Restructure Makefile to add automated tests.
[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         This is PUBLIC DOMAIN (see public domain release statement below).
4         $Id: jonesforth.S,v 1.42 2007-10-07 11:07:15 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -Wl,--build-id=none -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,42
9 /*
10         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
11
12         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
13         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
14         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
15         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
16         languages, even if you will never use them.
17
18         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
19         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
20         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
21         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
22         and loops.
23
24         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
25         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
26         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
27         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
28         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
29         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
30         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
31         completely understand how Linux works, or gcc?
32
33         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
34         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
35         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
36         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
37         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
38         written in FORTH itself.
39
40         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
41         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
42         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
43         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
44         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
45         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
46         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
47         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
48         the language?  No problem in FORTH.  How about modifying the FORTH compiler to allow
49         complex inlining strategies -- simple.  This concept isn't common in programming languages,
50         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
51         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
52
53         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
54         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
55         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
56         superficial understanding of how to use it.
57
58         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
59         references to read:
60
61         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
62
63         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
64
65         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
66
67         http://www.albany.net/~hello/simple.htm
68
69         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
70
71         Discussion and criticism of this FORTH here: http://lambda-the-ultimate.org/node/2452
72
73         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
74
75         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
76         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
77
78         Some parts of this FORTH are also based on this IOCCC entry from 1992:
79         http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design.
80         I was very proud when Sean Barrett, the original author of the IOCCC entry, commented in the LtU thread
81         http://lambda-the-ultimate.org/node/2452#comment-36818 about this FORTH.
82
83         And finally I'd like to acknowledge the (possibly forgotten?) authors of ARTIC FORTH because their
84         original program which I still have on original cassette tape kept nagging away at me all these years.
85         http://en.wikipedia.org/wiki/Artic_Software
86
87         PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
88
89         I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
90
91         In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
92         without any conditions, unless such conditions are required by law.
93
94         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
95
96         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
97         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
98         uses a fixed width font and is at least this wide:
99
100  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
101
102         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
103         line.  If not, sort out your tabs.
104
105         |
106         |
107         |
108
109         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
110
111         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
112
113         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
114         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
115         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
116         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
117         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
118         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
119         this on a 64 bit AMD Opteron).
120
121         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
122         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
123
124         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -Wl,--build-id=none -o jonesforth jonesforth.S
125         cat jonesforth.f - | ./jonesforth
126
127         If you want to run your own FORTH programs you can do:
128
129         cat jonesforth.f myprog.f | ./jonesforth
130
131         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
132
133         cat jonesforth.f myfunctions.f - | ./jonesforth
134
135         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
136
137         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
138         follow this tutorial).
139
140         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
141
142         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
143             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
144             have special purposes.
145
146         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
147
148         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
149             causes a read from memory instead, so:
150             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
151             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
152
153         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
154             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
155
156         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
157
158         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
159             less repetitive.
160
161         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
162
163         Now the tutorial starts in earnest.
164
165         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
166
167         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
168         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
169
170         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
171         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
172
173         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
174         which is just a linked list of dictionary entries.
175
176         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
177         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
178         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
179         |                        | FLAGS  |                   |
180         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
181
182         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
183         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
184         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
185         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
186         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
187         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
188         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
189
190         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
191         other words, the head of this linked list.
192
193         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
194
195           pointer to previous word
196            ^
197            |
198         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
199         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
200         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
201            ^       len                         padding
202            |
203         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
204         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
205         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
206            ^       len                                     padding
207            |
208            |
209           LATEST
210
211         You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
212         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
213         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
214         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
215         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
216         assembly code later on.
217
218         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
219         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
220         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
221         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
222         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
223         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
224         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
225
226         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
227
228         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
229         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
230         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
231         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
232         (rich@annexia.org).
233
234         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
235         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
236         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
237
238         f ()
239         {
240           a ();
241           b ();
242           c ();
243         }
244
245         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
246         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
247         i386 machine code.
248
249         f:
250           CALL a                        E8 08 00 00 00
251           CALL b                        E8 1C 00 00 00
252           CALL c                        E8 2C 00 00 00
253           ; ignore the return from the function for now
254
255         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
256         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
257         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
258         by compressing this into just:
259
260         08 00 00 00             Just the function addresses, without
261         1C 00 00 00             the CALL prefix.
262         2C 00 00 00
263
264         On a 16-bit machine like the ones which originally ran FORTH the savings are even greater - 33%.
265
266         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
267         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
268         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
269         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
270         useful properties].
271
272         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
273         which takes each pair of bytes and calls it.
274
275         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
276         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
277         pointer to the next word to execute in the %esi register:
278
279                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
280         %esi -> 1C 00 00 00
281                 2C 00 00 00
282
283         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
284         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
285         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
286
287                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
288                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
289         %esi -> 2C 00 00 00
290
291         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
292         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
293
294                 08 00 00 00
295                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
296         %esi -> 2C 00 00 00
297
298         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
299         which literally make the jump to the next subroutine.
300
301         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
302 */
303
304 /* NEXT macro. */
305         .macro NEXT
306         lodsl
307         jmp *(%eax)
308         .endm
309
310 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
311
312         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
313         a return.
314
315         The above describes what is known as direct threaded code.
316
317         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
318         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
319         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
320
321         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
322
323         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
324
325         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
326         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
327
328         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
329
330         I lied about JMP *(%eax).  
331
332         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
333
334         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
335         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
336         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
337
338                 +------------------+
339                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
340                 +------------------+                    NEXT
341         %esi -> | addr of DOUBLE   |
342                 +------------------+
343
344         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
345         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
346
347         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
348
349         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
350
351                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
352
353                 +------------------+
354                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
355                 +------------------+
356                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
357                 +------------------+               | codeword         |
358                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
359                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
360                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
361                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
362                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
363                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
364                                                    +------------------+    |       |    ..            |
365                                                                            |       |    ..            |
366                                                                            |       | NEXT             |
367                                                                            |       +------------------+
368                                                                            |
369                                                                            +-----> +------------------+
370                                                                                    | codeword      -------+
371                                                                                    +------------------+   |
372                                                                                    | assembly to   <------+
373                                                                                    | implement +      |
374                                                                                    |    ..            |
375                                                                                    |    ..            |
376                                                                                    | NEXT             |
377                                                                                    +------------------+
378
379         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
380         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
381         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
382         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
383         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
384         They don't need interpreting, they just run.
385
386         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
387         function.
388
389         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
390         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
391         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
392
393         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
394
395         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
396         (2) increments %esi by 4
397         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
398                                                         ie. the assembly code to implement +
399
400                 +------------------+
401                 | codeword         |
402                 +------------------+
403                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
404                 +------------------+               | codeword         |
405                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
406                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
407                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
408                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
409                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
410                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
411                                                    +------------------+    |       |    ..            |
412                                                                            |       |    ..            |
413                                                                            |       | NEXT             |
414                                                                            |       +------------------+
415                                                                            |
416                                                                            +-----> +------------------+
417                                                                                    | codeword      -------+
418                                                                                    +------------------+   |
419                                                                         now we're  | assembly to    <-----+
420                                                                         executing  | implement +      |
421                                                                         this       |    ..            |
422                                                                         function   |    ..            |
423                                                                                    | NEXT             |
424                                                                                    +------------------+
425
426         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
427         indirect threaded code.
428
429         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
430
431         .
432         .
433         .
434
435         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
436         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
437         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
438         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
439         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
440
441         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
442
443         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
444         and the return stack.
445
446         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
447         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
448         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
449         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
450         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
451         threaded model above.
452
453         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
454         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
455         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
456         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
457
458         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
459         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
460         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
461         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
462
463         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
464         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
465         for our return stack.
466
467         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
468         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
469         (pop top of return stack into %ebx).
470 */
471
472 /* Macros to deal with the return stack. */
473         .macro PUSHRSP reg
474         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
475         movl \reg,(%ebp)
476         .endm
477
478         .macro POPRSP reg
479         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
480         lea 4(%ebp),%ebp
481         .endm
482
483 /*
484         And with that we can now talk about the interpreter.
485
486         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
487         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
488
489         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
490         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
491         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
492         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
493         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
494         to run.
495 */
496
497 /* DOCOL - the interpreter! */
498         .text
499         .align 4
500 DOCOL:
501         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
502         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
503         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
504         NEXT
505
506 /*
507         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
508         into DOUBLE:
509
510                 QUADRUPLE:
511                 +------------------+
512                 | codeword         |
513                 +------------------+               DOUBLE:
514                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
515                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
516         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
517                 +------------------+               | addr of DUP      |
518                 | addr of EXIT     |               +------------------+
519                 +------------------+               | etc.             |
520
521         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
522         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
523         just add 4 on to it to get our new %esi:
524
525                 QUADRUPLE:
526                 +------------------+
527                 | codeword         |
528                 +------------------+               DOUBLE:
529                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
530 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
531 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
532                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
533                 | addr of EXIT     |               +------------------+
534                 +------------------+               | etc.             |
535
536         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
537         and calls DUP.
538
539         Well, it seems to work.
540
541         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
542         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
543         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
544         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
545         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
546
547         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
548
549         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
550         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
551         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
552         assembly language primitives).
553
554         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
555         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
556         immediately jumps to a FORTH word called QUIT.  Despite its name, QUIT doesn't quit
557         anything.  It resets some internal state and starts reading and interpreting commands.
558         (The reason it is called QUIT is because you can call QUIT from your own FORTH code
559         to "quit" your program and go back to interpreting).
560 */
561
562 /* Assembler entry point. */
563         .text
564         .globl _start
565 _start:
566         cld
567         mov %esp,var_S0         // Save the initial data stack pointer in FORTH variable S0.
568         mov $return_stack_top,%ebp // Initialise the return stack.
569         call set_up_data_segment
570
571         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
572         NEXT                    // Run interpreter!
573
574         .section .rodata
575 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
576         .int QUIT
577
578 /*
579         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
580
581         Remember our dictionary entries (headers)?  Let's bring those together with the codeword
582         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
583
584           pointer to previous word
585            ^
586            |
587         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
588         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
589         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
590            ^       len                         pad  codeword      |
591            |                                                      V
592           LINK in next word                             points to codeword of DUP
593         
594         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
595         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
596         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
597         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
598         unsure of them).
599
600         The long way would be:
601         .int <link to previous word>
602         .byte 6                 // len
603         .ascii "DOUBLE"         // string
604         .byte 0                 // padding
605 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
606         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
607         .int PLUS               // pointer to codeword of +
608         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
609
610         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
611         so that I can just write:
612
613         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
614         .int DUP,PLUS,EXIT
615
616         and I'll get exactly the same effect.
617
618         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
619 */
620
621 /* Flags - these are discussed later. */
622         .set F_IMMED,0x80
623         .set F_HIDDEN,0x20
624         .set F_LENMASK,0x1f     // length mask
625
626         // Store the chain of links.
627         .set link,0
628
629         .macro defword name, namelen, flags=0, label
630         .section .rodata
631         .align 4
632         .globl name_\label
633 name_\label :
634         .int link               // link
635         .set link,name_\label
636         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
637         .ascii "\name"          // the name
638         .align 4                // padding to next 4 byte boundary
639         .globl \label
640 \label :
641         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
642         // list of word pointers follow
643         .endm
644
645 /*
646         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
647         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
648         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
649         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
650
651         This is what DUP looks like in memory:
652
653           pointer to previous word
654            ^
655            |
656         +--|------+---+---+---+---+------------+
657         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
658         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
659            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
660            |
661           LINK in next word
662
663         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
664 */
665
666         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
667         .section .rodata
668         .align 4
669         .globl name_\label
670 name_\label :
671         .int link               // link
672         .set link,name_\label
673         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
674         .ascii "\name"          // the name
675         .align 4                // padding to next 4 byte boundary
676         .globl \label
677 \label :
678         .int code_\label        // codeword
679         .text
680         //.align 4
681         .globl code_\label
682 code_\label :                   // assembler code follows
683         .endm
684
685 /*
686         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
687         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
688         you can skip the details.
689 */
690
691         defcode "DROP",4,,DROP
692         pop %eax                // drop top of stack
693         NEXT
694
695         defcode "SWAP",4,,SWAP
696         pop %eax                // swap top two elements on stack
697         pop %ebx
698         push %eax
699         push %ebx
700         NEXT
701
702         defcode "DUP",3,,DUP
703         mov (%esp),%eax         // duplicate top of stack
704         push %eax
705         NEXT
706
707         defcode "OVER",4,,OVER
708         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
709         push %eax               // and push it on top
710         NEXT
711
712         defcode "ROT",3,,ROT
713         pop %eax
714         pop %ebx
715         pop %ecx
716         push %eax
717         push %ecx
718         push %ebx
719         NEXT
720
721         defcode "-ROT",4,,NROT
722         pop %eax
723         pop %ebx
724         pop %ecx
725         push %ebx
726         push %eax
727         push %ecx
728         NEXT
729
730         defcode "?DUP",4,,QDUP  // duplicate top of stack if non-zero
731         movl (%esp),%eax
732         test %eax,%eax
733         jz 1f
734         push %eax
735 1:      NEXT
736
737         defcode "1+",2,,INCR
738         incl (%esp)             // increment top of stack
739         NEXT
740
741         defcode "1-",2,,DECR
742         decl (%esp)             // decrement top of stack
743         NEXT
744
745         defcode "4+",2,,INCR4
746         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
747         NEXT
748
749         defcode "4-",2,,DECR4
750         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
751         NEXT
752
753         defcode "+",1,,ADD
754         pop %eax                // get top of stack
755         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
756         NEXT
757
758         defcode "-",1,,SUB
759         pop %eax                // get top of stack
760         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
761         NEXT
762
763         defcode "*",1,,MUL
764         pop %eax
765         pop %ebx
766         imull %ebx,%eax
767         push %eax               // ignore overflow
768         NEXT
769
770 /*
771         In this FORTH, only /MOD is primitive.  Later we will define the / and MOD words in
772         terms of the primitive /MOD.  The design of the i386 assembly instruction idiv which
773         leaves both quotient and remainder makes this the obvious choice.
774 */
775
776         defcode "/MOD",4,,DIVMOD
777         xor %edx,%edx
778         pop %ebx
779         pop %eax
780         idivl %ebx
781         push %edx               // push remainder
782         push %eax               // push quotient
783         NEXT
784
785 /*
786         Lots of comparison operations.
787
788         ANS FORTH says that the comparison words should return all (binary) 1's for
789         TRUE and all 0's for FALSE.  However this is a bit of a strange convention
790         so this FORTH breaks it and returns the more normal (for C programmers ...)
791         1 meaning TRUE and 0 meaning FALSE.
792 */
793
794         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
795         pop %eax
796         pop %ebx
797         cmp %ebx,%eax
798         sete %al
799         movzbl %al,%eax
800         pushl %eax
801         NEXT
802
803         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
804         pop %eax
805         pop %ebx
806         cmp %ebx,%eax
807         setne %al
808         movzbl %al,%eax
809         pushl %eax
810         NEXT
811
812         defcode "<",1,,LT
813         pop %eax
814         pop %ebx
815         cmp %eax,%ebx
816         setl %al
817         movzbl %al,%eax
818         pushl %eax
819         NEXT
820
821         defcode ">",1,,GT
822         pop %eax
823         pop %ebx
824         cmp %eax,%ebx
825         setg %al
826         movzbl %al,%eax
827         pushl %eax
828         NEXT
829
830         defcode "<=",2,,LE
831         pop %eax
832         pop %ebx
833         cmp %eax,%ebx
834         setle %al
835         movzbl %al,%eax
836         pushl %eax
837         NEXT
838
839         defcode ">=",2,,GE
840         pop %eax
841         pop %ebx
842         cmp %eax,%ebx
843         setge %al
844         movzbl %al,%eax
845         pushl %eax
846         NEXT
847
848         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
849         pop %eax
850         test %eax,%eax
851         setz %al
852         movzbl %al,%eax
853         pushl %eax
854         NEXT
855
856         defcode "0<>",3,,ZNEQU  // top of stack not 0?
857         pop %eax
858         test %eax,%eax
859         setnz %al
860         movzbl %al,%eax
861         pushl %eax
862         NEXT
863
864         defcode "0<",2,,ZLT     // comparisons with 0
865         pop %eax
866         test %eax,%eax
867         setl %al
868         movzbl %al,%eax
869         pushl %eax
870         NEXT
871
872         defcode "0>",2,,ZGT
873         pop %eax
874         test %eax,%eax
875         setg %al
876         movzbl %al,%eax
877         pushl %eax
878         NEXT
879
880         defcode "0<=",3,,ZLE
881         pop %eax
882         test %eax,%eax
883         setle %al
884         movzbl %al,%eax
885         pushl %eax
886         NEXT
887
888         defcode "0>=",3,,ZGE
889         pop %eax
890         test %eax,%eax
891         setge %al
892         movzbl %al,%eax
893         pushl %eax
894         NEXT
895
896         defcode "AND",3,,AND    // bitwise AND
897         pop %eax
898         andl %eax,(%esp)
899         NEXT
900
901         defcode "OR",2,,OR      // bitwise OR
902         pop %eax
903         orl %eax,(%esp)
904         NEXT
905
906         defcode "XOR",3,,XOR    // bitwise XOR
907         pop %eax
908         xorl %eax,(%esp)
909         NEXT
910
911         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH bitwise "NOT" function (cf. NEGATE and NOT)
912         notl (%esp)
913         NEXT
914
915 /*
916         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
917
918         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
919         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
920
921                 QUADRUPLE
922                 +------------------+
923                 | codeword         |
924                 +------------------+               DOUBLE
925                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
926                 +------------------+               | codeword         |
927                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
928                 +------------------+               | addr of DUP      |
929                 | addr of EXIT     |               +------------------+
930                 +------------------+               | addr of +        |
931                                                    +------------------+
932                                            %esi -> | addr of EXIT     |
933                                                    +------------------+
934
935         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
936 */
937
938         defcode "EXIT",4,,EXIT
939         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
940         NEXT
941
942 /*
943         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
944         So after this (but just before NEXT) we get:
945
946                 QUADRUPLE
947                 +------------------+
948                 | codeword         |
949                 +------------------+               DOUBLE
950                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
951                 +------------------+               | codeword         |
952         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
953                 +------------------+               | addr of DUP      |
954                 | addr of EXIT     |               +------------------+
955                 +------------------+               | addr of +        |
956                                                    +------------------+
957                                                    | addr of EXIT     |
958                                                    +------------------+
959
960         And NEXT just completes the job by, well, in this case just by calling DOUBLE again :-)
961
962         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
963
964         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
965         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
966
967         : DOUBLE 2 * ;
968
969         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
970         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
971         a function for every single literal that you wanted to use.
972
973         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
974
975         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
976         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
977         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
978
979         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
980         looks at %esi (which now points to the number 2), grabs it, pushes it on the stack, then
981         manipulates %esi in order to skip the number as if it had never been there.
982
983         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
984         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
985         see if you can find out how LIT works:
986 */
987
988         defcode "LIT",3,,LIT
989         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
990         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
991         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
992         lodsl
993         push %eax               // push the literal number on to stack
994         NEXT
995
996 /*
997         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
998
999         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
1000         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
1001         the primitive words for doing it.
1002 */
1003
1004         defcode "!",1,,STORE
1005         pop %ebx                // address to store at
1006         pop %eax                // data to store there
1007         mov %eax,(%ebx)         // store it
1008         NEXT
1009
1010         defcode "@",1,,FETCH
1011         pop %ebx                // address to fetch
1012         mov (%ebx),%eax         // fetch it
1013         push %eax               // push value onto stack
1014         NEXT
1015
1016         defcode "+!",2,,ADDSTORE
1017         pop %ebx                // address
1018         pop %eax                // the amount to add
1019         addl %eax,(%ebx)        // add it
1020         NEXT
1021
1022         defcode "-!",2,,SUBSTORE
1023         pop %ebx                // address
1024         pop %eax                // the amount to subtract
1025         subl %eax,(%ebx)        // add it
1026         NEXT
1027
1028 /*
1029         ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes
1030         so we also define standard words C@ and C!.
1031
1032         Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
1033  */
1034
1035         defcode "C!",2,,STOREBYTE
1036         pop %ebx                // address to store at
1037         pop %eax                // data to store there
1038         movb %al,(%ebx)         // store it
1039         NEXT
1040
1041         defcode "C@",2,,FETCHBYTE
1042         pop %ebx                // address to fetch
1043         xor %eax,%eax
1044         movb (%ebx),%al         // fetch it
1045         push %eax               // push value onto stack
1046         NEXT
1047
1048 /* C@C! is a useful byte copy primitive. */
1049         defcode "C@C!",4,,CCOPY
1050         movl 4(%esp),%ebx       // source address
1051         movb (%ebx),%al         // get source character
1052         pop %edi                // destination address
1053         stosb                   // copy to destination
1054         push %edi               // increment destination address
1055         incl 4(%esp)            // increment source address
1056         NEXT
1057
1058 /* and CMOVE is a block copy operation. */
1059         defcode "CMOVE",5,,CMOVE
1060         mov %esi,%edx           // preserve %esi
1061         pop %ecx                // length
1062         pop %edi                // destination address
1063         pop %esi                // source address
1064         rep movsb               // copy source to destination
1065         mov %edx,%esi           // restore %esi
1066         NEXT
1067
1068 /*
1069         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
1070
1071         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
1072         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
1073         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
1074         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
1075         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
1076
1077         LATEST @ . CR
1078
1079         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
1080         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
1081 */
1082
1083         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
1084         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1085         push $var_\name
1086         NEXT
1087         .data
1088         .align 4
1089 var_\name :
1090         .int \initial
1091         .endm
1092
1093 /*
1094         The built-in variables are:
1095
1096         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
1097         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
1098         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
1099         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
1100         BASE            The current base for printing and reading numbers.
1101
1102 */
1103         defvar "STATE",5,,STATE
1104         defvar "HERE",4,,HERE
1105         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSCALL0 // SYSCALL0 must be last in built-in dictionary
1106         defvar "S0",2,,SZ
1107         defvar "BASE",4,,BASE,10
1108
1109 /*
1110         BUILT-IN CONSTANTS ----------------------------------------------------------------------
1111
1112         It's also useful to expose a few constants to FORTH.  When the word is executed it pushes a
1113         constant value on the stack.
1114
1115         The built-in constants are:
1116
1117         VERSION         Is the current version of this FORTH.
1118         R0              The address of the top of the return stack.
1119         DOCOL           Pointer to DOCOL.
1120         F_IMMED         The IMMEDIATE flag's actual value.
1121         F_HIDDEN        The HIDDEN flag's actual value.
1122         F_LENMASK       The length mask in the flags/len byte.
1123
1124         SYS_*           and the numeric codes of various Linux syscalls (from <asm/unistd.h>)
1125 */
1126
1127 //#include <asm-i386/unistd.h>  // you might need this instead
1128 #include <asm/unistd.h>
1129
1130         .macro defconst name, namelen, flags=0, label, value
1131         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1132         push $\value
1133         NEXT
1134         .endm
1135
1136         defconst "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1137         defconst "R0",2,,RZ,return_stack_top
1138         defconst "DOCOL",5,,__DOCOL,DOCOL
1139         defconst "F_IMMED",7,,__F_IMMED,F_IMMED
1140         defconst "F_HIDDEN",8,,__F_HIDDEN,F_HIDDEN
1141         defconst "F_LENMASK",9,,__F_LENMASK,F_LENMASK
1142
1143         defconst "SYS_EXIT",8,,SYS_EXIT,__NR_exit
1144         defconst "SYS_OPEN",8,,SYS_OPEN,__NR_open
1145         defconst "SYS_CLOSE",9,,SYS_CLOSE,__NR_close
1146         defconst "SYS_READ",8,,SYS_READ,__NR_read
1147         defconst "SYS_WRITE",9,,SYS_WRITE,__NR_write
1148         defconst "SYS_CREAT",9,,SYS_CREAT,__NR_creat
1149         defconst "SYS_BRK",7,,SYS_BRK,__NR_brk
1150
1151         defconst "O_RDONLY",8,,__O_RDONLY,0
1152         defconst "O_WRONLY",8,,__O_WRONLY,1
1153         defconst "O_RDWR",6,,__O_RDWR,2
1154         defconst "O_CREAT",7,,__O_CREAT,0100
1155         defconst "O_EXCL",6,,__O_EXCL,0200
1156         defconst "O_TRUNC",7,,__O_TRUNC,01000
1157         defconst "O_APPEND",8,,__O_APPEND,02000
1158         defconst "O_NONBLOCK",10,,__O_NONBLOCK,04000
1159
1160 /*
1161         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1162
1163         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1164         the top of the return stack.
1165 */
1166
1167         defcode ">R",2,,TOR
1168         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1169         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1170         NEXT
1171
1172         defcode "R>",2,,FROMR
1173         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1174         push %eax               // and push on to parameter stack
1175         NEXT
1176
1177         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1178         push %ebp
1179         NEXT
1180
1181         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1182         pop %ebp
1183         NEXT
1184
1185         defcode "RDROP",5,,RDROP
1186         addl $4,%ebp            // pop return stack and throw away
1187         NEXT
1188
1189 /*
1190         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1191
1192         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1193         stack for us, and it is accessed through %esp.
1194 */
1195
1196         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1197         mov %esp,%eax
1198         push %eax
1199         NEXT
1200
1201         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1202         pop %esp
1203         NEXT
1204
1205 /*
1206         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1207
1208         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1209         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1210         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1211         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1212         as an opaque block of code that does what it says.
1213
1214         Let's discuss input first.
1215
1216         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1217         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1218         is pushed on the stack.
1219
1220         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1221         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1222         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1223
1224         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the start of this
1225         file).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1226         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1227         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1228         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1229
1230      buffer                           bufftop
1231         |                                |
1232         V                                V
1233         +-------------------------------+--------------------------------------+
1234         | INPUT READ FROM STDIN ....... | unused part of the buffer            |
1235         +-------------------------------+--------------------------------------+
1236                           ^
1237                           |
1238                        currkey (next character to read)
1239
1240         <---------------------- BUFFER_SIZE (4096 bytes) ---------------------->
1241         
1242 */
1243
1244         defcode "KEY",3,,KEY
1245         call _KEY
1246         push %eax               // push return value on stack
1247         NEXT
1248 _KEY:
1249         mov (currkey),%ebx
1250         cmp (bufftop),%ebx
1251         jge 1f                  // exhausted the input buffer?
1252         xor %eax,%eax
1253         mov (%ebx),%al
1254         inc %ebx
1255         mov %ebx,(currkey)
1256         ret
1257
1258 1:      // Out of input; use read(2) to fetch more input from stdin.
1259         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1260         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1261         mov %ecx,currkey
1262         mov $BUFFER_SIZE,%edx   // 3rd param: max length
1263         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1264         int $0x80
1265         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1266         jbe 2f
1267         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1268         mov %ecx,bufftop
1269         jmp _KEY
1270
1271 2:      // Error or end of input: exit the program.
1272         xor %ebx,%ebx
1273         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1274         int $0x80
1275
1276         .data
1277         .align 4
1278 currkey:
1279         .int buffer             // Current place in input buffer (next character to read).
1280 bufftop:
1281         .int buffer             // Last valid data in input buffer + 1.
1282
1283 /*
1284         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1285         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1286         it would be a good exercise to add it.
1287 */
1288
1289         defcode "EMIT",4,,EMIT
1290         pop %eax
1291         call _EMIT
1292         NEXT
1293 _EMIT:
1294         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1295
1296         // write needs the address of the byte to write
1297         mov %al,emit_scratch
1298         mov $emit_scratch,%ecx  // 2nd param: address
1299
1300         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1301
1302         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1303         int $0x80
1304         ret
1305
1306         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
1307 emit_scratch:
1308         .space 1                // scratch used by EMIT
1309
1310 /*
1311         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1312
1313         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1314         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1315         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1316         two words on the stack (with the length at the top of stack).
1317
1318         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1319         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1320         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1321         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1322         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated.
1323
1324         Start address+length is the normal way to represent strings in FORTH (not ending in an
1325         ASCII NUL character as in C), and so FORTH strings can contain any character including NULs
1326         and can be any length.
1327
1328         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1329         peculiarities and limitations.
1330
1331         Note that when executing, you'll see:
1332         WORD FOO
1333         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1334         : BAR WORD FOO ;
1335         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1336         and immediate mode, and you'll understand why.
1337 */
1338
1339         defcode "WORD",4,,WORD
1340         call _WORD
1341         push %edi               // push base address
1342         push %ecx               // push length
1343         NEXT
1344
1345 _WORD:
1346         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1347 1:
1348         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1349         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1350         je 3f                   // if so, skip the comment
1351         cmpb $' ',%al
1352         jbe 1b                  // if so, keep looking
1353
1354         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1355         mov $word_buffer,%edi   // pointer to return buffer
1356 2:
1357         stosb                   // add character to return buffer
1358         call _KEY               // get next key, returned in %al
1359         cmpb $' ',%al           // is blank?
1360         ja 2b                   // if not, keep looping
1361
1362         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1363         sub $word_buffer,%edi
1364         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1365         mov $word_buffer,%edi   // return address of the word
1366         ret
1367
1368         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1369 3:
1370         call _KEY
1371         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1372         jne 3b
1373         jmp 1b
1374
1375         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
1376         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1377         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1378 word_buffer:
1379         .space 32
1380
1381 /*
1382         As well as reading in words we'll need to read in numbers and for that we are using a function
1383         called NUMBER.  This parses a numeric string such as one returned by WORD and pushes the
1384         number on the parameter stack.
1385
1386         The function uses the variable BASE as the base (radix) for conversion, so for example if
1387         BASE is 2 then we expect a binary number.  Normally BASE is 10.
1388
1389         If the word starts with a '-' character then the returned value is negative.
1390
1391         If the string can't be parsed as a number (or contains characters outside the current BASE)
1392         then we need to return an error indication.  So NUMBER actually returns two items on the stack.
1393         At the top of stack we return the number of unconverted characters (ie. if 0 then all characters
1394         were converted, so there is no error).  Second from top of stack is the parsed number or a
1395         partial value if there was an error.
1396 */
1397         defcode "NUMBER",6,,NUMBER
1398         pop %ecx                // length of string
1399         pop %edi                // start address of string
1400         call _NUMBER
1401         push %eax               // parsed number
1402         push %ecx               // number of unparsed characters (0 = no error)
1403         NEXT
1404
1405 _NUMBER:
1406         xor %eax,%eax
1407         xor %ebx,%ebx
1408
1409         test %ecx,%ecx          // trying to parse a zero-length string is an error, but will return 0.
1410         jz 5f
1411
1412         movl var_BASE,%edx      // get BASE (in %dl)
1413
1414         // Check if first character is '-'.
1415         movb (%edi),%bl         // %bl = first character in string
1416         inc %edi
1417         push %eax               // push 0 on stack
1418         cmpb $'-',%bl           // negative number?
1419         jnz 2f
1420         pop %eax
1421         push %ebx               // push <> 0 on stack, indicating negative
1422         dec %ecx
1423         jnz 1f
1424         pop %ebx                // error: string is only '-'.
1425         movl $1,%ecx
1426         ret
1427
1428         // Loop reading digits.
1429 1:      imull %edx,%eax         // %eax *= BASE
1430         movb (%edi),%bl         // %bl = next character in string
1431         inc %edi
1432
1433         // Convert 0-9, A-Z to a number 0-35.
1434 2:      subb $'0',%bl           // < '0'?
1435         jb 4f
1436         cmp $10,%bl             // <= '9'?
1437         jb 3f
1438         subb $17,%bl            // < 'A'? (17 is 'A'-'0')
1439         jb 4f
1440         addb $10,%bl
1441
1442 3:      cmp %dl,%bl             // >= BASE?
1443         jge 4f
1444
1445         // OK, so add it to %eax and loop.
1446         add %ebx,%eax
1447         dec %ecx
1448         jnz 1b
1449
1450         // Negate the result if first character was '-' (saved on the stack).
1451 4:      pop %ebx
1452         test %ebx,%ebx
1453         jz 5f
1454         neg %eax
1455
1456 5:      ret
1457
1458 /*
1459         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1460
1461         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1462
1463         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1464         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1465         or 0 if it didn't.
1466
1467         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1468
1469     pointer to this
1470         |
1471         |
1472         V
1473         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1474         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1475         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1476
1477         See also >CFA and >DFA.
1478
1479         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1480 */
1481
1482         defcode "FIND",4,,FIND
1483         pop %ecx                // %ecx = length
1484         pop %edi                // %edi = address
1485         call _FIND
1486         push %eax               // %eax = address of dictionary entry (or NULL)
1487         NEXT
1488
1489 _FIND:
1490         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1491
1492         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1493         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1494 1:      test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1495         je 4f
1496
1497         // Compare the length expected and the length of the word.
1498         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1499         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1500         xor %eax,%eax
1501         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1502         andb $(F_HIDDEN|F_LENMASK),%al // %al = name length
1503         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1504         jne 2f
1505
1506         // Compare the strings in detail.
1507         push %ecx               // Save the length
1508         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1509         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1510         repe cmpsb              // Compare the strings.
1511         pop %edi
1512         pop %ecx
1513         jne 2f                  // Not the same.
1514
1515         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1516         pop %esi
1517         mov %edx,%eax
1518         ret
1519
1520 2:      mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1521         jmp 1b                  // .. and loop.
1522
1523 4:      // Not found.
1524         pop %esi
1525         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1526         ret
1527
1528 /*
1529         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1530         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1531         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1532
1533         The example below shows the result of:
1534
1535                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1536
1537         FIND returns a pointer to this
1538         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1539         |                                          |
1540         V                                          V
1541         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1542         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1543         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1544                                                    codeword
1545
1546         Notes:
1547
1548         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1549
1550         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1551         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1552         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1553         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions
1554         quickly.
1555
1556         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1557 */
1558
1559         defcode ">CFA",4,,TCFA
1560         pop %edi
1561         call _TCFA
1562         push %edi
1563         NEXT
1564 _TCFA:
1565         xor %eax,%eax
1566         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1567         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1568         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1569         andb $F_LENMASK,%al     // Just the length, not the flags.
1570         add %eax,%edi           // Skip the name.
1571         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1572         andl $~3,%edi
1573         ret
1574
1575 /*
1576         Related to >CFA is >DFA which takes a dictionary entry address as returned by FIND and
1577         returns a pointer to the first data field.
1578
1579         FIND returns a pointer to this
1580         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1581         |                                          |
1582         |                                          |    >DFA converts it to a pointer to this
1583         |                                          |             |
1584         V                                          V             V
1585         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1586         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1587         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1588                                                    codeword
1589
1590         (Note to those following the source of FIG-FORTH / ciforth: My >DFA definition is
1591         different from theirs, because they have an extra indirection).
1592
1593         You can see that >DFA is easily defined in FORTH just by adding 4 to the result of >CFA.
1594 */
1595
1596         defword ">DFA",4,,TDFA
1597         .int TCFA               // >CFA         (get code field address)
1598         .int INCR4              // 4+           (add 4 to it to get to next word)
1599         .int EXIT               // EXIT         (return from FORTH word)
1600
1601 /*
1602         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1603
1604         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1605
1606                 : DOUBLE DUP + ;
1607
1608         and we have to turn this into:
1609
1610           pointer to previous word
1611            ^
1612            |
1613         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1614         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1615         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1616            ^       len                         pad  codeword      |
1617            |                                                      V
1618           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1619
1620         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1621         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1622
1623         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1624         allows you to change how the compiler works on your own code.
1625
1626         FORTH has an INTERPRET function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1627         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1628         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1629
1630         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1631
1632         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1633         immediate mode.
1634
1635         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1636         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1637         free byte of user memory -- see DATA SEGMENT section below).
1638
1639         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1640
1641         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1642
1643         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1644
1645     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1646            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1647            |                                                    V   codewords.
1648         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1649         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1650         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1651                    len                         pad  codeword
1652
1653         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1654
1655         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1656             the interpreter will append codewords.
1657
1658         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1659             our partially-formed header.
1660
1661         After : has run, our input is here:
1662
1663         : DOUBLE DUP + ;
1664                  ^
1665                  |
1666                 Next byte returned by KEY will be the 'D' character of DUP
1667
1668         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads "DUP",
1669         looks it up in the dictionary, gets its codeword pointer, and appends it:
1670
1671                                                                              +-- HERE updated to point here.
1672                                                                              |
1673                                                                              V
1674         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1675         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1676         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1677                    len                         pad  codeword
1678
1679         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1680
1681                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1682                                                                                           |
1683                                                                                           V
1684         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1685         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1686         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1687                    len                         pad  codeword
1688
1689         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1690         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1691
1692         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1693         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1694         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1695         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1696
1697         This is how the word ; (SEMICOLON) works -- as a word flagged in the dictionary as IMMEDIATE.
1698
1699         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1700         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1701         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1702
1703         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1704
1705         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1706         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1707         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1708                    len                         pad  codeword                                           ^
1709                                                                                                        |
1710                                                                                                       HERE
1711         STATE is set to 0.
1712
1713         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1714         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1715
1716         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1717         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1718         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1719         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1720         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1721         chance of it being called.
1722
1723         The above explains how compiling, : (COLON) and ; (SEMICOLON) works and in a moment I'm
1724         going to define them.  The : (COLON) function can be made a little bit more general by writing
1725         it in two parts.  The first part, called CREATE, makes just the header:
1726
1727                                                    +-- Afterwards, HERE points here.
1728                                                    |
1729                                                    V
1730         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1731         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |
1732         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1733                    len                         pad
1734
1735         and the second part, the actual definition of : (COLON), calls CREATE and appends the
1736         DOCOL codeword, so leaving:
1737
1738                                                                 +-- Afterwards, HERE points here.
1739                                                                 |
1740                                                                 V
1741         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1742         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1743         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1744                    len                         pad  codeword
1745
1746         CREATE is a standard FORTH word and the advantage of this split is that we can reuse it to
1747         create other types of words (not just ones which contain code, but words which contain variables,
1748         constants and other data).
1749 */
1750
1751         defcode "CREATE",6,,CREATE
1752
1753         // Get the name length and address.
1754         pop %ecx                // %ecx = length
1755         pop %ebx                // %ebx = address of name
1756
1757         // Link pointer.
1758         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1759         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1760         stosl                   // and store it in the header.
1761
1762         // Length byte and the word itself.
1763         mov %cl,%al             // Get the length.
1764         stosb                   // Store the length/flags byte.
1765         push %esi
1766         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1767         rep movsb               // Copy the word
1768         pop %esi
1769         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1770         andl $~3,%edi
1771
1772         // Update LATEST and HERE.
1773         movl var_HERE,%eax
1774         movl %eax,var_LATEST
1775         movl %edi,var_HERE
1776         NEXT
1777
1778 /*
1779         Because I want to define : (COLON) in FORTH, not assembler, we need a few more FORTH words
1780         to use.
1781
1782         The first is , (COMMA) which is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer to the user
1783         memory pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.  So the action of , (COMMA) is:
1784
1785                                                         previous value of HERE
1786                                                                  |
1787                                                                  V
1788         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1789         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |             |  <data>    |
1790         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1791                    len                         pad                            ^
1792                                                                               |
1793                                                                         new value of HERE
1794
1795         and <data> is whatever 32 bit integer was at the top of the stack.
1796
1797         , (COMMA) is quite a fundamental operation when compiling.  It is used to append codewords
1798         to the current word that is being compiled.
1799 */
1800
1801         defcode ",",1,,COMMA
1802         pop %eax                // Code pointer to store.
1803         call _COMMA
1804         NEXT
1805 _COMMA:
1806         movl var_HERE,%edi      // HERE
1807         stosl                   // Store it.
1808         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1809         ret
1810
1811 /*
1812         Our definitions of : (COLON) and ; (SEMICOLON) will need to switch to and from compile mode.
1813
1814         Immediate mode vs. compile mode is stored in the global variable STATE, and by updating this
1815         variable we can switch between the two modes.
1816
1817         For various reasons which may become apparent later, FORTH defines two standard words called
1818         [ and ] (LBRAC and RBRAC) which switch between modes:
1819
1820         Word    Assembler       Action          Effect
1821         [       LBRAC           STATE := 0      Switch to immediate mode.
1822         ]       RBRAC           STATE := 1      Switch to compile mode.
1823
1824         [ (LBRAC) is an IMMEDIATE word.  The reason is as follows: If we are in compile mode and the
1825         interpreter saw [ then it would compile it rather than running it.  We would never be able to
1826         switch back to immediate mode!  So we flag the word as IMMEDIATE so that even in compile mode
1827         the word runs immediately, switching us back to immediate mode.
1828 */
1829
1830         defcode "[",1,F_IMMED,LBRAC
1831         xor %eax,%eax
1832         movl %eax,var_STATE     // Set STATE to 0.
1833         NEXT
1834
1835         defcode "]",1,,RBRAC
1836         movl $1,var_STATE       // Set STATE to 1.
1837         NEXT
1838
1839 /*
1840         Now we can define : (COLON) using CREATE.  It just calls CREATE, appends DOCOL (the codeword), sets
1841         the word HIDDEN and goes into compile mode.
1842 */
1843
1844         defword ":",1,,COLON
1845         .int WORD               // Get the name of the new word
1846         .int CREATE             // CREATE the dictionary entry / header
1847         .int LIT, DOCOL, COMMA  // Append DOCOL  (the codeword).
1848         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Make the word hidden (see below for definition).
1849         .int RBRAC              // Go into compile mode.
1850         .int EXIT               // Return from the function.
1851
1852 /*
1853         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1854 */
1855
1856         defword ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1857         .int LIT, EXIT, COMMA   // Append EXIT (so the word will return).
1858         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Toggle hidden flag -- unhide the word (see below for definition).
1859         .int LBRAC              // Go back to IMMEDIATE mode.
1860         .int EXIT               // Return from the function.
1861
1862 /*
1863         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1864
1865         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1866         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1867         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1868
1869         Standard FORTH words like IF, WHILE, ." and so on are all written as extensions to the basic
1870         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1871
1872         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1873         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1874
1875         Typical usage is:
1876
1877         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1878                 ...definition...
1879         ;
1880
1881         but some FORTH programmers write this instead:
1882
1883         : MYIMMEDWORD
1884                 ...definition...
1885         ; IMMEDIATE
1886
1887         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1888 */
1889
1890         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1891         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1892         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1893         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1894         NEXT
1895
1896 /*
1897         'addr HIDDEN' toggles the hidden flag (F_HIDDEN) of the word defined at addr.  To hide the
1898         most recently defined word (used above in : and ; definitions) you would do:
1899
1900                 LATEST @ HIDDEN
1901
1902         'HIDE word' toggles the flag on a named 'word'.
1903
1904         Setting this flag stops the word from being found by FIND, and so can be used to make 'private'
1905         words.  For example, to break up a large word into smaller parts you might do:
1906
1907                 : SUB1 ... subword ... ;
1908                 : SUB2 ... subword ... ;
1909                 : SUB3 ... subword ... ;
1910                 : MAIN ... defined in terms of SUB1, SUB2, SUB3 ... ;
1911                 HIDE SUB1
1912                 HIDE SUB2
1913                 HIDE SUB3
1914
1915         After this, only MAIN is 'exported' or seen by the rest of the program.
1916 */
1917
1918         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1919         pop %edi                // Dictionary entry.
1920         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1921         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1922         NEXT
1923
1924         defword "HIDE",4,,HIDE
1925         .int WORD               // Get the word (after HIDE).
1926         .int FIND               // Look up in the dictionary.
1927         .int HIDDEN             // Set F_HIDDEN flag.
1928         .int EXIT               // Return.
1929
1930 /*
1931         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1932
1933         The common usage is:
1934
1935         ' FOO ,
1936
1937         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1938
1939         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1940         a literal 2 might be:
1941
1942         : LIT2 IMMEDIATE
1943                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1944                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1945         ;
1946
1947         So you could do:
1948
1949         : DOUBLE LIT2 * ;
1950
1951         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1952         and immediate mode).
1953
1954         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1955         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1956         immediate mode too.
1957 */
1958         defcode "'",1,,TICK
1959         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1960         pushl %eax              // Push it on the stack.
1961         NEXT
1962
1963 /*
1964         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1965
1966         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1967         are two primitives.
1968
1969         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1970         top of stack is zero).
1971
1972         The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1973         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1974
1975         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1976         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1977         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1978                                                                    ^  |                       ^
1979                                                                    |  |                       |
1980                                                                    |  +-----------------------+
1981                                                                   %esi added to offset
1982
1983         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1984         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1985
1986         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1987
1988         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1989         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1990         into the word currently being compiled.
1991
1992         As an example, code written like this:
1993
1994                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1995
1996         compiles to:
1997
1998                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1999                                           |             ^
2000                                           |             |
2001                                           +-------------+
2002 */
2003
2004         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
2005         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
2006         NEXT
2007
2008         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
2009         pop %eax
2010         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
2011         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
2012         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
2013         NEXT
2014
2015 /*
2016         LITERAL STRINGS ----------------------------------------------------------------------
2017
2018         LITSTRING is a primitive used to implement the ." and S" operators (which are written in
2019         FORTH).  See the definition of those operators later.
2020
2021         TELL just prints a string.  It's more efficient to define this in assembly because we
2022         can make it a single Linux syscall.
2023 */
2024
2025         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
2026         lodsl                   // get the length of the string
2027         push %esi               // push the address of the start of the string
2028         push %eax               // push it on the stack
2029         addl %eax,%esi          // skip past the string
2030         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
2031         andl $~3,%esi
2032         NEXT
2033
2034         defcode "TELL",4,,TELL
2035         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
2036         pop %edx                // 3rd param: length of string
2037         pop %ecx                // 2nd param: address of string
2038         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2039         int $0x80
2040         NEXT
2041
2042 /*
2043         QUIT AND INTERPRET ----------------------------------------------------------------------
2044
2045         QUIT is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
2046         As explained before, QUIT doesn't "quit" anything.  It does some initialisation (in particular
2047         it clears the return stack) and it calls INTERPRET in a loop to interpret commands.  The
2048         reason it is called QUIT is because you can call it from your own FORTH words in order to
2049         "quit" your program and start again at the user prompt.
2050
2051         INTERPRET is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
2052         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
2053 */
2054
2055         // QUIT must not return (ie. must not call EXIT).
2056         defword "QUIT",4,,QUIT
2057         .int RZ,RSPSTORE        // R0 RSP!, clear the return stack
2058         .int INTERPRET          // interpret the next word
2059         .int BRANCH,-8          // and loop (indefinitely)
2060
2061 /*
2062         This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
2063         it later with a more powerful one!
2064  */
2065         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
2066         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2067
2068         // Is it in the dictionary?
2069         xor %eax,%eax
2070         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
2071         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
2072         test %eax,%eax          // Found?
2073         jz 1f
2074
2075         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
2076         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
2077         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
2078         push %ax                // Just save it for now.
2079         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
2080         pop %ax
2081         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
2082         mov %edi,%eax
2083         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
2084
2085         jmp 2f
2086
2087 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
2088         incl interpret_is_lit
2089         call _NUMBER            // Returns the parsed number in %eax, %ecx > 0 if error
2090         test %ecx,%ecx
2091         jnz 6f
2092         mov %eax,%ebx
2093         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
2094
2095 2:      // Are we compiling or executing?
2096         movl var_STATE,%edx
2097         test %edx,%edx
2098         jz 4f                   // Jump if executing.
2099
2100         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
2101         call _COMMA
2102         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
2103         test %ecx,%ecx
2104         jz 3f
2105         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
2106         call _COMMA
2107 3:      NEXT
2108
2109 4:      // Executing - run it!
2110         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
2111         test %ecx,%ecx          // Literal?
2112         jnz 5f
2113
2114         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
2115         // eventually call NEXT which will reenter the loop in QUIT.
2116         jmp *(%eax)
2117
2118 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
2119         push %ebx
2120         NEXT
2121
2122 6:      // Parse error (not a known word or a number in the current BASE).
2123         // Print an error message followed by up to 40 characters of context.
2124         mov $2,%ebx             // 1st param: stderr
2125         mov $errmsg,%ecx        // 2nd param: error message
2126         mov $errmsgend-errmsg,%edx // 3rd param: length of string
2127         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2128         int $0x80
2129
2130         mov (currkey),%ecx      // the error occurred just before currkey position
2131         mov %ecx,%edx
2132         sub $buffer,%edx        // %edx = currkey - buffer (length in buffer before currkey)
2133         cmp $40,%edx            // if > 40, then print only 40 characters
2134         jle 7f
2135         mov $40,%edx
2136 7:      sub %edx,%ecx           // %ecx = start of area to print, %edx = length
2137         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2138         int $0x80
2139
2140         mov $errmsgnl,%ecx      // newline
2141         mov $1,%edx
2142         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2143         int $0x80
2144
2145         NEXT
2146
2147         .section .rodata
2148 errmsg: .ascii "PARSE ERROR: "
2149 errmsgend:
2150 errmsgnl: .ascii "\n"
2151
2152         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
2153         .align 4
2154 interpret_is_lit:
2155         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
2156
2157 /*
2158         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
2159
2160         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
2161         CHAR A puts 65 on the stack.
2162
2163         EXECUTE is used to run execution tokens.  See the discussion of execution tokens in the
2164         FORTH code for more details.
2165
2166         SYSCALL0, SYSCALL1, SYSCALL2, SYSCALL3 make a standard Linux system call.  (See <asm/unistd.h>
2167         for a list of system call numbers).  As their name suggests these forms take between 0 and 3
2168         syscall parameters, plus the system call number.
2169
2170         In this FORTH, SYSCALL0 must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
2171         initialise the LATEST variable to point to it.  This means that if you want to extend the assembler
2172         part, you must put new words before SYSCALL0, or else change how LATEST is initialised.
2173 */
2174
2175         defcode "CHAR",4,,CHAR
2176         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2177         xor %eax,%eax
2178         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
2179         push %eax               // Push it onto the stack.
2180         NEXT
2181
2182         defcode "EXECUTE",7,,EXECUTE
2183         pop %eax                // Get xt into %eax
2184         jmp *(%eax)             // and jump to it.
2185                                 // After xt runs its NEXT will continue executing the current word.
2186
2187         defcode "SYSCALL3",8,,SYSCALL3
2188         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2189         pop %ebx                // First parameter.
2190         pop %ecx                // Second parameter
2191         pop %edx                // Third parameter
2192         int $0x80
2193         push %eax               // Result (negative for -errno)
2194         NEXT
2195
2196         defcode "SYSCALL2",8,,SYSCALL2
2197         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2198         pop %ebx                // First parameter.
2199         pop %ecx                // Second parameter
2200         int $0x80
2201         push %eax               // Result (negative for -errno)
2202         NEXT
2203
2204         defcode "SYSCALL1",8,,SYSCALL1
2205         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2206         pop %ebx                // First parameter.
2207         int $0x80
2208         push %eax               // Result (negative for -errno)
2209         NEXT
2210
2211         defcode "SYSCALL0",8,,SYSCALL0
2212         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2213         int $0x80
2214         push %eax               // Result (negative for -errno)
2215         NEXT
2216
2217 /*
2218         DATA SEGMENT ----------------------------------------------------------------------
2219
2220         Here we set up the Linux data segment, used for user definitions and variously known as just
2221         the 'data segment', 'user memory' or 'user definitions area'.  It is an area of memory which
2222         grows upwards and stores both newly-defined FORTH words and global variables of various
2223         sorts.
2224
2225         It is completely analogous to the C heap, except there is no generalised 'malloc' and 'free'
2226         (but as with everything in FORTH, writing such functions would just be a Simple Matter
2227         Of Programming).  Instead in normal use the data segment just grows upwards as new FORTH
2228         words are defined/appended to it.
2229
2230         There are various "features" of the GNU toolchain which make setting up the data segment
2231         more complicated than it really needs to be.  One is the GNU linker which inserts a random
2232         "build ID" segment.  Another is Address Space Randomization which means we can't tell
2233         where the kernel will choose to place the data segment (or the stack for that matter).
2234
2235         Therefore writing this set_up_data_segment assembler routine is a little more complicated
2236         than it really needs to be.  We ask the Linux kernel where it thinks the data segment starts
2237         using the brk(2) system call, then ask it to reserve some initial space (also using brk(2)).
2238
2239         You don't need to worry about this code.
2240 */
2241         .text
2242         .set INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE,65536
2243 set_up_data_segment:
2244         xor %ebx,%ebx           // Call brk(0)
2245         movl $__NR_brk,%eax
2246         int $0x80
2247         movl %eax,var_HERE      // Initialise HERE to point at beginning of data segment.
2248         addl $INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE,%eax    // Reserve nn bytes of memory for initial data segment.
2249         movl %eax,%ebx          // Call brk(HERE+INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE)
2250         movl $__NR_brk,%eax
2251         int $0x80
2252         ret
2253
2254 /*
2255         We allocate static buffers for the return static and input buffer (used when
2256         reading in files and text that the user types in).
2257 */
2258         .set RETURN_STACK_SIZE,8192
2259         .set BUFFER_SIZE,4096
2260
2261         .bss
2262 /* FORTH return stack. */
2263         .align 4096
2264 return_stack:
2265         .space RETURN_STACK_SIZE
2266 return_stack_top:               // Initial top of return stack.
2267
2268 /* This is used as a temporary input buffer when reading from files or the terminal. */
2269         .align 4096
2270 buffer:
2271         .space BUFFER_SIZE
2272
2273 /*
2274         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
2275
2276         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
2277         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
2278         languages would be considered rather fundamental.
2279
2280         I used to append this here in the assembly file, but I got sick of fighting against gas's
2281         crack-smoking (lack of) multiline string syntax.  So now that is in a separate file called
2282         jonesforth.f
2283
2284         If you don't already have that file, download it from http://annexia.org/forth in order
2285         to continue the tutorial.
2286 */
2287
2288 /* END OF jonesforth.S */