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