Lots of typos fixed.
[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 1.20 2007-09-15 11:21:09 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,20
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         Discussion and criticism of this FORTH here: http://lambda-the-ultimate.org/node/2452
69
70         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
71
72         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
73         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
74
75         Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
76         defies easy explanation.
77
78         PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
79
80         I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
81
82         In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
83         without any conditions, unless such conditions are required by law.
84
85         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
86
87         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
88         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
89         uses a fixed width font and is at least this wide:
90
91  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
92
93         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
94         line.  If not, sort out your tabs.
95
96         |
97         |
98         |
99
100         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
101
102         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
103
104         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
105         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
106         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
107         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
108         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
109         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
110         this on a 64 bit AMD Opteron).
111
112         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
113         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
114
115         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
116         ./jonesforth
117
118         You will see lots of 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages from the
119         assembler.  That's just because the GNU assembler doesn't have a good syntax for multi-line
120         strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
121         slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
122
123         If you want to run your own FORTH programs you can do:
124
125         ./jonesforth < myprog.f
126
127         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
128
129         cat myfunctions.f - | ./jonesforth
130
131         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
132
133         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
134         follow this tutorial).
135
136         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
137
138         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
139             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
140             have special purposes.
141
142         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
143
144         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
145             causes a read from memory instead, so:
146             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
147             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
148
149         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
150             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
151
152         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
153
154         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
155             less repetitive.
156
157         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
158
159         Now the tutorial starts in earnest.
160
161         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
162
163         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
164         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
165
166         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
167         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
168
169         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
170         which is just a linked list of dictionary entries.
171
172         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
173         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
174         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
175         |                        | FLAGS  |                   |
176         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
177
178         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
179         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
180         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
181         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
182         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
183         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
184         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
185
186         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
187         other words, the head of this linked list.
188
189         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
190
191           pointer to previous word
192            ^
193            |
194         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
195         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
196         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
197            ^       len                         padding
198            |
199         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
200         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
201         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
202            ^       len                                     padding
203            |
204            |
205           LATEST
206
207         You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
208         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
209         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
210         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
211         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
212         assembly code later on.
213
214         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
215         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
216         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
217         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
218         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
219         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
220         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
221
222         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
223
224         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
225         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
226         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
227         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
228         (rich@annexia.org).
229
230         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
231         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
232         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
233
234         f ()
235         {
236           a ();
237           b ();
238           c ();
239         }
240
241         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
242         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
243         i386 machine code.
244
245         f:
246           CALL a                        E8 08 00 00 00
247           CALL b                        E8 1C 00 00 00
248           CALL c                        E8 2C 00 00 00
249           ; ignore the return from the function for now
250
251         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
252         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
253         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
254         by compressing this into just:
255
256         08 00 00 00             Just the function addresses, without
257         1C 00 00 00             the CALL prefix.
258         2C 00 00 00
259
260         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
261         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
262         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
263         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
264         useful properties].
265
266         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
267         which takes each pair of bytes and calls it.
268
269         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
270         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
271         pointer to the next word to execute in the %esi register:
272
273                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
274         %esi -> 1C 00 00 00
275                 2C 00 00 00
276
277         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
278         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
279         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
280
281                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
282                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
283         %esi -> 2C 00 00 00
284
285         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
286         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
287
288                 08 00 00 00
289                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
290         %esi -> 2C 00 00 00
291
292         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
293         which literally make the jump to the next subroutine.
294
295         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
296 */
297
298 /* NEXT macro. */
299         .macro NEXT
300         lodsl
301         jmp *(%eax)
302         .endm
303
304 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
305
306         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
307         a return.
308
309         The above describes what is known as direct threaded code.
310
311         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
312         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
313         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
314
315         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
316
317         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
318
319         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
320         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
321
322         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
323
324         I lied about JMP *(%eax).  
325
326         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
327
328         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
329         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
330         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
331
332                 +------------------+
333                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
334                 +------------------+                    NEXT
335         %esi -> | addr of DOUBLE   |
336                 +------------------+
337
338         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
339         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
340
341         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
342
343         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
344
345                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
346
347                 +------------------+
348                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
349                 +------------------+
350                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
351                 +------------------+               | codeword         |
352                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
353                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
354                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
355                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
356                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
357                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
358                                                    +------------------+    |       |    ..            |
359                                                                            |       |    ..            |
360                                                                            |       | NEXT             |
361                                                                            |       +------------------+
362                                                                            |
363                                                                            +-----> +------------------+
364                                                                                    | codeword      -------+
365                                                                                    +------------------+   |
366                                                                                    | assembly to   <------+
367                                                                                    | implement +      |
368                                                                                    |    ..            |
369                                                                                    |    ..            |
370                                                                                    | NEXT             |
371                                                                                    +------------------+
372
373         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
374         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
375         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
376         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
377         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
378         They don't need interpreting, they just run.
379
380         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
381         function.
382
383         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
384         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
385         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
386
387         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
388
389         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
390         (2) increments %esi by 4
391         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
392                                                         ie. the assembly code to implement +
393
394                 +------------------+
395                 | codeword         |
396                 +------------------+
397                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
398                 +------------------+               | codeword         |
399                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
400                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
401                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
402                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
403                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
404                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
405                                                    +------------------+    |       |    ..            |
406                                                                            |       |    ..            |
407                                                                            |       | NEXT             |
408                                                                            |       +------------------+
409                                                                            |
410                                                                            +-----> +------------------+
411                                                                                    | codeword      -------+
412                                                                                    +------------------+   |
413                                                                         now we're  | assembly to   <------+
414                                                                         executing  | implement +      |
415                                                                         this       |    ..            |
416                                                                         function   |    ..            |
417                                                                                    | NEXT             |
418                                                                                    +------------------+
419
420         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
421         indirect threaded code.
422
423         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
424
425         .
426         .
427         .
428
429         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
430         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
431         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
432         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
433         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
434
435         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
436
437         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
438         and the return stack.
439
440         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
441         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
442         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
443         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
444         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
445         threaded model above.
446
447         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
448         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
449         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
450         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
451
452         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
453         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
454         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
455         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
456
457         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
458         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
459         for our return stack.
460
461         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
462         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
463         (pop top of return stack into %ebx).
464 */
465
466 /* Macros to deal with the return stack. */
467         .macro PUSHRSP reg
468         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
469         movl \reg,(%ebp)
470         .endm
471
472         .macro POPRSP reg
473         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
474         lea 4(%ebp),%ebp
475         .endm
476
477 /*
478         And with that we can now talk about the interpreter.
479
480         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
481         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
482
483         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
484         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
485         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
486         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
487         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
488         to run.
489 */
490
491 /* DOCOL - the interpreter! */
492         .text
493         .align 4
494 DOCOL:
495         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
496         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
497         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
498         NEXT
499
500 /*
501         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
502         into DOUBLE:
503
504                 QUADRUPLE:
505                 +------------------+
506                 | codeword         |
507                 +------------------+               DOUBLE:
508                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
509                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
510         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
511                 +------------------+               | addr of DUP      |
512                 | addr of EXIT     |               +------------------+
513                 +------------------+               | etc.             |
514
515         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
516         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
517         just add 4 on to it to get our new %esi:
518
519                 QUADRUPLE:
520                 +------------------+
521                 | codeword         |
522                 +------------------+               DOUBLE:
523                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
524 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
525 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
526                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
527                 | addr of EXIT     |               +------------------+
528                 +------------------+               | etc.             |
529
530         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
531         and calls DUP.
532
533         Well, it seems to work.
534
535         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
536         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
537         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
538         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
539         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
540
541         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
542
543         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
544         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
545         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
546         assembly language primitives).
547
548         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
549         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
550         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
551         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
552         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
553 */
554
555 /* ELF entry point. */
556         .text
557         .globl _start
558 _start:
559         cld
560         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
561         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
562
563         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
564         NEXT                    // Run interpreter!
565
566         .section .rodata
567 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
568         .int COLD
569
570 /*
571         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
572         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
573         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
574 */
575
576         .bss
577 /* FORTH return stack. */
578 #define RETURN_STACK_SIZE 8192
579         .align 4096
580         .space RETURN_STACK_SIZE
581 return_stack:                   // Initial top of return stack.
582
583 /* Space for user-defined words. */
584 #define USER_DEFS_SIZE 16384
585         .align 4096
586 user_defs_start:
587         .space USER_DEFS_SIZE
588
589 /*
590         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
591
592         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
593         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
594
595           pointer to previous word
596            ^
597            |
598         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
599         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
600         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
601            ^       len                         pad  codeword      |
602            |                                                      V
603           LINK in next word                             points to codeword of DUP
604         
605         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
606         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
607         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
608         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
609         unsure of them).
610
611         The long way would be:
612         .int <link to previous word>
613         .byte 6                 // len
614         .ascii "DOUBLE"         // string
615         .byte 0                 // padding
616 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
617         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
618         .int PLUS               // pointer to codeword of +
619         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
620
621         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
622         so that I can just write:
623
624         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
625         .int DUP,PLUS,EXIT
626
627         and I'll get exactly the same effect.
628
629         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
630 */
631
632 /* Flags - these are discussed later. */
633 #define F_IMMED 0x80
634 #define F_HIDDEN 0x20
635
636         // Store the chain of links.
637         .set link,0
638
639         .macro defword name, namelen, flags=0, label
640         .section .rodata
641         .align 4
642         .globl name_\label
643 name_\label :
644         .int link               // link
645         .set link,name_\label
646         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
647         .ascii "\name"          // the name
648         .align 4
649         .globl \label
650 \label :
651         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
652         // list of word pointers follow
653         .endm
654
655 /*
656         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
657         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
658         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
659         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
660
661         This is what DUP looks like in memory:
662
663           pointer to previous word
664            ^
665            |
666         +--|------+---+---+---+---+------------+
667         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
668         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
669            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
670            |
671           LINK in next word
672
673         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
674 */
675
676         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
677         .section .rodata
678         .align 4
679         .globl name_\label
680 name_\label :
681         .int link               // link
682         .set link,name_\label
683         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
684         .ascii "\name"          // the name
685         .align 4
686         .globl \label
687 \label :
688         .int code_\label        // codeword
689         .text
690         .align 4
691         .globl code_\label
692 code_\label :                   // assembler code follows
693         .endm
694
695 /*
696         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
697         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
698         you can skip the details.
699 */
700
701         defcode "DUP",3,,DUP
702         pop %eax                // duplicate top of stack
703         push %eax
704         push %eax
705         NEXT
706
707         defcode "DROP",4,,DROP
708         pop %eax                // drop top of stack
709         NEXT
710
711         defcode "SWAP",4,,SWAP
712         pop %eax                // swap top of stack
713         pop %ebx
714         push %eax
715         push %ebx
716         NEXT
717
718         defcode "OVER",4,,OVER
719         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
720         push %eax               // and push it on top
721         NEXT
722
723         defcode "ROT",3,,ROT
724         pop %eax
725         pop %ebx
726         pop %ecx
727         push %eax
728         push %ecx
729         push %ebx
730         NEXT
731
732         defcode "-ROT",4,,NROT
733         pop %eax
734         pop %ebx
735         pop %ecx
736         push %ebx
737         push %eax
738         push %ecx
739         NEXT
740
741         defcode "1+",2,,INCR
742         incl (%esp)             // increment top of stack
743         NEXT
744
745         defcode "1-",2,,DECR
746         decl (%esp)             // decrement top of stack
747         NEXT
748
749         defcode "4+",2,,INCR4
750         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
751         NEXT
752
753         defcode "4-",2,,DECR4
754         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
755         NEXT
756
757         defcode "+",1,,ADD
758         pop %eax                // get top of stack
759         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
760         NEXT
761
762         defcode "-",1,,SUB
763         pop %eax                // get top of stack
764         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
765         NEXT
766
767         defcode "*",1,,MUL
768         pop %eax
769         pop %ebx
770         imull %ebx,%eax
771         push %eax               // ignore overflow
772         NEXT
773
774         defcode "/",1,,DIV
775         xor %edx,%edx
776         pop %ebx
777         pop %eax
778         idivl %ebx
779         push %eax               // push quotient
780         NEXT
781
782         defcode "MOD",3,,MOD
783         xor %edx,%edx
784         pop %ebx
785         pop %eax
786         idivl %ebx
787         push %edx               // push remainder
788         NEXT
789
790         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
791         pop %eax
792         pop %ebx
793         cmp %ebx,%eax
794         je 1f
795         pushl $0
796         NEXT
797 1:      pushl $1
798         NEXT
799
800         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
801         pop %eax
802         pop %ebx
803         cmp %ebx,%eax
804         je 1f
805         pushl $1
806         NEXT
807 1:      pushl $0
808         NEXT
809
810         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
811         pop %eax
812         test %eax,%eax
813         jz 1f
814         pushl $0
815         NEXT
816 1:      pushl $1
817         NEXT
818
819         defcode "AND",3,,AND
820         pop %eax
821         andl %eax,(%esp)
822         NEXT
823
824         defcode "OR",2,,OR
825         pop %eax
826         orl %eax,(%esp)
827         NEXT
828
829         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH "NOT" function
830         notl (%esp)
831         NEXT
832
833 /*
834         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
835
836         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
837         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
838
839                 QUADRUPLE
840                 +------------------+
841                 | codeword         |
842                 +------------------+               DOUBLE
843                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
844                 +------------------+               | codeword         |
845                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
846                 +------------------+               | addr of DUP      |
847                 | addr of EXIT     |               +------------------+
848                 +------------------+               | addr of +        |
849                                                    +------------------+
850                                            %esi -> | addr of EXIT     |
851                                                    +------------------+
852
853         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
854 */
855
856         defcode "EXIT",4,,EXIT
857         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
858         NEXT
859
860 /*
861         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
862         So after this (but just before NEXT) we get:
863
864                 QUADRUPLE
865                 +------------------+
866                 | codeword         |
867                 +------------------+               DOUBLE
868                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
869                 +------------------+               | codeword         |
870         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
871                 +------------------+               | addr of DUP      |
872                 | addr of EXIT     |               +------------------+
873                 +------------------+               | addr of +        |
874                                                    +------------------+
875                                                    | addr of EXIT     |
876                                                    +------------------+
877
878         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
879
880         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
881
882         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
883         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
884
885         : DOUBLE 2 * ;
886
887         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
888         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
889         a function for every single literal that you wanted to use.
890
891         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
892
893         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
894         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
895         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
896
897         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
898         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
899         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
900
901         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
902         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
903         see if you can find out how LIT works:
904 */
905
906         defcode "LIT",3,,LIT
907         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
908         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
909         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
910         lodsl
911         push %eax               // push the literal number on to stack
912         NEXT
913
914 /*
915         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
916
917         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
918         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
919         the primitive words for doing it.
920 */
921
922         defcode "!",1,,STORE
923         pop %ebx                // address to store at
924         pop %eax                // data to store there
925         mov %eax,(%ebx)         // store it
926         NEXT
927
928         defcode "@",1,,FETCH
929         pop %ebx                // address to fetch
930         mov (%ebx),%eax         // fetch it
931         push %eax               // push value onto stack
932         NEXT
933
934         defcode "+!",2,,ADDSTORE
935         pop %ebx                // address
936         pop %eax                // the amount to add
937         addl %eax,(%ebx)        // add it
938         NEXT
939
940         defcode "-!",2,,SUBSTORE
941         pop %ebx                // address
942         pop %eax                // the amount to subtract
943         subl %eax,(%ebx)        // add it
944         NEXT
945
946 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
947  * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
948  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
949  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
950  */
951         defcode "!b",2,,STOREBYTE
952         pop %ebx                // address to store at
953         pop %eax                // data to store there
954         movb %al,(%ebx)         // store it
955         NEXT
956
957         defcode "@b",2,,FETCHBYTE
958         pop %ebx                // address to fetch
959         xor %eax,%eax
960         movb (%ebx),%al         // fetch it
961         push %eax               // push value onto stack
962         NEXT
963
964 /*
965         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
966
967         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
968         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
969         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
970         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
971         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
972
973         LATEST @ . CR
974
975         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
976         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
977 */
978
979         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
980         defcode \name,\namelen,\flags,\label
981         push $var_\name
982         NEXT
983         .data
984         .align 4
985 var_\name :
986         .int \initial
987         .endm
988
989 /*
990         The built-in variables are:
991
992         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
993         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
994         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
995         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
996         _Y
997         _Z
998         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
999         R0              Stores the address of the top of the return stack.
1000         VERSION         Is the current version of this FORTH.
1001
1002 */
1003         defvar "STATE",5,,STATE
1004         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
1005         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
1006         defvar "_X",2,,TX
1007         defvar "_Y",2,,TY
1008         defvar "_Z",2,,TZ
1009         defvar "S0",2,,SZ
1010         defvar "R0",2,,RZ,return_stack
1011         defvar "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1012
1013 /*
1014         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1015
1016         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1017         the top of the return stack.
1018 */
1019
1020         defcode ">R",2,,TOR
1021         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1022         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1023         NEXT
1024
1025         defcode "R>",2,,FROMR
1026         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1027         push %eax               // and push on to parameter stack
1028         NEXT
1029
1030         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1031         push %ebp
1032         NEXT
1033
1034         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1035         pop %ebp
1036         NEXT
1037
1038         defcode "RDROP",5,,RDROP
1039         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1040         NEXT
1041
1042 /*
1043         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1044
1045         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1046         stack for us, and it is accessed through %esp.
1047 */
1048
1049         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1050         mov %esp,%eax
1051         push %eax
1052         NEXT
1053
1054         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1055         pop %esp
1056         NEXT
1057
1058 /*
1059         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1060
1061         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1062         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1063         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1064         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1065         as an opaque block of code that does what it says.
1066
1067         Let's discuss input first.
1068
1069         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1070         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1071         is pushed on the stack.
1072
1073         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1074         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1075         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1076
1077         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of the
1078         program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1079         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1080         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1081         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1082 */
1083
1084 #include <asm-i386/unistd.h>
1085
1086         defcode "KEY",3,,KEY
1087         call _KEY
1088         push %eax               // push return value on stack
1089         NEXT
1090 _KEY:
1091         mov (currkey),%ebx
1092         cmp (bufftop),%ebx
1093         jge 1f
1094         xor %eax,%eax
1095         mov (%ebx),%al
1096         inc %ebx
1097         mov %ebx,(currkey)
1098         ret
1099
1100 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1101         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1102         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1103         mov %ecx,currkey
1104         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1105         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1106         int $0x80
1107         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1108         jbe 2f
1109         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1110         mov %ecx,bufftop
1111         jmp _KEY
1112
1113 2:      // error or out of input: exit
1114         xor %ebx,%ebx
1115         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1116         int $0x80
1117
1118 /*
1119         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1120         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1121         it would be a good exercise to add it.
1122 */
1123
1124         defcode "EMIT",4,,EMIT
1125         pop %eax
1126         call _EMIT
1127         NEXT
1128 _EMIT:
1129         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1130
1131         // write needs the address of the byte to write
1132         mov %al,(2f)
1133         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1134
1135         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1136
1137         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1138         int $0x80
1139         ret
1140
1141         .bss
1142 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1143
1144 /*
1145         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1146
1147         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1148         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1149         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1150         two words on the stack (with address at the top).
1151
1152         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1153         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1154         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1155         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1156         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
1157         in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
1158         you'd want to is a bit beyond me.
1159
1160         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1161         peculiarities and limitations.
1162
1163         Note that when executing, you'll see:
1164         WORD FOO
1165         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1166         : BAR WORD FOO ;
1167         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1168         and immediate mode, and you'll understand why.
1169 */
1170
1171         defcode "WORD",4,,WORD
1172         call _WORD
1173         push %ecx               // push length
1174         push %edi               // push base address
1175         NEXT
1176
1177 _WORD:
1178         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1179 1:
1180         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1181         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1182         je 3f                   // if so, skip the comment
1183         cmpb $' ',%al
1184         jbe 1b                  // if so, keep looking
1185
1186         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1187         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1188 2:
1189         stosb                   // add character to return buffer
1190         call _KEY               // get next key, returned in %al
1191         cmpb $' ',%al           // is blank?
1192         ja 2b                   // if not, keep looping
1193
1194         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1195         sub $5f,%edi
1196         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1197         mov $5f,%edi            // return address of the word
1198         ret
1199
1200         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1201 3:
1202         call _KEY
1203         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1204         jne 3b
1205         jmp 1b
1206
1207         .bss
1208         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1209         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1210 5:      .space 32
1211
1212 /*
1213         . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer.  In real FORTH implementations
1214         it should print it in the current base, but this assembler version is simpler and can only
1215         print in base 10.
1216
1217         Remember that you can override even built-in FORTH words easily, so if you want to write a
1218         more advanced DOT then you can do so easily at a later point, and probably in FORTH.
1219 */
1220
1221         defcode ".",1,,DOT
1222         pop %eax                // Get the number to print into %eax
1223         call _DOT               // Easier to do this recursively ...
1224         NEXT
1225 _DOT:
1226         mov $10,%ecx            // Base 10
1227 1:
1228         cmp %ecx,%eax
1229         jb 2f
1230         xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
1231         idivl %ecx
1232         pushl %edx
1233         call _DOT
1234         popl %eax
1235         jmp 1b
1236 2:
1237         xor %ah,%ah
1238         aam $10
1239         cwde
1240         addl $'0',%eax
1241         call _EMIT
1242         ret
1243
1244 /*
1245         Almost the opposite of DOT (but not quite), SNUMBER parses a numeric string such as one returned
1246         by WORD and pushes the number on the parameter stack.
1247
1248         This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
1249         must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
1250
1251         This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
1252         in user code at all.
1253 */
1254         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1255         pop %edi
1256         pop %ecx
1257         call _SNUMBER
1258         push %eax
1259         NEXT
1260 _SNUMBER:
1261         xor %eax,%eax
1262         xor %ebx,%ebx
1263 1:
1264         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1265         movb (%edi),%bl
1266         inc %edi
1267         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1268         add %ebx,%eax
1269         dec %ecx
1270         jnz 1b
1271         ret
1272
1273 /*
1274         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1275
1276         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1277
1278         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1279         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1280         or 0 if it didn't.
1281
1282         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1283
1284     pointer to this
1285         |
1286         |
1287         V
1288         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1289         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1290         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1291
1292         See also >CFA which takes a dictionary entry pointer and returns a pointer to the codeword.
1293
1294         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1295 */
1296
1297         defcode "FIND",4,,FIND
1298         pop %edi                // %edi = address
1299         pop %ecx                // %ecx = length
1300         call _FIND
1301         push %eax
1302         NEXT
1303
1304 _FIND:
1305         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1306
1307         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1308         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1309 1:
1310         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1311         je 4f
1312
1313         // Compare the length expected and the length of the word.
1314         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1315         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1316         xor %eax,%eax
1317         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1318         andb $(F_HIDDEN|0x1f),%al // %al = name length
1319         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1320         jne 2f
1321
1322         // Compare the strings in detail.
1323         push %ecx               // Save the length
1324         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1325         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1326         repe cmpsb              // Compare the strings.
1327         pop %edi
1328         pop %ecx
1329         jne 2f                  // Not the same.
1330
1331         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1332         pop %esi
1333         mov %edx,%eax
1334         ret
1335
1336 2:
1337         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1338         jmp 1b                  // .. and loop.
1339
1340 4:      // Not found.
1341         pop %esi
1342         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1343         ret
1344
1345 /*
1346         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1347         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1348         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1349
1350         The example below shows the result of:
1351
1352                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1353
1354         FIND returns a pointer to this
1355         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1356         |                                          |
1357         V                                          V
1358         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1359         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1360         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1361
1362         Notes:
1363
1364         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1365
1366         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1367         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1368         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1369         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
1370
1371         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1372 */
1373
1374         defcode ">CFA",4,,TCFA
1375         pop %edi
1376         call _TCFA
1377         push %edi
1378         NEXT
1379 _TCFA:
1380         xor %eax,%eax
1381         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1382         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1383         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1384         andb $0x1f,%al          // Just the length, not the flags.
1385         add %eax,%edi           // Skip the name.
1386         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1387         andl $~3,%edi
1388         ret
1389
1390 /*
1391         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1392
1393         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1394
1395                 : DOUBLE DUP + ;
1396
1397         and we have to turn this into:
1398
1399           pointer to previous word
1400            ^
1401            |
1402         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1403         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1404         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1405            ^       len                         pad  codeword      |
1406            |                                                      V
1407           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1408
1409         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1410         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1411
1412         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1413         allows you to change how the compiler works on your own code.
1414
1415         FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1416         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1417         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1418
1419         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1420
1421         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1422         immediate mode.
1423
1424         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1425         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1426         free byte of user memory).
1427
1428         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1429
1430         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1431
1432         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1433
1434     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1435            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1436            |                                                    V   codewords.
1437         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1438         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1439         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1440                    len                         pad  codeword
1441
1442         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1443
1444         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1445             the interpreter will append codewords.
1446
1447         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1448             our partially-formed header.
1449
1450         After : has run, our input is here:
1451
1452         : DOUBLE DUP + ;
1453                  ^
1454                  |
1455                 Next byte returned by KEY
1456
1457         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads DUP,
1458         gets its codeword pointer, and appends it:
1459
1460                                                                              +-- HERE updated to point here.
1461                                                                              |
1462                                                                              V
1463         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1464         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1465         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1466                    len                         pad  codeword
1467
1468         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1469
1470                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1471                                                                                           |
1472                                                                                           V
1473         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1474         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1475         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1476                    len                         pad  codeword
1477
1478         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1479         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1480
1481         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1482         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1483         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1484         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1485
1486         I hope I don't need to explain that ; (SEMICOLON) is just such a word, flagged as IMMEDIATE.
1487         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1488         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1489         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1490
1491         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1492
1493         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1494         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1495         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1496                    len                         pad  codeword                                           ^
1497                                                                                                        |
1498                                                                                                       HERE
1499
1500         STATE is set to 0.
1501
1502         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1503         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1504
1505         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1506         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1507         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1508         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1509         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1510         chance of it being called.
1511
1512         Compared to the description above, the actual definition of : (COLON) is comparatively simple:
1513 */
1514
1515         defcode ":",1,,COLON
1516
1517         // Get the word and create a dictionary entry header for it.
1518         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1519         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1520
1521         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1522         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1523         stosl                   // and store it in the header.
1524
1525         mov %cl,%al             // Get the length.
1526         orb $F_HIDDEN,%al       // Set the HIDDEN flag on this entry.
1527         stosb                   // Store the length/flags byte.
1528         push %esi
1529         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1530         rep movsb               // Copy the word
1531         pop %esi
1532         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1533         andl $~3,%edi
1534
1535         movl $DOCOL,%eax        // The codeword for user-created words is always DOCOL (the interpreter)
1536         stosl
1537
1538         // Header built, so now update LATEST and HERE.
1539         // We'll be compiling words and putting them HERE.
1540         movl var_HERE,%eax
1541         movl %eax,var_LATEST
1542         movl %edi,var_HERE
1543
1544         // And go into compile mode by setting STATE to 1.
1545         movl $1,var_STATE
1546         NEXT
1547
1548 /*
1549         , (COMMA) is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer (normally a codeword
1550         pointer) to the user data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.
1551 */
1552
1553         defcode ",",1,,COMMA
1554         pop %eax                // Code pointer to store.
1555         call _COMMA
1556         NEXT
1557 _COMMA:
1558         movl var_HERE,%edi      // HERE
1559         stosl                   // Store it.
1560         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1561         ret
1562
1563 /*
1564         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1565 */
1566
1567         defcode ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1568         movl $EXIT,%eax         // EXIT is the final codeword in compiled words.
1569         call _COMMA             // Store it.
1570         call _HIDDEN            // Toggle the HIDDEN flag (unhides the new word).
1571         xor %eax,%eax           // Set STATE to 0 (back to execute mode).
1572         movl %eax,var_STATE
1573         NEXT
1574
1575 /*
1576         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1577
1578         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1579         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1580         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1581
1582         Standard FORTH words like IF, WHILE, .", [ and so on are all written as extensions to the basic
1583         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1584
1585         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1586         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1587
1588         Typical usage is:
1589
1590         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1591                 ...definition...
1592         ;
1593
1594         but some FORTH programmers write this instead:
1595
1596         : MYIMMEDWORD
1597                 ...definition...
1598         ; IMMEDIATE
1599
1600         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1601 */
1602
1603         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1604         call _IMMEDIATE
1605         NEXT
1606 _IMMEDIATE:
1607         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1608         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1609         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1610         ret
1611
1612 /*
1613         HIDDEN toggles the other flag, F_HIDDEN, of the latest word.  Note that words flagged
1614         as hidden are defined but cannot be called, so this is rarely used.
1615 */
1616
1617         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1618         call _HIDDEN
1619         NEXT
1620 _HIDDEN:
1621         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1622         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1623         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1624         ret
1625
1626 /*
1627         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1628
1629         The common usage is:
1630
1631         ' FOO ,
1632
1633         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1634
1635         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1636         a literal 2 might be:
1637
1638         : LIT2 IMMEDIATE
1639                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1640                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1641         ;
1642
1643         So you could do:
1644
1645         : DOUBLE LIT2 * ;
1646
1647         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1648         and immediate mode).
1649
1650         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1651         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1652         immediate mode too.
1653 */
1654         defcode "'",1,,TICK
1655         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1656         pushl %eax              // Push it on the stack.
1657         NEXT
1658
1659 /*
1660         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1661
1662         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1663         are two primitives.
1664
1665         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1666         top of stack is zero).
1667
1668         The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1669         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1670
1671         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1672         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1673         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1674                                                                    ^  |                       ^
1675                                                                    |  |                       |
1676                                                                    |  +-----------------------+
1677                                                                   %esi added to offset
1678
1679         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1680         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1681
1682         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1683
1684         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1685         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1686         into the word currently being compiled.
1687
1688         As an example, code written like this:
1689
1690                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1691
1692         compiles to:
1693
1694                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1695                                           |             ^
1696                                           |             |
1697                                           +-------------+
1698 */
1699
1700         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1701         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1702         NEXT
1703
1704         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1705         pop %eax
1706         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1707         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1708         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1709         NEXT
1710
1711 /*
1712         PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
1713
1714         LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." operator (which is
1715         written in FORTH).  See the definition of that operator below.
1716 */
1717
1718         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1719         lodsl                   // get the length of the string
1720         push %eax               // push it on the stack
1721         push %esi               // push the address of the start of the string
1722         addl %eax,%esi          // skip past the string
1723         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1724         andl $~3,%esi
1725         NEXT
1726
1727         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1728         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1729         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1730         pop %edx                // 3rd param: length of string
1731         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1732         int $0x80
1733         NEXT
1734
1735 /*
1736         COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
1737
1738         COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
1739
1740         INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
1741         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
1742 */
1743
1744
1745         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1746         defword "COLD",4,,COLD
1747         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1748         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1749
1750 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1751  * it later with a more powerful one!
1752  */
1753         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1754         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1755
1756         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1757         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1758
1759         // Is it in the dictionary?
1760         xor %eax,%eax
1761         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1762         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1763         test %eax,%eax          // Found?
1764         jz 1f
1765
1766         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1767         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1768         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1769         push %ax                // Just save it for now.
1770         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1771         pop %ax
1772         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1773         mov %edi,%eax
1774         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1775
1776         jmp 2f
1777
1778 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1779         incl interpret_is_lit
1780         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1781         mov %eax,%ebx
1782         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1783
1784 2:      // Are we compiling or executing?
1785         movl var_STATE,%edx
1786         test %edx,%edx
1787         jz 4f                   // Jump if executing.
1788
1789         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
1790         call _COMMA
1791         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
1792         test %ecx,%ecx
1793         jz 3f
1794         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
1795         call _COMMA
1796 3:      NEXT
1797
1798 4:      // Executing - run it!
1799         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
1800         test %ecx,%ecx          // Literal?
1801         jnz 5f
1802
1803         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
1804         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
1805         jmp *(%eax)
1806
1807 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
1808         push %ebx
1809         NEXT
1810
1811         .data
1812         .align 4
1813 interpret_is_lit:
1814         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
1815
1816 /*
1817         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
1818
1819         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
1820         CHAR A puts 65 on the stack.
1821
1822         SYSEXIT exits the process using Linux exit syscall.
1823 */
1824
1825         defcode "CHAR",4,,CHAR
1826         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1827         xor %eax,%eax
1828         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
1829         push %eax               // Push it onto the stack.
1830         NEXT
1831
1832         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
1833         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
1834         pop %ebx
1835         mov $__NR_exit,%eax
1836         int $0x80
1837
1838 /*
1839         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
1840
1841         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
1842         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
1843         languages would be considered rather fundamental.
1844
1845         As a kind of trick, I prefill the input buffer with the initial FORTH code.  Once this code
1846         has run (when we get to the "OK" prompt), this input buffer is reused for reading any further
1847         user input.
1848
1849         Some notes about the code:
1850
1851         \ (backslash) is the FORTH way to start a comment which goes up to the next newline.  However
1852         because this is a C-style string, I have to escape the backslash, which is why they appear as
1853         \\ comment.
1854
1855         Similarly, any backslashes in the code are doubled, and " becomes \" (eg. the definition of ."
1856         is written as : .\" ... ;)
1857
1858         I use indenting to show structure.  The amount of whitespace has no meaning to FORTH however
1859         except that you must use at least one whitespace character between words, and words themselves
1860         cannot contain whitespace.
1861
1862         FORTH is case-sensitive.  Use capslock!
1863
1864         Enjoy!
1865 */
1866
1867         .data
1868         .align 4096
1869 buffer:
1870         // Multi-line constant gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore.
1871         .ascii "\
1872 \\ Define some character constants
1873 : '\\n'   10 ;
1874 : 'SPACE' 32 ;
1875 : '\"'    34 ;
1876 : ':'     58 ;
1877
1878 \\ CR prints a carriage return
1879 : CR '\\n' EMIT ;
1880
1881 \\ SPACE prints a space
1882 : SPACE 'SPACE' EMIT ;
1883
1884 \\ Primitive . (DOT) function doesn't follow with a blank, so redefine it to behave like FORTH.
1885 \\ Notice how we can trivially redefine existing functions.
1886 : . . SPACE ;
1887
1888 \\ DUP, DROP are defined in assembly for speed, but this is how you might define them
1889 \\ in FORTH.  Notice use of the scratch variables _X and _Y.
1890 \\ : DUP _X ! _X @ _X @ ;
1891 \\ : DROP _X ! ;
1892
1893 \\ The 2... versions of the standard operators work on pairs of stack entries.  They're not used
1894 \\ very commonly so not really worth writing in assembler.  Here is how they are defined in FORTH.
1895 : 2DUP OVER OVER ;
1896 : 2DROP DROP DROP ;
1897
1898 \\ More standard FORTH words.
1899 : 2* 2 * ;
1900 : 2/ 2 / ;
1901
1902 \\ [ and ] allow you to break into immediate mode while compiling a word.
1903 : [ IMMEDIATE           \\ define [ as an immediate word
1904         0 STATE !       \\ go into immediate mode
1905         ;
1906
1907 : ]
1908         1 STATE !       \\ go back to compile mode
1909         ;
1910
1911 \\ LITERAL takes whatever is on the stack and compiles LIT <foo>
1912 : LITERAL IMMEDIATE
1913         ' LIT ,         \\ compile LIT
1914         ,               \\ compile the literal itself (from the stack)
1915         ;
1916
1917 \\ condition IF true-part THEN rest
1918 \\   compiles to:
1919 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part rest
1920 \\   where OFFSET is the offset of 'rest'
1921 \\ condition IF true-part ELSE false-part THEN
1922 \\   compiles to:
1923 \\ condition 0BRANCH OFFSET true-part BRANCH OFFSET2 false-part rest
1924 \\   where OFFSET if the offset of false-part and OFFSET2 is the offset of rest
1925
1926 \\ IF is an IMMEDIATE word which compiles 0BRANCH followed by a dummy offset, and places
1927 \\ the address of the 0BRANCH on the stack.  Later when we see THEN, we pop that address
1928 \\ off the stack, calculate the offset, and back-fill the offset.
1929 : IF IMMEDIATE
1930         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1931         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1932         0 ,             \\ compile a dummy offset
1933 ;
1934
1935 : THEN IMMEDIATE
1936         DUP
1937         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1938         SWAP !          \\ store the offset in the back-filled location
1939 ;
1940
1941 : ELSE IMMEDIATE
1942         ' BRANCH ,      \\ definite branch to just over the false-part
1943         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
1944         0 ,             \\ compile a dummy offset
1945         SWAP            \\ now back-fill the original (IF) offset
1946         DUP             \\ same as for THEN word above
1947         HERE @ SWAP -
1948         SWAP !
1949 ;
1950
1951 \\ BEGIN loop-part condition UNTIL
1952 \\   compiles to:
1953 \\ loop-part condition 0BRANCH OFFSET
1954 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1955 \\ This is like do { loop-part } while (condition) in the C language
1956 : BEGIN IMMEDIATE
1957         HERE @          \\ save location on the stack
1958 ;
1959
1960 : UNTIL IMMEDIATE
1961         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1962         HERE @ -        \\ calculate the offset from the address saved on the stack
1963         ,               \\ compile the offset here
1964 ;
1965
1966 \\ BEGIN loop-part AGAIN
1967 \\   compiles to:
1968 \\ loop-part BRANCH OFFSET
1969 \\   where OFFSET points back to the loop-part
1970 \\ In other words, an infinite loop which can only be returned from with EXIT
1971 : AGAIN IMMEDIATE
1972         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1973         HERE @ -        \\ calculate the offset back
1974         ,               \\ compile the offset here
1975 ;
1976
1977 \\ BEGIN condition WHILE loop-part REPEAT
1978 \\   compiles to:
1979 \\ condition 0BRANCH OFFSET2 loop-part BRANCH OFFSET
1980 \\   where OFFSET points back to condition (the beginning) and OFFSET2 points to after the whole piece of code
1981 \\ So this is like a while (condition) { loop-part } loop in the C language
1982 : WHILE IMMEDIATE
1983         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
1984         HERE @          \\ save location of the offset2 on the stack
1985         0 ,             \\ compile a dummy offset2
1986 ;
1987
1988 : REPEAT IMMEDIATE
1989         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
1990         SWAP            \\ get the original offset (from BEGIN)
1991         HERE @ - ,      \\ and compile it after BRANCH
1992         DUP
1993         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset2
1994         SWAP !          \\ and back-fill it in the original location
1995 ;
1996
1997 \\ With the looping constructs, we can now write SPACES, which writes n spaces to stdout.
1998 : SPACES
1999         BEGIN
2000                 SPACE   \\ print a space
2001                 1-      \\ until we count down to 0
2002                 DUP 0=
2003         UNTIL
2004 ;
2005
2006 \\ .S prints the contents of the stack.  Very useful for debugging.
2007 : .S
2008         DSP@            \\ get current stack pointer
2009         BEGIN
2010                 DUP @ .         \\ print the stack element
2011                 4+              \\ move up
2012                 DUP S0 @ 4- =   \\ stop when we get to the top
2013         UNTIL
2014         DROP
2015 ;
2016
2017 \\ DEPTH returns the depth of the stack.
2018 : DEPTH S0 @ DSP@ - ;
2019
2020 \\ .\" is the print string operator in FORTH.  Example: .\" Something to print\"
2021 \\ The space after the operator is the ordinary space required between words.
2022 \\ This is tricky to define because it has to do different things depending on whether
2023 \\ we are compiling or in immediate mode.  (Thus the word is marked IMMEDIATE so it can
2024 \\ detect this and do different things).
2025 \\ In immediate mode we just keep reading characters and printing them until we get to
2026 \\ the next double quote.
2027 \\ In compile mode we have the problem of where we're going to store the string (remember
2028 \\ that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
2029 \\ come round to running the function).  We store the string in the compiled function
2030 \\ like this:
2031 \\   ..., LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
2032 : .\" IMMEDIATE
2033         STATE @         \\ compiling?
2034         IF
2035                 ' LITSTRING ,   \\ compile LITSTRING
2036                 HERE @          \\ save the address of the length word on the stack
2037                 0 ,             \\ dummy length - we don't know what it is yet
2038                 BEGIN
2039                         KEY             \\ get next character of the string
2040                         DUP '\"' <>
2041                 WHILE
2042                         HERE @ !b       \\ store the character in the compiled image
2043                         1 HERE +!       \\ increment HERE pointer by 1 byte
2044                 REPEAT
2045                 DROP            \\ drop the double quote character at the end
2046                 DUP             \\ get the saved address of the length word
2047                 HERE @ SWAP -   \\ calculate the length
2048                 4-              \\ subtract 4 (because we measured from the start of the length word)
2049                 SWAP !          \\ and back-fill the length location
2050                 HERE @          \\ round up to next multiple of 4 bytes for the remaining code
2051                 3 +
2052                 3 INVERT AND
2053                 HERE !
2054                 ' EMITSTRING ,  \\ compile the final EMITSTRING
2055         ELSE
2056                 \\ In immediate mode, just read characters and print them until we get
2057                 \\ to the ending double quote.  Much simpler than the above code!
2058                 BEGIN
2059                         KEY
2060                         DUP '\"' = IF EXIT THEN
2061                         EMIT
2062                 AGAIN
2063         THEN
2064 ;
2065
2066 \\ While compiling, [COMPILE] WORD compiles WORD if it would otherwise be IMMEDIATE.
2067 : [COMPILE] IMMEDIATE
2068         WORD            \\ get the next word
2069         FIND            \\ find it in the dictionary
2070         >CFA            \\ get its codeword
2071         ,               \\ and compile that
2072 ;
2073
2074 \\ RECURSE makes a recursive call to the current word that is being compiled.
2075 \\ Normally while a word is being compiled, it is marked HIDDEN so that references to the
2076 \\ same word within are calls to the previous definition of the word.
2077 : RECURSE IMMEDIATE
2078         LATEST @ >CFA   \\ LATEST points to the word being compiled at the moment
2079         ,               \\ compile it
2080 ;
2081
2082 \\ ALLOT is used to allocate (static) memory when compiling.  It increases HERE by
2083 \\ the amount given on the stack.
2084 \\: ALLOT HERE +! ;
2085
2086
2087 \\ Finally print the welcome prompt.
2088 .\" JONESFORTH VERSION \" VERSION @ . CR
2089 .\" OK \"
2090 "
2091
2092 _initbufftop:
2093         .align 4096
2094 buffend:
2095
2096 currkey:
2097         .int buffer
2098 bufftop:
2099         .int _initbufftop
2100
2101 /* END OF jonesforth.S */