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Interpreter/Doc/isa/指令与映像.md
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指令与映像（V2 规格，STATOR2）

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 规范，头文件与代码实现本文，不另当规范。 定案依据：阶段1规格总览.md（主参考）、指令编码.md、 指令集清单.md、指令集优化.md。 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， 头 version = 2、型号 STATOR2，老映像被版本/型号校验拒绝。

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。 指令 opcode / 类型 / FB 布局的登记见 指令配置.md（compiler/machine.toml，与代码强校验）。

STCompiler      → compiler        （编码查 machine.toml；自带 .stb 写）
BytecodeExecutor → vm → isa        （isa 只管指令；vm 自带 .stb 读）

CMake 目标：isa（STATIC），无依赖；vm PUBLIC 链 isa。公开头：isa/include/isa/。

1. 做 / 不做

做

  • 操作码（前缀分区）与变长指令布局（4/8/16/32B）
  • 映像头 128B 与段（常量表 / 函数表 / 字节码 / 槽表段 / 值段 / 元数据段）
  • 19 种 IEC 类型 → 10 种 func 的宽度/符号表、饱和与除法边界
  • 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）

不做

  • toml 字段、关键字表、符号表、AST
  • 扫描周期循环、I/O 采样
  • 短路语义（AND/OR 指令只组合已算好的值；短路由 compiler 编成跳转）

指令表可作为内部 IR 的文本形态，不必当主语言。

2. 特性总表（V2）

项 V2 定案
指令宽度 变长 4/8/16/32B，长度与形态由前缀分区表达
前缀 11=RR、10=NONE、011=RRR、010 000..101=IMM/SLOT/JMP/JC/CALL/CAL、0010=SLOT+off / RS+off、0011=IMM64、0001=预留(32B)
头部 字节 0 = [前缀+分区|op]；字节 1 = [func:4|空:4]（空位延后定）
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
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
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）
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
跳转 字节单位，相对下一条（目标 = 当前 + off32）
类型 19 IEC 类型 → 10 种 func 编译期映射；禁隐式变量转换
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
浮点 IEEE 754（溢出/零除 → ±inf、NaN 传播）
变量访问 **槽表（引用）→ 值区（变宽紧凑）**两级间接；全 32 位寻址
字节序 小端
映像 魔数 STSC、version = 2、型号 STATOR2
工程哈希 源文件路径排序后对内容做 FNV-1a 64（非密码学）
完整性 文件尾 SHA-256[32]；型号标识[32]@72
I/O 绑定 不进映像；sidecar（.runtime.toml）绑定 var→槽号→channel/bit，粒度不变
内建 FB 15 条（CAL + fb_id 16 位）；字段布局见 指令集清单.md §8.1

3. 指令编码（详见指令编码.md）

指令 = 字节0 + 字节1 + 操作数区（按形态）

字节 0                    字节 1
[长度前缀+形态分区 | op]  [func:4 | 空:4]

3.1 前缀分区与 op 空间

前缀 长度 形态 op 位宽 op 空间 识别
11 4B RR 6 位 64 前缀直推
10 4B NONE 6 位 64 前缀直推
011 8B RRR 5 位 32 前缀直推
010 000 8B IMM 2 位 4 前缀直推
010 001 8B SLOT 2 位 4 前缀直推
010 010 8B JMP 2 位 4 前缀直推
010 011 8B JC 2 位 4 前缀直推
010 100 8B CALL 2 位 4 前缀直推
010 101 8B CAL 2 位 4 前缀直推
010 110/111 8B 预留 2 位 8 —
0010 16B SLOT+off / RS+off 4 位 16 前缀直推
0011 16B IMM64 4 位 16 前缀直推
0001 32B 预留（N2） 4 位 16 —
  • op 按分区独立编号（0 起）；取指：读字节 0 → 前缀定长 → 搬整条
  • 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/RS+off/IMM64 的 rd；RS+off 另含 rs（基址寄存器）；JMP/CALL/CAL/NONE 无

3.2 func 位段（字节 1 高 4 位）

func 语义 覆盖类型
0 1B 无符号 BOOL、BYTE、USINT
1 1B 有符号 SINT
2 2B 无符号 WORD、UINT
3 2B 有符号 INT
4 4B 无符号 DWORD、UDINT、DATE
5 4B 有符号 DINT
6 8B 无符号 LWORD、ULINT、DT、TOD
7 8B 有符号 LINT、TIME
8 F32 REAL
9 F64 LREAL
10..15 预留
  • 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
  • 字节 1 低 4 位暂空（N1，延后定）

3.3 操作数区位号（bit16 起；pad = 对齐填充，编码固定 0）

形态 操作数区
RR rd=23..16、rs=31..24
NONE pad=31..16
RRR rd=23..16、rs1=31..24、rs2=39..32、pad=63..40
IMM rd=23..16、imm32=55..24、pad=63..56
SLOT rd=23..16、slot32=55..24、pad=63..56
JMP off32=47..16、pad=63..48
JC rd=23..16、off32=55..24、pad=63..56
CALL fn_id32=47..16、pad=63..48（rd 恒 0）
CAL fb_id16=31..16、slot32=63..32（rd 恒 0）
SLOT+off rd=23..16、slot32=55..24、off32=87..56、pad=127..88
RS+off rd=23..16、rs=31..24（基址寄存器）、off32=87..56、pad=127..88
IMM64 rd=23..16、imm64=87..24、pad=127..88

4. 寄存器与调用栈

  • 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）
  • 寄存器值 int64；codegen register overflow (>256) 检查
  • 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）

调用栈（方案 C）

  • 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
  • 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
  • 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
  • 帧结构：帧头 { fn_id:u32, ret_pc:u32, ret_fn_id:u32 }（12B）+ 寄存器区 nregs×8
  • 压帧：栈顶取帧需求，sp += 需求；弹帧：sp -= 需求
  • 溢出双检查：剩余栈 < 帧需求 → StackOverflow（字节主检查）+ 深度 ≤64（双保险）
  • MAIN 帧常驻栈底（跨周期保留），周期结束回退 sp 到 MAIN 帧顶

5. 类型系统

5.1 19 种 IEC 基础类型（编译期概念 → func 映射）

类型 宽度 符号 func 类型 宽度 符号 func
BOOL 1B — 0 LINT 8B 有 7
BYTE 1B 无 0 USINT 1B 无 0
WORD 2B 无 2 UINT 2B 无 2
DWORD 4B 无 4 UDINT 4B 无 4
LWORD 8B 无 6 ULINT 8B 无 6
SINT 1B 有 1 TIME 8B 有(ms) 7
INT 2B 有 3 REAL 4B IEEE754 8
DINT 4B 有 5 LREAL 8B IEEE754 9
DATE 4B 无(天) 4
TOD 4B 无(ms) 4
DT 8B 无 6
  • 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）
  • 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
  • 进制前缀 2#/8#/16# 字面量（浮点无前缀）
  • 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）

5.2 值表示（寄存器 / 槽统一约定）

类型 寄存器（int64 位模式）
BOOL 低 1 字节（0/1）
有符号整数 按 func 宽度符号扩展
无符号/位串 按 func 宽度零扩展
TIME/LREAL/DT 全 64 位
REAL 低 4 字节（float 位模式）

全宽 int64 比较等价于各类型自身比较（编译层保证类型语义）。

6. 指令语义（清单见指令集清单.md）

6.1 数据搬运

  • 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
  • LOAD rd, slot / STORE slot, rs（SLOT，func 全矩阵）：槽表[slot].addr → 值区按 func 读/写宽度
  • LOADK rd, const_id（IMM，func 全矩阵）：常量表条目 8B 原始值，按 func 解释
  • LOAD_OFF rd, slot, off / STORE_OFF slot, off, rs（SLOT+off）：字段访问（绝对实例槽，调用点/输出读用）
  • LOAD_PTR rd, rs, off / STORE_PTR rd, rs, off（RS+off）：基址寻址——rs 寄存器 = 值区地址（实例指针），addr+off 直读值区（FB 共享体函数体内字段访问）

6.2 逻辑与位运算

  • NOT（RR）、AND/OR/XOR（RRR）：按 func 宽度逐位（BOOL 由编译器保证 0/1）

6.3 算术

  • ADD/SUB/MUL/DIV（RRR，func 全矩阵）：整数饱和到 func 宽度 / 浮点 IEEE
  • 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）
  • MOD：符号随被除数（-7 MOD 3 = -1）；除零同 DIV
  • NEG/ABS/INC/DEC（RR）；浮点单目/舍入（RR，func 8/9）；CONV（RR，func = 目标类型）

6.4 比较

  • CMP_EQ..GE（RRR，func 全矩阵）：按 func 有/无符号、浮点 IEEE（NaN 传播）

6.5 控制流

  • JMP off32：pc += off（字节，相对下一条）；JT/JF rd, off：条件跳转
  • CALL fn_id（rd 恒 0）：压帧（复制 r0..r7 全宽）；RET：弹帧 / MAIN 周期结束
  • CAL fb_id, slot（rd 恒 0）：内建 FB 调用，fb_id 查 fb 表
  • 周期指令计数：每条 +1，超 cycle_limit → CycleLimit 故障

6.6 内建 FB（15 条）

fb_id FB fb_id FB
0 TON 7 CTUD
1 TOF 8 DCTUD
2 TP 9 R_TRIG
3 CTU 10 F_TRIG
4 DCTU 11 SR
5 CTD 12 RS
6 DCTD 13 PWM
14 RTC

字段布局（类型化 + 对齐 1/2/4/8 + 偏移）见 指令集清单.md §8.1。 RTC 时钟源 = 虚拟时钟（周期计数 × dt_ms，确定性，不读系统时钟）。

7. 数据模型：槽表 → 值区

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 / DINT·REAL 4B / TIME·LREAL 8B
槽 0..n_slots-1                        结构体 = 连续字段块（v1 预留）
  • 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
  • 两级间接：每次访问多一次内存读（PLC 规模无感）
  • 对齐：1/2/4/8B，编译器布局保证；值段起点 16 对齐
  • 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
  • 寻址：槽号 u32（2^32 引用）、值区地址 u32（4GB）
  • 槽表分配：n_slots = n_globals（全局声明序）+ FB 实例/字段槽数

8. 映像格式

8.1 头（128 字节，16 对齐）

偏移 字段 说明
0 magic STSC（不变）
4 version = 2（V1 = 1）
8 cycle_limit 每周期指令数上限
12 dt_ms 周期时长（毫秒）
16 project_hash FNV-1a 64
24 entry_fn_id 入口函数（MAIN）
28 n_globals 全局槽数
32/36/40 n_i / n_q / n_m 保留恒 0（V1 遗产，兼容/将来语义）
44 n_consts 常量表条目数
48 n_funcs 函数表行数
52/56/60 offset_const / funcs / code 段偏移
64 offset_slots 槽表段偏移
68 offset_values 值段偏移（16 对齐）
72..103 型号标识[32] STATOR2（name+version 补零）
104 n_slots 槽表条目数（= n_globals + 实例/字段槽数）
108 values_size 值段字节数
112 offset_meta 元数据段偏移（v1 = 0 空段）
116 max_stack 栈区字节数（编译期算）
120..127 预留 8 字节

8.2 段序

头(128) → 常量表(8B/条) → 函数表(12B/行) → 字节码(16 对齐) →
槽表段(8B/条) → 值段 → 元数据段(v1 空) → SHA-256[32]

8.3 段细节

  • 常量表行（8B）：原始 64 位值（无 tag），LOADK 按 func 解释，按位模式去重
  • 函数表行（12B）：{ nregs:u32, code_offset:u32(字节), code_len:u32(字节) }
  • 槽表行（8B）：{ addr:u32, 预留:u32 }
  • 值段：全局块 + FB 实例块（1/2/4/8 对齐，编译器布局）
  • 元数据段：v1 0 长度（offset_meta = 0）
  • 文件尾：SHA-256[32]（对去掉尾的内容计算）

8.4 校验（vm 读侧）

  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
  2. SHA-256：完整性（防篡改）
  3. 型号匹配：STATOR2（name + version=2 补零 32 字节逐字节比对）

9. .stb 与 sidecar

  • <name>.stb（映像）+ <name>.runtime.toml（sidecar：[[io.input]]/[[io.output]]，var→slot→channel/bit）
  • 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
  • executor 按 sidecar 采样 I / 写回 Q；dt_ms/cycle_limit 从映像头取

10. 反汇编格式（A7 定案）

按 func 显示类型后缀：

LOAD.I16 r5, s3      STORE.U32 s1, r7     ADD.F64 r1, r2, r3
MOVE r1, r2          LOAD_OFF.I8 r4, s2, 8
JMP +4                JT r0, -1            CALL 1               CAL.TON s5

前缀分区决定打印模板；010 区/16B 区按形态直推。

11. 目录与 CMake

isa/
  CMakeLists.txt
  README.md
  include/isa/
    Types.h                 # 宽度/符号/饱和、除零边界
    Op.h                    # 前缀分区 + 操作码 + 形态
    Instr.h                 # 变长 pack/拆字段（inline）
    Encode.h                # encode / decode / disasm
  src/
    Encode.cpp

add_library(isa STATIC src/Encode.cpp)
target_include_directories(isa PUBLIC ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/include)

vm：target_link_libraries(vm PUBLIC isa)；compiler 不链 isa。

12. 实现约定

  • 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）
  • 操作码有变：先改 machine.toml + 本目录 + 测试，再动两端
  • 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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