Some doc updates.
[jonesforth.git] / jonesforth.S
1 /*      A sometimes minimal FORTH compiler and tutorial for Linux / i386 systems. -*- asm -*-
2         By Richard W.M. Jones <rich@annexia.org> http://annexia.org/forth
3         This is PUBLIC DOMAIN (see public domain release statement below).
4         $Id: jonesforth.S,v 1.19 2007-09-08 22:51:28 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,19
9 /*
10         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
11
12         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
13         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
14         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
15         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
16         languages, even if you will never use them.
17
18         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
19         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
20         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
21         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
22         and loops.
23
24         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
25         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
26         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
27         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
28         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
29         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
30         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
31         completely understand how Linux works, or gcc?
32
33         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
34         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
35         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
36         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
37         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
38         written in FORTH itself.
39
40         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
41         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
42         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
43         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
44         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
45         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
46         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
47         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
48         the language?  No problem in FORTH.  This concept isn't common in programming languages,
49         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
50         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
51
52         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
53         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
54         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
55         superficial understanding of how to use it.
56
57         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
58         references to read:
59
60         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
61
62         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
63
64         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
65
66         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
67
68         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
69
70         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
71         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
72
73         Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
74         defies easy explanation.
75
76         PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
77
78         I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
79
80         In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
81         without any conditions, unless such conditions are required by law.
82
83         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
84
85         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
86         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
87         uses a fixed width font and is at least this wide:
88
89  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
90
91         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
92         line.  If not, sort out your tabs.
93
94         |
95         |
96         |
97
98         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
99
100         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
101
102         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
103         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
104         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
105         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
106         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
107         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
108         this on a 64 bit AMD Opteron).
109
110         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
111         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
112
113         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
114         ./jonesforth
115
116         You will see lots of 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages from the
117         assembler.  That's just because the GNU assembler doesn't have a good syntax for multi-line
118         strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
119         slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
120
121         If you want to run your own FORTH programs you can do:
122
123         ./jonesforth < myprog.f
124
125         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
126
127         cat myfunctions.f - | ./jonesforth
128
129         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
130
131         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
132         follow this tutorial).
133
134         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
135
136         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
137             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
138             have special purposes.
139
140         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
141
142         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
143             causes a read from memory instead, so:
144             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
145             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
146
147         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
148             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
149
150         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
151
152         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
153             less repetitive.
154
155         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
156
157         Now the tutorial starts in earnest.
158
159         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
160
161         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
162         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
163
164         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
165         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
166
167         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
168         which is just a linked list of dictionary entries.
169
170         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
171         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
172         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
173         |                        | FLAGS  |                   |
174         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
175
176         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
177         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
178         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
179         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
180         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
181         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
182         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
183
184         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
185         other words, the head of this linked list.
186
187         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
188
189           pointer to previous word
190            ^
191            |
192         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
193         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
194         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
195            ^       len                         padding
196            |
197         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
198         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
199         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
200            ^       len                                     padding
201            |
202            |
203           LATEST
204
205         You shoud be able to see from this how you might implement functions to find a word in
206         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
207         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
208         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
209         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
210         assembly code later on.
211
212         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
213         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
214         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
215         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
216         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
217         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
218         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
219
220         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
221
222         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
223         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
224         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
225         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
226         (rich@annexia.org).
227
228         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
229         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
230         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
231
232         f ()
233         {
234           a ();
235           b ();
236           c ();
237         }
238
239         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
240         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
241         i386 machine code.
242
243         f:
244           CALL a                        E8 08 00 00 00
245           CALL b                        E8 1C 00 00 00
246           CALL c                        E8 2C 00 00 00
247           ; ignore the return from the function for now
248
249         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
250         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
251         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
252         by compressing this into just:
253
254         08 00 00 00             Just the function addresses, without
255         1C 00 00 00             the CALL prefix.
256         2C 00 00 00
257
258         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
259         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
260         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
261         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
262         useful properties].
263
264         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
265         which takes each pair of bytes and calls it.
266
267         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
268         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
269         pointer to the next word to execute in the %esi register:
270
271                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
272         %esi -> 1C 00 00 00
273                 2C 00 00 00
274
275         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
276         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
277         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
278
279                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
280                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
281         %esi -> 2C 00 00 00
282
283         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
284         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
285
286                 08 00 00 00
287                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
288         %esi -> 2C 00 00 00
289
290         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
291         which literally make the jump to the next subroutine.
292
293         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
294 */
295
296 /* NEXT macro. */
297         .macro NEXT
298         lodsl
299         jmp *(%eax)
300         .endm
301
302 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
303
304         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
305         a return.
306
307         The above describes what is known as direct threaded code.
308
309         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
310         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
311         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
312
313         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
314
315         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
316
317         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
318         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
319
320         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
321
322         I lied about JMP *(%eax).  
323
324         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
325
326         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
327         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
328         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
329
330                 +------------------+
331                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
332                 +------------------+                    NEXT
333         %esi -> | addr of DOUBLE   |
334                 +------------------+
335
336         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
337         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
338
339         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
340
341         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
342
343                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
344
345                 +------------------+
346                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
347                 +------------------+
348                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
349                 +------------------+               | codeword         |
350                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
351                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
352                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
353                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
354                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
355                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
356                                                    +------------------+    |       |    ..            |
357                                                                            |       |    ..            |
358                                                                            |       | NEXT             |
359                                                                            |       +------------------+
360                                                                            |
361                                                                            +-----> +------------------+
362                                                                                    | codeword      -------+
363                                                                                    +------------------+   |
364                                                                                    | assembly to   <------+
365                                                                                    | implement +      |
366                                                                                    |    ..            |
367                                                                                    |    ..            |
368                                                                                    | NEXT             |
369                                                                                    +------------------+
370
371         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
372         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
373         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
374         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
375         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
376         They don't need interpreting, they just run.
377
378         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
379         function.
380
381         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
382         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
383         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
384
385         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
386
387         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
388         (2) increments %esi by 4
389         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
390                                                         ie. the assembly code to implement +
391
392                 +------------------+
393                 | codeword         |
394                 +------------------+
395                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
396                 +------------------+               | codeword         |
397                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
398                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
399                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
400                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
401                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
402                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
403                                                    +------------------+    |       |    ..            |
404                                                                            |       |    ..            |
405                                                                            |       | NEXT             |
406                                                                            |       +------------------+
407                                                                            |
408                                                                            +-----> +------------------+
409                                                                                    | codeword      -------+
410                                                                                    +------------------+   |
411                                                                         now we're  | assembly to   <------+
412                                                                         executing  | implement +      |
413                                                                         this       |    ..            |
414                                                                         function   |    ..            |
415                                                                                    | NEXT             |
416                                                                                    +------------------+
417
418         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
419         indirect threaded code.
420
421         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
422
423         .
424         .
425         .
426
427         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
428         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
429         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
430         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
431         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
432
433         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
434
435         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
436         and the return stack.
437
438         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
439         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
440         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
441         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
442         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
443         threaded model above.
444
445         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
446         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
447         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
448         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
449
450         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
451         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
452         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
453         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
454
455         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
456         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
457         for our return stack.
458
459         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
460         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
461         (pop top of return stack into %ebx).
462 */
463
464 /* Macros to deal with the return stack. */
465         .macro PUSHRSP reg
466         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
467         movl \reg,(%ebp)
468         .endm
469
470         .macro POPRSP reg
471         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
472         lea 4(%ebp),%ebp
473         .endm
474
475 /*
476         And with that we can now talk about the interpreter.
477
478         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
479         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
480
481         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
482         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
483         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
484         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
485         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
486         to run.
487 */
488
489 /* DOCOL - the interpreter! */
490         .text
491         .align 4
492 DOCOL:
493         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
494         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
495         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
496         NEXT
497
498 /*
499         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
500         into DOUBLE:
501
502                 QUADRUPLE:
503                 +------------------+
504                 | codeword         |
505                 +------------------+               DOUBLE:
506                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
507                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
508         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
509                 +------------------+               | addr of DUP      |
510                 | addr of EXIT     |               +------------------+
511                 +------------------+               | etc.             |
512
513         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
514         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
515         just add 4 on to it to get our new %esi:
516
517                 QUADRUPLE:
518                 +------------------+
519                 | codeword         |
520                 +------------------+               DOUBLE:
521                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
522 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
523 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
524                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
525                 | addr of EXIT     |               +------------------+
526                 +------------------+               | etc.             |
527
528         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
529         and calls DUP.
530
531         Well, it seems to work.
532
533         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
534         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
535         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
536         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
537         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
538
539         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
540
541         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
542         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
543         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
544         assembly language primitives).
545
546         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
547         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
548         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
549         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
550         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
551 */
552
553 /* ELF entry point. */
554         .text
555         .globl _start
556 _start:
557         cld
558         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
559         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
560
561         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
562         NEXT                    // Run interpreter!
563
564         .section .rodata
565 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
566         .int COLD
567
568 /*
569         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
570         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
571         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
572 */
573
574         .bss
575 /* FORTH return stack. */
576 #define RETURN_STACK_SIZE 8192
577         .align 4096
578         .space RETURN_STACK_SIZE
579 return_stack:                   // Initial top of return stack.
580
581 /* Space for user-defined words. */
582 #define USER_DEFS_SIZE 16384
583         .align 4096
584 user_defs_start:
585         .space USER_DEFS_SIZE
586
587 /*
588         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
589
590         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
591         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
592
593           pointer to previous word
594            ^
595            |
596         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
597         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
598         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
599            ^       len                         pad  codeword      |
600            |                                                      V
601           LINK in next word                             points to codeword of DUP
602         
603         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
604         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
605         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
606         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
607         unsure of them).
608
609         The long way would be:
610         .int <link to previous word>
611         .byte 6                 // len
612         .ascii "DOUBLE"         // string
613         .byte 0                 // padding
614 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
615         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
616         .int PLUS               // pointer to codeword of +
617         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
618
619         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
620         so that I can just write:
621
622         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
623         .int DUP,PLUS,EXIT
624
625         and I'll get exactly the same effect.
626
627         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
628 */
629
630 /* Flags - these are discussed later. */
631 #define F_IMMED 0x80
632 #define F_HIDDEN 0x20
633
634         // Store the chain of links.
635         .set link,0
636
637         .macro defword name, namelen, flags=0, label
638         .section .rodata
639         .align 4
640         .globl name_\label
641 name_\label :
642         .int link               // link
643         .set link,name_\label
644         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
645         .ascii "\name"          // the name
646         .align 4
647         .globl \label
648 \label :
649         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
650         // list of word pointers follow
651         .endm
652
653 /*
654         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
655         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
656         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
657         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
658
659         This is what DUP looks like in memory:
660
661           pointer to previous word
662            ^
663            |
664         +--|------+---+---+---+---+------------+
665         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
666         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
667            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
668            |
669           LINK in next word
670
671         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
672 */
673
674         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
675         .section .rodata
676         .align 4
677         .globl name_\label
678 name_\label :
679         .int link               // link
680         .set link,name_\label
681         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
682         .ascii "\name"          // the name
683         .align 4
684         .globl \label
685 \label :
686         .int code_\label        // codeword
687         .text
688         .align 4
689         .globl code_\label
690 code_\label :                   // assembler code follows
691         .endm
692
693 /*
694         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
695         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
696         you can skip the details.
697 */
698
699         defcode "DUP",3,,DUP
700         pop %eax                // duplicate top of stack
701         push %eax
702         push %eax
703         NEXT
704
705         defcode "DROP",4,,DROP
706         pop %eax                // drop top of stack
707         NEXT
708
709         defcode "SWAP",4,,SWAP
710         pop %eax                // swap top of stack
711         pop %ebx
712         push %eax
713         push %ebx
714         NEXT
715
716         defcode "OVER",4,,OVER
717         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
718         push %eax               // and push it on top
719         NEXT
720
721         defcode "ROT",3,,ROT
722         pop %eax
723         pop %ebx
724         pop %ecx
725         push %eax
726         push %ecx
727         push %ebx
728         NEXT
729
730         defcode "-ROT",4,,NROT
731         pop %eax
732         pop %ebx
733         pop %ecx
734         push %ebx
735         push %eax
736         push %ecx
737         NEXT
738
739         defcode "1+",2,,INCR
740         incl (%esp)             // increment top of stack
741         NEXT
742
743         defcode "1-",2,,DECR
744         decl (%esp)             // decrement top of stack
745         NEXT
746
747         defcode "4+",2,,INCR4
748         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
749         NEXT
750
751         defcode "4-",2,,DECR4
752         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
753         NEXT
754
755         defcode "+",1,,ADD
756         pop %eax                // get top of stack
757         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
758         NEXT
759
760         defcode "-",1,,SUB
761         pop %eax                // get top of stack
762         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
763         NEXT
764
765         defcode "*",1,,MUL
766         pop %eax
767         pop %ebx
768         imull %ebx,%eax
769         push %eax               // ignore overflow
770         NEXT
771
772         defcode "/",1,,DIV
773         xor %edx,%edx
774         pop %ebx
775         pop %eax
776         idivl %ebx
777         push %eax               // push quotient
778         NEXT
779
780         defcode "MOD",3,,MOD
781         xor %edx,%edx
782         pop %ebx
783         pop %eax
784         idivl %ebx
785         push %edx               // push remainder
786         NEXT
787
788         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
789         pop %eax
790         pop %ebx
791         cmp %ebx,%eax
792         je 1f
793         pushl $0
794         NEXT
795 1:      pushl $1
796         NEXT
797
798         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
799         pop %eax
800         pop %ebx
801         cmp %ebx,%eax
802         je 1f
803         pushl $1
804         NEXT
805 1:      pushl $0
806         NEXT
807
808         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
809         pop %eax
810         test %eax,%eax
811         jz 1f
812         pushl $0
813         NEXT
814 1:      pushl $1
815         NEXT
816
817         defcode "AND",3,,AND
818         pop %eax
819         andl %eax,(%esp)
820         NEXT
821
822         defcode "OR",2,,OR
823         pop %eax
824         orl %eax,(%esp)
825         NEXT
826
827         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH "NOT" function
828         notl (%esp)
829         NEXT
830
831 /*
832         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
833
834         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
835         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
836
837                 QUADRUPLE
838                 +------------------+
839                 | codeword         |
840                 +------------------+               DOUBLE
841                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
842                 +------------------+               | codeword         |
843                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
844                 +------------------+               | addr of DUP      |
845                 | addr of EXIT     |               +------------------+
846                 +------------------+               | addr of +        |
847                                                    +------------------+
848                                            %esi -> | addr of EXIT     |
849                                                    +------------------+
850
851         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
852 */
853
854         defcode "EXIT",4,,EXIT
855         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
856         NEXT
857
858 /*
859         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
860         So after this (but just before NEXT) we get:
861
862                 QUADRUPLE
863                 +------------------+
864                 | codeword         |
865                 +------------------+               DOUBLE
866                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
867                 +------------------+               | codeword         |
868         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
869                 +------------------+               | addr of DUP      |
870                 | addr of EXIT     |               +------------------+
871                 +------------------+               | addr of +        |
872                                                    +------------------+
873                                                    | addr of EXIT     |
874                                                    +------------------+
875
876         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
877
878         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
879
880         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
881         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
882
883         : DOUBLE 2 * ;
884
885         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
886         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
887         a function for every single literal that you wanted to use.
888
889         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
890
891         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
892         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
893         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
894
895         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
896         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
897         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
898
899         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
900         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
901         see if you can find out how LIT works:
902 */
903
904         defcode "LIT",3,,LIT
905         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
906         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
907         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
908         lodsl
909         push %eax               // push the literal number on to stack
910         NEXT
911
912 /*
913         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
914
915         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
916         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
917         the primitive words for doing it.
918 */
919
920         defcode "!",1,,STORE
921         pop %ebx                // address to store at
922         pop %eax                // data to store there
923         mov %eax,(%ebx)         // store it
924         NEXT
925
926         defcode "@",1,,FETCH
927         pop %ebx                // address to fetch
928         mov (%ebx),%eax         // fetch it
929         push %eax               // push value onto stack
930         NEXT
931
932         defcode "+!",2,,ADDSTORE
933         pop %ebx                // address
934         pop %eax                // the amount to add
935         addl %eax,(%ebx)        // add it
936         NEXT
937
938         defcode "-!",2,,SUBSTORE
939         pop %ebx                // address
940         pop %eax                // the amount to subtract
941         subl %eax,(%ebx)        // add it
942         NEXT
943
944 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
945  * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
946  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
947  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
948  */
949         defcode "!b",2,,STOREBYTE
950         pop %ebx                // address to store at
951         pop %eax                // data to store there
952         movb %al,(%ebx)         // store it
953         NEXT
954
955         defcode "@b",2,,FETCHBYTE
956         pop %ebx                // address to fetch
957         xor %eax,%eax
958         movb (%ebx),%al         // fetch it
959         push %eax               // push value onto stack
960         NEXT
961
962 /*
963         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
964
965         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
966         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
967         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
968         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
969         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
970
971         LATEST @ . CR
972
973         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
974         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
975 */
976
977         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
978         defcode \name,\namelen,\flags,\label
979         push $var_\name
980         NEXT
981         .data
982         .align 4
983 var_\name :
984         .int \initial
985         .endm
986
987 /*
988         The built-in variables are:
989
990         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
991         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
992         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
993         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
994         _Y
995         _Z
996         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
997         R0              Stores the address of the top of the return stack.
998         VERSION         Is the current version of this FORTH.
999
1000 */
1001         defvar "STATE",5,,STATE
1002         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
1003         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
1004         defvar "_X",2,,TX
1005         defvar "_Y",2,,TY
1006         defvar "_Z",2,,TZ
1007         defvar "S0",2,,SZ
1008         defvar "R0",2,,RZ,return_stack
1009         defvar "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1010
1011 /*
1012         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1013
1014         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1015         the top of the return stack.
1016 */
1017
1018         defcode ">R",2,,TOR
1019         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1020         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1021         NEXT
1022
1023         defcode "R>",2,,FROMR
1024         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1025         push %eax               // and push on to parameter stack
1026         NEXT
1027
1028         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1029         push %ebp
1030         NEXT
1031
1032         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1033         pop %ebp
1034         NEXT
1035
1036         defcode "RDROP",5,,RDROP
1037         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1038         NEXT
1039
1040 /*
1041         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1042
1043         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1044         stack for us, and it is accessed through %esp.
1045 */
1046
1047         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1048         mov %esp,%eax
1049         push %eax
1050         NEXT
1051
1052         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1053         pop %esp
1054         NEXT
1055
1056 /*
1057         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1058
1059         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1060         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1061         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1062         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1063         as an opaque block of code that does what it says.
1064
1065         Let's discuss input first.
1066
1067         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1068         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1069         is pushed on the stack.
1070
1071         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1072         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1073         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1074
1075         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of the
1076         program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1077         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1078         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1079         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1080 */
1081
1082 #include <asm-i386/unistd.h>
1083
1084         defcode "KEY",3,,KEY
1085         call _KEY
1086         push %eax               // push return value on stack
1087         NEXT
1088 _KEY:
1089         mov (currkey),%ebx
1090         cmp (bufftop),%ebx
1091         jge 1f
1092         xor %eax,%eax
1093         mov (%ebx),%al
1094         inc %ebx
1095         mov %ebx,(currkey)
1096         ret
1097
1098 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1099         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1100         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1101         mov %ecx,currkey
1102         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1103         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1104         int $0x80
1105         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1106         jbe 2f
1107         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1108         mov %ecx,bufftop
1109         jmp _KEY
1110
1111 2:      // error or out of input: exit
1112         xor %ebx,%ebx
1113         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1114         int $0x80
1115
1116 /*
1117         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1118         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1119         it would be a good exercise to add it.
1120 */
1121
1122         defcode "EMIT",4,,EMIT
1123         pop %eax
1124         call _EMIT
1125         NEXT
1126 _EMIT:
1127         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1128
1129         // write needs the address of the byte to write
1130         mov %al,(2f)
1131         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1132
1133         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1134
1135         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1136         int $0x80
1137         ret
1138
1139         .bss
1140 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1141
1142 /*
1143         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1144
1145         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1146         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1147         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1148         two words on the stack (with address at the top).
1149
1150         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1151         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1152         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1153         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1154         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
1155         in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
1156         you'd want to is a bit beyond me.
1157
1158         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1159         peculiarities and limitations.
1160
1161         Note that when executing, you'll see:
1162         WORD FOO
1163         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1164         : BAR WORD FOO ;
1165         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1166         and immediate mode, and you'll understand why.
1167 */
1168
1169         defcode "WORD",4,,WORD
1170         call _WORD
1171         push %ecx               // push length
1172         push %edi               // push base address
1173         NEXT
1174
1175 _WORD:
1176         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1177 1:
1178         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1179         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1180         je 3f                   // if so, skip the comment
1181         cmpb $' ',%al
1182         jbe 1b                  // if so, keep looking
1183
1184         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1185         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1186 2:
1187         stosb                   // add character to return buffer
1188         call _KEY               // get next key, returned in %al
1189         cmpb $' ',%al           // is blank?
1190         ja 2b                   // if not, keep looping
1191
1192         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1193         sub $5f,%edi
1194         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1195         mov $5f,%edi            // return address of the word
1196         ret
1197
1198         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1199 3:
1200         call _KEY
1201         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1202         jne 3b
1203         jmp 1b
1204
1205         .bss
1206         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1207         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1208 5:      .space 32
1209
1210 /*
1211         . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer.  In real FORTH implementations
1212         it should print it in the current base, but this assembler version is simpler and can only
1213         print in base 10.
1214
1215         Remember that you can override even built-in FORTH words easily, so if you want to write a
1216         more advanced DOT then you can do so easily at a later point, and probably in FORTH.
1217 */
1218
1219         defcode ".",1,,DOT
1220         pop %eax                // Get the number to print into %eax
1221         call _DOT               // Easier to do this recursively ...
1222         NEXT
1223 _DOT:
1224         mov $10,%ecx            // Base 10
1225 1:
1226         cmp %ecx,%eax
1227         jb 2f
1228         xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
1229         idivl %ecx
1230         pushl %edx
1231         call _DOT
1232         popl %eax
1233         jmp 1b
1234 2:
1235         xor %ah,%ah
1236         aam $10
1237         cwde
1238         addl $'0',%eax
1239         call _EMIT
1240         ret
1241
1242 /*
1243         Almost the opposite of DOT (but not quite), SNUMBER parses a numeric string such as one returned
1244         by WORD and pushes the number on the parameter stack.
1245
1246         This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
1247         must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
1248
1249         This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
1250         in user code at all.
1251 */
1252         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1253         pop %edi
1254         pop %ecx
1255         call _SNUMBER
1256         push %eax
1257         NEXT
1258 _SNUMBER:
1259         xor %eax,%eax
1260         xor %ebx,%ebx
1261 1:
1262         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1263         movb (%edi),%bl
1264         inc %edi
1265         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1266         add %ebx,%eax
1267         dec %ecx
1268         jnz 1b
1269         ret
1270
1271 /*
1272         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1273
1274         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1275
1276         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1277         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1278         or 0 if it didn't.
1279
1280         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1281
1282     pointer to this
1283         |
1284         |
1285         V
1286         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1287         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1288         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1289
1290         See also >CFA which takes a dictionary entry pointer and returns a pointer to the codeword.
1291
1292         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1293 */
1294
1295         defcode "FIND",4,,FIND
1296         pop %edi                // %edi = address
1297         pop %ecx                // %ecx = length
1298         call _FIND
1299         push %eax
1300         NEXT
1301
1302 _FIND:
1303         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1304
1305         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1306         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1307 1:
1308         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1309         je 4f
1310
1311         // Compare the length expected and the length of the word.
1312         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1313         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1314         xor %eax,%eax
1315         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1316         andb $(F_HIDDEN|0x1f),%al // %al = name length
1317         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1318         jne 2f
1319
1320         // Compare the strings in detail.
1321         push %ecx               // Save the length
1322         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1323         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1324         repe cmpsb              // Compare the strings.
1325         pop %edi
1326         pop %ecx
1327         jne 2f                  // Not the same.
1328
1329         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1330         pop %esi
1331         mov %edx,%eax
1332         ret
1333
1334 2:
1335         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1336         jmp 1b                  // .. and loop.
1337
1338 4:      // Not found.
1339         pop %esi
1340         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1341         ret
1342
1343 /*
1344         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1345         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1346         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1347
1348         The example below shows the result of:
1349
1350                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1351
1352         FIND returns a pointer to this
1353         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1354         |                                          |
1355         V                                          V
1356         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1357         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1358         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1359
1360         Notes:
1361
1362         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1363
1364         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1365         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1366         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1367         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
1368
1369         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1370 */
1371
1372         defcode ">CFA",4,,TCFA
1373         pop %edi
1374         call _TCFA
1375         push %edi
1376         NEXT
1377 _TCFA:
1378         xor %eax,%eax
1379         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1380         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1381         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1382         andb $0x1f,%al          // Just the length, not the flags.
1383         add %eax,%edi           // Skip the name.
1384         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1385         andl $~3,%edi
1386         ret
1387
1388 /*
1389         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1390
1391         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1392
1393                 : DOUBLE DUP + ;
1394
1395         and we have to turn this into:
1396
1397           pointer to previous word
1398            ^
1399            |
1400         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1401         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1402         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1403            ^       len                         pad  codeword      |
1404            |                                                      V
1405           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1406
1407         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1408         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1409
1410         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1411         allows you to change how the compiler works on your own code.
1412
1413         FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1414         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1415         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1416
1417         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1418
1419         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1420         immediate mode.
1421
1422         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1423         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1424         free byte of user memory).
1425
1426         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1427
1428         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1429
1430         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1431
1432     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1433            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1434            |                                                    V   codewords.
1435         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1436         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1437         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1438                    len                         pad  codeword
1439
1440         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1441
1442         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1443             the interpreter will append codewords.
1444
1445         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1446             our partially-formed header.
1447
1448         After : has run, our input is here:
1449
1450         : DOUBLE DUP + ;
1451                  ^
1452                  |
1453                 Next byte returned by KEY
1454
1455         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads DUP,
1456         gets its codeword pointer, and appends it:
1457
1458                                                                              +-- HERE updated to point here.
1459                                                                              |
1460                                                                              V
1461         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1462         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1463         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1464                    len                         pad  codeword
1465
1466         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1467
1468                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1469                                                                                           |
1470                                                                                           V
1471         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1472         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1473         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1474                    len                         pad  codeword
1475
1476         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1477         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1478
1479         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1480         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1481         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1482         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1483
1484         I hope I don't need to explain that ; (SEMICOLON) just such a word, flagged as IMMEDIATE.
1485         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1486         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1487         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1488
1489         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1490
1491         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1492         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1493         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1494                    len                         pad  codeword                                           ^
1495                                                                                                        |
1496                                                                                                       HERE
1497
1498         STATE is set to 0.
1499
1500         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1501         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1502
1503         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1504         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1505         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1506         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1507         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1508         chance of it being called.
1509
1510         Compared to the description above, the actual definition of : (COLON) is comparatively simple:
1511 */
1512
1513         defcode ":",1,,COLON
1514
1515         // Get the word and create a dictionary entry header for it.
1516         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1517         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1518
1519         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1520         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1521         stosl                   // and store it in the header.
1522
1523         mov %cl,%al             // Get the length.
1524         orb $F_HIDDEN,%al       // Set the HIDDEN flag on this entry.
1525         stosb                   // Store the length/flags byte.
1526         push %esi
1527         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1528         rep movsb               // Copy the word
1529         pop %esi
1530         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1531         andl $~3,%edi
1532
1533         movl $DOCOL,%eax        // The codeword for user-created words is always DOCOL (the interpreter)
1534         stosl
1535
1536         // Header built, so now update LATEST and HERE.
1537         // We'll be compiling words and putting them HERE.
1538         movl var_HERE,%eax
1539         movl %eax,var_LATEST
1540         movl %edi,var_HERE
1541
1542         // And go into compile mode by setting STATE to 1.
1543         movl $1,var_STATE
1544         NEXT
1545
1546 /*
1547         , (COMMA) is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer (normally a codeword
1548         pointer) to the user data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.
1549 */
1550
1551         defcode ",",1,,COMMA
1552         pop %eax                // Code pointer to store.
1553         call _COMMA
1554         NEXT
1555 _COMMA:
1556         movl var_HERE,%edi      // HERE
1557         stosl                   // Store it.
1558         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1559         ret
1560
1561 /*
1562         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1563 */
1564
1565         defcode ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1566         movl $EXIT,%eax         // EXIT is the final codeword in compiled words.
1567         call _COMMA             // Store it.
1568         call _HIDDEN            // Toggle the HIDDEN flag (unhides the new word).
1569         xor %eax,%eax           // Set STATE to 0 (back to execute mode).
1570         movl %eax,var_STATE
1571         NEXT
1572
1573 /*
1574         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1575
1576         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1577         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1578         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1579
1580         Standard FORTH words like IF, WHILE, .", [ and so on are all written as extensions to the basic
1581         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1582
1583         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1584         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1585
1586         Typical usage is:
1587
1588         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1589                 ...definition...
1590         ;
1591
1592         but some FORTH programmers write this instead:
1593
1594         : MYIMMEDWORD
1595                 ...definition...
1596         ; IMMEDIATE
1597
1598         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1599 */
1600
1601         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1602         call _IMMEDIATE
1603         NEXT
1604 _IMMEDIATE:
1605         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1606         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1607         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1608         ret
1609
1610 /*
1611         HIDDEN toggles the other flag, F_HIDDEN, of the latest word.  Note that words flagged
1612         as hidden are defined but cannot be called, so this is rarely used.
1613 */
1614
1615         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1616         call _HIDDEN
1617         NEXT
1618 _HIDDEN:
1619         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1620         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1621         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1622         ret
1623
1624 /*
1625         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1626
1627         The common usage is:
1628
1629         ' FOO ,
1630
1631         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1632
1633         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1634         a literal 2 might be:
1635
1636         : LIT2 IMMEDIATE
1637                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1638                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1639         ;
1640
1641         So you could do:
1642
1643         : DOUBLE LIT2 * ;
1644
1645         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1646         and immediate mode).
1647
1648         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1649         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1650         immediate mode too.
1651 */
1652         defcode "'",1,,TICK
1653         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1654         pushl %eax              // Push it on the stack.
1655         NEXT
1656
1657 /*
1658         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1659
1660         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1661         are two primitives.
1662
1663         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1664         top of stack is zero).
1665
1666         The diagra below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1667         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1668
1669         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1670         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1671         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1672                                                                    ^  |                       ^
1673                                                                    |  |                       |
1674                                                                    |  +-----------------------+
1675                                                                   %esi added to offset
1676
1677         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1678         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1679
1680         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1681
1682         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1683         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1684         into the word currently being compiled.
1685
1686         As an example, code written like this:
1687
1688                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1689
1690         compiles to:
1691
1692                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1693                                           |             ^
1694                                           |             |
1695                                           +-------------+
1696 */
1697
1698         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1699         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1700         NEXT
1701
1702         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1703         pop %eax
1704         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1705         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1706         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1707         NEXT
1708
1709 /*
1710         PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
1711
1712         LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." operator (which is
1713         written in FORTH).  See the definition of that operator below.
1714 */
1715
1716         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1717         lodsl                   // get the length of the string
1718         push %eax               // push it on the stack
1719         push %esi               // push the address of the start of the string
1720         addl %eax,%esi          // skip past the string
1721         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1722         andl $~3,%esi
1723         NEXT
1724
1725         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1726         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1727         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1728         pop %edx                // 3rd param: length of string
1729         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1730         int $0x80
1731         NEXT
1732
1733 /*
1734         COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
1735
1736         COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
1737
1738         INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
1739         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
1740 */
1741
1742
1743         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1744         defword "COLD",4,,COLD
1745         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1746         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1747
1748 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1749  * it later with a more powerful one!
1750  */
1751         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1752         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1753
1754         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1755         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1756
1757         // Is it in the dictionary?
1758         xor %eax,%eax
1759         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1760         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1761         test %eax,%eax          // Found?
1762         jz 1f
1763
1764         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1765         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1766         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1767         push %ax                // Just save it for now.
1768         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1769         pop %ax
1770         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1771         mov %edi,%eax
1772         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1773
1774         jmp 2f
1775
1776 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1777         incl interpret_is_lit
1778         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1779         mov %eax,%ebx
1780         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1781
1782 2:      // Are we compiling or executing?
1783         movl var_STATE,%edx
1784         test %edx,%edx
1785         jz 4f                   // Jump if executing.
1786
1787         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
1788         call _COMMA
1789         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
1790         test %ecx,%ecx
1791         jz 3f
1792         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
1793         call _COMMA
1794 3:      NEXT
1795
1796 4:      // Executing - run it!
1797         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
1798         test %ecx,%ecx          // Literal?
1799         jnz 5f
1800
1801         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
1802         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
1803         jmp *(%eax)
1804
1805 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
1806         push %ebx
1807         NEXT
1808
1809         .data
1810         .align 4
1811 interpret_is_lit:
1812         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
1813
1814 /*
1815         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
1816
1817         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
1818         CHAR A puts 65 on the stack.
1819
1820         SYSEXIT exits the process using Linux exit syscall.
1821 */
1822
1823         defcode "CHAR",4,,CHAR
1824         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1825         xor %eax,%eax
1826         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
1827         push %eax               // Push it onto the stack.
1828         NEXT
1829
1830         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
1831         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
1832         pop %ebx
1833         mov $__NR_exit,%eax
1834         int $0x80
1835
1836 /*
1837         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
1838
1839         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
1840         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
1841         languages would be considered rather fundamental.
1842
1843         As a kind of trick, I prefill the input buffer with the initial FORTH code.  Once this code
1844         has run (when we get to the "OK" prompt), this input buffer is reused for reading any further
1845         user input.
1846
1847         Some notes about the code:
1848
1849         \ (backslash) is the FORTH way to start a comment which goes up to the next newline.  However
1850         because this is a C-style string, I have to escape the backslash, which is why they appear as
1851         \\ comment.
1852
1853         Similarly, any backslashes in the code are doubled, and " becomes \" (eg. the definition of ."
1854         is written as : .\" ... ;)
1855
1856         I use indenting to show structure.  The amount of whitespace has no meaning to FORTH however
1857         except that you must use at least one whitespace character between words, and words themselves
1858         cannot contain whitespace.
1859
1860         FORTH is case-sensitive.  Use capslock!
1861
1862         Enjoy!
1863 */
1864
1865         .data
1866         .align 4096
1867 buffer:
1868         // Multi-line constant gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore.
1869         .ascii "\
1870 \\ Define some character constants
1871 : '\\n'   10 ;
1872 : 'SPACE' 32 ;
1873 : '\"'    34 ;
1874 : ':'     58 ;
1875
1876 \\ CR prints a carriage return
1877 : CR '\\n' EMIT ;
1878
1879 \\ SPACE prints a space
1880 : SPACE 'SPACE' EMIT ;
1881
1882 \\ Primitive . (DOT) function doesn't follow with a blank, so redefine it to behave like FORTH.
1883 \\ Notice how we can trivially redefine existing functions.
1884 : . . SPACE ;
1885
1886 \\ DUP, DROP are defined in assembly for speed, but this is how you might define them
1887 \\ in FORTH.  Notice use of the scratch variables _X and _Y.
1888 \\ : DUP _X ! _X @ _X @ ;
1889 \\ : DROP _X ! ;
1890
1891 \\ The 2... versions of the standard operators work on pairs of stack entries.  They're not used
1892 \\ very commonly so not really worth writing in assembler.  Here is how they are defined in FORTH.
1893 : 2DUP OVER OVER ;
1894 : 2DROP DROP DROP ;
1895
1896 \\ More standard FORTH words.
1897 : 2* 2 * ;
1898 : 2/ 2 / ;
1899
1900 \\ [ and ] allow you to break into immediate mode while compiling a word.
1901 : [ IMMEDIATE           \\ define [ as an immediate word
1902         0 STATE !       \\ go into immediate mode
1903         ;
1904
1905 : ]
1906         1 STATE !       \\ go back to compile mode
1907         ;
1908
1909 \\ LITERAL takes whatever is on the stack and compiles LIT <foo>
1910 : LITERAL IMMEDIATE
1911         ' LIT ,         \\ compile LIT
1912         ,               \\ compile the literal itself (from the stack)
1913         ;
1914
1915 \\ condition IF true-part THEN rest
1916 \\   compiles to:
1917 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part rest
1918 \\   where OFFSET is the offset of 'rest'
1919 \\ condition IF true-part ELSE false-part THEN
1920 \\   compiles to:
1921 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part BRANCH OFFSET2 false-part rest
1922 \\   where OFFSET if the offset of false-part and OFFSET2 is the offset of rest
1923
1924 \\ IF is an IMMEDIATE word which compiles 0BRANCH followed by a dummy offset, and places
1925 \\ the address of the 0BRANCH on the stack.  Later when we see THEN, we pop that address
1926 \\ off the stack, calculate the offset, and back-fill the offset.
1927 : IF IMMEDIATE
1928         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1929         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1930         0 ,             \\ compile a dummy offset
1931 ;
1932
1933 : THEN IMMEDIATE
1934         DUP
1935         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1936         SWAP !          \\ store the offset in the back-filled location
1937 ;
1938
1939 : ELSE IMMEDIATE
1940         ' BRANCH ,      \\ definite branch to just over the false-part
1941         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1942         0 ,             \\ compile a dummy offset
1943         SWAP            \\ now back-fill the original (IF) offset
1944         DUP             \\ same as for THEN word above
1945         HERE @ SWAP -
1946         SWAP !
1947 ;
1948
1949 \\ BEGIN loop-part condition UNTIL
1950 \\   compiles to:
1951 \\ loop-part condition 0BRANCH OFFSET
1952 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1953 \\ This is like do { loop-part } while (condition) in the C language
1954 : BEGIN IMMEDIATE
1955         HERE @          \\ save location on the stack
1956 ;
1957
1958 : UNTIL IMMEDIATE
1959         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1960         HERE @ -        \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1961         ,               \\ compile the offset here
1962 ;
1963
1964 \\ BEGIN loop-part AGAIN
1965 \\   compiles to:
1966 \\ loop-part BRANCH OFFSET
1967 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1968 \\ In other words, an infinite loop which can only be returned from with EXIT
1969 : AGAIN IMMEDIATE
1970         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1971         HERE @ -        \\ calculate the offset back
1972         ,               \\ compile the offset here
1973 ;
1974
1975 \\ BEGIN condition WHILE loop-part REPEAT
1976 \\   compiles to:
1977 \\ condition 0BRANCH OFFSET2 loop-part BRANCH OFFSET
1978 \\   where OFFSET points back to condition (the beginning) and OFFSET2 points to after the whole piece of code
1979 \\ So this is like a while (condition) { loop-part } loop in the C language
1980 : WHILE IMMEDIATE
1981         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1982         HERE @          \\ save location of the offset2 on the stack
1983         0 ,             \\ compile a dummy offset2
1984 ;
1985
1986 : REPEAT IMMEDIATE
1987         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1988         SWAP            \\ get the original offset (from BEGIN)
1989         HERE @ - ,      \\ and compile it after BRANCH
1990         DUP
1991         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset2
1992         SWAP !          \\ and back-fill it in the original location
1993 ;
1994
1995 \\ With the looping constructs, we can now write SPACES, which writes n spaces to stdout.
1996 : SPACES
1997         BEGIN
1998                 SPACE   \\ print a space
1999                 1-      \\ until we count down to 0
2000                 DUP 0=
2001         UNTIL
2002 ;
2003
2004 \\ .S prints the contents of the stack.  Very useful for debugging.
2005 : .S
2006         DSP@            \\ get current stack pointer
2007         BEGIN
2008                 DUP @ .         \\ print the stack element
2009                 4+              \\ move up
2010                 DUP S0 @ 4- =   \\ stop when we get to the top
2011         UNTIL
2012         DROP
2013 ;
2014
2015 \\ DEPTH returns the depth of the stack.
2016 : DEPTH S0 @ DSP@ - ;
2017
2018 \\ .\" is the print string operator in FORTH.  Example: .\" Something to print\"
2019 \\ The space after the operator is the ordinary space required between words.
2020 \\ This is tricky to define because it has to do different things depending on whether
2021 \\ we are compiling or in immediate mode.  (Thus the word is marked IMMEDIATE so it can
2022 \\ detect this and do different things).
2023 \\ In immediate mode we just keep reading characters and printing them until we get to
2024 \\ the next double quote.
2025 \\ In compile mode we have the problem of where we're going to store the string (remember
2026 \\ that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
2027 \\ come round to running the function).  We store the string in the compiled function
2028 \\ like this:
2029 \\   ..., LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
2030 : .\" IMMEDIATE
2031         STATE @         \\ compiling?
2032         IF
2033                 ' LITSTRING ,   \\ compile LITSTRING
2034                 HERE @          \\ save the address of the length word on the stack
2035                 0 ,             \\ dummy length - we don't know what it is yet
2036                 BEGIN
2037                         KEY             \\ get next character of the string
2038                         DUP '\"' <>
2039                 WHILE
2040                         HERE @ !b       \\ store the character in the compiled image
2041                         1 HERE +!       \\ increment HERE pointer by 1 byte
2042                 REPEAT
2043                 DROP            \\ drop the double quote character at the end
2044                 DUP             \\ get the saved address of the length word
2045                 HERE @ SWAP -   \\ calculate the length
2046                 4-              \\ subtract 4 (because we measured from the start of the length word)
2047                 SWAP !          \\ and back-fill the length location
2048                 HERE @          \\ round up to next multiple of 4 bytes for the remaining code
2049                 3 +
2050                 3 INVERT AND
2051                 HERE !
2052                 ' EMITSTRING ,  \\ compile the final EMITSTRING
2053         ELSE
2054                 \\ In immediate mode, just read characters and print them until we get
2055                 \\ to the ending double quote.  Much simpler than the above code!
2056                 BEGIN
2057                         KEY
2058                         DUP '\"' = IF EXIT THEN
2059                         EMIT
2060                 AGAIN
2061         THEN
2062 ;
2063
2064 \\ While compiling, [COMPILE] WORD compiles WORD if it would otherwise be IMMEDIATE.
2065 : [COMPILE] IMMEDIATE
2066         WORD            \\ get the next word
2067         FIND            \\ find it in the dictionary
2068         >CFA            \\ get its codeword
2069         ,               \\ and compile that
2070 ;
2071
2072 \\ RECURSE makes a recursive call to the current word that is being compiled.
2073 \\ Normally while a word is being compiled, it is marked HIDDEN so that references to the
2074 \\ same word within are calls to the previous definition of the word.
2075 : RECURSE IMMEDIATE
2076         LATEST @ >CFA   \\ LATEST points to the word being compiled at the moment
2077         ,               \\ compile it
2078 ;
2079
2080 \\ ALLOT is used to allocate (static) memory when compiling.  It increases HERE by
2081 \\ the amount given on the stack.
2082 \\: ALLOT HERE +! ;
2083
2084
2085 \\ Finally print the welcome prompt.
2086 .\" JONESFORTH VERSION \" VERSION @ . CR
2087 .\" OK \"
2088 "
2089
2090 _initbufftop:
2091         .align 4096
2092 buffend:
2093
2094 currkey:
2095         .int buffer
2096 bufftop:
2097         .int _initbufftop
2098
2099 /* END OF jonesforth.S */