710bf28bd36422fb190ca34bf70407dc4e22eb08
[jonesforth.git] / jonesforth.S
1 /*      A sometimes minimal FORTH compiler and tutorial for Linux / i386 systems. -*- asm -*-
2         By Richard W.M. Jones <rich@annexia.org> http://annexia.org/forth
3
4         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
5
6         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
7
8         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
9         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
10         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
11         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
12         languages, even if you will never use them.
13
14         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
15         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
16         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
17         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
18         and loops.
19
20         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
21         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
22         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
23         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
24         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
25         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
26         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
27         completely understand how Linux works, or gcc?
28
29         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
30         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
31         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
32         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
33         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
34         written in FORTH itself.
35
36         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
37         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
38         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
39         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
40         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
41         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
42         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
43         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
44         the language?  No problem in FORTH.  This concept isn't common in programming languages,
45         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
46         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
47
48         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
49         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
50         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
51         superficial understanding of how to use it.
52
53         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
54         references to read:
55
56         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
57
58         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
59
60         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
61
62         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
63
64         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
65
66         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
67         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
68
69         Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
70         defies easy explanation.
71
72         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
73
74         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
75         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
76         uses a fixed width font and is at least this wide:
77
78  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
79
80         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
81         line.  If not, sort out your tabs.
82
83         |
84         |
85         |
86
87         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
88
89         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
90
91         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
92         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
93         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
94         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
95         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
96         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
97         this on a 64 bit AMD Opteron).
98
99         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
100         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
101
102         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
103         ./jonesforth
104
105         You will see lots of 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages from the
106         assembler.  That's just because the GNU assembler doesn't have a good syntax for multi-line
107         strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
108         slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
109
110         If you want to run your own FORTH programs you can do:
111
112         ./jonesforth < myprog.f
113
114         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
115
116         cat myfunctions.f - | ./jonesforth
117
118         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
119
120         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
121         follow this tutorial).
122
123         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
124
125         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
126             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
127             have special purposes.
128
129         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
130
131         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
132             causes a read from memory instead, so:
133             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
134             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
135
136         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
137             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
138
139         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
140
141         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
142             less repetitive.
143
144         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
145
146         Now the tutorial starts in earnest.
147
148         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
149
150         In FORTH as you will know, functions are called "words", as just as in other languages they
151         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
152
153         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
154         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
155
156         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
157         which is just a linked list of dictionary entries.
158
159         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
160         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
161         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
162         |                        | FLAGS  |                   |
163         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
164
165         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
166         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
167         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
168         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
169         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
170         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
171         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
172
173         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
174         other words, the head of this linked list.
175
176         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
177
178           pointer to previous word
179            ^
180            |
181         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
182         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
183         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
184            ^       len                         padding
185            |
186         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
187         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
188         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
189            ^       len                                     padding
190            |
191            |
192           LATEST
193
194         You shoud be able to see from this how you might implement functions to find a word in
195         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
196         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary),
197         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
198         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
199         assembly code later on.
200
201         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
202         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
203         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
204         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
205         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
206         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
207         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
208
209         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
210
211         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
212         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
213         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
214         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
215         (rich@annexia.org).
216
217         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
218         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
219         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
220
221         f ()
222         {
223           a ();
224           b ();
225           c ();
226         }
227
228         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
229         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
230         16 bit machine code.
231
232         f:
233           CALL a                        E8 08 00 00 00
234           CALL b                        E8 1C 00 00 00
235           CALL c                        E8 2C 00 00 00
236           ; ignore the return from the function for now
237
238         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
239         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
240         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
241         by compressing this into just:
242
243         08 00 00 00             Just the function addresses, without
244         1C 00 00 00             the CALL prefix.
245         2C 00 00 00
246
247         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
248         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
249         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
250         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
251         useful properties].
252
253         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
254         which takes each pair of bytes and calls it.
255
256         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
257         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
258         pointer to the next word to execute in the %esi register:
259
260                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
261         %esi -> 1C 00 00 00
262                 2C 00 00 00
263
264         The all-important x86 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
265         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
266         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
267
268                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
269                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
270         %esi -> 2C 00 00 00
271
272         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
273         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
274
275                 08 00 00 00
276                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
277         %esi -> 2C 00 00 00
278
279         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
280         which literally make the jump to the next subroutine.
281
282         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
283 */
284
285 /* NEXT macro. */
286         .macro NEXT
287         lodsl
288         jmp *(%eax)
289         .endm
290
291 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
292
293         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
294         a return.
295
296         The above describes what is known as direct threaded code.
297
298         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
299         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
300         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
301
302         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
303
304         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
305
306         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
307         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
308
309         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
310
311         I lied about JMP *(%eax).  
312
313         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
314
315         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
316         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
317         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
318
319                 +------------------+
320                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
321                 +------------------+                    NEXT
322         %esi -> | addr of DOUBLE   |
323                 +------------------+
324
325         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
326         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
327
328         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
329
330         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
331
332                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
333
334                 +------------------+
335                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
336                 +------------------+
337                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
338                 +------------------+               | codeword         |
339                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
340                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
341                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
342                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
343                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
344                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
345                                                    +------------------+    |       |    ..            |
346                                                                            |       |    ..            |
347                                                                            |       | NEXT             |
348                                                                            |       +------------------+
349                                                                            |
350                                                                            +-----> +------------------+
351                                                                                    | codeword      -------+
352                                                                                    +------------------+   |
353                                                                                    | assembly to   <------+
354                                                                                    | implement +      |
355                                                                                    |    ..            |
356                                                                                    |    ..            |
357                                                                                    | NEXT             |
358                                                                                    +------------------+
359
360         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
361         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
362         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
363         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
364         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
365         They don't need interpreting, they just run.
366
367         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
368         function.
369
370         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
371         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
372         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
373
374         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
375
376         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
377         (2) increments %esi by 4
378         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
379                                                         ie. the assembly code to implement +
380
381                 +------------------+
382                 | codeword         |
383                 +------------------+
384                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
385                 +------------------+               | codeword         |
386                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
387                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
388                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
389                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
390                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
391                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
392                                                    +------------------+    |       |    ..            |
393                                                                            |       |    ..            |
394                                                                            |       | NEXT             |
395                                                                            |       +------------------+
396                                                                            |
397                                                                            +-----> +------------------+
398                                                                                    | codeword      -------+
399                                                                                    +------------------+   |
400                                                                         now we're  | assembly to   <------+
401                                                                         executing  | implement +      |
402                                                                         this       |    ..            |
403                                                                         function   |    ..            |
404                                                                                    | NEXT             |
405                                                                                    +------------------+
406
407         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
408         indirect threaded code.
409
410         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
411
412         .
413         .
414         .
415
416         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
417         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
418         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
419         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
420         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
421
422         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
423
424         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
425         and the return stack.
426
427         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
428         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
429         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
430         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
431         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
432         threaded model above.
433
434         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
435         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
436         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
437         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
438
439         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
440         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
441         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
442         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
443
444         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
445         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
446         for our return stack.
447
448         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
449         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
450         (pop top of return stack into %ebx).
451 */
452
453 /* Macros to deal with the return stack. */
454         .macro PUSHRSP reg
455         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
456         movl \reg,(%ebp)
457         .endm
458
459         .macro POPRSP reg
460         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
461         lea 4(%ebp),%ebp
462         .endm
463
464 /*
465         And with that we can now talk about the interpreter.
466
467         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
468         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
469
470         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
471         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
472         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
473         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
474         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
475         to run.
476 */
477
478 /* DOCOL - the interpreter! */
479         .text
480         .align 4
481 DOCOL:
482         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
483         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
484         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
485         NEXT
486
487 /*
488         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
489         into DOUBLE:
490
491                 QUADRUPLE:
492                 +------------------+
493                 | codeword         |
494                 +------------------+               DOUBLE:
495                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
496                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
497         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
498                 +------------------+               | addr of DUP   -------------->
499                 | addr of EXIT     |               +------------------+
500                 +------------------+               | etc.             |
501
502         First, the call to DOUBLE causes DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
503         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
504         just add 4 on to it to get our new %esi:
505
506                 QUADRUPLE:
507                 +------------------+
508                 | codeword         |
509                 +------------------+               DOUBLE:
510                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
511 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
512 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
513                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP   -------------->
514                 | addr of EXIT     |               +------------------+
515                 +------------------+               | etc.             |
516
517         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
518         and calls DUP.
519
520         Well, it seems to work.
521
522         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
523         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
524         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
525         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
526         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
527
528         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
529
530         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
531         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
532         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
533         assembly language primitives).
534
535         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
536         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
537         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
538         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
539         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
540 */
541
542 /* ELF entry point. */
543         .text
544         .globl _start
545 _start:
546         cld
547         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
548         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
549
550         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
551         NEXT                    // Run interpreter!
552
553         .section .rodata
554 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
555         .int COLD
556
557 /*
558         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
559         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
560         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
561 */
562
563         .bss
564 /* FORTH return stack. */
565 #define RETURN_STACK_SIZE 8192
566         .align 4096
567         .space RETURN_STACK_SIZE
568 return_stack:                   // Initial top of return stack.
569
570 /* Space for user-defined words. */
571 #define USER_DEFS_SIZE 16384
572         .align 4096
573 user_defs_start:
574         .space USER_DEFS_SIZE
575
576 /*
577         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
578
579         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
580         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
581
582           pointer to previous word
583            ^
584            |
585         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
586         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
587         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
588            ^       len                         pad  codeword      |
589            |                                                      V
590           LINK in next word                             points to codeword of DUP
591         
592         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
593         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
594         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
595         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
596         unsure of them).
597
598         The long way would be:
599         .int <link to previous word>
600         .byte 6                 // len
601         .ascii "DOUBLE"         // string
602         .byte 0                 // padding
603 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
604         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
605         .int PLUS               // pointer to codeword of +
606         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
607
608         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
609         so that I can just write:
610
611         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
612         .int DUP,PLUS,EXIT
613
614         and I'll get exactly the same effect.
615
616         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
617 */
618
619 /* Flags - these are discussed later. */
620 #define F_IMMED 0x80
621 #define F_HIDDEN 0x20
622
623         // Store the chain of links.
624         .set link,0
625
626         .macro defword name, namelen, flags=0, label
627         .section .rodata
628         .align 4
629         .globl name_\label
630 name_\label :
631         .int link               // link
632         .set link,name_\label
633         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
634         .ascii "\name"          // the name
635         .align 4
636         .globl \label
637 \label :
638         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
639         // list of word pointers follow
640         .endm
641
642 /*
643         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
644         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
645         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
646         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
647
648         This is what DUP looks like in memory:
649
650           pointer to previous word
651            ^
652            |
653         +--|------+---+---+---+---+------------+
654         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
655         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
656            ^       len              codeword                        which is ended with NEXT.
657            |
658           LINK in next word
659
660         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
661 */
662
663         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
664         .section .rodata
665         .align 4
666         .globl name_\label
667 name_\label :
668         .int link               // link
669         .set link,name_\label
670         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
671         .ascii "\name"          // the name
672         .align 4
673         .globl \label
674 \label :
675         .int code_\label        // codeword
676         .text
677         .align 4
678         .globl code_\label
679 code_\label :                   // assembler code follows
680         .endm
681
682 /*
683         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
684         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
685         you can skip the details.
686 */
687
688         defcode "DUP",3,,DUP
689         pop %eax                // duplicate top of stack
690         push %eax
691         push %eax
692         NEXT
693
694         defcode "DROP",4,,DROP
695         pop %eax                // drop top of stack
696         NEXT
697
698         defcode "SWAP",4,,SWAP
699         pop %eax                // swap top of stack
700         pop %ebx
701         push %eax
702         push %ebx
703         NEXT
704
705         defcode "OVER",4,,OVER
706         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
707         push %eax               // and push it on top
708         NEXT
709
710         defcode "ROT",3,,ROT
711         pop %eax
712         pop %ebx
713         pop %ecx
714         push %eax
715         push %ecx
716         push %ebx
717         NEXT
718
719         defcode "-ROT",4,,NROT
720         pop %eax
721         pop %ebx
722         pop %ecx
723         push %ebx
724         push %eax
725         push %ecx
726         NEXT
727
728         defcode "1+",2,,INCR
729         incl (%esp)             // increment top of stack
730         NEXT
731
732         defcode "1-",2,,DECR
733         decl (%esp)             // decrement top of stack
734         NEXT
735
736         defcode "4+",2,,INCR4
737         addl $4,(%esp)          // increment top of stack
738         NEXT
739
740         defcode "4-",2,,DECR4
741         subl $4,(%esp)          // decrement top of stack
742         NEXT
743
744         defcode "+",1,,ADD
745         pop %eax                // get top of stack
746         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
747         NEXT
748
749         defcode "-",1,,SUB
750         pop %eax                // get top of stack
751         subl %eax,(%esp)        // and subtract if from next word on stack
752         NEXT
753
754         defcode "*",1,,MUL
755         pop %eax
756         pop %ebx
757         imull %ebx,%eax
758         push %eax               // ignore overflow
759         NEXT
760
761         defcode "/",1,,DIV
762         xor %edx,%edx
763         pop %ebx
764         pop %eax
765         idivl %ebx
766         push %eax               // push quotient
767         NEXT
768
769         defcode "MOD",3,,MOD
770         xor %edx,%edx
771         pop %ebx
772         pop %eax
773         idivl %ebx
774         push %edx               // push remainder
775         NEXT
776
777         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
778         pop %eax
779         pop %ebx
780         cmp %ebx,%eax
781         je 1f
782         pushl $0
783         NEXT
784 1:      pushl $1
785         NEXT
786
787         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
788         pop %eax
789         pop %ebx
790         cmp %ebx,%eax
791         je 1f
792         pushl $1
793         NEXT
794 1:      pushl $0
795         NEXT
796
797         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
798         pop %eax
799         test %eax,%eax
800         jz 1f
801         pushl $0
802         NEXT
803 1:      pushl $1
804         NEXT
805
806         defcode "AND",3,,AND
807         pop %eax
808         andl %eax,(%esp)
809         NEXT
810
811         defcode "OR",2,,OR
812         pop %eax
813         orl %eax,(%esp)
814         NEXT
815
816         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH "NOT" function
817         notl (%esp)
818         NEXT
819
820 /*
821         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
822
823         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
824         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
825
826                 QUADRUPLE
827                 +------------------+
828                 | codeword         |
829                 +------------------+               DOUBLE
830                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
831                 +------------------+               | codeword         |
832                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
833                 +------------------+               | addr of DUP      |
834                 | addr of EXIT     |               +------------------+
835                 +------------------+               | addr of +        |
836                                                    +------------------+
837                                            %esi -> | addr of EXIT     |
838                                                    +------------------+
839
840         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
841 */
842
843         defcode "EXIT",4,,EXIT
844         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
845         NEXT
846
847 /*
848         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
849         So after this (but just before NEXT) we get:
850
851                 QUADRUPLE
852                 +------------------+
853                 | codeword         |
854                 +------------------+               DOUBLE
855                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
856                 +------------------+               | codeword         |
857         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
858                 +------------------+               | addr of DUP      |
859                 | addr of EXIT     |               +------------------+
860                 +------------------+               | addr of +        |
861                                                    +------------------+
862                                                    | addr of EXIT     |
863                                                    +------------------+
864
865         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
866
867         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
868
869         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
870         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
871
872         : DOUBLE 2 * ;
873
874         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
875         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
876         a function for every single literal that you wanted to use.
877
878         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
879
880         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
881         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
882         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
883
884         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
885         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
886         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
887
888         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
889         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
890         see if you can find out how LIT works:
891 */
892
893         defcode "LIT",3,,LIT
894         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
895         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
896         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
897         lodsl
898         push %eax               // push the literal number on to stack
899         NEXT
900
901 /*
902         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
903
904         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
905         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
906         the primitive words for doing it.
907 */
908
909         defcode "!",1,,STORE
910         pop %ebx                // address to store at
911         pop %eax                // data to store there
912         mov %eax,(%ebx)         // store it
913         NEXT
914
915         defcode "@",1,,FETCH
916         pop %ebx                // address to fetch
917         mov (%ebx),%eax         // fetch it
918         push %eax               // push value onto stack
919         NEXT
920
921         defcode "+!",2,,ADDSTORE
922         pop %ebx                // address
923         pop %eax                // the amount to add
924         addl %eax,(%ebx)        // add it
925         NEXT
926
927         defcode "-!",2,,SUBSTORE
928         pop %ebx                // address
929         pop %eax                // the amount to subtract
930         subl %eax,(%ebx)        // add it
931         NEXT
932
933 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
934  * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
935  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
936  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
937  */
938         defcode "!b",2,,STOREBYTE
939         pop %ebx                // address to store at
940         pop %eax                // data to store there
941         movb %al,(%ebx)         // store it
942         NEXT
943
944         defcode "@b",2,,FETCHBYTE
945         pop %ebx                // address to fetch
946         xor %eax,%eax
947         movb (%ebx),%al         // fetch it
948         push %eax               // push value onto stack
949         NEXT
950
951 /*
952         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
953
954         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
955         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
956         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
957         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
958         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
959
960         LATEST @ . CR
961
962         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
963         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
964 */
965
966         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
967         defcode \name,\namelen,\flags,\label
968         push $var_\name
969         NEXT
970         .data
971         .align 4
972 var_\name :
973         .int \initial
974         .endm
975
976 /*
977         The built-in variables are:
978
979         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
980         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
981         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
982         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
983         _Y
984         _Z
985         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
986         R0              Stores the address of the top of the return stack.
987
988 */
989         defvar "STATE",5,,STATE
990         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
991         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
992         defvar "_X",2,,TX
993         defvar "_Y",2,,TY
994         defvar "_Z",2,,TZ
995         defvar "S0",2,,SZ
996         defvar "R0",2,,RZ,return_stack
997
998 /*
999         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1000
1001         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1002         the top of the return stack.
1003 */
1004
1005         defcode ">R",2,,TOR
1006         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1007         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1008         NEXT
1009
1010         defcode "R>",2,,FROMR
1011         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1012         push %eax               // and push on to parameter stack
1013         NEXT
1014
1015         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1016         push %ebp
1017         NEXT
1018
1019         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1020         pop %ebp
1021         NEXT
1022
1023         defcode "RDROP",5,,RDROP
1024         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1025         NEXT
1026
1027 /*
1028         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1029
1030         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1031         stack for us, and it is accessed through %esp.
1032 */
1033
1034         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1035         mov %esp,%eax
1036         push %eax
1037         NEXT
1038
1039         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1040         pop %esp
1041         NEXT
1042
1043 /*
1044         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1045
1046         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1047         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1048         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1049         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1050         as an opaque block of code that does what it says.
1051
1052         Let's discuss input first.
1053
1054         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1055         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1056         is pushed on the stack.
1057
1058         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1059         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1060         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1061
1062         The implementation of KEY uses an input buffer so a certain size (defined at the end of the
1063         program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1064         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1065         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1066         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1067 */
1068
1069 #include <asm-i386/unistd.h>
1070
1071         defcode "KEY",3,,KEY
1072         call _KEY
1073         push %eax               // push return value on stack
1074         NEXT
1075 _KEY:
1076         mov (currkey),%ebx
1077         cmp (bufftop),%ebx
1078         jge 1f
1079         xor %eax,%eax
1080         mov (%ebx),%al
1081         inc %ebx
1082         mov %ebx,(currkey)
1083         ret
1084
1085 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1086         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1087         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1088         mov %ecx,currkey
1089         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1090         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1091         int $0x80
1092         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1093         jbe 2f
1094         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1095         mov %ecx,bufftop
1096         jmp _KEY
1097
1098 2:      // error or out of input: exit
1099         xor %ebx,%ebx
1100         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1101         int $0x80
1102
1103 /*
1104         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1105         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1106         it would be a good exercise to add it.
1107 */
1108
1109         defcode "EMIT",4,,EMIT
1110         pop %eax
1111         call _EMIT
1112         NEXT
1113 _EMIT:
1114         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1115
1116         // write needs the address of the byte to write
1117         mov %al,(2f)
1118         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1119
1120         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1121
1122         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1123         int $0x80
1124         ret
1125
1126         .bss
1127 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1128
1129 /*
1130         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1131
1132         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1133         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1134         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1135         two words on the stack (with address at the top).
1136
1137         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1138         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1139         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1140         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1141         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
1142         in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
1143         you'd want to is a bit beyond me.
1144
1145         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1146         peculiarities and limitations.
1147
1148         Note that when executing, you'll see:
1149         WORD FOO
1150         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1151         : BAR WORD FOO ;
1152         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1153         and immediate mode, and you'll understand why.
1154 */
1155
1156         defcode "WORD",4,,WORD
1157         call _WORD
1158         push %ecx               // push length
1159         push %edi               // push base address
1160         NEXT
1161
1162 _WORD:
1163         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1164 1:
1165         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1166         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1167         je 3f                   // if so, skip the comment
1168         cmpb $' ',%al
1169         jbe 1b                  // if so, keep looking
1170
1171         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1172         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1173 2:
1174         stosb                   // add character to return buffer
1175         call _KEY               // get next key, returned in %al
1176         cmpb $' ',%al           // is blank?
1177         ja 2b                   // if not, keep looping
1178
1179         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1180         sub $5f,%edi
1181         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1182         mov $5f,%edi            // return address of the word
1183         ret
1184
1185         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1186 3:
1187         call _KEY
1188         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1189         jne 3b
1190         jmp 1b
1191
1192         .bss
1193         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1194         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1195 5:      .space 32
1196
1197 /*
1198         . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer.  In real FORTH implementations
1199         it should print it in the current base, but this assembler version is simpler and can only
1200         print in base 10.
1201
1202         Remember that you can override even built-in FORTH words easily, so if you want to write a
1203         more advanced DOT then you can do so easily at a later point, and probably in FORTH.
1204 */
1205
1206         defcode ".",1,,DOT
1207         pop %eax                // Get the number to print into %eax
1208         call _DOT               // Easier to do this recursively ...
1209         NEXT
1210 _DOT:
1211         mov $10,%ecx            // Base 10
1212 1:
1213         cmp %ecx,%eax
1214         jb 2f
1215         xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
1216         idivl %ecx
1217         pushl %edx
1218         call _DOT
1219         popl %eax
1220         jmp 1b
1221 2:
1222         xor %ah,%ah
1223         aam $10
1224         cwde
1225         addl $'0',%eax
1226         call _EMIT
1227         ret
1228
1229 /*
1230         Almost the opposite of DOT (but not quite), SNUMBER parses a numeric string such as one returned
1231         by WORD and pushes the number on the parameter stack.
1232
1233         This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
1234         must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
1235
1236         This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
1237         in user code at all.
1238 */
1239         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1240         pop %edi
1241         pop %ecx
1242         call _SNUMBER
1243         push %eax
1244         NEXT
1245 _SNUMBER:
1246         xor %eax,%eax
1247         xor %ebx,%ebx
1248 1:
1249         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1250         movb (%edi),%bl
1251         inc %edi
1252         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1253         add %ebx,%eax
1254         dec %ecx
1255         jnz 1b
1256         ret
1257
1258 /*
1259         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1260
1261         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1262
1263         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1264         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1265         or 0 if it didn't.
1266
1267         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1268
1269         pointer to this
1270         |
1271         |
1272         V
1273         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1274         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1275         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1276
1277         See also >CFA which takes a dictionary entry pointer and returns a pointer to the codeword.
1278
1279         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1280 */
1281
1282         defcode "FIND",4,,FIND
1283         pop %edi                // %edi = address
1284         pop %ecx                // %ecx = length
1285         call _FIND
1286         push %eax
1287         NEXT
1288
1289 _FIND:
1290         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1291
1292         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1293         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1294 1:
1295         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1296         je 4f
1297
1298         // Compare the length expected and the length of the word.
1299         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1300         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1301         xor %eax,%eax
1302         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1303         andb $(F_HIDDEN|0x1f),%al // %al = name length
1304         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1305         jne 2f
1306
1307         // Compare the strings in detail.
1308         push %ecx               // Save the length
1309         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1310         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1311         repe cmpsb              // Compare the strings.
1312         pop %edi
1313         pop %ecx
1314         jne 2f                  // Not the same.
1315
1316         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1317         pop %esi
1318         mov %edx,%eax
1319         ret
1320
1321 2:
1322         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1323         jmp 1b                  // .. and loop.
1324
1325 4:      // Not found.
1326         pop %esi
1327         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1328         ret
1329
1330 /*
1331         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1332         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).
1333
1334         In the example below, WORD DOUBLE FIND >CFA
1335
1336         FIND returns a pointer to this
1337         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1338         |                                          |
1339         V                                          V
1340         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1341         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1342         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1343
1344         Notes:
1345
1346         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1347
1348         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1349         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1350         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1351         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
1352 */
1353
1354         defcode ">CFA",4,,TCFA
1355         pop %edi
1356         call _TCFA
1357         push %edi
1358         NEXT
1359 _TCFA:
1360         xor %eax,%eax
1361         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1362         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1363         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1364         andb $0x1f,%al          // Just the length, not the flags.
1365         add %eax,%edi           // Skip the name.
1366         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1367         andl $~3,%edi
1368         ret
1369
1370 /*
1371         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1372
1373         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1374
1375         : DOUBLE DUP + ;
1376
1377         and we have to turn this into:
1378
1379           pointer to previous word
1380            ^
1381            |
1382         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1383         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1384         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1385            ^       len                         pad  codeword      |
1386            |                                                      V
1387           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1388
1389         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1390         do we define : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1391
1392         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1393         allows you to change how the compiler works in your own code.
1394
1395         FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1396         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1397         points (using >CFA) and deciding what to do with them.  What it does depends on the mode
1398         of the interpreter (in variable STATE).  When STATE is zero, the interpreter just runs
1399         each word as it looks them up.  (Known as immediate mode).
1400
1401         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1402         interpreter just appends the codeword pointers to user memory (the HERE variable points to
1403         the next free byte of user memory).
1404
1405         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1406
1407         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1408
1409         (2) Construct the dictionary entry header in user memory:
1410
1411           pointer to previous word (from LATEST)                +-- Afterwards, HERE points here, where
1412            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1413            |                                                    V   codewords.
1414         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1415         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1416         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1417                    len                         pad  codeword
1418
1419         (3) Set LATEST to point to the newly defined word and most importantly leave HERE pointing
1420             just after the new codeword.  This is where the interpreter will append codewords.
1421
1422         (4) Set STATE to 1.  Go into compile mode so the interpreter starts appending codewords.
1423
1424         After : has run, our input is here:
1425
1426         : DOUBLE DUP + ;
1427                  ^
1428                  |
1429                 Next byte returned by KEY
1430
1431         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads DUP,
1432         gets its codeword pointer, and appends it:
1433
1434                                                                              +-- HERE updated to point here.
1435                                                                              |
1436                                                                              V
1437         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1438         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1439         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1440                    len                         pad  codeword
1441
1442         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1443
1444                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1445                                                                                           |
1446                                                                                           V
1447         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1448         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1449         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1450                    len                         pad  codeword
1451
1452         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1453         read ; and compile it and go on compiling everything afterwards.
1454
1455         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1456         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1457         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1458         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1459
1460         I hope I don't need to explain that ; (SEMICOLON) is an IMMEDIATE flagged word.  And
1461         all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1462         back to immediate mode (set STATE back to 0).  After executing ; we get this:
1463
1464         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1465         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1466         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1467                    len                         pad  codeword                                           ^
1468                                                                                                        |
1469                                                                                                       HERE
1470
1471         And that's it, job done, our new definition is compiled.
1472
1473         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1474         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1475         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1476         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1477         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1478         chance of it being called.
1479
1480         Compared to the description above, the actual definition of : (COLON) is comparatively simple:
1481 */
1482
1483         defcode ":",1,,COLON
1484
1485         // Get the word and create a dictionary entry header for it.
1486         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1487         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1488
1489         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1490         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1491         stosl                   // and store it in the header.
1492
1493         mov %cl,%al             // Get the length.
1494         orb $F_HIDDEN,%al       // Set the HIDDEN flag on this entry.
1495         stosb                   // Store the length/flags byte.
1496         push %esi
1497         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1498         rep movsb               // Copy the word
1499         pop %esi
1500         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1501         andl $~3,%edi
1502
1503         movl $DOCOL,%eax        // The codeword for user-created words is always DOCOL (the interpreter)
1504         stosl
1505
1506         // Header built, so now update LATEST and HERE.
1507         // We'll be compiling words and putting them HERE.
1508         movl var_HERE,%eax
1509         movl %eax,var_LATEST
1510         movl %edi,var_HERE
1511
1512         // And go into compile mode by setting STATE to 1.
1513         movl $1,var_STATE
1514         NEXT
1515
1516 /*
1517         , (COMMA) is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer (normally a codeword
1518         pointer) to the user data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.
1519 */
1520
1521         defcode ",",1,,COMMA
1522         pop %eax                // Code pointer to store.
1523         call _COMMA
1524         NEXT
1525 _COMMA:
1526         movl var_HERE,%edi      // HERE
1527         stosl                   // Store it.
1528         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1529         ret
1530
1531 /*
1532         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1533 */
1534
1535         defcode ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1536         movl $EXIT,%eax         // EXIT is the final codeword in compiled words.
1537         call _COMMA             // Store it.
1538         call _HIDDEN            // Toggle the HIDDEN flag (unhides the new word).
1539         xor %eax,%eax           // Set STATE to 0 (back to execute mode).
1540         movl %eax,var_STATE
1541         NEXT
1542
1543 /*
1544         IMMEDIATE mode words aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define your
1545         own IMMEDIATE words too.  The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the
1546         most recently defined word, or on the current word if you call it in the middle of a
1547         definition.
1548
1549         Typical usage is:
1550
1551         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1552                 ...definition...
1553         ;
1554
1555         but some FORTH programmers write this instead:
1556
1557         : MYIMMEDWORD
1558                 ...definition...
1559         ; IMMEDIATE
1560
1561         The two are basically equivalent.
1562 */
1563
1564         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1565         call _IMMEDIATE
1566         NEXT
1567 _IMMEDIATE:
1568         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1569         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1570         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1571         ret
1572
1573 /*
1574         HIDDEN toggles the other flag, F_HIDDEN, of the latest word.  Note that words flagged
1575         as hidden are defined but cannot be called, so this is rarely used.
1576 */
1577
1578         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1579         call _HIDDEN
1580         NEXT
1581 _HIDDEN:
1582         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1583         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1584         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1585         ret
1586
1587 /*
1588         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1589
1590         The common usage is:
1591
1592         ' FOO ,
1593
1594         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1595
1596         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1597         a literal 2 might be:
1598
1599         : LIT2 IMMEDIATE
1600                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1601                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1602         ;
1603
1604         So you could do:
1605
1606         : DOUBLE LIT2 * ;
1607
1608         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1609         and immediate mode).
1610
1611         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1612         compiled code.
1613 */
1614         defcode "'",1,,TICK
1615         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1616         pushl %eax              // Push it on the stack.
1617         NEXT
1618
1619 /*
1620         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1621
1622         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1623         are two primitives.
1624
1625         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1626         top of stack is zero).
1627
1628         This is how BRANCH works.  When BRANCH executes, %esi starts by pointing to the offset:
1629
1630         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1631         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1632         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1633                                                                    ^  |                       ^
1634                                                                    |  |                       |
1635                                                                    |  +-----------------------+
1636                                                                   %esi added to offset
1637
1638         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1639         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1640
1641         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1642
1643         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. are implemented entirely
1644         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1645         into the word currently being compiled.
1646
1647         As an example, code written like this:
1648
1649                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1650
1651         compiles to:
1652
1653                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1654                                           |             ^
1655                                           |             |
1656                                           +-------------+
1657 */
1658
1659         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1660         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1661         NEXT
1662
1663         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1664         pop %eax
1665         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1666         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1667         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1668         NEXT
1669
1670 /*
1671         PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
1672
1673         LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." operator (which is
1674         written in FORTH).  See the definition of that operator below.
1675 */
1676
1677         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1678         lodsl                   // get the length of the string
1679         push %eax               // push it on the stack
1680         push %esi               // push the address of the start of the string
1681         addl %eax,%esi          // skip past the string
1682         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1683         andl $~3,%esi
1684         NEXT
1685
1686         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1687         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1688         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1689         pop %edx                // 3rd param: length of string
1690         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1691         int $0x80
1692         NEXT
1693
1694 /*
1695         COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
1696
1697         COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
1698
1699         INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or REPL might be a more accurate
1700         description).
1701 */
1702
1703
1704         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1705         defword "COLD",4,,COLD
1706         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1707         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1708
1709 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1710  * it later with a more powerful one!
1711  */
1712         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1713         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1714
1715         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1716         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1717
1718         // Is it in the dictionary?
1719         xor %eax,%eax
1720         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1721         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1722         test %eax,%eax          // Found?
1723         jz 1f
1724
1725         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1726         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1727         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1728         push %ax                // Just save it for now.
1729         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1730         pop %ax
1731         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1732         mov %edi,%eax
1733         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1734
1735         jmp 2f
1736
1737 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1738         incl interpret_is_lit
1739         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1740         mov %eax,%ebx
1741         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1742
1743 2:      // Are we compiling or executing?
1744         movl var_STATE,%edx
1745         test %edx,%edx
1746         jz 4f                   // Jump if executing.
1747
1748         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
1749         call _COMMA
1750         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
1751         test %ecx,%ecx
1752         jz 3f
1753         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
1754         call _COMMA
1755 3:      NEXT
1756
1757 4:      // Executing - run it!
1758         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
1759         test %ecx,%ecx          // Literal?
1760         jnz 5f
1761
1762         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
1763         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
1764         jmp *(%eax)
1765
1766 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
1767         push %ebx
1768         NEXT
1769
1770         .data
1771         .align 4
1772 interpret_is_lit:
1773         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
1774
1775 /*
1776         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
1777
1778         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
1779         CHAR A puts 65 on the stack.
1780
1781         SYSEXIT pops the status off the stack and exits the process (using Linux exit syscall).
1782 */
1783
1784         defcode "CHAR",4,,CHAR
1785         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1786         xor %eax,%eax
1787         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
1788         push %eax               // Push it onto the stack.
1789         NEXT
1790
1791         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
1792         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
1793         pop %ebx
1794         mov $__NR_exit,%eax
1795         int $0x80
1796
1797 /*
1798         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
1799
1800         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
1801         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
1802         languages would be considered rather fundamental.
1803
1804         As a kind of trick, I prefill the input buffer with the initial FORTH code.  Once this code
1805         has run (when we get to the "OK" prompt), this input buffer is reused for reading user input.
1806
1807         Some notes about the code:
1808
1809         \ (backslash) is the FORTH way to start a comment which goes up to the next newline.  However
1810         because this is a C-style string, I have to escape the backslash, which is why they appear as
1811         \\ comment.
1812
1813         Similarly, any backslashes in the code are doubled, and " becomes \" (eg. the definition of ."
1814         is written as : .\" ... ;)
1815
1816         I use indenting to show structure.  The amount of whitespace has no meaning to FORTH however
1817         except that you must use at least one whitespace character between words, and words themselves
1818         cannot contain whitespace.
1819
1820         FORTH is case-sensitive.  Use capslock!
1821
1822         Enjoy!
1823 */
1824
1825         .data
1826         .align 4096
1827 buffer:
1828         // Multi-line constant gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore
1829         .ascii "\
1830 \\ Define some character constants
1831 : '\\n'   10 ;
1832 : 'SPACE' 32 ;
1833 : '\"'    34 ;
1834 : ':'     58 ;
1835
1836 \\ CR prints a carriage return
1837 : CR '\\n' EMIT ;
1838
1839 \\ SPACE prints a space
1840 : SPACE 'SPACE' EMIT ;
1841
1842 \\ Primitive . (DOT) function doesn't follow with a blank, so redefine it to behave like FORTH.
1843 \\ Notice how we can trivially redefine existing functions.
1844 : . . SPACE ;
1845
1846 \\ DUP, DROP are defined in assembly for speed, but this is how you might define them
1847 \\ in FORTH.  Notice use of the scratch variables _X and _Y.
1848 \\ : DUP _X ! _X @ _X @ ;
1849 \\ : DROP _X ! ;
1850
1851 \\ The 2... versions of the standard operators work on pairs of stack entries.  They're not used
1852 \\ very commonly so not really worth writing in assembler.  Here is how they are defined in FORTH.
1853 : 2DUP OVER OVER ;
1854 : 2DROP DROP DROP ;
1855
1856 \\ More standard FORTH words.
1857 : 2* 2 * ;
1858 : 2/ 2 / ;
1859
1860 \\ [ and ] allow you to break into immediate mode while compiling a word.
1861 : [ IMMEDIATE           \\ define [ as an immediate word
1862         0 STATE !       \\ go into immediate mode
1863         ;
1864
1865 : ]
1866         1 STATE !       \\ go back to compile mode
1867         ;
1868
1869 \\ LITERAL takes whatever is on the stack and compiles LIT <foo>
1870 : LITERAL IMMEDIATE
1871         ' LIT ,         \\ compile LIT
1872         ,               \\ compile the literal itself (from the stack)
1873         ;
1874
1875 \\ condition IF true-part THEN rest
1876 \\   compiles to:
1877 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part rest
1878 \\   where OFFSET is the offset of 'rest'
1879 \\ condition IF true-part ELSE false-part THEN
1880 \\   compiles to:
1881 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part BRANCH OFFSET2 false-part rest
1882 \\   where OFFSET if the offset of false-part and OFFSET2 is the offset of rest
1883
1884 \\ IF is an IMMEDIATE word which compiles 0BRANCH followed by a dummy offset, and places
1885 \\ the address of the 0BRANCH on the stack.  Later when we see THEN, we pop that address
1886 \\ off the stack, calculate the offset, and back-fill the offset.
1887 : IF IMMEDIATE
1888         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1889         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1890         0 ,             \\ compile a dummy offset
1891 ;
1892
1893 : THEN IMMEDIATE
1894         DUP
1895         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1896         SWAP !          \\ store the offset in the back-filled location
1897 ;
1898
1899 : ELSE IMMEDIATE
1900         ' BRANCH ,      \\ definite branch to just over the false-part
1901         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1902         0 ,             \\ compile a dummy offset
1903         SWAP            \\ now back-fill the original (IF) offset
1904         DUP             \\ same as for THEN word above
1905         HERE @ SWAP -
1906         SWAP !
1907 ;
1908
1909 \\ BEGIN loop-part condition UNTIL
1910 \\   compiles to:
1911 \\ loop-part condition 0BRANCH OFFSET
1912 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1913 \\ This is like do { loop-part } while (condition) in the C language
1914 : BEGIN IMMEDIATE
1915         HERE @          \\ save location on the stack
1916 ;
1917
1918 : UNTIL IMMEDIATE
1919         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1920         HERE @ -        \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1921         ,               \\ compile the offset here
1922 ;
1923
1924 \\ BEGIN loop-part AGAIN
1925 \\   compiles to:
1926 \\ loop-part BRANCH OFFSET
1927 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1928 \\ In other words, an infinite loop which can only be returned from with EXIT
1929 : AGAIN IMMEDIATE
1930         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1931         HERE @ -        \\ calculate the offset back
1932         ,               \\ compile the offset here
1933 ;
1934
1935 \\ BEGIN condition WHILE loop-part REPEAT
1936 \\   compiles to:
1937 \\ condition 0BRANCH OFFSET2 loop-part BRANCH OFFSET
1938 \\   where OFFSET points back to condition (the beginning) and OFFSET2 points to after the whole piece of code
1939 \\ So this is like a while (condition) { loop-part } loop in the C language
1940 : WHILE IMMEDIATE
1941         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1942         HERE @          \\ save location of the offset2 on the stack
1943         0 ,             \\ compile a dummy offset2
1944 ;
1945
1946 : REPEAT IMMEDIATE
1947         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1948         SWAP            \\ get the original offset (from BEGIN)
1949         HERE @ - ,      \\ and compile it after BRANCH
1950         DUP
1951         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset2
1952         SWAP !          \\ and back-fill it in the original location
1953 ;
1954
1955 \\ With the looping constructs, we can now write SPACES, which writes n spaces to stdout.
1956 : SPACES
1957         BEGIN
1958                 SPACE   \\ print a space
1959                 1-      \\ until we count down to 0
1960                 DUP 0=
1961         UNTIL
1962 ;
1963
1964 \\ .S prints the contents of the stack.  Very useful for debugging.
1965 : .S
1966         DSP@            \\ get current stack pointer
1967         BEGIN
1968                 DUP @ .         \\ print the stack element
1969                 4+              \\ move up
1970                 DUP S0 @ 4- =   \\ stop when we get to the top
1971         UNTIL
1972         DROP
1973 ;
1974
1975 \\ DEPTH returns the depth of the stack.
1976 : DEPTH S0 @ DSP@ - ;
1977
1978 \\ .\" is the print string operator in FORTH.  Example: .\" Something to print\"
1979 \\ The space after the operator is the ordinary space required between words.
1980 \\ This is tricky to define because it has to do different things depending on whether
1981 \\ we are compiling or in immediate mode.  (Thus the word is marked IMMEDIATE so it can
1982 \\ detect this and do different things).
1983 \\ In immediate mode we just keep reading characters and printing them until we get to
1984 \\ the next double quote.
1985 \\ In compile mode we have the problem of where we're going to store the string (remember
1986 \\ that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
1987 \\ come round to running the function).  We store the string in the compiled function
1988 \\ like this:
1989 \\   LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
1990 : .\" IMMEDIATE
1991         STATE @         \\ compiling?
1992         IF
1993                 ' LITSTRING ,   \\ compile LITSTRING
1994                 HERE @          \\ save the address of the length word on the stack
1995                 0 ,             \\ dummy length - we don't know what it is yet
1996                 BEGIN
1997                         KEY             \\ get next character of the string
1998                         DUP '\"' <>
1999                 WHILE
2000                         HERE @ !b       \\ store the character in the compiled image
2001                         1 HERE +!       \\ increment HERE pointer by 1 byte
2002                 REPEAT
2003                 DROP            \\ drop the double quote character at the end
2004                 DUP             \\ get the saved address of the length word
2005                 HERE @ SWAP -   \\ calculate the length
2006                 4-              \\ subtract 4 (because we measured from the start of the length word)
2007                 SWAP !          \\ and back-fill the length location
2008                 HERE @          \\ round up to next multiple of 4 bytes for the remaining code
2009                 3 +
2010                 3 INVERT AND
2011                 HERE !
2012                 ' EMITSTRING ,  \\ compile the final EMITSTRING
2013         ELSE
2014                 \\ In immediate mode, just read characters and print them until we get
2015                 \\ to the ending double quote.  Much simpler than the above code!
2016                 BEGIN
2017                         KEY
2018                         DUP '\"' = IF EXIT THEN
2019                         EMIT
2020                 AGAIN
2021         THEN
2022 ;
2023
2024 \\ While compiling, [COMPILE] WORD compiles WORD if it would otherwise be IMMEDIATE.
2025 : [COMPILE] IMMEDIATE
2026         WORD            \\ get the next word
2027         FIND            \\ find it in the dictionary
2028         >CFA            \\ get its codeword
2029         ,               \\ and compile that
2030 ;
2031
2032 \\ RECURSE makes a recursive call to the current word that is being compiled.
2033 \\ Normally while a word is being compiled, it is marked HIDDEN so that references to the
2034 \\ same word within are calls to the previous definition of the word.
2035 : RECURSE IMMEDIATE
2036         LATEST @ >CFA   \\ LATEST points to the word being compiled at the moment
2037         ,               \\ compile it
2038 ;
2039
2040 \\ ALLOT is used to allocate (static) memory when compiling.  It increases HERE by
2041 \\ the amount given on the stack.
2042 : ALLOT HERE +! ;
2043
2044
2045 \\ Finally print the welcome prompt.
2046 .\" OK \"
2047 "
2048
2049 _initbufftop:
2050         .align 4096
2051 buffend:
2052
2053 currkey:
2054         .int buffer
2055 bufftop:
2056         .int _initbufftop
2057
2058 /* END OF jonesforth.S */