器数据流

project.toml
  files.st     → 要编译的源
  gvl.file     → 唯一允许 VAR_GLOBAL 的文件
  io.*         → 名字 → 硬件（可选，不创造变量）

globals.st
  VAR_GLOBAL / CONSTANT / I/Q/M  → 符号表 + 固定槽位

motor.st / main.st
  VAR_EXTERNAL → 同一槽

6. 多文件导出什么

导出	规则
`FUNCTION`	无内部状态；寄存器帧在有界调用栈上
`FUNCTION_BLOCK`	必须先声明实例
`VAR_GLOBAL`、`I/Q/M`	全工程一份，只在 GVL 里声明
常量	进常量表

CALL 目标都是立即数 fn_id，没有函数指针。

7. 寄存器机与指令

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。
每个 FB 实例一块固定布局，字段偏移编译期算死。

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_xx rd, ra, rb          (* 结果 BOOL *)
JMP  offset
JT/JF r, offset
LOAD_I / STORE_Q / LOAD_M / STORE_M
LOAD_GLOBAL / STORE_GLOBAL
CAL_TON / CAL_TOF / CAL_CTU
CALL fn_id
RET

寄存器机不会比栈机更确定。确定性来自类型、内存、时间和副作用。

8. 确定性与可控

同一程序 + 同一组 I + 同一 Δt → Q、M、FB 状态完全一致。
无 GC、无堆、无线程；变量编译期全部分配。
定宽整数；溢出规则写死（饱和或报错，选一个）。
第一版不要 REAL。
每周期指令上限（如 cycle_limit = 100000），超时是故障。
可单步、可看寄存器和映像、可按录制的 I 回放。

9. 编译器

中等工程，不是算法难题。直通 pass，不上 LLVM：

读 toml、收齐 .st
  → 词法 / 递归下降语法
  → 收集导出符号
  → 解析 VAR_EXTERNAL、链接、定地址
  → 类型检查
  → 按 PROGRAM / FUNCTION / FB 编寄存器码
  → 回填跳转、写映像头与工程哈希

部分	难度
ST 解析	中低
拒多余特性	低
多文件链接	中
类型检查	低～中
寄存器码（短路、IF/WHILE）	中
FB 布局与调用	中
VM	低

第一版不做：图染色分配、SSA、证明 WHILE 有界、异常表、闭包、优化。

一人约 4～8 周 做出 MAIN + 一个 Motor FB + I/O + 全局。

10. 目录

project.toml          # files / gvl.file / 可选 io
globals.st            # 第一版唯一 GVL
motor.st
main.st
compiler/             # lexer parser symbols checker codegen linker
vm/                   # 扫描周期、寄存器、映像、FB
host/                 # 喂 I、收 Q、Δt、回放

11. 最小样例

project.toml 见第 3 节。

(* globals.st *)
VAR_GLOBAL
    EmergencyStop : BOOL := FALSE;
    I0_0 : BOOL;
    I0_1 : BOOL;
    Q0_0 : BOOL;
END_VAR

(* motor.st *)
FUNCTION_BLOCK MotorStarter
VAR_EXTERNAL
    EmergencyStop : BOOL;
END_VAR
VAR_INPUT
    start, stop : BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Q : BOOL;
END_VAR
    Q := start AND NOT stop AND NOT EmergencyStop;
END_FUNCTION_BLOCK

(* main.st *)
PROGRAM MAIN
VAR
    starter : MotorStarter;
END_VAR
    starter(start := I0_0, stop := I0_1);
    Q0_0 := starter.Q;
END_PROGRAM

12. 实现顺序

冻 toml 字段：files / entry / cycle_limit / dt_ms / gvl.file / 可选 io.*
冻关键字表 + 约 20 个样例程序
冻约 20 条指令编码
冻符号表字段：名字、种类、类型、地址、源文件
递归下降解析 → 符号表与链接 → 最后写 VM 循环

8.6 KiB Raw Blame History Unescape Escape