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# 指令与映像（V2 规格，STATOR2）
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> 状态：**V2 规格（阶段 1 重写）**。本文件为指令编码、类型、数据模型、映像格式的
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> **规范**，头文件与代码实现本文，不另当规范。
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> 定案依据：[`阶段1规格总览.md`](阶段1规格总览.md)（主参考）、[`指令编码.md`](指令编码.md)、
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> [`指令集清单.md`](指令集清单.md)、[`指令集优化.md`](指令集优化.md)。
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> 与 V1 关系：V1（32bit 指令、8 字节定宽槽、STATOR1）已实现并冻结；本文为**全新 V2**，
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> 头 `version = 2`、型号 `STATOR2`，老映像被版本/型号校验拒绝。
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`compiler` 写 `.stb`、`vm` 读 `.stb`，两边**各自实现**读写；`isa` 归执行器侧只管指令定义。
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指令 opcode / 类型 / FB 布局的登记见 [`指令配置.md`](指令配置.md)（`compiler/machine.toml`，与代码强校验）。
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```text
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STCompiler → compiler （编码查 machine.toml；自带 .stb 写）
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BytecodeExecutor → vm → isa （isa 只管指令；vm 自带 .stb 读）
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```
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CMake 目标：`isa`（`STATIC`），无依赖；`vm` PUBLIC 链 `isa`。公开头：`isa/include/isa/`。
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## 1. 做 / 不做
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**做**
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- 操作码（前缀分区）与**变长指令**布局（4/8/16/32B）
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- 映像头 128B 与段（常量表 / 函数表 / 字节码 / 槽表段 / 值段 / 元数据段）
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- 19 种 IEC 类型 → 10 种 func 的宽度/符号表、饱和与除法边界
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- 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）
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**不做**
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- toml 字段、关键字表、符号表、AST
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- 扫描周期循环、I/O 采样
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- 短路语义（`AND`/`OR` 指令只组合已算好的值；短路由 `compiler` 编成跳转）
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指令表可作为内部 IR 的文本形态，不必当主语言。
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## 2. 特性总表（V2）
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| 项 | V2 定案 |
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|---|---|
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| 指令宽度 | **变长 4/8/16/32B**，长度与形态由**前缀分区**表达 |
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| 前缀 | `11`=RR、`10`=NONE、`011`=RRR、`010 000..101`=IMM/SLOT/JMP/JC/CALL/CAL、`0010`=SLOT+off、`0011`=IMM64、`0001`=预留(32B) |
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| 头部 | 字节 0 = `[前缀+分区\|op]`；字节 1 = `[func:4\|空:4]`（空位延后定） |
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| func | 4 位：0..7 = 宽度×符号（1/2/4/8B×有/无）、8=F32、9=F64；无类型指令 = 0 |
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| 寄存器 | 编号 8 位（**256 = 寻址上限**），值 int64；**每帧按函数头 nregs 动态分配** |
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| 调用约定 | r0 结果、r1..r7 参数（≤7）、r8+ 变量/临时；CALL/RET 复制 r0..r7 全宽（64B） |
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| 调用栈 | 预分配栈区（max_stack 编译期算）、帧头 12B、溢出双检查（字节+深度 64）；**递归 = 编译期报错** |
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| 跳转 | **字节单位**，相对下一条（目标 = 当前 + off32） |
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| 类型 | 19 IEC 类型 → 10 种 func 编译期映射；禁隐式变量转换 |
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| 整数溢出 | **饱和**（各宽度模板）；除零返回被除数；MIN/-1 饱和；截断除法；MOD 符号随被除数 |
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| 浮点 | IEEE 754（溢出/零除 → ±inf、NaN 传播） |
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| 变量访问 | **槽表（引用）→ 值区（变宽紧凑）**两级间接；全 32 位寻址 |
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| 字节序 | 小端 |
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| 映像 | 魔数 `STSC`、**version = 2**、型号 `STATOR2` |
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| 工程哈希 | 源文件路径排序后对内容做 FNV-1a 64（非密码学） |
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| 完整性 | 文件尾 SHA-256[32]；型号标识[32]@72 |
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| I/O 绑定 | **不进映像**；sidecar（`.runtime.toml`）绑定 var→槽号→channel/bit，粒度不变 |
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| 内建 FB | 15 条（CAL + fb_id 16 位）；字段布局见 [`指令集清单.md`](指令集清单.md) §8.1 |
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## 3. 指令编码（详见指令编码.md）
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```text
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指令 = 字节0 + 字节1 + 操作数区（按形态）
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字节 0 字节 1
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[长度前缀+形态分区 | op] [func:4 | 空:4]
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```
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### 3.1 前缀分区与 op 空间
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| 前缀 | 长度 | 形态 | op 位宽 | op 空间 | 识别 |
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|---|---|---|---|---|---|
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| `11` | 4B | RR | 6 位 | 64 | 前缀直推 |
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| `10` | 4B | NONE | 6 位 | 64 | 前缀直推 |
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| `011` | 8B | RRR | 5 位 | 32 | 前缀直推 |
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| `010 000` | 8B | IMM | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 001` | 8B | SLOT | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 010` | 8B | JMP | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 011` | 8B | JC | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 100` | 8B | CALL | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 101` | 8B | CAL | 2 位 | 4 | 前缀直推 |
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| `010 110/111` | 8B | 预留 | 2 位 | 8 | — |
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| `0010` | 16B | SLOT+off | 4 位 | 16 | 前缀直推 |
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| `0011` | 16B | IMM64 | 4 位 | 16 | 前缀直推 |
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| `0001` | 32B | 预留（N2） | 4 位 | 16 | — |
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- op 按分区独立编号（0 起）；取指：读字节 0 → 前缀定长 → 搬整条
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- **uses_rd/uses_ra/uses_rb 全部前缀直推**（零查表）：RRR 三寄存器全真；RR 的 rd/rs；IMM/SLOT/JC/SLOT+off/IMM64 仅 rd；JMP/CALL/CAL/NONE 无
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### 3.2 func 位段（字节 1 高 4 位）
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| func | 语义 | 覆盖类型 |
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|---|---|---|
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| 0 | 1B 无符号 | BOOL、BYTE、USINT |
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| 1 | 1B 有符号 | SINT |
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| 2 | 2B 无符号 | WORD、UINT |
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| 3 | 2B 有符号 | INT |
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| 4 | 4B 无符号 | DWORD、UDINT、DATE |
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| 5 | 4B 有符号 | DINT |
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| 6 | 8B 无符号 | LWORD、ULINT、DT、TOD |
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| 7 | 8B 有符号 | LINT、TIME |
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| 8 | F32 | REAL |
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| 9 | F64 | LREAL |
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| 10..15 | 预留 | |
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- **func 语义随 op**：MOVE=宽度；LOAD/STORE=宽度×符号；ADD..=宽度×符号+浮点；逻辑=宽度；无类型指令=0
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- 字节 1 低 4 位暂空（N1，延后定）
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### 3.3 操作数区位号（bit16 起；pad = 对齐填充，编码固定 0）
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| 形态 | 操作数区 |
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|---|---|
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| RR | rd=23..16、rs=31..24 |
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| NONE | pad=31..16 |
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| RRR | rd=23..16、rs1=31..24、rs2=39..32、pad=63..40 |
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| IMM | rd=23..16、imm32=55..24、pad=63..56 |
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| SLOT | rd=23..16、slot32=55..24、pad=63..56 |
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| JMP | off32=47..16、pad=63..48 |
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| JC | rd=23..16、off32=55..24、pad=63..56 |
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| CALL | fn_id32=47..16、pad=63..48（**rd 恒 0**） |
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| CAL | fb_id16=31..16、slot32=63..32（**rd 恒 0**） |
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| SLOT+off | rd=23..16、slot32=55..24、off32=87..56、pad=127..88 |
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| IMM64 | rd=23..16、imm64=87..24、pad=127..88 |
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## 4. 寄存器与调用栈
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- **寄存器编号 8 位**：256 为寻址上限（不是每帧分配数）；**每帧按函数头 nregs 动态分配**（nregs×8B，百字节级）
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- 寄存器值 int64；codegen `register overflow (>256)` 检查
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- **调用约定**：r0 结果、r1..r7 参数（≤7）、r8+ 变量/临时；CALL/RET 复制 r0..r7 全宽（64B）；函数输入只读（compiler 拒绝写入）
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### 调用栈（方案 C）
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- **递归禁止**：链接层调用图环检测（自调用/循环调用）→ 编译期报错 `link error: recursive call`
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- **max_stack**：MAIN 帧 + DAG 最坏调用路径 Σ(帧需求)，帧需求 = 帧头 12B + nregs×8；写入映像头 @116
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- **预分配栈区**：Machine 构造时一次性分配 max_stack 连续内存，运行期零分配
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- 帧结构：帧头 `{ fn_id:u32, ret_pc:u32, ret_fn_id:u32 }`（12B）+ 寄存器区 nregs×8
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- 压帧：栈顶取帧需求，sp += 需求；弹帧：sp -= 需求
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- **溢出双检查**：剩余栈 < 帧需求 → `StackOverflow`（字节主检查）+ 深度 ≤64（双保险）
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- MAIN 帧常驻栈底（跨周期保留），周期结束回退 sp 到 MAIN 帧顶
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## 5. 类型系统
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### 5.1 19 种 IEC 基础类型（编译期概念 → func 映射）
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| 类型 | 宽度 | 符号 | func | 类型 | 宽度 | 符号 | func |
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|---|---|---|---|---|---|---|---|
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| BOOL | 1B | — | 0 | LINT | 8B | 有 | 7 |
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| BYTE | 1B | 无 | 0 | USINT | 1B | 无 | 0 |
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| WORD | 2B | 无 | 2 | UINT | 2B | 无 | 2 |
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| DWORD | 4B | 无 | 4 | UDINT | 4B | 无 | 4 |
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| LWORD | 8B | 无 | 6 | ULINT | 8B | 无 | 6 |
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| SINT | 1B | 有 | 1 | TIME | 8B | 有(ms) | 7 |
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| INT | 2B | 有 | 3 | REAL | 4B | IEEE754 | 8 |
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| DINT | 4B | 有 | 5 | LREAL | 8B | IEEE754 | 9 |
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| | | | | DATE | 4B | 无(天) | 4 |
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| | | | | TOD | 4B | 无(ms) | 4 |
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| | | | | DT | 8B | 无 | 6 |
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- 编译器类型检查**严格比对**（不匹配编译期报错）；**BOOL 编译器强制 0/1**（越界报错）
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- **禁隐式变量转换**；**字面量按上下文适配**（`5` 可赋 INT/REAL/DINT…，编译期解释），默认 DINT 兜底
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- 进制前缀 `2#`/`8#`/`16#` 字面量（浮点无前缀）
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- **DATE/TOD/DT**：v1 不运算（仅存取/比较）；DT = u64 `{date:32 | tod:32}` 拼接（高 32 位日期）
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### 5.2 值表示（寄存器 / 槽统一约定）
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| 类型 | 寄存器（int64 位模式） |
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|---|---|
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| BOOL | 低 1 字节（0/1） |
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| 有符号整数 | 按 func 宽度符号扩展 |
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| 无符号/位串 | 按 func 宽度零扩展 |
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| TIME/LREAL/DT | 全 64 位 |
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| REAL | 低 4 字节（float 位模式） |
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全宽 int64 比较等价于各类型自身比较（编译层保证类型语义）。
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## 6. 指令语义（清单见指令集清单.md）
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### 6.1 数据搬运
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- `MOVE rd, rs`（RR，func=宽度 0..3）：寄存器间按宽度搬运（高位清 0），不管符号/浮点
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- `LOAD rd, slot` / `STORE slot, rs`（SLOT，func 全矩阵）：槽表[slot].addr → 值区按 func 读/写宽度
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- `LOADK rd, const_id`（IMM，func 全矩阵）：常量表条目 8B 原始值，按 func 解释
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- `LOAD_OFF rd, slot, off` / `STORE_OFF slot, off, rs`（SLOT+off）：字段访问（结构体/FB 共享体统一）
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### 6.2 逻辑与位运算
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- `NOT`（RR）、`AND/OR/XOR`（RRR）：按 func 宽度逐位（BOOL 由编译器保证 0/1）
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### 6.3 算术
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- `ADD/SUB/MUL/DIV`（RRR，func 全矩阵）：整数饱和到 func 宽度 / 浮点 IEEE
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- **整数除法边界（A 定案）**：除零 → 返回被除数；MIN/-1 → 饱和夹界；截断除法（向零）
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- `MOD`：符号随被除数（-7 MOD 3 = -1）；除零同 DIV
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- `NEG/ABS/INC/DEC`（RR）；浮点单目/舍入（RR，func 8/9）；`CONV`（RR，func = 目标类型）
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### 6.4 比较
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- `CMP_EQ..GE`（RRR，func 全矩阵）：按 func 有/无符号、浮点 IEEE（NaN 传播）
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### 6.5 控制流
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- `JMP off32`：pc += off（字节，相对下一条）；`JT/JF rd, off`：条件跳转
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- `CALL fn_id`（rd 恒 0）：压帧（复制 r0..r7 全宽）；`RET`：弹帧 / MAIN 周期结束
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- `CAL fb_id, slot`（rd 恒 0）：内建 FB 调用，fb_id 查 [[fb]] 表
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- 周期指令计数：每条 +1，超 `cycle_limit` → `CycleLimit` 故障
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### 6.6 内建 FB（15 条）
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| fb_id | FB | fb_id | FB |
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|---|---|---|---|
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| 0 | TON | 7 | CTUD |
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| 1 | TOF | 8 | DCTUD |
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| 2 | TP | 9 | R_TRIG |
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| 3 | CTU | 10 | F_TRIG |
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| 4 | DCTU | 11 | SR |
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| 5 | CTD | 12 | RS |
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| 6 | DCTD | 13 | PWM |
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| | | 14 | RTC |
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字段布局（类型化 + 对齐 1/2/4/8 + 偏移）见 [`指令集清单.md`](指令集清单.md) §8.1。
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RTC 时钟源 = **虚拟时钟**（周期计数 × dt_ms，确定性，不读系统时钟）。
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## 7. 数据模型：槽表 → 值区
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```text
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槽表段（静态引用表，8B/条） 值段（初值，紧凑变宽）
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{ addr:u32, 预留:u32 } ──地址──▶ BOOL 1B / INT 2B / DINT·REAL 4B / TIME·LREAL 8B
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槽 0..n_slots-1 结构体 = 连续字段块（v1 预留）
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```
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- **访问**：`LOAD rd, slot` → `addr = 槽表[slot].addr` → 值区按 func 读宽度；字段访问 `LOAD rd, slot, off` → `addr + off`
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- **两级间接**：每次访问多一次内存读（PLC 规模无感）
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- **对齐**：1/2/4/8B，编译器布局保证；值段起点 16 对齐
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- **初值**：编译期写值段（变量初值、FB 实例字段 0）；运行时拷贝工作副本，文件只读
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- **寻址**：槽号 u32（2^32 引用）、值区地址 u32（4GB）
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- 槽表分配：n_slots = n_globals（全局声明序）+ FB 实例/字段槽数
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## 8. 映像格式
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### 8.1 头（128 字节，16 对齐）
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| 偏移 | 字段 | 说明 |
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|---|---|---|
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| 0 | magic | `STSC`（不变） |
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| 4 | version | **= 2**（V1 = 1） |
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| 8 | cycle_limit | 每周期指令数上限 |
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| 12 | dt_ms | 周期时长（毫秒） |
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| 16 | project_hash | FNV-1a 64 |
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| 24 | entry_fn_id | 入口函数（MAIN） |
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| 28 | n_globals | 全局槽数 |
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| 32/36/40 | n_i / n_q / n_m | **保留恒 0**（V1 遗产，兼容/将来语义） |
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| 44 | n_consts | 常量表条目数 |
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| 48 | n_funcs | 函数表行数 |
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| 52/56/60 | offset_const / funcs / code | 段偏移 |
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| 64 | offset_slots | 槽表段偏移 |
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| 68 | offset_values | 值段偏移（16 对齐） |
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| 72..103 | 型号标识[32] | `STATOR2`（name+version 补零） |
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| 104 | n_slots | 槽表条目数（= n_globals + 实例/字段槽数） |
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| 108 | values_size | 值段字节数 |
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| 112 | offset_meta | 元数据段偏移（v1 = 0 空段） |
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| 116 | max_stack | 栈区字节数（编译期算） |
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| 120..127 | 预留 | 8 字节 |
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### 8.2 段序
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```text
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头(128) → 常量表(8B/条) → 函数表(12B/行) → 字节码(16 对齐) →
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槽表段(8B/条) → 值段 → 元数据段(v1 空) → SHA-256[32]
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```
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### 8.3 段细节
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- **常量表行（8B）**：原始 64 位值（无 tag），LOADK 按 func 解释，按位模式去重
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- **函数表行（12B）**：`{ nregs:u32, code_offset:u32(字节), code_len:u32(字节) }`
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- **槽表行（8B）**：`{ addr:u32, 预留:u32 }`
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- **值段**：全局块 + FB 实例块（1/2/4/8 对齐，编译器布局）
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- **元数据段**：v1 0 长度（offset_meta = 0）
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- **文件尾**：SHA-256[32]（对去掉尾的内容计算）
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### 8.4 校验（vm 读侧）
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1. 结构校验：魔数/版本/段偏移单调且在 SHA 前/常量表·函数表尺寸一致/代码段对齐/入口 fn_id 范围
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2. **SHA-256**：完整性（防篡改）
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3. **型号匹配**：`STATOR2`（name + version=2 补零 32 字节逐字节比对）
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## 9. `.stb` 与 sidecar
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- `<name>.stb`（映像）+ `<name>.runtime.toml`（sidecar：`[[io.input]]`/`[[io.output]]`，var→slot→channel/bit）
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- I/O 绑定**不进映像**；绑定粒度 `slot = 槽号`（指向槽表条目），channel/bit 语义不变
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- executor 按 sidecar 采样 I / 写回 Q；`dt_ms`/`cycle_limit` 从映像头取
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## 10. 反汇编格式（A7 定案）
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按 func 显示**类型后缀**：
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```text
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LOAD.I16 r5, s3 STORE.U32 s1, r7 ADD.F64 r1, r2, r3
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MOVE r1, r2 LOAD_OFF.I8 r4, s2, 8
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JMP +4 JT r0, -1 CALL 1 CAL.TON s5
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```
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前缀分区决定打印模板；010 区/16B 区按形态直推。
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## 11. 目录与 CMake
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```text
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isa/
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CMakeLists.txt
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README.md
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include/isa/
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Types.h # 宽度/符号/饱和、除零边界
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||
Op.h # 前缀分区 + 操作码 + 形态
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Instr.h # 变长 pack/拆字段（inline）
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||
Encode.h # encode / decode / disasm
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||
src/
|
||
Encode.cpp
|
||
```
|
||
|
||
```cmake
|
||
add_library(isa STATIC src/Encode.cpp)
|
||
target_include_directories(isa PUBLIC ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/include)
|
||
```
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||
`vm`：`target_link_libraries(vm PUBLIC isa)`；`compiler` 不链 `isa`。
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## 12. 实现约定
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- machine.toml（V2 schema）与代码**强校验**：前缀分区/op/func 互锁（见指令配置.md，阶段 1 重写）
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- 操作码有变：先改 machine.toml + 本目录 + 测试，再动两端
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- 错误类别：`isa` 层无错误前缀（编解码纯函数）；vm/compiler 各自带前缀
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