53e27067772628c6f10f4dafa50a06373b5f7a7c
[jonesforth.git] / jonesforth.S
1 /*      A sometimes minimal FORTH compiler and tutorial for Linux / i386 systems. -*- asm -*-
2         By Richard W.M. Jones <rich@annexia.org> http://annexia.org/forth
3
4         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
5
6         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
7
8         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
9         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
10         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
11         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
12         languages, even if you will never use them.
13
14         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
15         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
16         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
17         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
18         and loops.
19
20         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
21         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
22         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
23         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
24         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
25         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
26         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
27         completely understand how Linux works, or gcc?
28
29         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
30         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
31         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
32         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
33         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
34         written in FORTH itself.
35
36         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
37         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
38         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
39         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
40         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
41         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
42         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
43         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
44         the language?  No problem in FORTH.  This concept isn't common in programming languages,
45         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
46         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
47
48         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
49         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
50         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
51         superficial understanding of how to use it.
52
53         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
54         references to read:
55
56         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
57
58         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
59
60         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
61
62         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
63
64         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
65
66         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
67         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
68
69         Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
70         defies easy explanation.
71
72         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
73
74         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
75         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
76         uses a fixed width font and is at least this wide:
77
78  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
79
80         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
81         line.  If not, sort out your tabs.
82
83         |
84         |
85         |
86
87         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
88
89         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
90
91         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
92         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
93         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
94         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
95         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
96         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
97         this on a 64 bit AMD Opteron).
98
99         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
100         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
101
102         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
103         ./jonesforth
104
105         You will see lots of 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages from the
106         assembler.  That's just because the GNU assembler doesn't have a good syntax for multi-line
107         strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
108         slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
109
110         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
111
112         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
113         follow this tutorial).
114
115         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
116
117         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
118             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
119             have special purposes.
120
121         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
122
123         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
124             causes a read from memory instead, so:
125             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
126             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
127
128         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
129             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
130
131         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
132
133         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
134             less repetitive.
135
136         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
137
138         Now the tutorial starts in earnest.
139
140         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
141
142         In FORTH as you will know, functions are called "words", as just as in other languages they
143         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
144
145         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
146         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
147
148         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
149         which is just a linked list of dictionary entries.
150
151         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
152         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
153         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
154         |                        | FLAGS  |                   |
155         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
156
157         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
158         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
159         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
160         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
161         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
162         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
163         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
164
165         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
166         other words, the head of this linked list.
167
168         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
169
170           pointer to previous word
171            ^
172            |
173         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
174         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
175         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
176            ^       len                         padding
177            |
178         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
179         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
180         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
181            ^       len                                     padding
182            |
183            |
184           LATEST
185
186         You shoud be able to see from this how you might implement functions to find a word in
187         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
188         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary),
189         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
190         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
191         assembly code later on.
192
193         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
194         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
195         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
196         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
197         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
198         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
199         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
200
201         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
202
203         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
204         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
205         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
206         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
207         (rich@annexia.org).
208
209         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
210         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
211         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
212
213         f ()
214         {
215           a ();
216           b ();
217           c ();
218         }
219
220         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
221         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
222         16 bit machine code.
223
224         f:
225           CALL a                        E8 08 00 00 00
226           CALL b                        E8 1C 00 00 00
227           CALL c                        E8 2C 00 00 00
228           ; ignore the return from the function for now
229
230         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
231         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
232         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
233         by compressing this into just:
234
235         08 00 00 00             Just the function addresses, without
236         1C 00 00 00             the CALL prefix.
237         2C 00 00 00
238
239         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
240         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
241         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
242         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
243         useful properties].
244
245         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
246         which takes each pair of bytes and calls it.
247
248         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
249         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
250         pointer to the next word to execute in the %esi register:
251
252                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
253         %esi -> 1C 00 00 00
254                 2C 00 00 00
255
256         The all-important x86 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
257         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
258         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
259
260                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
261                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
262         %esi -> 2C 00 00 00
263
264         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
265         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
266
267                 08 00 00 00
268                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
269         %esi -> 2C 00 00 00
270
271         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
272         which literally make the jump to the next subroutine.
273
274         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
275 */
276
277 /* NEXT macro. */
278         .macro NEXT
279         lodsl
280         jmp *(%eax)
281         .endm
282
283 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
284
285         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
286         a return.
287
288         The above describes what is known as direct threaded code.
289
290         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
291         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
292         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
293
294         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
295
296         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
297
298         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
299         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
300
301         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
302
303         I lied about JMP *(%eax).  
304
305         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
306
307         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
308         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
309         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
310
311                 +------------------+
312                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
313                 +------------------+                    NEXT
314         %esi -> | addr of DOUBLE   |
315                 +------------------+
316
317         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
318         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
319
320         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
321
322         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
323
324                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
325
326                 +------------------+
327                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
328                 +------------------+
329                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
330                 +------------------+               | codeword         |
331                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
332                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
333                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
334                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
335                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
336                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
337                                                    +------------------+    |       |    ..            |
338                                                                            |       |    ..            |
339                                                                            |       | NEXT             |
340                                                                            |       +------------------+
341                                                                            |
342                                                                            +-----> +------------------+
343                                                                                    | codeword      -------+
344                                                                                    +------------------+   |
345                                                                                    | assembly to   <------+
346                                                                                    | implement +      |
347                                                                                    |    ..            |
348                                                                                    |    ..            |
349                                                                                    | NEXT             |
350                                                                                    +------------------+
351
352         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
353         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
354         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
355         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
356         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
357         They don't need interpreting, they just run.
358
359         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
360         function.
361
362         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
363         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
364         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
365
366         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
367
368         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
369         (2) increments %esi by 4
370         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
371                                                         ie. the assembly code to implement +
372
373                 +------------------+
374                 | codeword         |
375                 +------------------+
376                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
377                 +------------------+               | codeword         |
378                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
379                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
380                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
381                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
382                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
383                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
384                                                    +------------------+    |       |    ..            |
385                                                                            |       |    ..            |
386                                                                            |       | NEXT             |
387                                                                            |       +------------------+
388                                                                            |
389                                                                            +-----> +------------------+
390                                                                                    | codeword      -------+
391                                                                                    +------------------+   |
392                                                                         now we're  | assembly to   <------+
393                                                                         executing  | implement +      |
394                                                                         this       |    ..            |
395                                                                         function   |    ..            |
396                                                                                    | NEXT             |
397                                                                                    +------------------+
398
399         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
400         indirect threaded code.
401
402         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
403
404         .
405         .
406         .
407
408         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
409         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
410         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
411         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
412         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
413
414         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
415
416         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
417         and the return stack.
418
419         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
420         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
421         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
422         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
423         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
424         threaded model above.
425
426         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
427         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
428         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
429         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
430
431         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
432         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
433         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
434         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
435
436         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
437         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
438         for our return stack.
439
440         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
441         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
442         (pop top of return stack into %ebx).
443 */
444
445 /* Macros to deal with the return stack. */
446         .macro PUSHRSP reg
447         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
448         movl \reg,(%ebp)
449         .endm
450
451         .macro POPRSP reg
452         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
453         lea 4(%ebp),%ebp
454         .endm
455
456 /*
457         And with that we can now talk about the interpreter.
458
459         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
460         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
461
462         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
463         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
464         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
465         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
466         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
467         to run.
468 */
469
470 /* DOCOL - the interpreter! */
471         .text
472         .align 4
473 DOCOL:
474         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
475         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
476         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
477         NEXT
478
479 /*
480         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
481         into DOUBLE:
482
483                 QUADRUPLE:
484                 +------------------+
485                 | codeword         |
486                 +------------------+               DOUBLE:
487                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
488                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
489         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
490                 +------------------+               | addr of DUP   -------------->
491                 | addr of EXIT     |               +------------------+
492                 +------------------+               | etc.             |
493
494         First, the call to DOUBLE causes DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
495         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
496         just add 4 on to it to get our new %esi:
497
498                 QUADRUPLE:
499                 +------------------+
500                 | codeword         |
501                 +------------------+               DOUBLE:
502                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
503 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
504 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
505                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP   -------------->
506                 | addr of EXIT     |               +------------------+
507                 +------------------+               | etc.             |
508
509         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
510         and calls DUP.
511
512         Well, it seems to work.
513
514         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
515         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
516         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
517         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
518         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
519
520         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
521
522         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
523         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
524         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
525         assembly language primitives).
526
527         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
528         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
529         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
530         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
531         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
532 */
533
534 /* ELF entry point. */
535         .text
536         .globl _start
537 _start:
538         cld
539         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
540         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
541
542         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
543         NEXT                    // Run interpreter!
544
545         .section .rodata
546 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
547         .int COLD
548
549 /*
550         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
551         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
552         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
553 */
554
555         .bss
556 /* FORTH return stack. */
557 #define RETURN_STACK_SIZE 8192
558         .align 4096
559         .space RETURN_STACK_SIZE
560 return_stack:                   // Initial top of return stack.
561
562 /* Space for user-defined words. */
563 #define USER_DEFS_SIZE 16384
564         .align 4096
565 user_defs_start:
566         .space USER_DEFS_SIZE
567
568 /*
569         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
570
571         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
572         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
573
574           pointer to previous word
575            ^
576            |
577         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
578         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
579         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
580            ^       len                         pad  codeword      |
581            |                                                      V
582           LINK in next word                             points to codeword of DUP
583         
584         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
585         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
586         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
587         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
588         unsure of them).
589
590         The long way would be:
591         .int <link to previous word>
592         .byte 6                 // len
593         .ascii "DOUBLE"         // string
594         .byte 0                 // padding
595 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
596         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
597         .int PLUS               // pointer to codeword of +
598         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
599
600         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
601         so that I can just write:
602
603         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
604         .int DUP,PLUS,EXIT
605
606         and I'll get exactly the same effect.
607
608         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
609 */
610
611 /* Flags - these are discussed later. */
612 #define F_IMMED 0x80
613 #define F_HIDDEN 0x20
614
615         // Store the chain of links.
616         .set link,0
617
618         .macro defword name, namelen, flags=0, label
619         .section .rodata
620         .align 4
621         .globl name_\label
622 name_\label :
623         .int link               // link
624         .set link,name_\label
625         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
626         .ascii "\name"          // the name
627         .align 4
628         .globl \label
629 \label :
630         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
631         // list of word pointers follow
632         .endm
633
634 /*
635         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
636         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
637         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
638         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
639
640         This is what DUP looks like in memory:
641
642           pointer to previous word
643            ^
644            |
645         +--|------+---+---+---+---+------------+
646         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
647         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
648            ^       len              codeword                        which is ended with NEXT.
649            |
650           LINK in next word
651
652         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
653 */
654
655         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
656         .section .rodata
657         .align 4
658         .globl name_\label
659 name_\label :
660         .int link               // link
661         .set link,name_\label
662         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
663         .ascii "\name"          // the name
664         .align 4
665         .globl \label
666 \label :
667         .int code_\label        // codeword
668         .text
669         .align 4
670         .globl code_\label
671 code_\label :                   // assembler code follows
672         .endm
673
674 /*
675         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
676         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
677         you can skip the details.
678 */
679
680         defcode "DUP",3,,DUP
681         pop %eax                // duplicate top of stack
682         push %eax
683         push %eax
684         NEXT
685
686         defcode "DROP",4,,DROP
687         pop %eax                // drop top of stack
688         NEXT
689
690         defcode "SWAP",4,,SWAP
691         pop %eax                // swap top of stack
692         pop %ebx
693         push %eax
694         push %ebx
695         NEXT
696
697         defcode "OVER",4,,OVER
698         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
699         push %eax               // and push it on top
700         NEXT
701
702         defcode "ROT",3,,ROT
703         pop %eax
704         pop %ebx
705         pop %ecx
706         push %eax
707         push %ecx
708         push %ebx
709         NEXT
710
711         defcode "-ROT",4,,NROT
712         pop %eax
713         pop %ebx
714         pop %ecx
715         push %ebx
716         push %eax
717         push %ecx
718         NEXT
719
720         defcode "1+",2,,INCR
721         incl (%esp)             // increment top of stack
722         NEXT
723
724         defcode "1-",2,,DECR
725         decl (%esp)             // decrement top of stack
726         NEXT
727
728         defcode "4+",2,,INCR4
729         addl $4,(%esp)          // increment top of stack
730         NEXT
731
732         defcode "4-",2,,DECR4
733         subl $4,(%esp)          // decrement top of stack
734         NEXT
735
736         defcode "+",1,,ADD
737         pop %eax                // get top of stack
738         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
739         NEXT
740
741         defcode "-",1,,SUB
742         pop %eax                // get top of stack
743         subl %eax,(%esp)        // and subtract if from next word on stack
744         NEXT
745
746         defcode "*",1,,MUL
747         pop %eax
748         pop %ebx
749         imull %ebx,%eax
750         push %eax               // ignore overflow
751         NEXT
752
753         defcode "/",1,,DIV
754         xor %edx,%edx
755         pop %ebx
756         pop %eax
757         idivl %ebx
758         push %eax               // push quotient
759         NEXT
760
761         defcode "MOD",3,,MOD
762         xor %edx,%edx
763         pop %ebx
764         pop %eax
765         idivl %ebx
766         push %edx               // push remainder
767         NEXT
768
769         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
770         pop %eax
771         pop %ebx
772         cmp %ebx,%eax
773         je 1f
774         pushl $0
775         NEXT
776 1:      pushl $1
777         NEXT
778
779         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
780         pop %eax
781         pop %ebx
782         cmp %ebx,%eax
783         je 1f
784         pushl $1
785         NEXT
786 1:      pushl $0
787         NEXT
788
789         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
790         pop %eax
791         test %eax,%eax
792         jz 1f
793         pushl $0
794         NEXT
795 1:      pushl $1
796         NEXT
797
798         defcode "AND",3,,AND
799         pop %eax
800         andl %eax,(%esp)
801         NEXT
802
803         defcode "OR",2,,OR
804         pop %eax
805         orl %eax,(%esp)
806         NEXT
807
808         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH "NOT" function
809         notl (%esp)
810         NEXT
811
812 /*
813         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
814
815         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
816         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
817
818                 QUADRUPLE
819                 +------------------+
820                 | codeword         |
821                 +------------------+               DOUBLE
822                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
823                 +------------------+               | codeword         |
824                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
825                 +------------------+               | addr of DUP      |
826                 | addr of EXIT     |               +------------------+
827                 +------------------+               | addr of +        |
828                                                    +------------------+
829                                            %esi -> | addr of EXIT     |
830                                                    +------------------+
831
832         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
833 */
834
835         defcode "EXIT",4,,EXIT
836         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
837         NEXT
838
839 /*
840         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
841         So after this (but just before NEXT) we get:
842
843                 QUADRUPLE
844                 +------------------+
845                 | codeword         |
846                 +------------------+               DOUBLE
847                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
848                 +------------------+               | codeword         |
849         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
850                 +------------------+               | addr of DUP      |
851                 | addr of EXIT     |               +------------------+
852                 +------------------+               | addr of +        |
853                                                    +------------------+
854                                                    | addr of EXIT     |
855                                                    +------------------+
856
857         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
858
859         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
860
861         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
862         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
863
864         : DOUBLE 2 * ;
865
866         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
867         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
868         a function for every single literal that you wanted to use.
869
870         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
871
872         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
873         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
874         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
875
876         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
877         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
878         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
879
880         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
881         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
882         see if you can find out how LIT works:
883 */
884
885         defcode "LIT",3,,LIT
886         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
887         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
888         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
889         lodsl
890         push %eax               // push the literal number on to stack
891         NEXT
892
893 /*
894         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
895
896         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
897         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
898         the primitive words for doing it.
899 */
900
901         defcode "!",1,,STORE
902         pop %ebx                // address to store at
903         pop %eax                // data to store there
904         mov %eax,(%ebx)         // store it
905         NEXT
906
907         defcode "@",1,,FETCH
908         pop %ebx                // address to fetch
909         mov (%ebx),%eax         // fetch it
910         push %eax               // push value onto stack
911         NEXT
912
913         defcode "+!",2,,ADDSTORE
914         pop %ebx                // address
915         pop %eax                // the amount to add
916         addl %eax,(%ebx)        // add it
917         NEXT
918
919         defcode "-!",2,,SUBSTORE
920         pop %ebx                // address
921         pop %eax                // the amount to subtract
922         subl %eax,(%ebx)        // add it
923         NEXT
924
925 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
926  * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
927  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
928  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
929  */
930         defcode "!b",2,,STOREBYTE
931         pop %ebx                // address to store at
932         pop %eax                // data to store there
933         movb %al,(%ebx)         // store it
934         NEXT
935
936         defcode "@b",2,,FETCHBYTE
937         pop %ebx                // address to fetch
938         xor %eax,%eax
939         movb (%ebx),%al         // fetch it
940         push %eax               // push value onto stack
941         NEXT
942
943 /*
944         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
945
946         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
947         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
948         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
949         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
950         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
951
952         LATEST @ . CR
953
954         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
955         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
956 */
957
958         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
959         defcode \name,\namelen,\flags,\label
960         push $var_\name
961         NEXT
962         .data
963         .align 4
964 var_\name :
965         .int \initial
966         .endm
967
968 /*
969         The built-in variables are:
970
971         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
972         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
973         HERE            When compiling, compiled words go here.
974         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
975         _Y
976         _Z
977         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
978         R0              Stores the address of the top of the return stack.
979
980 */
981         defvar "STATE",5,,STATE
982         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
983         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
984         defvar "_X",2,,TX
985         defvar "_Y",2,,TY
986         defvar "_Z",2,,TZ
987         defvar "S0",2,,SZ
988         defvar "R0",2,,RZ,return_stack
989
990 /*
991         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
992
993         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
994         the top of the return stack.
995 */
996
997         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
998         mov %esp,%eax
999         push %eax
1000         NEXT
1001
1002         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1003         pop %esp
1004         NEXT
1005
1006         defcode ">R",2,,TOR
1007         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1008         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1009         NEXT
1010
1011         defcode "R>",2,,FROMR
1012         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1013         push %eax               // and push on to parameter stack
1014         NEXT
1015
1016         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1017         push %ebp
1018         NEXT
1019
1020         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1021         pop %ebp
1022         NEXT
1023
1024         defcode "RDROP",5,,RDROP
1025         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1026         NEXT
1027
1028 /*
1029         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1030
1031
1032
1033
1034 */
1035
1036 #include <asm-i386/unistd.h>
1037
1038         defcode "KEY",3,,KEY
1039         call _KEY
1040         push %eax               // push return value on stack
1041         NEXT
1042 _KEY:
1043         mov (currkey),%ebx
1044         cmp (bufftop),%ebx
1045         jge 1f
1046         xor %eax,%eax
1047         mov (%ebx),%al
1048         inc %ebx
1049         mov %ebx,(currkey)
1050         ret
1051
1052 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1053         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1054         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1055         mov %ecx,currkey
1056         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1057         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1058         int $0x80
1059         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1060         jbe 2f
1061         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1062         mov %ecx,bufftop
1063         jmp _KEY
1064
1065 2:      // error or out of input: exit
1066         xor %ebx,%ebx
1067         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1068         int $0x80
1069
1070         defcode "EMIT",4,,EMIT
1071         pop %eax
1072         call _EMIT
1073         NEXT
1074 _EMIT:
1075         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1076
1077         // write needs the address of the byte to write
1078         mov %al,(2f)
1079         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1080
1081         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1082
1083         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1084         int $0x80
1085         ret
1086
1087         .bss
1088 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1089
1090         defcode "WORD",4,,WORD
1091         call _WORD
1092         push %ecx               // push length
1093         push %edi               // push base address
1094         NEXT
1095
1096 _WORD:
1097         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1098 1:
1099         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1100         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1101         je 3f                   // if so, skip the comment
1102         cmpb $' ',%al
1103         jbe 1b                  // if so, keep looking
1104
1105         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1106         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1107 2:
1108         stosb                   // add character to return buffer
1109         call _KEY               // get next key, returned in %al
1110         cmpb $' ',%al           // is blank?
1111         ja 2b                   // if not, keep looping
1112
1113         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1114         sub $5f,%edi
1115         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1116         mov $5f,%edi            // return address of the word
1117         ret
1118
1119         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1120 3:
1121         call _KEY
1122         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1123         jne 3b
1124         jmp 1b
1125
1126         .bss
1127         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1128         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1129 5:      .space 32
1130
1131         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1132         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1133         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1134         pop %edx                // 3rd param: length of string
1135
1136         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1137         int $0x80
1138
1139         NEXT
1140
1141         defcode ".",1,,DOT
1142         pop %eax                // Get the number to print into %eax
1143         call _DOT               // Easier to do this recursively ...
1144         NEXT
1145 _DOT:
1146         mov $10,%ecx            // Base 10
1147 1:
1148         cmp %ecx,%eax
1149         jb 2f
1150         xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
1151         idivl %ecx
1152         pushl %edx
1153         call _DOT
1154         popl %eax
1155         jmp 1b
1156 2:
1157         xor %ah,%ah
1158         aam $10
1159         cwde
1160         addl $'0',%eax
1161         call _EMIT
1162         ret
1163
1164         // Parse a number from a string on the stack -- almost the opposite of . (DOT)
1165         // Note that there is absolutely no error checking.  In particular the length of the
1166         // string must be >= 1 bytes.
1167         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1168         pop %edi
1169         pop %ecx
1170         call _SNUMBER
1171         push %eax
1172         NEXT
1173 _SNUMBER:
1174         xor %eax,%eax
1175         xor %ebx,%ebx
1176 1:
1177         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1178         movb (%edi),%bl
1179         inc %edi
1180         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1181         add %ebx,%eax
1182         dec %ecx
1183         jnz 1b
1184         ret
1185
1186         defcode "FIND",4,,FIND
1187         pop %edi                // %edi = address
1188         pop %ecx                // %ecx = length
1189         call _FIND
1190         push %eax
1191         NEXT
1192
1193 _FIND:
1194         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1195
1196         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1197         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1198 1:
1199         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1200         je 4f
1201
1202         // Compare the length expected and the length of the word.
1203         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1204         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1205         xor %eax,%eax
1206         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1207         andb $(F_HIDDEN|0x1f),%al // %al = name length
1208         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1209         jne 2f
1210
1211         // Compare the strings in detail.
1212         push %ecx               // Save the length
1213         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1214         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1215         repe cmpsb              // Compare the strings.
1216         pop %edi
1217         pop %ecx
1218         jne 2f                  // Not the same.
1219
1220         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1221         pop %esi
1222         mov %edx,%eax
1223         ret
1224
1225 2:
1226         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1227         jmp 1b                  // .. and loop.
1228
1229 4:      // Not found.
1230         pop %esi
1231         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1232         ret
1233
1234         defcode ">CFA",4,,TCFA  // DEA -> Codeword address
1235         pop %edi
1236         call _TCFA
1237         push %edi
1238         NEXT
1239 _TCFA:
1240         xor %eax,%eax
1241         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1242         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1243         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1244         andb $0x1f,%al          // Just the length, not the flags.
1245         add %eax,%edi           // Skip the name.
1246         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1247         andl $~3,%edi
1248         ret
1249
1250         defcode "CHAR",4,,CHAR
1251         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1252         xor %eax,%eax
1253         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
1254         push %eax               // Push it onto the stack.
1255         NEXT
1256
1257         defcode ":",1,,COLON
1258
1259         // Get the word and create a dictionary entry header for it.
1260         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1261         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1262
1263         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1264         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1265         stosl                   // and store it in the header.
1266
1267         mov %cl,%al             // Get the length.
1268         orb $F_HIDDEN,%al       // Set the HIDDEN flag on this entry.
1269         stosb                   // Store the length/flags byte.
1270         push %esi
1271         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1272         rep movsb               // Copy the word
1273         pop %esi
1274         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1275         andl $~3,%edi
1276
1277         movl $DOCOL,%eax        // The codeword for user-created words is always DOCOL (the interpreter)
1278         stosl
1279
1280         // Header built, so now update LATEST and HERE.
1281         // We'll be compiling words and putting them HERE.
1282         movl var_HERE,%eax
1283         movl %eax,var_LATEST
1284         movl %edi,var_HERE
1285
1286         // And go into compile mode by setting STATE to 1.
1287         movl $1,var_STATE
1288         NEXT
1289
1290         defcode ",",1,,COMMA
1291         pop %eax                // Code pointer to store.
1292         call _COMMA
1293         NEXT
1294 _COMMA:
1295         movl var_HERE,%edi      // HERE
1296         stosl                   // Store it.
1297         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1298         ret
1299
1300         defcode ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1301         movl $EXIT,%eax         // EXIT is the final codeword in compiled words.
1302         call _COMMA             // Store it.
1303         call _HIDDEN            // Toggle the HIDDEN flag (unhides the new word).
1304         xor %eax,%eax           // Set STATE to 0 (back to execute mode).
1305         movl %eax,var_STATE
1306         NEXT
1307
1308         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1309         call _IMMEDIATE
1310         NEXT
1311 _IMMEDIATE:
1312         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1313         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1314         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1315         ret
1316
1317         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1318         call _HIDDEN
1319         NEXT
1320 _HIDDEN:
1321         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1322         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1323         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1324         ret
1325
1326 /* This definiton of ' (TICK) is strictly cheating - it also only works in compiled code. */
1327         defcode "'",1,,TICK
1328         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1329         pushl %eax              // Push it on the stack.
1330         NEXT
1331
1332         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1333         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1334         NEXT
1335
1336         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1337         pop %eax
1338         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1339         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1340         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1341         NEXT
1342
1343         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1344         lodsl                   // get the length of the string
1345         push %eax               // push it on the stack
1346         push %esi               // push the address of the start of the string
1347         addl %eax,%esi          // skip past the string
1348         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1349         andl $~3,%esi
1350         NEXT
1351
1352         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1353         defword "COLD",4,,COLD
1354         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1355         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1356
1357 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1358  * it later with a more powerful one!
1359  */
1360         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1361         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1362
1363         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1364         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1365
1366         // Is it in the dictionary?
1367         xor %eax,%eax
1368         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1369         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1370         test %eax,%eax          // Found?
1371         jz 1f
1372
1373         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1374         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1375         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1376         push %ax                // Just save it for now.
1377         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1378         pop %ax
1379         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1380         mov %edi,%eax
1381         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1382
1383         jmp 2f
1384
1385 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1386         incl interpret_is_lit
1387         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1388         mov %eax,%ebx
1389         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1390
1391 2:      // Are we compiling or executing?
1392         movl var_STATE,%edx
1393         test %edx,%edx
1394         jz 4f                   // Jump if executing.
1395
1396         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
1397         call _COMMA
1398         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
1399         test %ecx,%ecx
1400         jz 3f
1401         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
1402         call _COMMA
1403 3:      NEXT
1404
1405 4:      // Executing - run it!
1406         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
1407         test %ecx,%ecx          // Literal?
1408         jnz 5f
1409
1410         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
1411         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
1412         jmp *(%eax)
1413
1414 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
1415         push %ebx
1416         NEXT
1417
1418         .data
1419         .align 4
1420 interpret_is_lit:
1421         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
1422
1423         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
1424         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
1425         pop %ebx
1426         mov $__NR_exit,%eax
1427         int $0x80
1428
1429 /*----------------------------------------------------------------------
1430  * Input buffer & initial input.
1431  */
1432         .data
1433         .align 4096
1434 buffer:
1435         // XXX gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore
1436         .ascii "\
1437 \\ Define some character constants
1438 : '\\n'   10 ;
1439 : 'SPACE' 32 ;
1440 : '\"'    34 ;
1441 : ':'     58 ;
1442
1443 \\ CR prints a carriage return
1444 : CR '\\n' EMIT ;
1445
1446 \\ SPACE prints a space
1447 : SPACE 'SPACE' EMIT ;
1448
1449 \\ Primitive . (DOT) function doesn't follow with a blank, so redefine it to behave like FORTH.
1450 \\ Notice how we can trivially redefine existing functions.
1451 : . . SPACE ;
1452
1453 \\ DUP, DROP are defined in assembly for speed, but this is how you might define them
1454 \\ in FORTH.  Notice use of the scratch variables _X and _Y.
1455 \\ : DUP _X ! _X @ _X @ ;
1456 \\ : DROP _X ! ;
1457
1458 \\ The 2... versions of the standard operators work on pairs of stack entries.  They're not used
1459 \\ very commonly so not really worth writing in assembler.  Here is how they are defined in FORTH.
1460 : 2DUP OVER OVER ;
1461 : 2DROP DROP DROP ;
1462
1463 \\ More standard FORTH words.
1464 : 2* 2 * ;
1465 : 2/ 2 / ;
1466
1467 \\ [ and ] allow you to break into immediate mode while compiling a word.
1468 : [ IMMEDIATE           \\ define [ as an immediate word
1469         0 STATE !       \\ go into immediate mode
1470         ;
1471
1472 : ]
1473         1 STATE !       \\ go back to compile mode
1474         ;
1475
1476 \\ LITERAL takes whatever is on the stack and compiles LIT <foo>
1477 : LITERAL IMMEDIATE
1478         ' LIT ,         \\ compile LIT
1479         ,               \\ compile the literal itself (from the stack)
1480         ;
1481
1482 \\ condition IF true-part THEN rest
1483 \\   compiles to:
1484 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part rest
1485 \\   where OFFSET is the offset of 'rest'
1486 \\ condition IF true-part ELSE false-part THEN
1487 \\   compiles to:
1488 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part BRANCH OFFSET2 false-part rest
1489 \\   where OFFSET if the offset of false-part and OFFSET2 is the offset of rest
1490
1491 \\ IF is an IMMEDIATE word which compiles 0BRANCH followed by a dummy offset, and places
1492 \\ the address of the 0BRANCH on the stack.  Later when we see THEN, we pop that address
1493 \\ off the stack, calculate the offset, and back-fill the offset.
1494 : IF IMMEDIATE
1495         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1496         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1497         0 ,             \\ compile a dummy offset
1498 ;
1499
1500 : THEN IMMEDIATE
1501         DUP
1502         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1503         SWAP !          \\ store the offset in the back-filled location
1504 ;
1505
1506 : ELSE IMMEDIATE
1507         ' BRANCH ,      \\ definite branch to just over the false-part
1508         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1509         0 ,             \\ compile a dummy offset
1510         SWAP            \\ now back-fill the original (IF) offset
1511         DUP             \\ same as for THEN word above
1512         HERE @ SWAP -
1513         SWAP !
1514 ;
1515
1516 \\ BEGIN loop-part condition UNTIL
1517 \\   compiles to:
1518 \\ loop-part condition 0BRANCH OFFSET
1519 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1520 \\ This is like do { loop-part } while (condition) in the C language
1521 : BEGIN IMMEDIATE
1522         HERE @          \\ save location on the stack
1523 ;
1524
1525 : UNTIL IMMEDIATE
1526         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1527         HERE @ -        \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1528         ,               \\ compile the offset here
1529 ;
1530
1531 \\ BEGIN loop-part AGAIN
1532 \\   compiles to:
1533 \\ loop-part BRANCH OFFSET
1534 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1535 \\ In other words, an infinite loop which can only be returned from with EXIT
1536 : AGAIN IMMEDIATE
1537         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1538         HERE @ -        \\ calculate the offset back
1539         ,               \\ compile the offset here
1540 ;
1541
1542 \\ BEGIN condition WHILE loop-part REPEAT
1543 \\   compiles to:
1544 \\ condition 0BRANCH OFFSET2 loop-part BRANCH OFFSET
1545 \\   where OFFSET points back to condition (the beginning) and OFFSET2 points to after the whole piece of code
1546 \\ So this is like a while (condition) { loop-part } loop in the C language
1547 : WHILE IMMEDIATE
1548         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1549         HERE @          \\ save location of the offset2 on the stack
1550         0 ,             \\ compile a dummy offset2
1551 ;
1552
1553 : REPEAT IMMEDIATE
1554         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1555         SWAP            \\ get the original offset (from BEGIN)
1556         HERE @ - ,      \\ and compile it after BRANCH
1557         DUP
1558         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset2
1559         SWAP !          \\ and back-fill it in the original location
1560 ;
1561
1562 \\ With the looping constructs, we can now write SPACES, which writes n spaces to stdout.
1563 : SPACES
1564         BEGIN
1565                 SPACE   \\ print a space
1566                 1-      \\ until we count down to 0
1567                 DUP 0=
1568         UNTIL
1569 ;
1570
1571 \\ .S prints the contents of the stack.  Very useful for debugging.
1572 : .S
1573         DSP@            \\ get current stack pointer
1574         BEGIN
1575                 DUP @ .         \\ print the stack element
1576                 4+              \\ move up
1577                 DUP S0 @ 4- =   \\ stop when we get to the top
1578         UNTIL
1579         DROP
1580 ;
1581
1582 \\ DEPTH returns the depth of the stack.
1583 : DEPTH S0 @ DSP@ - ;
1584
1585 \\ .\" is the print string operator in FORTH.  Example: .\" Something to print\"
1586 \\ The space after the operator is the ordinary space required between words.
1587 \\ This is tricky to define because it has to do different things depending on whether
1588 \\ we are compiling or in immediate mode.  (Thus the word is marked IMMEDIATE so it can
1589 \\ detect this and do different things).
1590 \\ In immediate mode we just keep reading characters and printing them until we get to
1591 \\ the next double quote.
1592 \\ In compile mode we have the problem of where we're going to store the string (remember
1593 \\ that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
1594 \\ come round to running the function).  We store the string in the compiled function
1595 \\ like this:
1596 \\   LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
1597 : .\" IMMEDIATE
1598         STATE @         \\ compiling?
1599         IF
1600                 ' LITSTRING ,   \\ compile LITSTRING
1601                 HERE @          \\ save the address of the length word on the stack
1602                 0 ,             \\ dummy length - we don't know what it is yet
1603                 BEGIN
1604                         KEY             \\ get next character of the string
1605                         DUP '\"' <>
1606                 WHILE
1607                         HERE @ !b       \\ store the character in the compiled image
1608                         1 HERE +!       \\ increment HERE pointer by 1 byte
1609                 REPEAT
1610                 DROP            \\ drop the double quote character at the end
1611                 DUP             \\ get the saved address of the length word
1612                 HERE @ SWAP -   \\ calculate the length
1613                 4-              \\ subtract 4 (because we measured from the start of the length word)
1614                 SWAP !          \\ and back-fill the length location
1615                 HERE @          \\ round up to next multiple of 4 bytes for the remaining code
1616                 3 +
1617                 3 INVERT AND
1618                 HERE !
1619                 ' EMITSTRING ,  \\ compile the final EMITSTRING
1620         ELSE
1621                 \\ In immediate mode, just read characters and print them until we get
1622                 \\ to the ending double quote.  Much simpler than the above code!
1623                 BEGIN
1624                         KEY
1625                         DUP '\"' = IF EXIT THEN
1626                         EMIT
1627                 AGAIN
1628         THEN
1629 ;
1630
1631 \\ While compiling, [COMPILE] WORD compiles WORD if it would otherwise be IMMEDIATE.
1632 : [COMPILE] IMMEDIATE
1633         WORD            \\ get the next word
1634         FIND            \\ find it in the dictionary
1635         >CFA            \\ get its codeword
1636         ,               \\ and compile that
1637 ;
1638
1639 \\ RECURSE makes a recursive call to the current word that is being compiled.
1640 \\ Normally while a word is being compiled, it is marked HIDDEN so that references to the
1641 \\ same word within are calls to the previous definition of the word.
1642 : RECURSE IMMEDIATE
1643         LATEST @ >CFA   \\ LATEST points to the word being compiled at the moment
1644         ,               \\ compile it
1645 ;
1646
1647 \\ ALLOT is used to allocate (static) memory when compiling.  It increases HERE by
1648 \\ the amount given on the stack.
1649 : ALLOT HERE +! ;
1650
1651
1652 \\ Finally print the welcome prompt.
1653 .\" OK \"
1654 "
1655
1656 _initbufftop:
1657         .align 4096
1658 buffend:
1659
1660 currkey:
1661         .int buffer
1662 bufftop:
1663         .int _initbufftop