这是一份 AutoByteCode (ABC) 指令集架构 (ISA) 详细设计文档 v1.0。
这份文档是连接 AIE (编译器后端) 和 AutoVM (AutoVM/MicroVM) 的契约。它的设计原则是：紧凑 (Compact)、XIP 友好 (XIP-Friendly)、易于生成 (Easy to Codegen)。
AutoByteCode (ABC) Instruction Set Architecture
Version: 1.0 (MVP) Word Size: 32-bit Endianness: Little Endian Alignment: Byte-aligned instructions, 4-byte aligned data preferred.
1. 数据模型 (Data Model)
1.1 基本单位 (Value)
AutoVM 是 32 位虚拟机。栈上的每个槽位 (Slot) 均为 32 位宽。
- I32: 32位有符号整数 (Two's complement)。
- F32: 32位 IEEE 754 浮点数。
- PTR: 32位指针 (指向 RAM 或 Flash)。
- BOOL: 0 表示 false，非 0 表示 true (通常为 1)。
1.2 指令编码格式 (Instruction Encoding)
采用 变长编码，以节省 Flash 空间。
[OpCode (1 Byte)] [Operand A (Var)] [Operand B (Var)] ...
- OpCode: 1 字节 (0x00 - 0xFF)。
- Operand: 紧跟 OpCode，长度取决于具体指令（如
u8,i16,i32）。 - Immediate Data: 所有的多字节操作数均为 小端序 (Little Endian)。
2. 指令集参考 (Instruction Reference)
符号说明
TOS: 栈顶元素 (Top Of Stack)。TOS-1: 次栈顶元素。[args]: 指令后的立即数参数。Stack:(Before) -> (After)栈的变化。
2.1 栈操作 (Stack Manipulation)
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x00 | NOP | - | () -> () | 空操作，用于对齐或占位。 |
| 0x01 | POP | - | (a) -> () | 弹出并丢弃栈顶元素。 |
| 0x02 | POP_N | u8 n | (v1..vn) -> () | 弹出 N 个元素 (用于退出 Block 时的栈清理)。 |
| 0x03 | DUP | - | (a) -> (a, a) | 复制栈顶元素。 |
| 0x04 | SWAP | - | (a, b) -> (b, a) | 交换栈顶两个元素。 |
2.2 常量加载 (Constants)
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x10 | CONST_I32 | i32 val | () -> (val) | 加载 4 字节整数压栈。 |
| 0x11 | CONST_U8 | u8 val | () -> (val) | 加载 1 字节整数 (扩展为 i32) 压栈。节省空间的优化指令。 |
| 0x12 | CONST_0 | - | () -> (0) | 压入 0。极高频指令优化。 |
| 0x13 | CONST_1 | - | () -> (1) | 压入 1。 |
| 0x14 | CONST_F32 | f32 val | () -> (val) | 加载 4 字节浮点数压栈。 |
| 0x1F | LOAD_STR | u32 addr | () -> (ptr) | 加载字符串常量（位于 Flash）的地址。 |
2.3 局部变量存取 (Local Variables)
AutoVM 基于 Base Pointer (BP) 访问局部变量。 Address = BP + Index。
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x20 | LOAD_LOCAL | u8 idx | () -> (val) | 读取局部变量 stack[BP + idx]。 |
| 0x21 | STORE_LOCAL | u8 idx | (val) -> () | 写入局部变量 stack[BP + idx] = val。 |
| 0x22 | LOAD_LOC_0 | - | () -> (val) | 读取第 0 号变量 (优化)。 |
| 0x23 | LOAD_LOC_1 | - | () -> (val) | 读取第 1 号变量 (优化)。 |
| 0x24 | LOAD_LOC_2 | - | () -> (val) | 读取第 2 号变量 (优化)。 |
| 0x25 | STORE_LOC_0 | - | (val) -> () | 写入第 0 号变量 (优化)。 |
| 0x26 | STORE_LOC_1 | - | (val) -> () | 写入第 1 号变量 (优化)。 |
2.4 算术与逻辑 (Arithmetic & Logic)
所有运算默认针对 i32。浮点运算有 F 前缀。
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x30 | ADD | - | (a, b) -> (a+b) | 整数加法。 |
| 0x31 | SUB | - | (a, b) -> (a-b) | 整数减法 (TOS-1 减 TOS)。 |
| 0x32 | MUL | - | (a, b) -> (a*b) | 整数乘法。 |
| 0x33 | DIV | - | (a, b) -> (a/b) | 整数除法 (需处理除零)。 |
| 0x34 | MOD | - | (a, b) -> (a%b) | 取模。 |
| 0x35 | NEG | - | (a) -> (-a) | 取反。 |
| 0x40 | AND | - | (a, b) -> (a&b) | 按位与 / 逻辑与 (非0为真)。 |
| 0x41 | OR | - | `(a, b) -> (a | b)` |
| 0x42 | XOR | - | (a, b) -> (a^b) | 按位异或。 |
| 0x43 | NOT | - | (a) -> (!a) | 逻辑非 (0->1, 非0->0)。 |
| 0x44 | SHL | - | (a, b) -> (a<<b) | 左移。 |
| 0x45 | SHR | - | (a, b) -> (a>>b) | 算术右移。 |
2.5 比较运算 (Comparison)
结果压入 1 (True) 或 0 (False)。
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x50 | EQ | - | (a, b) -> (bool) | a == b |
| 0x51 | NE | - | (a, b) -> (bool) | a != b |
| 0x52 | LT | - | (a, b) -> (bool) | a < b |
| 0x53 | GT | - | (a, b) -> (bool) | a > b |
| 0x54 | LE | - | (a, b) -> (bool) | a <= b |
| 0x55 | GE | - | (a, b) -> (bool) | a >= b |
2.6 控制流 (Control Flow)
所有跳转使用 16位有符号相对偏移 (Signed 16-bit Relative Offset)。 范围：当前 IP -32768 到 +32767 字节。
- Offset = Target Address - (Current IP + 3)。
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x60 | JMP | i16 off | () -> () | 无条件跳转 IP += off。 |
| 0x61 | JMP_IF_Z | i16 off | (cond) -> () | 如果栈顶为 0 (False) 则跳转，并弹出栈顶。 |
| 0x62 | JMP_IF_NZ | i16 off | (cond) -> () | 如果栈顶非 0 (True) 则跳转，并弹出栈顶。 |
| 0x63 | JMP_L | i32 off | () -> () | 长跳转 (32位偏移)，用于超大函数。 |
2.7 函数调用 (Function Call)
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0x70 | CALL | u32 fid | (args..) -> (ret) | 静态调用。fid 是函数 ID。VM 自动压入 IP/BP 并更新 BP。 |
| 0x71 | RET | u8 n_args | (ret) -> (ret) | 从函数返回。n_args 表示调用者压入了多少参数，RET 负责清理这些参数，只保留返回值。 |
| 0x72 | CALL_NAT | u16 nid | (args..) -> (ret) | 调用 Native (C) 函数。nid 是 Native Table 索引。 |
2.8 调试与杂项 (Debug & Misc)
| Hex | Mnemonic | Operands | Stack Effect | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0xF0 | - | (val) -> () | 打印栈顶整数 (Debug用)。 | |
| 0xFF | HALT | - | () -> () | 停止虚拟机执行。 |
3. Auto Binary Format (ABF) 文件结构
为了支持 AIE 增量编译，Micro-Object (Frag) 的二进制格式需要包含元数据。
3.1 头部 (Frag Header)
c
struct FragHeader {
u32 magic; // "AUTO"
u32 version; // 0x00010000
u32 code_size; // 字节码长度
u32 const_size; // 常量池长度
u32 reloc_count; // 重定位表项数量
};3.2 字节码段 (Code Section)
纯粹的 OpCode 序列。
3.3 重定位表 (Relocation Table)
用于 AutoLive 链接。告诉 Loader 哪些指令的操作数需要被修正。
c
struct RelocEntry {
u32 offset; // 在 Code 段中的偏移量 (例如某条 CALL 指令的参数位置)
u32 target_id; // 目标符号的全局 ID (Sid)
u8 type; // RELOC_FUNC_CALL, RELOC_GLOBAL_VAR 等
};4. 关键设计决策说明
- **关于
RET n_args**:
- 为了简化调用者的工作，我们采用 Callee Cleanup (被调用者清理堆栈) 的约定。
- 函数知道自己定义了多少个参数，所以
RET指令直接把 SP 回退n_args个位置，只保留返回值在栈顶。
- 关于局部变量索引:
LOAD_LOCAL u8只支持 256 个局部变量。对于嵌入式函数，这绰绰有余。如果将来不够，可以增加LOAD_LOCAL_W (u16)。
- 关于
JMP偏移:
- 使用相对偏移使得代码是 位置无关 (PIC) 的。这意味着这块字节码可以被加载到 RAM 的任意位置执行，完全符合 AutoLive 的需求。
- 关于 Native Call:
CALL_NAT使用u16索引，支持最多 65535 个系统 API。MicroVM 内部维护一个NativeFunction[]数组。
这是 ABC 指令集的 v1.0 版。您可以基于此文档开始编写 AutoVM 的 decode 循环。