TerminalBasic/docs/tbvm-design.md

# TBVM — Designentwurf

Eigene Stack-basierte Bytecode-VM (Entscheidung siehe PLAN.md, 0.2).
Die VM ist in `tb` (IDE) und in von `tbc` erzeugte Executables
eingebettet — identischer Code, identisches Verhalten, schneller Turnaround.

## Werte-Modell

Tagged Enum, kein NaN-Boxing (Einfachheit und Debugbarkeit vor Mikro-
performance):

```rust
enum Value {
    Int(i16),          // INTEGER
    Long(i32),         // LONG
    Single(f32),       // SINGLE
    Double(f64),       // DOUBLE
    Currency(i64),     // CURRENCY, Festkomma ×10 000
    Str(Rc<str>),      // STRING (immutabel geteilt; Copy-on-Write bei MID$-Anweisung)
    // Arrays und TYPE-Instanzen leben im Heap-Bereich der VM,
    // Variablen-Slots referenzieren sie per Handle (Rc<RefCell<…>>).
}
```

- Kein GC nötig: der Dialekt kennt keine Zyklen (keine Objektreferenzen in
  TYPEs, keine Closures) → `Rc` genügt.
- Feste Strings (`STRING * n`) und TYPE-Records werden als eigene
  Speicherobjekte mit fester Zeichen-/Elementstruktur geführt.

## Bytecode

- Stack-Maschine, Opcodes 1 Byte + Operanden variabler Länge (u8/u16/u32,
  little-endian).
- **Modul-Struktur:** Konstantenpool (Strings, Zahlen), Typtabelle
  (TYPE-Layouts), Prozedurtabelle (Signatur, Locals-Anzahl, Code-Offset),
  globale Slots, DATA-Segment (für READ/RESTORE), Zeilentabelle.
- **Zeilentabelle:** Abbildung Code-Offset → (Moduldatei, Zeile). Grundlage
  für `ERL`, Fehlermeldungen, Breakpoints und Einzelschritt.
- **Aufrufkonventionen:**
  - SUB/FUNCTION: eigener Frame (Locals-Slots, Operandenstack-Basis);
    BYREF-Parameter als Referenz-Slots (Handle auf Variablen-Slot).
  - GOSUB: **kein** Frame — Rücksprungadresse auf separatem GOSUB-Stack im
    aktuellen Frame (RETURN prüft diesen zuerst).
- **Fehlerbehandlung:** Zwei Ebenen (Scoping geklärt 2026-09-04).
  `ON LOCAL ERROR GOTO x` setzt einen Handler im aktuellen Frame; sein
  Sprungziel muss im selben Rumpf liegen. `ON ERROR GOTO x` **ohne**
  `LOCAL` setzt den modulweiten Handler — auch aus einer Prozedur heraus,
  und sein Sprungziel liegt dann im Modulrumpf (der Codegenerator löst es
  über Prozedur 0 auf, die zuerst übersetzt wird).
  Ein Laufzeitfehler sucht zuerst lokale Handler die Aufrufkette hinauf,
  dann den modulweiten; beim modulweiten wird bis Frame 0 abgewickelt,
  weshalb `RESUME NEXT` dort hinter dem Prozeduraufruf fortsetzt. Der
  Handler setzt `ERR`/`ERL`; `RESUME` nutzt den gemerkten
  Anweisungs-Offset. Ein Fehler im Handler ist fatal (keine Kaskaden).

## Ausführungsmodell / Unterbrechbarkeit

- Die Interpreterschleife läuft in **Ticks**: nach jeder Anweisung (Grenze
  aus der Zeilentabelle) prüft sie ein Flag-Set: Breakpoint? Einzelschritt?
  Strg+Untbr? Ereignis-Queue nicht leer und Zustellung erlaubt?
- Ereigniszustellung (Forms, Timer) erfolgt kooperativ: nur an
  Zustellpunkten (`DOEVENTS`, `SLEEP`, blockierende Eingabe, Ende einer
  Ereignisprozedur) — wie im Vorbild.
- Die VM ist eine gewöhnliche zustandsbehaftete Struktur, `step()`-basiert;
  die einbettende Schleife (IDE-Debugger oder Runner) treibt sie. Kein
  eigener Thread nötig; Terminal-Events werden zwischen Ticks gepollt.

## `.tbc`-Container (Stand Phase 2, Formatversion 1)

```
Magic "TBC\0" · Formatversion u16 · Flags u16 · Abschnittsanzahl u32
Abschnittstabelle: [ (Kennung 4 Byte, Offset u32, Länge u32) ]
Abschnitte:
  MODN  Modulname + OPTION BASE
  CONS  deduplizierter Stringpool
  TYPS  TYPE-Layouts (Feld-Initialisierungstypen)
  GLOB  globale Slots (Initialisierungstyp + Name für Debugger)
  PROC  Prozedurtabelle: Name, Parameteranzahl, Frame-Slots, Code
        (Zeileninfo liegt inline im Code: Stmt-/SetErl-Instruktionen —
        ersetzt den früher geplanten separaten LINES-Abschnitt)
  DATA  DATA-Konstanten (Rohtext + Quellzeile)
  JMPT  Sprungtabellen für ON n GOTO/GOSUB
  FORMS (ab Phase 4: serialisierte .FRM-Beschreibungen)
```

Serialisierung mit einfachem eigenem Writer/Reader (kein serde nötig,
Format bleibt stabil und dokumentiert); unbekannte Formatversionen
werden mit Meldung abgewiesen. Instruktions-Encoding: 1 Opcode-Byte +
Operanden little-endian, Opcode-Bytes gruppenweise mit Lücken vergeben
(`crates/tb-vm/src/bytecode.rs` ist die normative Liste).

## Eigenständige Executables

`tbc build --exe` kopiert den vorkompilierten Runner (dieselbe
tb-vm/tb-runtime/tb-ui-Bibliothek wie die IDE) und hängt das `.tbc` als
Ressource an (Anhängen ans Binary + Fußzeile mit Offset/Magic; portabel für
alle drei Plattformen). Alternative — `include_bytes!` + Cargo-Build beim
Nutzer — verworfen: erfordert Rust-Toolchain beim Anwender.

## Performance

**Compiler (Instant-Compile, Anforderung siehe PLAN.md):**
- Single-Pass pro Modul: Lexen, Parsen und Codegen in einem Durchlauf;
  Vorwärtsreferenzen (Prozeduren, Labels) über Fixup-Listen statt zweitem
  Pass. Die Sprache ist dafür gemacht — das Vorbild kompilierte auf
  1992er-Hardware gefühlt sofort.
- Modulweise inkrementell: `.BAS`/`.FRM` werden unabhängig zu Bytecode-
  Einheiten übersetzt und beim Build nur zusammengebunden; die IDE
  recompiliert nur geänderte Module (Hash über Quelltext).
- Keine Optimierungspasses. Erlaubt sind nur Gratis-Optimierungen im
  Codegen (Konstantenfaltung im Ausdruck, Peephole beim Emit).
- Budget als Test verankern (Phase 2): Benchmark-Projekt (~50k Zeilen)
  muss unter 1 s kompilieren (Release-Build der Toolchain, Referenzrechner);
  einzelnes Modul < 50 ms.

**VM-Ausführung:**
- Alle Namen werden zur Compilezeit aufgelöst: Variablen/Parameter sind
  Slot-Indizes, Prozeduren Tabellenindizes — zur Laufzeit keine
  Hash-Lookups.
- Statische Typen des Dialekts ausnutzen: typisierte Opcodes
  (`ADD_I16`, `ADD_F64`, `CONCAT` …) statt generischem Dispatch über
  `Value`-Tags in heißen Pfaden.
- Dichte Opcodes, `match`-Dispatch in einer engen Schleife; Tick-Prüfung
  (Events/Breakpoints) nur an Anweisungsgrenzen über ein einzelnes
  Flag-Wort, nicht pro Opcode.
- Strings immutabel via `Rc<str>` (Kopien sind Pointer-Kopien);
  Konstantenpool dedupliziert.
- Messlatte (Phase 2, Benchmarks in `benches/`): typische
  Schleifen-/String-Lasten mindestens ~100× schneller als das Vorbild auf
  Originalhardware; Richtwert grob Lua-Interpreter-Klasse, gemessen und
  dokumentiert statt geraten.

**Benchmark-Ergebnisse (2026-09-02, Release-Build, Entwicklerrechner
Windows 11, `cargo bench -p tb-vm`):**

- Compile-Budget (`benches/compile.rs`):
  - Einzelmodul, 508 Zeilen: **1,2 ms** (Budget 50 ms — eingehalten)
  - Projekt, 49 760 Zeilen über 20 Module: **124 ms** (Budget 1 000 ms —
    eingehalten); Durchsatz ≈ 400 000 Zeilen/s
- VM-Durchsatz (`benches/vm.rs`):
  - INTEGER-Schleife (Arithmetik + MOD): ≈ 4,8 Mio Iterationen/s
  - DOUBLE-Schleife: ≈ 5,2 Mio Iterationen/s
  - SUB-Aufrufe mit BYREF: ≈ 5,2 Mio Aufrufe/s
  - String-Lasten (MID$/INSTR/Verkettung): ≈ 0,8 Mio Runden/s
**Nachmessung nach Phase 3 (2026-09-04, macOS, Apple Silicon,
`cargo bench -p tb-vm`)** — die Zustellpunkte des neuen `Host` (Anzeige
nur bei geändertem Bildschirm, Ereignisabholung alle 1024 Anweisungen)
kosten nichts Messbares:

- Compile-Budget: Einzelmodul 508 Zeilen **0,77 ms**; Projekt 49 760
  Zeilen **53 ms** (≈ 950 000 Zeilen/s)
- VM-Durchsatz: INTEGER-Schleife **11,0 Mio/s**, DOUBLE **12,2 Mio/s**,
  SUB-Aufrufe **10,7 Mio/s**, String-Lasten **2,4 Mio Runden/s**

(Die höheren Zahlen gegenüber 2026-09-02 gehen auf die andere Maschine
zurück, nicht auf eine Optimierung — gemessen wurde beide Male derselbe
Benchmark.)

- Einordnung: bei ≈ 13 Instruktionen je Schleifeniteration entspricht
  das ≈ 60 Mio Instruktionen/s — Vorbild-Programme auf 1992er-Hardware
  werden um weit mehr als den Faktor 100 übertroffen; für 80×25-
  Terminalprogramme mehr als ausreichend. Ein Performance-Pass ist erst
  bei Bedarf vorgesehen (Phase 6).

## Zahlenkonvertierungs-Matrix (Feindesign, 2026-09-02)

Grundlage: Original-Hilfe (Topics „Arithmetic Operators", „CINT/CLNG",
„MOD", „Numeric Types"). Vier Punkte sind dort **nicht** geregelt; sie
wurden am 2026-09-04 entschieden und sind unten als *Projektentscheidung*
gekennzeichnet — sie gelten damit als bewusste Festlegung, nicht als
rekonstruiertes Vorbildverhalten. Der Korpustest `konvertierung.bas`
verankert die Matrix ausführbar.

**Rangfolge für Promotion:** INTEGER < LONG < CURRENCY < SINGLE < DOUBLE.
Ausnahme: CURRENCY gemischt mit SINGLE oder DOUBLE ergibt **DOUBLE**
(nicht SINGLE). *Projektentscheidung 2026-09-04:* Die Original-Hilfe
regelt diesen Fall nicht. CURRENCY trägt 19 signifikante Stellen, SINGLE
nur 7 — eine Promotion nach SINGLE zerstörte genau die Genauigkeit, für
die es den Typ gibt. DOUBLE (16 Stellen) ist die nächstbeste Wahl.

**Ergebnistyp binärer Operatoren** (l op r; T = promoteter Typ):

| Operator | Ergebnistyp | Besonderheiten |
|---|---|---|
| `+ - *` | T; gleiche Typen bleiben erhalten | Ganzzahl-/CURRENCY-Überlauf → Fehler 6 (auch INTEGER+INTEGER promotet **nicht**) |
| `/` | DOUBLE, wenn ein Operand DOUBLE oder CURRENCY, sonst SINGLE | Division durch 0 → Fehler 11 |
| `\` `MOD` | INTEGER, wenn beide Operanden INTEGER, sonst LONG | Operanden werden **vorher** kaufmännisch (banker's) auf Ganzzahl gerundet; außerhalb LONG → Fehler 6; Divisor 0 → Fehler 11; `MOD`-Vorzeichen wie Dividend |
| `^` | DOUBLE, wenn ein Operand DOUBLE oder CURRENCY, sonst SINGLE (*Projektentscheidung 2026-09-04*) | Rechnung intern in DOUBLE; 0 ^ negativ → Fehler 11; negative Basis mit nicht-ganzem Exponent → Fehler 5 |
| `= <> < <= > >=` | INTEGER (−1/0) | Vergleich im promoteten Typ; Strings codepoint-weise |
| `NOT AND OR XOR EQV IMP` | INTEGER, wenn alle Operanden INTEGER, sonst LONG | bitweise; Operanden vorher banker's-gerundet auf Ganzzahl, außerhalb LONG → Fehler 6 |
| unäres `-` | Typ des Operanden | −(−32768) INTEGER → Fehler 6 |

**Konvertierung Quelle → Ziel** (implizit bei Zuweisung/Argument, explizit
via `CINT`/`CLNG`/`CSNG`/`CDBL`/`CCUR` — identische Semantik):

| von \ nach | INTEGER | LONG | SINGLE | DOUBLE | CURRENCY |
|---|---|---|---|---|---|
| INTEGER | — | exakt | exakt | exakt | ×10 000 |
| LONG | Bereich prüfen → 6 | — | nächstgelegener f32 | exakt | ×10 000 |
| SINGLE | banker's + Bereich → 6 | banker's + Bereich → 6 | — | exakt (Widening) | banker's auf 4 Nachkommastellen + Bereich → 6 |
| DOUBLE | banker's + Bereich → 6 | banker's + Bereich → 6 | Bereich prüfen → 6, sonst nächstgelegener f32 | — | banker's auf 4 Nachkommastellen + Bereich → 6 |
| CURRENCY | ÷10 000, banker's + Bereich → 6 | ÷10 000, banker's + Bereich → 6 | ÷10 000.0 | ÷10 000.0 | — |

- Banker's Rounding: zur nächsten Ganzzahl, bei .5 zur **geraden**
  (Original-Hilfe: CINT). Gilt für alle Gleitkomma→Ganzzahl-Übergänge
  inklusive `\`/`MOD`/Logik-Operanden und CURRENCY-Skalierung.
- Zahl ↔ String nie implizit (Compile-Zeit „Type mismatch"); explizit nur
  über `STR$`/`VAL`.

**Textdarstellung (PRINT und STR$):**

- INTEGER/LONG: dezimal ohne Dezimalpunkt.
- SINGLE: bis 7 signifikante Stellen, kürzeste Darstellung, keine
  führende Null vor dem Dezimalpunkt (`.5`), keine nachgestellten
  Nullen; außerhalb des Festformat-Bereichs Exponentialform `mE±xx`.
  *Projektentscheidung 2026-09-04:* Die Original-Hilfe nennt keine
  Schwelle. Gewählt ist der Dezimalexponent < −7 oder ≥ 7 — damit bleibt
  jeder Wert im Festformat, der sich mit den 7 signifikanten Stellen des
  Typs verlustfrei schreiben lässt (`9999999` fest, `1E+07`
  exponentiell; `.0000001` fest, `1E-08` exponentiell).
- DOUBLE: wie SINGLE mit bis 16 signifikanten Stellen und `D±xx` als
  Exponentmarke.
- CURRENCY: Festformat mit bis zu 4 Nachkommastellen, nachgestellte
  Nullen entfallen (`2.5000@` → `2.5`, `1.10@` → `1.1`).
  *Projektentscheidung 2026-09-04:* Die Original-Hilfe nennt kein
  Ausgabeformat. Gewählt ist dieselbe Regel wie bei den übrigen
  Zahlentypen — nachgestellte Nullen entfallen —, damit `PRINT` über alle
  Typen einheitlich wirkt. Wer feste Nachkommastellen braucht, nutzt
  `PRINT USING`.
- `PRINT` stellt nicht-negativen Zahlen ein Leerzeichen, negativen ein
  `-` voran und hängt stets ein Leerzeichen an; `STR$` nur das führende
  Leerzeichen/`-`, kein nachgestelltes.

## Opcode-Satz (Feindesign, 2026-09-02)

In-Memory führt die VM dekodierte Instruktionen (`Vec<Instr>`, ein Rust-
Enum mit eingebetteten Operanden — Wort-Dispatch, keine Byte-Dekodierung
im heißen Pfad); die `.tbc`-Serialisierung bildet jede Instruktion auf
1 Opcode-Byte + Operanden (little-endian) ab. Typkürzel: `I2`=INTEGER,
`I4`=LONG, `R4`=SINGLE, `R8`=DOUBLE, `CY`=CURRENCY, `STR`=STRING.

| Gruppe | Instruktionen | Bemerkung |
|---|---|---|
| Anweisungsgrenze | `Stmt(line:u32)` · `SetErl(n:u32)` | `Stmt` prüft das Tick-Flag-Wort (Breakpoint/Einzelschritt/Abbruch), aktualisiert Zeile und Resume-Punkt; `SetErl` bei numerischen Zeilennummern |
| Konstanten/Stack | `PushInt(i16)` `PushLng(i32)` `PushSng(f32)` `PushDbl(f64)` `PushCur(i64)` `PushStr(pool:u16)` · `Dup` `Pop` | Stringpool dedupliziert |
| Variablen | `LoadGlobal/StoreGlobal(u16)` · `LoadLocal/StoreLocal(u16)` · `MakeRefGlobal/MakeRefLocal(u16)` · `LoadRef/StoreRef(u16)` | Slots statisch aufgelöst; `*Ref` bedienen BYREF-Parameter (Referenz-Werte) |
| Arrays | `DimGlobal/DimLocal{slot,dims,elem}` `RedimGlobal/RedimLocal{…}` `EraseGlobal/EraseLocal(u16)` · `LoadElem/StoreElem{dims:u8}` · `MakeRefElem{dims:u8}` | Grenzen auf dem Stack (lo/hi je Dimension als LONG); Indexprüfung → Fehler 9 |
| UDT | `LoadField/StoreField(u16)` · `MakeRefField(u16)` | Feldindex aus Typtabelle; verschachtelt durch Verkettung |
| Arithmetik | `Add/Sub/Mul{I2,I4,R4,R8,CY}` · `Neg{…}` · `Div{R4,R8}` · `IDiv/Mod{I2,I4}` · `PowR8` (`^` rechnet in DOUBLE, SINGLE-Ergebnis per Conv) | monomorph; Ganzzahl-/CY-Überlauf → Fehler 6, Division durch 0 → Fehler 11 |
| Konvertierung | `Conv_<src>_<dst>` für alle 20 geordneten Paare aus {I2,I4,R4,R8,CY} | Semantik exakt nach Matrix (Rundung/Überlauf) |
| Logik | `Not/And/Or/Xor/Eqv/Imp{I2,I4}` | bitweise |
| Vergleich | `Cmp{Eq,Ne,Lt,Le,Gt,Ge}{I2,I4,R4,R8,CY,STR}` | Ergebnis INTEGER −1/0 |
| Strings | `Concat` | `Rc<str>`, Kopien sind Pointer-Kopien |
| Kontrollfluss | `Jump(u32)` `JumpIfFalse(u32)` `JumpIfTrue(u32)` | Ziele absolut (Instruktionsindex) innerhalb der Code-Einheit; Fixups beim Emit |
| GOSUB | `Gosub(u32)` `RetGosub` `RetGosubTo(u32)` | GOSUB-Stack pro Frame; leer → Fehler 3 |
| Berechnete Sprünge | `OnJump{table:u16,gosub:bool}` | Sprungtabellen im Modul; 0/zu groß: kein Sprung; negativ/>255 → Fehler 5 |
| Prozeduren | `Call(proc:u16)` `RetProc` `RetFn` `CallBuiltin{id:u16,argc:u8}` | Argumente links→rechts auf dem Stack (Werte oder Referenzen); `RetFn` transportiert den Funktionswert über den Frame-Abbau |
| Fehler | `OnErrorGoto(u32)` `OnErrorLocal(u32)` `OnErrorDisable` `OnErrorLocalDisable` · `Resume0` `ResumeNext` `ResumeLabel(u32)` · `RaiseError` | Scoping siehe unten |
| DATA | `ReadData(art)` `Restore(u32)` | art 0 = String, 1 = Zahl (DOUBLE, dann Conv nach Matrix); Ende → Fehler 4, unkonvertierbar → Fehler 13 |
| E/A | `Input{…}` sowie Builtins (`PRINT`-Familie über `CallBuiltin`) | Konsolenwirkung ausschließlich über das `Host`-Trait |
| Ende | `End` `StopInstr` `SystemInstr` | Verhalten siehe Runner |

FOR/NEXT wird ohne Spezial-Opcodes kompiliert: Grenz-/Schrittwert einmal
in versteckte Slots ausgewertet; bei konstantem STEP wählt der Codegen
die Vergleichsrichtung zur Compilezeit, sonst verzweigt ein einmalig
berechnetes Vorzeichen-Flag auf zwei Vergleichssequenzen. Inkrement mit
regulärer typisierter Addition (Überlauf → Fehler 6, wie Vorbild).
`SELECT CASE` wertet den Selektor in einen versteckten Slot aus und wird
als Vergleichs-/Sprungkette abgesenkt.

## Fehlerbehandlung: Scoping (Feindesign, 2026-09-02)

- `ON ERROR GOTO x` setzt den **modulweiten** Handler — auch aus einer
  Prozedur heraus. `ON LOCAL ERROR GOTO x` setzt einen **Frame-lokalen**
  Handler, der den modulweiten für die Dauer des Prozedurlaufs verdeckt.
  `… GOTO 0` deaktiviert den jeweiligen Handler.
- Fehlerfall: erst die Frame-Kette von innen nach außen nach
  LOCAL-Handlern absuchen, sonst modulweiter Handler; Stack wird bis zum
  Handler-Frame abgewickelt, Anweisungs-Offset und Frame für `RESUME`
  gemerkt, `ERR`/`ERL` gesetzt. Ohne Handler: Abbruch mit Meldung und
  Quellzeile.
- Fehler **während aktiver Behandlung** (zwischen Handler-Eintritt und
  `RESUME`): sofortiger Abbruch, keine Kaskade (Vorbild).
- `ERL` liefert die zuletzt durchlaufene **numerische** Zeilennummer
  (Labels zählen nicht; ohne numerische Zeilen: 0).

## Runner-Verhalten `STOP`/`CONT` (Entscheidung 2026-09-02)

- `END`, `SYSTEM` und das Erreichen des Programmendes beenden den
  Prozess mit Exit-Code 0.
- `STOP` außerhalb der IDE terminiert mit der Meldung `STOP in line n`
  (bzw. Modul/Zeile) und Exit-Code ≠ 0. Offene Dateien werden wie bei
  `END` geschlossen.
- `CONT` ist ein Direktmodus-Konzept der IDE (Phase 5): dort suspendiert
  `STOP` die VM (`step()`-Architektur), `CONT` setzt fort. Im Kompilat
  existiert kein `CONT`.

## Offene Punkte

Keine — die Punkte aus Phase 0 (Opcode-Satz, Konvertierungsmatrix,
`STOP`/`CONT` im Runner) sind oben ausgearbeitet. Die vier Stellen, zu
denen die Original-Hilfe schweigt, sind am 2026-09-04 als
*Projektentscheidung* festgelegt, an Ort und Stelle begründet und über
`tests/compat/konvertierung.bas` ausführbar verankert. Sollte je eine
belastbare Fundstelle auftauchen, die ihnen widerspricht, gilt sie —
die Entscheidungen sind Lückenfüller, keine Setzungen gegen das Vorbild.