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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

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）

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）

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）

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 pv/cv 需单字（INT）与双字（DINT）两种计数——具体编码形式（op 变体 vs 实例类型参数化）随 A10 一并定
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	基本消解：ST 字面量恒在表达式/赋值中，上下文（目标类型或运算类型）恒存在，v1 无"裸字面量"位置；进制字面量按上下文适配，默认 DINT 仅作兜底——反问待答（见 §8）
A10	FB 编码	反问待答：为什么 FB 要 8 个 op（CAL_TON..CAL_F_TRIG）？可收敛为 1 个 CAL + FB 类型 id（立即数，查 machine.toml fb 表）——op 位段省 7 个、新增 FB 不加 opcode（见 §8）

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）。

8. 待讨论（用户反问）

A9：什么情况下会没有上下文？

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。

A10：FB 为什么会有 8 种？

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） 待用户拍板：FB 类型 id 用立即数（推荐）还是保留 8 op。

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/A10 提出反问待讨论：字面量上下文恒存在；FB 8 op 可收敛为 1 CAL + fb 类型 id