Loong 虚拟机指令集设计文档

指令分类总表

类别 包含指令
基本控制 Trap、ReturnVoid、Return
常量与变量 I8/I16/I32/I64/U8/U16/U32/U64、F32/F64、Null、Const、Grow、Var、StoreVar、Peek
函数调用与返回 Call、CallImm
类型转换 F32tI64、F64tI64、I64tF32、I64tF64、F64tF32、F32tF64
外部/内建函数调用 NativeCall、BuiltinCall
算术运算 整数运算（AddI/SubI/MulI/DivI/ModI细分类型）、浮点运算（AddF32/AddF64等）
比较与逻辑 CmpEQ/CmpNE、CmpLTI/CmpLTF32/CmpLTF64/CmpGTI/CmpGTF32/CmpGTF64、CmpLTE/CmpGTE、AndL/OrL/Not
输出 PrintI、PrintF32、PrintF64、PrintS、PrintN、PrintO、PrintB
跳转 Jmp、JmpIf、JmpIfNot
内存与对象操作 New、Array、Ptr8/Ptr16/Ptr32/Ptr64/ObjPtr64、Ptr64Var/ObjPtr64Var、PtrInd8/PtrInd16/PtrInd32/PtrInd64/ObjPtrInd64、StorePtr8/StorePtr16/StorePtr32/StorePtr64、StorePtr64Var、StorePtrInd8/StorePtrInd16/StorePtrInd32/StorePtrInd64
栈操作 Repeat、Pop、Swap
类型判断 CmpType

详细指令说明表

一、基本控制

指令名称 功能描述
Trap 停止虚拟机执行；将虚拟机状态（status）设为 STOPPED；回退指令指针（ip）；常用于调试或断点场景。
ReturnVoid 无返回值的函数返回操作；恢复上一个调用帧的 ip 和 bp；弹出调用栈顶部帧。
Return 有返回值的函数返回操作；弹出栈顶的返回值，恢复上一个调用帧（栈缩回）；将返回值压回新栈顶；若调用栈为空，虚拟机结束（主函数返回）。

二、常量与变量

指令名称 功能描述
I8/I16/I32/I64 读取指定宽度（8/16/32/64位）的有符号整数常量，转换为 int64 类型后压入栈顶。
U8/U16/U32/U64 读取指定宽度（8/16/32/64位）的无符号整数常量，转换为 int64 类型后压入栈顶（高位补零）。
F32/F64 读取32位/64位浮点数常量，封装为 VMValue（带类型标记）后压入栈顶。
Null 压入一个空值（默认 VMValue，类型标记为 NULL）。
Const 读取常量池索引，从常量池中获取对应值，封装为 VMValue 后压入栈顶。
Grow 扩展栈空间；参数为需要增加的栈容量（字节数或元素数？需明确），调整栈顶指针（sp）。
Var 读取局部变量（以基址指针 bp 为基准的偏移量）；根据偏移量从局部变量表中获取值，压入栈顶。
StoreVar 弹出栈顶值，将其存入指定的局部变量位置（以 bp 为基准的偏移量）。
Peek 查看距离栈顶指定距离（偏移量）的值（不弹出）；例如 Peek 1 表示取栈顶前一个元素，压入栈顶。

三、函数调用与返回

指令名称 功能描述
Call 弹出栈顶的目标函数入口地址；读取参数个数（由前序指令或约定确定）；保存当前调用帧（bp、ip）到调用栈；设置新的 bp（当前 sp）和 ip（目标地址）。
CallImm 直接读取目标函数入口地址（立即数）和参数个数（立即数）；保存当前调用帧到调用栈；设置新的 bp 和 ip。

四、类型转换

指令名称 功能描述
F32tI64 浮点转整数：弹出栈顶的 f32 类型值，截断或舍入转换为 i64 类型，修改栈顶元素的类型和值。
F64tI64 浮点转整数：弹出栈顶的 f64 类型值，截断或舍入转换为 i64 类型，修改栈顶元素的类型和值。
I64tF32 整数转浮点：弹出栈顶的 i64 类型值，转换为 f32 类型（可能丢失精度），修改栈顶元素的类型和值。
I64tF64 整数转浮点：弹出栈顶的 i64 类型值，转换为 f64 类型（精确转换），修改栈顶元素的类型和值。
F64tF32 浮点类型间转换：弹出栈顶的 f64 类型值，转换为 f32 类型（可能丢失精度），修改栈顶元素的类型和值。
F32tF64 浮点类型间转换：弹出栈顶的 f32 类型值，转换为 f64 类型（精确扩展），修改栈顶元素的类型和值。

五、外部/内建函数调用

指令名称 功能描述
NativeCall 调用外部C函数；弹出栈顶的函数索引（对应C函数指针表）；弹出参数（按调用约定顺序）；通过函数指针调用C函数；将返回值（若有）压入栈顶。
BuiltinCall 调用内建函数（虚拟机预定义的函数）；读取函数指针（内置实现）；按调用约定传递参数；执行内建函数逻辑；将返回值（若有）压入栈顶。

六、算术运算

整数运算

指令名称 功能描述
AddI/SubI/MulI/DivI/ModI（已弃用） 弹出栈顶右操作数，左操作数为当前栈顶；执行加法/减法/乘法/除法/取模运算（整数运算）；结果写回栈顶（类型为 i64）。
AddI8/SubI8/MulI8/DivI8/ModI8 8位整数运算；操作数范围限制为 i8（-128~127）；结果截断为8位，类型标记为 i8。
AddI16/SubI16/MulI16/DivI16/ModI16 16位整数运算；结果截断为16位，类型标记为 i16。
AddI32/SubI32/MulI32/DivI32/ModI32 32位整数运算；结果截断为32位，类型标记为 i32。
AddI64/SubI64/MulI64/DivI64/ModI64 64位整数运算；结果保留64位，类型标记为 i64。
备注：DivI/ModI 需处理除零异常；ModI 结果符号与左操作数一致。

浮点运算

指令名称 功能描述
AddF32/SubF32/MulF32/DivF32 32位浮点运算；弹出右操作数（f32），左操作数为当前栈顶（f32）；执行加减乘除；结果写回栈顶（类型 f32）。
AddF64/SubF64/MulF64/DivF64 64位浮点运算；操作数类型为 f64；结果类型为 f64。

七、比较与逻辑

指令名称 功能描述
CmpEQ/CmpNE 比较相等/不等；弹出两个值（类型需相同），比较是否相等；结果为 bool（true/false）压入栈顶（类型 bool）。
CmpLTI/CmpLTF32/CmpLTF64 小于比较；CmpLTI 用于整数（i32/i64），CmpLTF32/CmpLTF64 用于浮点；弹出右操作数和左操作数，判断左 < 右；结果压入栈顶（bool）。
CmpGTI/CmpGTF32/CmpGTF64 大于比较；逻辑同上（左 > 右）。
CmpLTE/CmpGTE 小于等于/大于等于；弹出两个值，判断左 <= 右 或 左 >= 右；结果压入栈顶（bool）。
AndL/OrL/Not 逻辑与/或/非；AndL/OrL 操作 bool 类型（弹出两个值）；Not 操作单个 bool 值（弹出后取反）；结果压入栈顶（bool）。

八、输出

指令名称 功能描述
PrintI 打印 i32 类型值（十进制）到标准输出。
PrintF32 打印 f32 类型值（默认格式，如 %f）到标准输出。
PrintF64 打印 f64 类型值（默认格式，如 %lf）到标准输出。
PrintS 打印字符串（栈顶值为字符串指针或句柄，需结合运行时字符串管理）到标准输出。
PrintN 打印换行符（\n）。
PrintO 打印对象（需结合运行时对象toString方法或元数据）到标准输出。
PrintB 打印 bool 类型值（true/false）到标准输出。

九、跳转

指令名称 功能描述
Jmp 无条件跳转；弹出栈顶的目标地址（ip 绝对地址或相对偏移），设置 ip 为该地址。
JmpIf 条件跳转（若条件为真）；弹出条件值（bool）和目标地址；若条件为 true，设置 ip 为目标地址。
JmpIfNot 条件跳转（若条件为假）；逻辑同上，仅当条件为 false 时跳转。

十、内存与对象操作

指令名称 功能描述
New 分配新对象；参数为对象类型（如类元数据指针）；在堆上分配内存，初始化对象头（类型、引用计数等）；将对象指针压入栈顶。
Array 分配新数组；弹出栈顶的两个值：类型（元素类型）和长度（i32）；在堆上分配连续内存（长度×元素大小）；初始化数组头（类型、长度、容量）；将数组指针压入栈顶。
Ptr8/Ptr16/Ptr32/Ptr64 对象指针偏移读取；弹出栈顶的对象指针（void*）和偏移量（i32）；读取对象内存中 [指针 + 偏移量] 处的 8/16/32/64 位值；转换为 int64 压入栈顶（或保留类型？需明确）。
ObjPtr64 对象指针偏移读取（对象由64位指针表示）；类似 Ptr64，但显式处理64位指针。
Ptr64Var/ObjPtr64Var 变量偏移读取；弹出栈顶的变量索引（对应局部变量表中的对象指针）和偏移量；从局部变量中获取对象指针，读取 [指针 + 偏移量] 处的值；压入栈顶。
PtrInd8/PtrInd16/... 间接偏移读取；弹出栈顶的对象指针和偏移量（均为栈中值）；读取 [对象指针 + 偏移量] 处的值；压入栈顶。
StorePtr8/StorePtr16/... 对象指针偏移写入；弹出栈顶的对象指针、值和偏移量；将值写入 [对象指针 + 偏移量] 内存位置（需检查类型匹配）。
StorePtr64Var 变量偏移写入；弹出栈顶的变量索引、值和偏移量；从局部变量获取对象指针，将值写入 [对象指针 + 偏移量]。
StorePtrInd8/... 间接偏移写入；弹出对象指针、值和偏移量（均为栈中值）；将值写入 [对象指针 + 偏移量]。

十一、栈操作

指令名称 功能描述
Repeat 复制栈顶元素；将栈顶值再次压入栈顶（如栈顶为 a，执行后栈顶为 a, a）。
Pop 弹出栈顶元素；丢弃当前栈顶值，sp 减1（或按元素大小调整）。
Swap 交换栈顶两个元素；弹出栈顶两个值 a 和 b，重新压入 a、b（顺序变为 b, a）。

十二、类型判断

指令名称 功能描述
CmpType 判断对象类型是否为指定类型；弹出栈顶的对象指针；查询对象头中的类型元数据；与目标类型（栈顶或立即数）比较；结果为 bool 压入栈顶。