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Youmu Liu
2026-01-26 09:36:22 +08:00
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# 时序控制专用 IL 规范（草案 v0.1）
## 1. 概述
本 IL（Intermediate Language）设计用于 i 线曝光机的实时运动控制与时序协调系统。它是一个**无分支、无跳转、无堆内存**的直线执行字节码，适用于确定性实时控制场景。
### 1.1 设计原则
- **极简性**：无分支/跳转/循环，所有指令直线执行
- **确定性**：固定长度指令（32-bit），WCET 可精确计算
- **时间驱动**：所有动作通过时间戳对齐，而非依赖/分支控制
- **安全性**：静态验证，无动态内存分配
### 1.2 适用场景
- 多坐标系时序协调
- 运动控制序列生成
- IO 触发与数据采集
- 轻量级数学运算（定点/简单序列生成）
---
## 2. Bundle 结构
一个完整的传输单元称为 **Bundle**，包含三部分：
```
+----------------+
| Header | 固定大小（建议 32 字节）
+----------------+
| .data 段 | 可变长度，4B 对齐
+----------------+
| .instruction 段| 可变长度，每条指令 4B
+----------------+
```
### 2.1 Header（32 字节）
| 偏移 | 大小 | 字段名 | 说明 |
|------|------|---------------------|-------------------------------------------|
| 0 | 4 | `magic` | 魔数，建议 `0x58494C31` ("XIL1") |
| 4 | 2 | `proto_ver` | 协议版本，例如 `0x0001` |
| 6 | 2 | `bundle_type` | 包类型（运动/IO/通用） |
| 8 | 8 | `execute_at_tick` | 绝对执行时刻（64-bit tick） |
| 16 | 2 | `data_slot_count` | `.data` 段 slot 数量 |
| 18 | 2 | `instruction_count` | `.instruction` 段指令条数 |
| 20 | 4 | `flags` | 预留标志位 |
| 24 | 4 | `data_crc` | `.data` 段 CRC32 |
| 28 | 4 | `bundle_crc` | 整个 bundle CRC32（不含此字段本身） |
---
## 3. .data 段
### 3.1 Slot 模型
- **最小粒度**：4 字节（32-bit slot）
- **寻址方式**：所有指令通过 `slotIndex`（u8 或 u16）引用
- **对齐规则**：
- 所有对象起始地址必须是 4B 的倍数（slot 对齐）
- 大对象可跨越多个 slot
- 如需更高对齐（8/16B），由 assembler 插入 padding slot
### 3.2 支持的类型
| 类型名 | 大小（slot） | 对齐（slot） | 说明 |
|------------------|--------------|--------------|-----------------------------------|
| `INT32` / `U32` | 1 | 1 | 有符号/无符号 32 位整数 |
| `INT64` / `U64` | 2 | 2 | 64 位整数（占 2 个 slot） |
| `FLOAT32` | 1 | 1 | IEEE 754 单精度浮点（可选支持） |
| `MOTION_PROFILE` | N | 1 | 运动参数结构体（可扩展） |
| `VEC2` | 2 | 1 | 二维向量（2×i32 或 2×f32） |
| `ARRAY[N]` | N | 1 | 定长数组（每个元素 1 slot） |
### 3.3 示例
```asm
.data
MOTION_PROFILE profile {
steps = 10,
direction = 0,
mode = 0
} ; slot 0 ~ slot N-1
INT32 tick 100 ; slot N
INT32 end 0 ; slot N+1
```
---
## 4. Instruction 段
### 4.1 指令格式（固定 32-bit）
```
+-------+-------+-------+-------+
| set | op | a | b |
| byte0 | byte1 | byte2 | byte3 |
+-------+-------+-------+-------+
```
#### 字段说明
- `set`（byte0）：指令集/域（Instruction Set）
- `op`（byte1）：域内操作码（Operation）
- `a`（byte2）：参数 A（8-bit）
- `b`（byte3）：参数 B（8-bit）
#### 参数解释规则
每条指令的 `(a, b)` 解释方式由 `(set, op)` 唯一确定：
- **双参数模式**：`a` 和 `b` 分别作为两个 u8 参数
- **单参数模式**：`imm16 = a | (b << 8)`（小端序）
**禁止同一 opcode 混用两种解释方式。**
---
### 4.2 指令集分类（set 域）
| set 值 | 域名 | 说明 |
|--------|--------|------------------------|
| `0x00` | TIME | 时间控制与同步 |
| `0x10` | MOTION | 运动控制 |
| `0x20` | SYS | 系统参数读写 |
| `0x30` | IO | IO 控制与数据上报 |
| `0xF0` | META | 元指令（END/NOP/FAULT）|
---
### 4.3 指令表（最小集合示例）
#### TIME 域（0x00）
| op | 助记符 | 参数 | 说明 |
|------|--------------|--------------|---------------------------------------|
| 0x00 | `AT_TICK` | `imm16` | 等待直到绝对 tick，`imm16=slotIndex` |
| 0x01 | `WAIT_DT` | `imm16` | 相对等待 dt tick |
**编码示例**：
```asm
AT_TICK tick ; 编码：0x00 0x00 [tick_slot_lo] [tick_slot_hi]
```
---
#### MOTION 域（0x10）
| op | 助记符 | 参数 | 说明 |
|------|----------------|-----------|----------------------------------------|
| 0x00 | `AXIS_MOVE` | `a` | 执行运动，参数 `a=profile_slotIndex` |
| 0x01 | `AXIS_STOP` | `a` | 停止轴，参数 `a=axis_id` |
| 0x02 | `AXIS_START` | `a` | 启动轴队列 |
**编码示例**：
```asm
AXIS_MOVE profile ; 编码：0x10 0x00 [profile_slot] 0x00
```
---
#### SYS 域（0x20）
| op | 助记符 | 参数 | 说明 |
|------|--------------|-----------|----------------------------------------------|
| 0x00 | `READ_SYS` | `a, b` | 读取系统参数，`a=dst_slot`, `b=sys_id` |
| 0x01 | `WRITE_SYS` | `a, b` | 写入系统参数 |
**系统参数 ID（b）**：
- `0x00`：`SYS_TICK`（当前 tick）
- `0x01`：`SYS_STATUS`（设备状态）
- ...（可扩展）
**编码示例**：
```asm
READ_SYS end SYS_TICK ; 编码：0x20 0x00 [end_slot] 0x00
```
---
#### IO 域（0x30）
| op | 助记符 | 参数 | 说明 |
|------|--------------|-----------|-------------------------------------------|
| 0x00 | `IO_SET` | `a, b` | 设置 IO，`a=pin`, `b=value` |
| 0x01 | `REPORT` | `a` | 上报数据，`a=src_slot` |
| 0x02 | `SAMPLE` | `a, b` | 采样，`a=chan`, `b=dst_slot` |
**编码示例**：
```asm
REPORT end ; 编码：0x30 0x01 [end_slot] 0x00
```
---
#### META 域（0xF0）
| op | 助记符 | 参数 | 说明 |
|------|----------|------|------------------|
| 0x00 | `END` | 无 | 指令流结束 |
| 0x01 | `NOP` | 无 | 空操作 |
**编码示例**：
```asm
END ; 编码：0xF0 0x00 0x00 0x00
```
---
## 5. 完整示例
### 5.1 汇编源码
```asm
; 等待到指定 tick，执行一次运动，记录结束时刻并上报
.bundle t=123456 type=MOTION
.data
MOTION_PROFILE profile {
steps = 10,
direction = 0,
mode = OPEN_LOOP
} ; slot 0
INT32 tick 100 ; slot 1
INT32 end 0 ; slot 2
.instruction
AT_TICK tick ; 等待到 tick=100
AXIS_MOVE profile ; 执行运动
READ_SYS end SYS_TICK ; 读取当前 tick 到 end
REPORT end ; 上报 end
END ; 结束
```
---
### 5.2 二进制布局（示意）
#### Header（32 字节）
```
58 49 4C 31 00 01 00 01 00 01 E2 40 00 00 00 00
03 00 05 00 00 00 00 00 XX XX XX XX YY YY YY YY
```
- magic: `XIL1`
- proto_ver: `0x0001`
- bundle_type: `0x0001`（MOTION）
- execute_at_tick: `123456`
- data_slot_count: `3`
- instruction_count: `5`
- CRC 略
#### .data 段（3 slots × 4 bytes = 12 bytes）
```
; slot 0: MOTION_PROFILE（示意，实际结构依实现）
0A 00 00 00 ; steps=10
00 00 00 00 ; direction=0, mode=0
; slot 1: tick=100
64 00 00 00
; slot 2: end=0
00 00 00 00
```
#### .instruction 段（5 条 × 4 bytes = 20 bytes）
```
00 00 01 00 ; AT_TICK slot[1]
10 00 00 00 ; AXIS_MOVE slot[0]
20 00 02 00 ; READ_SYS slot[2], SYS_TICK
30 01 02 00 ; REPORT slot[2]
F0 00 00 00 ; END
```
---
## 6. 校验与安全
### 6.1 静态验证（加载阶段）
- Header CRC 校验
- `data_slot_count` 与实际长度一致性
- `instruction_count` 与实际条数一致性
- 所有 slotIndex 不越界（`< data_slot_count`）
- 所有 `(set, op)` 在白名单内
### 6.2 运行时保护
- 执行时间上限（timeout）
- 状态机约束（例如未 Homed 禁止 MOTION）
- 参数范围校验（速度/加速度/行程边界）
- 看门狗与硬件急停链路
### 6.3 错误处理
- 验证失败：拒绝加载，返回错误码
- 执行超时：触发 FAULT，进入安全态
- 非法 opcode：触发 FAULT
---
## 7. 工具链
### 7.1 Assembler（文本 → 二进制）
- 输入：`.asm` 汇编文本
- 输出：`.bin` bundle 二进制
- 功能：
- 符号表管理（slotIndex 分配）
- CRC 自动计算
- 对齐与 padding 插入
### 7.2 Disassembler（二进制 → 文本）
- 输入：`.bin` bundle 或抓包数据
- 输出：可读汇编文本
- 功能：
- 指令解码
- slotIndex 显示（可选符号名）
- CRC 验证
### 7.3 Debugger / Simulator（可选）
- 离线模拟执行
- 单步调试
- 时间轴可视化
---
## 8. 扩展与版本化
### 8.1 版本控制
- 每个 bundle 携带 `proto_ver`
- 节点启动时上报支持的版本列表
- 主控拒绝不兼容版本的 bundle
### 8.2 向后兼容策略
- 新增 opcode 分配到未使用的 `(set, op)`
- 已有 opcode 语义不变
- 大版本变更时允许不兼容
### 8.3 未来扩展点
- 子过程/宏指令（`CALL_MACRO`）
- 条件执行（predication，非跳转）
- 多轴并行编排（multi-axis bundle）
---
## 9. 附录
### 9.1 字节序
- 所有多字节字段使用**小端序（Little-Endian）**
### 9.2 Tick 分辨率
- 建议：1 tick = 1 µs 或 10 µs
- 由系统配置决定，在文档中明确
### 9.3 MOTION_PROFILE 结构（示例）
```c
struct MotionProfile {
int32_t steps; // 步数
uint8_t direction; // 方向：0=负，1=正
uint8_t mode; // 模式：0=开环，1=闭环
uint16_t reserved; // 预留
int32_t velocity; // 速度（可选）
int32_t acceleration; // 加速度（可选）
};
```
---
## 10. 参考文献与致谢
- VLIW 架构设计原则
- PLC 微编程语言
- 实时系统可验证字节码设计
---
**文档版本**：v0.1
**最后更新**：2026-01-25
**维护者**：[你的团队名称]