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stgsharp/future/nc_il.md
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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

.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：

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：

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：

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：

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：

END                     ; 编码：0xF0 0x00 0x00 0x00

5. 完整示例

5.1 汇编源码

; 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）

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]

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