Assembly code.
[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 1.43 2007-10-10 13:01:05 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -Wl,--build-id=none -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,43
9 /*
10         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
11
12         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
13         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
14         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
15         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
16         languages, even if you will never use them.
17
18         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
19         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
20         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
21         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
22         and loops.
23
24         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
25         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
26         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
27         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
28         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
29         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
30         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
31         completely understand how Linux works, or gcc?
32
33         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
34         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
35         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
36         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
37         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
38         written in FORTH itself.
39
40         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
41         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
42         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
43         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
44         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
45         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
46         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
47         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
48         the language?  No problem in FORTH.  How about modifying the FORTH compiler to allow
49         complex inlining strategies -- simple.  This concept isn't common in programming languages,
50         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
51         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
52
53         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
54         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
55         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
56         superficial understanding of how to use it.
57
58         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
59         references to read:
60
61         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
62
63         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
64
65         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
66
67         http://www.albany.net/~hello/simple.htm
68
69         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
70
71         Discussion and criticism of this FORTH here: http://lambda-the-ultimate.org/node/2452
72
73         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
74
75         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
76         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
77
78         Some parts of this FORTH are also based on this IOCCC entry from 1992:
79         http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design.
80         I was very proud when Sean Barrett, the original author of the IOCCC entry, commented in the LtU thread
81         http://lambda-the-ultimate.org/node/2452#comment-36818 about this FORTH.
82
83         And finally I'd like to acknowledge the (possibly forgotten?) authors of ARTIC FORTH because their
84         original program which I still have on original cassette tape kept nagging away at me all these years.
85         http://en.wikipedia.org/wiki/Artic_Software
86
87         PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
88
89         I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
90
91         In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
92         without any conditions, unless such conditions are required by law.
93
94         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
95
96         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
97         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
98         uses a fixed width font and is at least this wide:
99
100  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
101
102         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
103         line.  If not, sort out your tabs.
104
105                 |
106                 |
107                 |
108
109         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
110
111         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
112
113         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
114         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
115         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
116         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
117         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
118         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
119         this on a 64 bit AMD Opteron).
120
121         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
122         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
123
124         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -Wl,--build-id=none -o jonesforth jonesforth.S
125         cat jonesforth.f - | ./jonesforth
126
127         If you want to run your own FORTH programs you can do:
128
129         cat jonesforth.f myprog.f | ./jonesforth
130
131         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
132
133         cat jonesforth.f myfunctions.f - | ./jonesforth
134
135         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
136
137         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
138         follow this tutorial).
139
140         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
141
142         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
143             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
144             have special purposes.
145
146         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
147
148         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
149             causes a read from memory instead, so:
150             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
151             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
152
153         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
154             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".  Notice that these labels might be mistaken
155             for hex numbers (eg. you might confuse 1b with $0x1b).
156
157         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
158
159         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
160             less repetitive.
161
162         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
163
164         Now the tutorial starts in earnest.
165
166         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
167
168         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
169         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
170
171         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
172         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
173
174         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
175         which is just a linked list of dictionary entries.
176
177         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
178         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
179         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
180         |                        | FLAGS  |                   |
181         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
182
183         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
184         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
185         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
186         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
187         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
188         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
189         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
190
191         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
192         other words, the head of this linked list.
193
194         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
195
196           pointer to previous word
197            ^
198            |
199         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
200         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
201         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
202            ^       len                         padding
203            |
204         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
205         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
206         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
207            ^       len                                     padding
208            |
209            |
210           LATEST
211
212         You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
213         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
214         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
215         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
216         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
217         assembly code later on.
218
219         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
220         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
221         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
222         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
223         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
224         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
225         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
226
227         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
228
229         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
230         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
231         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
232         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
233         (rich@annexia.org).
234
235         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
236         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
237         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
238
239         f ()
240         {
241           a ();
242           b ();
243           c ();
244         }
245
246         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
247         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
248         i386 machine code.
249
250         f:
251           CALL a                        E8 08 00 00 00
252           CALL b                        E8 1C 00 00 00
253           CALL c                        E8 2C 00 00 00
254           ; ignore the return from the function for now
255
256         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
257         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
258         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
259         by compressing this into just:
260
261         08 00 00 00             Just the function addresses, without
262         1C 00 00 00             the CALL prefix.
263         2C 00 00 00
264
265         On a 16-bit machine like the ones which originally ran FORTH the savings are even greater - 33%.
266
267         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
268         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
269         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
270         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
271         useful properties].
272
273         Of course this code won't run directly on the CPU any more.  Instead we need to write an
274         interpreter which takes each set of bytes and calls it.
275
276         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
277         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
278         pointer to the next word to execute in the %esi register:
279
280                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
281         %esi -> 1C 00 00 00
282                 2C 00 00 00
283
284         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
285         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
286         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
287
288                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
289                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
290         %esi -> 2C 00 00 00
291
292         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
293         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
294
295                 08 00 00 00
296                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
297         %esi -> 2C 00 00 00
298
299         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
300         which literally make the jump to the next subroutine.
301
302         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
303 */
304
305 /* NEXT macro. */
306         .macro NEXT
307         lodsl
308         jmp *(%eax)
309         .endm
310
311 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
312
313         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
314         a return.
315
316         The above describes what is known as direct threaded code.
317
318         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
319         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
320         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
321
322         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
323
324         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
325
326         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
327         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
328
329         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
330
331         I lied about JMP *(%eax).  
332
333         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
334
335         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
336         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
337         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
338
339                 +------------------+
340                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
341                 +------------------+                    NEXT
342         %esi -> | addr of DOUBLE   |
343                 +------------------+
344
345         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
346         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
347
348         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
349
350         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
351
352                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
353
354                 +------------------+
355                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
356                 +------------------+
357                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
358                 +------------------+               | codeword         |
359                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
360                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
361                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
362                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
363                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
364                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
365                                                    +------------------+    |       |    ..            |
366                                                                            |       |    ..            |
367                                                                            |       | NEXT             |
368                                                                            |       +------------------+
369                                                                            |
370                                                                            +-----> +------------------+
371                                                                                    | codeword      -------+
372                                                                                    +------------------+   |
373                                                                                    | assembly to   <------+
374                                                                                    | implement +      |
375                                                                                    |    ..            |
376                                                                                    |    ..            |
377                                                                                    | NEXT             |
378                                                                                    +------------------+
379
380         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
381         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
382         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
383         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
384         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
385         They don't need interpreting, they just run.
386
387         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
388         function.
389
390         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
391         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
392         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
393
394         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
395
396         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
397         (2) increments %esi by 4
398         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
399                                                         ie. the assembly code to implement +
400
401                 +------------------+
402                 | codeword         |
403                 +------------------+
404                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
405                 +------------------+               | codeword         |
406                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
407                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
408                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
409                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
410                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
411                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
412                                                    +------------------+    |       |    ..            |
413                                                                            |       |    ..            |
414                                                                            |       | NEXT             |
415                                                                            |       +------------------+
416                                                                            |
417                                                                            +-----> +------------------+
418                                                                                    | codeword      -------+
419                                                                                    +------------------+   |
420                                                                         now we're  | assembly to    <-----+
421                                                                         executing  | implement +      |
422                                                                         this       |    ..            |
423                                                                         function   |    ..            |
424                                                                                    | NEXT             |
425                                                                                    +------------------+
426
427         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
428         indirect threaded code.
429
430         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
431
432         .
433         .
434         .
435
436         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
437         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
438         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
439         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
440         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
441
442         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
443
444         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
445         and the return stack.
446
447         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
448         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
449         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
450         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
451         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
452         threaded model above.
453
454         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
455         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
456         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
457         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
458
459         As you will have seen in the background documentation, FORTH has two stacks, an ordinary
460         stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But our return
461         stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save %esi when
462         calling from a FORTH word into another FORTH word.
463
464         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
465         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
466         for our return stack.
467
468         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
469         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
470         (pop top of return stack into %ebx).
471 */
472
473 /* Macros to deal with the return stack. */
474         .macro PUSHRSP reg
475         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
476         movl \reg,(%ebp)
477         .endm
478
479         .macro POPRSP reg
480         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
481         lea 4(%ebp),%ebp
482         .endm
483
484 /*
485         And with that we can now talk about the interpreter.
486
487         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
488         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
489
490         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
491         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
492         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
493         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
494         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
495         to run.
496 */
497
498 /* DOCOL - the interpreter! */
499         .text
500         .align 4
501 DOCOL:
502         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
503         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
504         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
505         NEXT
506
507 /*
508         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
509         into DOUBLE:
510
511                 QUADRUPLE:
512                 +------------------+
513                 | codeword         |
514                 +------------------+               DOUBLE:
515                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
516                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
517         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
518                 +------------------+               | addr of DUP      |
519                 | addr of EXIT     |               +------------------+
520                 +------------------+               | etc.             |
521
522         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
523         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
524         just add 4 on to it to get our new %esi:
525
526                 QUADRUPLE:
527                 +------------------+
528                 | codeword         |
529                 +------------------+               DOUBLE:
530                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
531 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
532 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
533                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
534                 | addr of EXIT     |               +------------------+
535                 +------------------+               | etc.             |
536
537         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
538         and calls DUP.
539
540         Well, it seems to work.
541
542         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
543         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
544         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
545         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
546         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
547
548         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
549
550         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
551         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
552         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
553         assembly language primitives).
554
555         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
556         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
557         immediately jumps to a FORTH word called QUIT.  Despite its name, QUIT doesn't quit
558         anything.  It resets some internal state and starts reading and interpreting commands.
559         (The reason it is called QUIT is because you can call QUIT from your own FORTH code
560         to "quit" your program and go back to interpreting).
561 */
562
563 /* Assembler entry point. */
564         .text
565         .globl _start
566 _start:
567         cld
568         mov %esp,var_S0         // Save the initial data stack pointer in FORTH variable S0.
569         mov $return_stack_top,%ebp // Initialise the return stack.
570         call set_up_data_segment
571
572         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
573         NEXT                    // Run interpreter!
574
575         .section .rodata
576 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
577         .int QUIT
578
579 /*
580         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
581
582         Remember our dictionary entries (headers)?  Let's bring those together with the codeword
583         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
584
585           pointer to previous word
586            ^
587            |
588         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
589         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
590         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
591            ^       len                         pad  codeword      |
592            |                                                      V
593           LINK in next word                             points to codeword of DUP
594         
595         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
596         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
597         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
598         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
599         unsure of them).
600
601         The long way would be:
602
603         .int <link to previous word>
604         .byte 6                 // len
605         .ascii "DOUBLE"         // string
606         .byte 0                 // padding
607 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
608         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
609         .int PLUS               // pointer to codeword of +
610         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
611
612         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
613         so that I can just write:
614
615         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
616         .int DUP,PLUS,EXIT
617
618         and I'll get exactly the same effect.
619
620         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
621 */
622
623 /* Flags - these are discussed later. */
624         .set F_IMMED,0x80
625         .set F_HIDDEN,0x20
626         .set F_LENMASK,0x1f     // length mask
627
628         // Store the chain of links.
629         .set link,0
630
631         .macro defword name, namelen, flags=0, label
632         .section .rodata
633         .align 4
634         .globl name_\label
635 name_\label :
636         .int link               // link
637         .set link,name_\label
638         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
639         .ascii "\name"          // the name
640         .align 4                // padding to next 4 byte boundary
641         .globl \label
642 \label :
643         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
644         // list of word pointers follow
645         .endm
646
647 /*
648         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
649         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
650         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
651         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
652
653         This is what DUP looks like in memory:
654
655           pointer to previous word
656            ^
657            |
658         +--|------+---+---+---+---+------------+
659         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
660         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
661            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
662            |
663           LINK in next word
664
665         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
666         As with defword above, don't worry about the complicated details of the macro.
667 */
668
669         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
670         .section .rodata
671         .align 4
672         .globl name_\label
673 name_\label :
674         .int link               // link
675         .set link,name_\label
676         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
677         .ascii "\name"          // the name
678         .align 4                // padding to next 4 byte boundary
679         .globl \label
680 \label :
681         .int code_\label        // codeword
682         .text
683         //.align 4
684         .globl code_\label
685 code_\label :                   // assembler code follows
686         .endm
687
688 /*
689         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
690         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
691         you can skip the details.
692 */
693
694         defcode "DROP",4,,DROP
695         pop %eax                // drop top of stack
696         NEXT
697
698         defcode "SWAP",4,,SWAP
699         pop %eax                // swap top two elements on stack
700         pop %ebx
701         push %eax
702         push %ebx
703         NEXT
704
705         defcode "DUP",3,,DUP
706         mov (%esp),%eax         // duplicate top of stack
707         push %eax
708         NEXT
709
710         defcode "OVER",4,,OVER
711         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
712         push %eax               // and push it on top
713         NEXT
714
715         defcode "ROT",3,,ROT
716         pop %eax
717         pop %ebx
718         pop %ecx
719         push %eax
720         push %ecx
721         push %ebx
722         NEXT
723
724         defcode "-ROT",4,,NROT
725         pop %eax
726         pop %ebx
727         pop %ecx
728         push %ebx
729         push %eax
730         push %ecx
731         NEXT
732
733         defcode "?DUP",4,,QDUP  // duplicate top of stack if non-zero
734         movl (%esp),%eax
735         test %eax,%eax
736         jz 1f
737         push %eax
738 1:      NEXT
739
740         defcode "1+",2,,INCR
741         incl (%esp)             // increment top of stack
742         NEXT
743
744         defcode "1-",2,,DECR
745         decl (%esp)             // decrement top of stack
746         NEXT
747
748         defcode "4+",2,,INCR4
749         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
750         NEXT
751
752         defcode "4-",2,,DECR4
753         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
754         NEXT
755
756         defcode "+",1,,ADD
757         pop %eax                // get top of stack
758         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
759         NEXT
760
761         defcode "-",1,,SUB
762         pop %eax                // get top of stack
763         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
764         NEXT
765
766         defcode "*",1,,MUL
767         pop %eax
768         pop %ebx
769         imull %ebx,%eax
770         push %eax               // ignore overflow
771         NEXT
772
773 /*
774         In this FORTH, only /MOD is primitive.  Later we will define the / and MOD words in
775         terms of the primitive /MOD.  The design of the i386 assembly instruction idiv which
776         leaves both quotient and remainder makes this the obvious choice.
777 */
778
779         defcode "/MOD",4,,DIVMOD
780         xor %edx,%edx
781         pop %ebx
782         pop %eax
783         idivl %ebx
784         push %edx               // push remainder
785         push %eax               // push quotient
786         NEXT
787
788 /*
789         Lots of comparison operations like =, <, >, etc..
790
791         ANS FORTH says that the comparison words should return all (binary) 1's for
792         TRUE and all 0's for FALSE.  However this is a bit of a strange convention
793         so this FORTH breaks it and returns the more normal (for C programmers ...)
794         1 meaning TRUE and 0 meaning FALSE.
795 */
796
797         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
798         pop %eax
799         pop %ebx
800         cmp %ebx,%eax
801         sete %al
802         movzbl %al,%eax
803         pushl %eax
804         NEXT
805
806         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
807         pop %eax
808         pop %ebx
809         cmp %ebx,%eax
810         setne %al
811         movzbl %al,%eax
812         pushl %eax
813         NEXT
814
815         defcode "<",1,,LT
816         pop %eax
817         pop %ebx
818         cmp %eax,%ebx
819         setl %al
820         movzbl %al,%eax
821         pushl %eax
822         NEXT
823
824         defcode ">",1,,GT
825         pop %eax
826         pop %ebx
827         cmp %eax,%ebx
828         setg %al
829         movzbl %al,%eax
830         pushl %eax
831         NEXT
832
833         defcode "<=",2,,LE
834         pop %eax
835         pop %ebx
836         cmp %eax,%ebx
837         setle %al
838         movzbl %al,%eax
839         pushl %eax
840         NEXT
841
842         defcode ">=",2,,GE
843         pop %eax
844         pop %ebx
845         cmp %eax,%ebx
846         setge %al
847         movzbl %al,%eax
848         pushl %eax
849         NEXT
850
851         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
852         pop %eax
853         test %eax,%eax
854         setz %al
855         movzbl %al,%eax
856         pushl %eax
857         NEXT
858
859         defcode "0<>",3,,ZNEQU  // top of stack not 0?
860         pop %eax
861         test %eax,%eax
862         setnz %al
863         movzbl %al,%eax
864         pushl %eax
865         NEXT
866
867         defcode "0<",2,,ZLT     // comparisons with 0
868         pop %eax
869         test %eax,%eax
870         setl %al
871         movzbl %al,%eax
872         pushl %eax
873         NEXT
874
875         defcode "0>",2,,ZGT
876         pop %eax
877         test %eax,%eax
878         setg %al
879         movzbl %al,%eax
880         pushl %eax
881         NEXT
882
883         defcode "0<=",3,,ZLE
884         pop %eax
885         test %eax,%eax
886         setle %al
887         movzbl %al,%eax
888         pushl %eax
889         NEXT
890
891         defcode "0>=",3,,ZGE
892         pop %eax
893         test %eax,%eax
894         setge %al
895         movzbl %al,%eax
896         pushl %eax
897         NEXT
898
899         defcode "AND",3,,AND    // bitwise AND
900         pop %eax
901         andl %eax,(%esp)
902         NEXT
903
904         defcode "OR",2,,OR      // bitwise OR
905         pop %eax
906         orl %eax,(%esp)
907         NEXT
908
909         defcode "XOR",3,,XOR    // bitwise XOR
910         pop %eax
911         xorl %eax,(%esp)
912         NEXT
913
914         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH bitwise "NOT" function (cf. NEGATE and NOT)
915         notl (%esp)
916         NEXT
917
918 /*
919         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
920
921         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
922         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
923
924                 QUADRUPLE
925                 +------------------+
926                 | codeword         |
927                 +------------------+               DOUBLE
928                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
929                 +------------------+               | codeword         |
930                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
931                 +------------------+               | addr of DUP      |
932                 | addr of EXIT     |               +------------------+
933                 +------------------+               | addr of +        |
934                                                    +------------------+
935                                            %esi -> | addr of EXIT     |
936                                                    +------------------+
937
938         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
939 */
940
941         defcode "EXIT",4,,EXIT
942         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
943         NEXT
944
945 /*
946         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
947         So after this (but just before NEXT) we get:
948
949                 QUADRUPLE
950                 +------------------+
951                 | codeword         |
952                 +------------------+               DOUBLE
953                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
954                 +------------------+               | codeword         |
955         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
956                 +------------------+               | addr of DUP      |
957                 | addr of EXIT     |               +------------------+
958                 +------------------+               | addr of +        |
959                                                    +------------------+
960                                                    | addr of EXIT     |
961                                                    +------------------+
962
963         And NEXT just completes the job by, well, in this case just by calling DOUBLE again :-)
964
965         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
966
967         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
968         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
969
970         : DOUBLE 2 * ;
971
972         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
973         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
974         a function for every single literal that you wanted to use.
975
976         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
977
978         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
979         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
980         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
981
982         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
983         looks at %esi (which now points to the number 2), grabs it, pushes it on the stack, then
984         manipulates %esi in order to skip the number as if it had never been there.
985
986         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
987         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
988         see if you can find out how LIT works:
989 */
990
991         defcode "LIT",3,,LIT
992         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
993         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
994         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
995         lodsl
996         push %eax               // push the literal number on to stack
997         NEXT
998
999 /*
1000         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
1001
1002         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
1003         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
1004         the primitive words for doing it.
1005 */
1006
1007         defcode "!",1,,STORE
1008         pop %ebx                // address to store at
1009         pop %eax                // data to store there
1010         mov %eax,(%ebx)         // store it
1011         NEXT
1012
1013         defcode "@",1,,FETCH
1014         pop %ebx                // address to fetch
1015         mov (%ebx),%eax         // fetch it
1016         push %eax               // push value onto stack
1017         NEXT
1018
1019         defcode "+!",2,,ADDSTORE
1020         pop %ebx                // address
1021         pop %eax                // the amount to add
1022         addl %eax,(%ebx)        // add it
1023         NEXT
1024
1025         defcode "-!",2,,SUBSTORE
1026         pop %ebx                // address
1027         pop %eax                // the amount to subtract
1028         subl %eax,(%ebx)        // add it
1029         NEXT
1030
1031 /*
1032         ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes
1033         so we also define standard words C@ and C!.
1034
1035         Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
1036  */
1037
1038         defcode "C!",2,,STOREBYTE
1039         pop %ebx                // address to store at
1040         pop %eax                // data to store there
1041         movb %al,(%ebx)         // store it
1042         NEXT
1043
1044         defcode "C@",2,,FETCHBYTE
1045         pop %ebx                // address to fetch
1046         xor %eax,%eax
1047         movb (%ebx),%al         // fetch it
1048         push %eax               // push value onto stack
1049         NEXT
1050
1051 /* C@C! is a useful byte copy primitive. */
1052         defcode "C@C!",4,,CCOPY
1053         movl 4(%esp),%ebx       // source address
1054         movb (%ebx),%al         // get source character
1055         pop %edi                // destination address
1056         stosb                   // copy to destination
1057         push %edi               // increment destination address
1058         incl 4(%esp)            // increment source address
1059         NEXT
1060
1061 /* and CMOVE is a block copy operation. */
1062         defcode "CMOVE",5,,CMOVE
1063         mov %esi,%edx           // preserve %esi
1064         pop %ecx                // length
1065         pop %edi                // destination address
1066         pop %esi                // source address
1067         rep movsb               // copy source to destination
1068         mov %edx,%esi           // restore %esi
1069         NEXT
1070
1071 /*
1072         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
1073
1074         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
1075         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
1076         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
1077         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
1078         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
1079
1080         LATEST @ . CR
1081
1082         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
1083         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
1084 */
1085
1086         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
1087         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1088         push $var_\name
1089         NEXT
1090         .data
1091         .align 4
1092 var_\name :
1093         .int \initial
1094         .endm
1095
1096 /*
1097         The built-in variables are:
1098
1099         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
1100         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
1101         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
1102         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
1103         BASE            The current base for printing and reading numbers.
1104
1105 */
1106         defvar "STATE",5,,STATE
1107         defvar "HERE",4,,HERE
1108         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSCALL0 // SYSCALL0 must be last in built-in dictionary
1109         defvar "S0",2,,SZ
1110         defvar "BASE",4,,BASE,10
1111
1112 /*
1113         BUILT-IN CONSTANTS ----------------------------------------------------------------------
1114
1115         It's also useful to expose a few constants to FORTH.  When the word is executed it pushes a
1116         constant value on the stack.
1117
1118         The built-in constants are:
1119
1120         VERSION         Is the current version of this FORTH.
1121         R0              The address of the top of the return stack.
1122         DOCOL           Pointer to DOCOL.
1123         F_IMMED         The IMMEDIATE flag's actual value.
1124         F_HIDDEN        The HIDDEN flag's actual value.
1125         F_LENMASK       The length mask in the flags/len byte.
1126
1127         SYS_*           and the numeric codes of various Linux syscalls (from <asm/unistd.h>)
1128 */
1129
1130 //#include <asm-i386/unistd.h>  // you might need this instead
1131 #include <asm/unistd.h>
1132
1133         .macro defconst name, namelen, flags=0, label, value
1134         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1135         push $\value
1136         NEXT
1137         .endm
1138
1139         defconst "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1140         defconst "R0",2,,RZ,return_stack_top
1141         defconst "DOCOL",5,,__DOCOL,DOCOL
1142         defconst "F_IMMED",7,,__F_IMMED,F_IMMED
1143         defconst "F_HIDDEN",8,,__F_HIDDEN,F_HIDDEN
1144         defconst "F_LENMASK",9,,__F_LENMASK,F_LENMASK
1145
1146         defconst "SYS_EXIT",8,,SYS_EXIT,__NR_exit
1147         defconst "SYS_OPEN",8,,SYS_OPEN,__NR_open
1148         defconst "SYS_CLOSE",9,,SYS_CLOSE,__NR_close
1149         defconst "SYS_READ",8,,SYS_READ,__NR_read
1150         defconst "SYS_WRITE",9,,SYS_WRITE,__NR_write
1151         defconst "SYS_CREAT",9,,SYS_CREAT,__NR_creat
1152         defconst "SYS_BRK",7,,SYS_BRK,__NR_brk
1153
1154         defconst "O_RDONLY",8,,__O_RDONLY,0
1155         defconst "O_WRONLY",8,,__O_WRONLY,1
1156         defconst "O_RDWR",6,,__O_RDWR,2
1157         defconst "O_CREAT",7,,__O_CREAT,0100
1158         defconst "O_EXCL",6,,__O_EXCL,0200
1159         defconst "O_TRUNC",7,,__O_TRUNC,01000
1160         defconst "O_APPEND",8,,__O_APPEND,02000
1161         defconst "O_NONBLOCK",10,,__O_NONBLOCK,04000
1162
1163 /*
1164         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1165
1166         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1167         the top of the return stack.
1168 */
1169
1170         defcode ">R",2,,TOR
1171         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1172         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1173         NEXT
1174
1175         defcode "R>",2,,FROMR
1176         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1177         push %eax               // and push on to parameter stack
1178         NEXT
1179
1180         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1181         push %ebp
1182         NEXT
1183
1184         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1185         pop %ebp
1186         NEXT
1187
1188         defcode "RDROP",5,,RDROP
1189         addl $4,%ebp            // pop return stack and throw away
1190         NEXT
1191
1192 /*
1193         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1194
1195         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1196         stack for us, and it is accessed through %esp.
1197 */
1198
1199         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1200         mov %esp,%eax
1201         push %eax
1202         NEXT
1203
1204         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1205         pop %esp
1206         NEXT
1207
1208 /*
1209         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1210
1211         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1212         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1213         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1214         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1215         as an opaque block of code that does what it says.
1216
1217         Let's discuss input first.
1218
1219         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1220         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1221         is pushed on the stack.
1222
1223         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1224         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1225         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1226
1227         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of this
1228         file).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1229         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1230         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1231         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1232
1233      buffer                           bufftop
1234         |                                |
1235         V                                V
1236         +-------------------------------+--------------------------------------+
1237         | INPUT READ FROM STDIN ....... | unused part of the buffer            |
1238         +-------------------------------+--------------------------------------+
1239                           ^
1240                           |
1241                        currkey (next character to read)
1242
1243         <---------------------- BUFFER_SIZE (4096 bytes) ---------------------->
1244 */
1245
1246         defcode "KEY",3,,KEY
1247         call _KEY
1248         push %eax               // push return value on stack
1249         NEXT
1250 _KEY:
1251         mov (currkey),%ebx
1252         cmp (bufftop),%ebx
1253         jge 1f                  // exhausted the input buffer?
1254         xor %eax,%eax
1255         mov (%ebx),%al          // get next key from input buffer
1256         inc %ebx
1257         mov %ebx,(currkey)      // increment currkey
1258         ret
1259
1260 1:      // Out of input; use read(2) to fetch more input from stdin.
1261         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1262         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1263         mov %ecx,currkey
1264         mov $BUFFER_SIZE,%edx   // 3rd param: max length
1265         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1266         int $0x80
1267         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1268         jbe 2f
1269         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1270         mov %ecx,bufftop
1271         jmp _KEY
1272
1273 2:      // Error or end of input: exit the program.
1274         xor %ebx,%ebx
1275         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1276         int $0x80
1277
1278         .data
1279         .align 4
1280 currkey:
1281         .int buffer             // Current place in input buffer (next character to read).
1282 bufftop:
1283         .int buffer             // Last valid data in input buffer + 1.
1284
1285 /*
1286         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1287         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1288         it would be a good exercise to add it.
1289 */
1290
1291         defcode "EMIT",4,,EMIT
1292         pop %eax
1293         call _EMIT
1294         NEXT
1295 _EMIT:
1296         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1297
1298         // write needs the address of the byte to write
1299         mov %al,emit_scratch
1300         mov $emit_scratch,%ecx  // 2nd param: address
1301
1302         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1303
1304         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1305         int $0x80
1306         ret
1307
1308         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
1309 emit_scratch:
1310         .space 1                // scratch used by EMIT
1311
1312 /*
1313         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1314
1315         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1316         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1317         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1318         two words on the stack (with the length at the top of stack).
1319
1320         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1321         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1322         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1323         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1324         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated.
1325
1326         Start address+length is the normal way to represent strings in FORTH (not ending in an
1327         ASCII NUL character as in C), and so FORTH strings can contain any character including NULs
1328         and can be any length.
1329
1330         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1331         peculiarities and limitations.
1332
1333         Note that when executing, you'll see:
1334         WORD FOO
1335         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1336         : BAR WORD FOO ;
1337         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1338         and immediate mode, and you'll understand why.
1339 */
1340
1341         defcode "WORD",4,,WORD
1342         call _WORD
1343         push %edi               // push base address
1344         push %ecx               // push length
1345         NEXT
1346
1347 _WORD:
1348         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1349 1:
1350         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1351         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1352         je 3f                   // if so, skip the comment
1353         cmpb $' ',%al
1354         jbe 1b                  // if so, keep looking
1355
1356         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1357         mov $word_buffer,%edi   // pointer to return buffer
1358 2:
1359         stosb                   // add character to return buffer
1360         call _KEY               // get next key, returned in %al
1361         cmpb $' ',%al           // is blank?
1362         ja 2b                   // if not, keep looping
1363
1364         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1365         sub $word_buffer,%edi
1366         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1367         mov $word_buffer,%edi   // return address of the word
1368         ret
1369
1370         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1371 3:
1372         call _KEY
1373         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1374         jne 3b
1375         jmp 1b
1376
1377         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
1378         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1379         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1380 word_buffer:
1381         .space 32
1382
1383 /*
1384         As well as reading in words we'll need to read in numbers and for that we are using a function
1385         called NUMBER.  This parses a numeric string such as one returned by WORD and pushes the
1386         number on the parameter stack.
1387
1388         The function uses the variable BASE as the base (radix) for conversion, so for example if
1389         BASE is 2 then we expect a binary number.  Normally BASE is 10.
1390
1391         If the word starts with a '-' character then the returned value is negative.
1392
1393         If the string can't be parsed as a number (or contains characters outside the current BASE)
1394         then we need to return an error indication.  So NUMBER actually returns two items on the stack.
1395         At the top of stack we return the number of unconverted characters (ie. if 0 then all characters
1396         were converted, so there is no error).  Second from top of stack is the parsed number or a
1397         partial value if there was an error.
1398 */
1399         defcode "NUMBER",6,,NUMBER
1400         pop %ecx                // length of string
1401         pop %edi                // start address of string
1402         call _NUMBER
1403         push %eax               // parsed number
1404         push %ecx               // number of unparsed characters (0 = no error)
1405         NEXT
1406
1407 _NUMBER:
1408         xor %eax,%eax
1409         xor %ebx,%ebx
1410
1411         test %ecx,%ecx          // trying to parse a zero-length string is an error, but will return 0.
1412         jz 5f
1413
1414         movl var_BASE,%edx      // get BASE (in %dl)
1415
1416         // Check if first character is '-'.
1417         movb (%edi),%bl         // %bl = first character in string
1418         inc %edi
1419         push %eax               // push 0 on stack
1420         cmpb $'-',%bl           // negative number?
1421         jnz 2f
1422         pop %eax
1423         push %ebx               // push <> 0 on stack, indicating negative
1424         dec %ecx
1425         jnz 1f
1426         pop %ebx                // error: string is only '-'.
1427         movl $1,%ecx
1428         ret
1429
1430         // Loop reading digits.
1431 1:      imull %edx,%eax         // %eax *= BASE
1432         movb (%edi),%bl         // %bl = next character in string
1433         inc %edi
1434
1435         // Convert 0-9, A-Z to a number 0-35.
1436 2:      subb $'0',%bl           // < '0'?
1437         jb 4f
1438         cmp $10,%bl             // <= '9'?
1439         jb 3f
1440         subb $17,%bl            // < 'A'? (17 is 'A'-'0')
1441         jb 4f
1442         addb $10,%bl
1443
1444 3:      cmp %dl,%bl             // >= BASE?
1445         jge 4f
1446
1447         // OK, so add it to %eax and loop.
1448         add %ebx,%eax
1449         dec %ecx
1450         jnz 1b
1451
1452         // Negate the result if first character was '-' (saved on the stack).
1453 4:      pop %ebx
1454         test %ebx,%ebx
1455         jz 5f
1456         neg %eax
1457
1458 5:      ret
1459
1460 /*
1461         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1462
1463         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1464
1465         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1466         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1467         or 0 if it didn't.
1468
1469         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1470
1471     pointer to this
1472         |
1473         |
1474         V
1475         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1476         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1477         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1478
1479         See also >CFA and >DFA.
1480
1481         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1482 */
1483
1484         defcode "FIND",4,,FIND
1485         pop %ecx                // %ecx = length
1486         pop %edi                // %edi = address
1487         call _FIND
1488         push %eax               // %eax = address of dictionary entry (or NULL)
1489         NEXT
1490
1491 _FIND:
1492         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1493
1494         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1495         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1496 1:      test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1497         je 4f
1498
1499         // Compare the length expected and the length of the word.
1500         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1501         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1502         xor %eax,%eax
1503         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1504         andb $(F_HIDDEN|F_LENMASK),%al // %al = name length
1505         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1506         jne 2f
1507
1508         // Compare the strings in detail.
1509         push %ecx               // Save the length
1510         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1511         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1512         repe cmpsb              // Compare the strings.
1513         pop %edi
1514         pop %ecx
1515         jne 2f                  // Not the same.
1516
1517         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1518         pop %esi
1519         mov %edx,%eax
1520         ret
1521
1522 2:      mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1523         jmp 1b                  // .. and loop.
1524
1525 4:      // Not found.
1526         pop %esi
1527         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1528         ret
1529
1530 /*
1531         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1532         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1533         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1534
1535         The example below shows the result of:
1536
1537                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1538
1539         FIND returns a pointer to this
1540         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1541         |                                          |
1542         V                                          V
1543         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1544         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1545         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1546                                                    codeword
1547
1548         Notes:
1549
1550         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1551
1552         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1553         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1554         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1555         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions
1556         quickly.
1557
1558         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1559 */
1560
1561         defcode ">CFA",4,,TCFA
1562         pop %edi
1563         call _TCFA
1564         push %edi
1565         NEXT
1566 _TCFA:
1567         xor %eax,%eax
1568         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1569         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1570         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1571         andb $F_LENMASK,%al     // Just the length, not the flags.
1572         add %eax,%edi           // Skip the name.
1573         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1574         andl $~3,%edi
1575         ret
1576
1577 /*
1578         Related to >CFA is >DFA which takes a dictionary entry address as returned by FIND and
1579         returns a pointer to the first data field.
1580
1581         FIND returns a pointer to this
1582         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1583         |                                          |
1584         |                                          |    >DFA converts it to a pointer to this
1585         |                                          |             |
1586         V                                          V             V
1587         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1588         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1589         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1590                                                    codeword
1591
1592         (Note to those following the source of FIG-FORTH / ciforth: My >DFA definition is
1593         different from theirs, because they have an extra indirection).
1594
1595         You can see that >DFA is easily defined in FORTH just by adding 4 to the result of >CFA.
1596 */
1597
1598         defword ">DFA",4,,TDFA
1599         .int TCFA               // >CFA         (get code field address)
1600         .int INCR4              // 4+           (add 4 to it to get to next word)
1601         .int EXIT               // EXIT         (return from FORTH word)
1602
1603 /*
1604         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1605
1606         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1607
1608                 : DOUBLE DUP + ;
1609
1610         and we have to turn this into:
1611
1612           pointer to previous word
1613            ^
1614            |
1615         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1616         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1617         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1618            ^       len                         pad  codeword      |
1619            |                                                      V
1620           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1621
1622         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1623         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1624
1625         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1626         allows you to change how the compiler works on your own code.
1627
1628         FORTH has an INTERPRET function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1629         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1630         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1631
1632         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1633
1634         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1635         immediate mode.
1636
1637         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1638         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1639         free byte of user memory -- see DATA SEGMENT section below).
1640
1641         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1642
1643         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1644
1645         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1646
1647     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1648            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1649            |                                                    V   codewords.
1650         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1651         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1652         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1653                    len                         pad  codeword
1654
1655         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1656
1657         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1658             the interpreter will append codewords.
1659
1660         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1661             our partially-formed header.
1662
1663         After : has run, our input is here:
1664
1665         : DOUBLE DUP + ;
1666                  ^
1667                  |
1668                 Next byte returned by KEY will be the 'D' character of DUP
1669
1670         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads "DUP",
1671         looks it up in the dictionary, gets its codeword pointer, and appends it:
1672
1673                                                                              +-- HERE updated to point here.
1674                                                                              |
1675                                                                              V
1676         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1677         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1678         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1679                    len                         pad  codeword
1680
1681         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1682
1683                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1684                                                                                           |
1685                                                                                           V
1686         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1687         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1688         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1689                    len                         pad  codeword
1690
1691         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1692         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1693
1694         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1695         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1696         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1697         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1698
1699         This is how the word ; (SEMICOLON) works -- as a word flagged in the dictionary as IMMEDIATE.
1700
1701         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1702         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1703         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1704
1705         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1706
1707         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1708         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1709         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1710                    len                         pad  codeword                                           ^
1711                                                                                                        |
1712                                                                                                       HERE
1713         STATE is set to 0.
1714
1715         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1716         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1717
1718         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1719         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1720         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1721         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1722         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1723         chance of it being called.
1724
1725         The above explains how compiling, : (COLON) and ; (SEMICOLON) works and in a moment I'm
1726         going to define them.  The : (COLON) function can be made a little bit more general by writing
1727         it in two parts.  The first part, called CREATE, makes just the header:
1728
1729                                                    +-- Afterwards, HERE points here.
1730                                                    |
1731                                                    V
1732         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1733         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |
1734         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1735                    len                         pad
1736
1737         and the second part, the actual definition of : (COLON), calls CREATE and appends the
1738         DOCOL codeword, so leaving:
1739
1740                                                                 +-- Afterwards, HERE points here.
1741                                                                 |
1742                                                                 V
1743         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1744         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1745         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1746                    len                         pad  codeword
1747
1748         CREATE is a standard FORTH word and the advantage of this split is that we can reuse it to
1749         create other types of words (not just ones which contain code, but words which contain variables,
1750         constants and other data).
1751 */
1752
1753         defcode "CREATE",6,,CREATE
1754
1755         // Get the name length and address.
1756         pop %ecx                // %ecx = length
1757         pop %ebx                // %ebx = address of name
1758
1759         // Link pointer.
1760         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1761         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1762         stosl                   // and store it in the header.
1763
1764         // Length byte and the word itself.
1765         mov %cl,%al             // Get the length.
1766         stosb                   // Store the length/flags byte.
1767         push %esi
1768         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1769         rep movsb               // Copy the word
1770         pop %esi
1771         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1772         andl $~3,%edi
1773
1774         // Update LATEST and HERE.
1775         movl var_HERE,%eax
1776         movl %eax,var_LATEST
1777         movl %edi,var_HERE
1778         NEXT
1779
1780 /*
1781         Because I want to define : (COLON) in FORTH, not assembler, we need a few more FORTH words
1782         to use.
1783
1784         The first is , (COMMA) which is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer to the user
1785         memory pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.  So the action of , (COMMA) is:
1786
1787                                                         previous value of HERE
1788                                                                  |
1789                                                                  V
1790         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1791         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |             |  <data>    |
1792         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1793                    len                         pad                            ^
1794                                                                               |
1795                                                                         new value of HERE
1796
1797         and <data> is whatever 32 bit integer was at the top of the stack.
1798
1799         , (COMMA) is quite a fundamental operation when compiling.  It is used to append codewords
1800         to the current word that is being compiled.
1801 */
1802
1803         defcode ",",1,,COMMA
1804         pop %eax                // Code pointer to store.
1805         call _COMMA
1806         NEXT
1807 _COMMA:
1808         movl var_HERE,%edi      // HERE
1809         stosl                   // Store it.
1810         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1811         ret
1812
1813 /*
1814         Our definitions of : (COLON) and ; (SEMICOLON) will need to switch to and from compile mode.
1815
1816         Immediate mode vs. compile mode is stored in the global variable STATE, and by updating this
1817         variable we can switch between the two modes.
1818
1819         For various reasons which may become apparent later, FORTH defines two standard words called
1820         [ and ] (LBRAC and RBRAC) which switch between modes:
1821
1822         Word    Assembler       Action          Effect
1823         [       LBRAC           STATE := 0      Switch to immediate mode.
1824         ]       RBRAC           STATE := 1      Switch to compile mode.
1825
1826         [ (LBRAC) is an IMMEDIATE word.  The reason is as follows: If we are in compile mode and the
1827         interpreter saw [ then it would compile it rather than running it.  We would never be able to
1828         switch back to immediate mode!  So we flag the word as IMMEDIATE so that even in compile mode
1829         the word runs immediately, switching us back to immediate mode.
1830 */
1831
1832         defcode "[",1,F_IMMED,LBRAC
1833         xor %eax,%eax
1834         movl %eax,var_STATE     // Set STATE to 0.
1835         NEXT
1836
1837         defcode "]",1,,RBRAC
1838         movl $1,var_STATE       // Set STATE to 1.
1839         NEXT
1840
1841 /*
1842         Now we can define : (COLON) using CREATE.  It just calls CREATE, appends DOCOL (the codeword), sets
1843         the word HIDDEN and goes into compile mode.
1844 */
1845
1846         defword ":",1,,COLON
1847         .int WORD               // Get the name of the new word
1848         .int CREATE             // CREATE the dictionary entry / header
1849         .int LIT, DOCOL, COMMA  // Append DOCOL  (the codeword).
1850         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Make the word hidden (see below for definition).
1851         .int RBRAC              // Go into compile mode.
1852         .int EXIT               // Return from the function.
1853
1854 /*
1855         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1856 */
1857
1858         defword ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1859         .int LIT, EXIT, COMMA   // Append EXIT (so the word will return).
1860         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Toggle hidden flag -- unhide the word (see below for definition).
1861         .int LBRAC              // Go back to IMMEDIATE mode.
1862         .int EXIT               // Return from the function.
1863
1864 /*
1865         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1866
1867         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1868         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1869         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1870
1871         Standard FORTH words like IF, WHILE, ." and so on are all written as extensions to the basic
1872         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1873
1874         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1875         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1876
1877         Typical usage is:
1878
1879         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1880                 ...definition...
1881         ;
1882
1883         but some FORTH programmers write this instead:
1884
1885         : MYIMMEDWORD
1886                 ...definition...
1887         ; IMMEDIATE
1888
1889         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1890 */
1891
1892         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1893         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1894         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1895         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1896         NEXT
1897
1898 /*
1899         'addr HIDDEN' toggles the hidden flag (F_HIDDEN) of the word defined at addr.  To hide the
1900         most recently defined word (used above in : and ; definitions) you would do:
1901
1902                 LATEST @ HIDDEN
1903
1904         'HIDE word' toggles the flag on a named 'word'.
1905
1906         Setting this flag stops the word from being found by FIND, and so can be used to make 'private'
1907         words.  For example, to break up a large word into smaller parts you might do:
1908
1909                 : SUB1 ... subword ... ;
1910                 : SUB2 ... subword ... ;
1911                 : SUB3 ... subword ... ;
1912                 : MAIN ... defined in terms of SUB1, SUB2, SUB3 ... ;
1913                 HIDE SUB1
1914                 HIDE SUB2
1915                 HIDE SUB3
1916
1917         After this, only MAIN is 'exported' or seen by the rest of the program.
1918 */
1919
1920         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1921         pop %edi                // Dictionary entry.
1922         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1923         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1924         NEXT
1925
1926         defword "HIDE",4,,HIDE
1927         .int WORD               // Get the word (after HIDE).
1928         .int FIND               // Look up in the dictionary.
1929         .int HIDDEN             // Set F_HIDDEN flag.
1930         .int EXIT               // Return.
1931
1932 /*
1933         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1934
1935         The common usage is:
1936
1937         ' FOO ,
1938
1939         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1940
1941         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1942         a literal 2 might be:
1943
1944         : LIT2 IMMEDIATE
1945                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1946                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1947         ;
1948
1949         So you could do:
1950
1951         : DOUBLE LIT2 * ;
1952
1953         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1954         and immediate mode).
1955
1956         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1957         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1958         immediate mode too.
1959 */
1960         defcode "'",1,,TICK
1961         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1962         pushl %eax              // Push it on the stack.
1963         NEXT
1964
1965 /*
1966         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1967
1968         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1969         are two primitives.
1970
1971         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1972         top of stack is zero).
1973
1974         The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1975         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1976
1977         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1978         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1979         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1980                                                                    ^  |                       ^
1981                                                                    |  |                       |
1982                                                                    |  +-----------------------+
1983                                                                   %esi added to offset
1984
1985         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1986         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1987
1988         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1989
1990         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1991         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1992         into the word currently being compiled.
1993
1994         As an example, code written like this:
1995
1996                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1997
1998         compiles to:
1999
2000                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
2001                                           |             ^
2002                                           |             |
2003                                           +-------------+
2004 */
2005
2006         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
2007         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
2008         NEXT
2009
2010         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
2011         pop %eax
2012         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
2013         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
2014         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
2015         NEXT
2016
2017 /*
2018         LITERAL STRINGS ----------------------------------------------------------------------
2019
2020         LITSTRING is a primitive used to implement the ." and S" operators (which are written in
2021         FORTH).  See the definition of those operators later.
2022
2023         TELL just prints a string.  It's more efficient to define this in assembly because we
2024         can make it a single Linux syscall.
2025 */
2026
2027         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
2028         lodsl                   // get the length of the string
2029         push %esi               // push the address of the start of the string
2030         push %eax               // push it on the stack
2031         addl %eax,%esi          // skip past the string
2032         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
2033         andl $~3,%esi
2034         NEXT
2035
2036         defcode "TELL",4,,TELL
2037         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
2038         pop %edx                // 3rd param: length of string
2039         pop %ecx                // 2nd param: address of string
2040         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2041         int $0x80
2042         NEXT
2043
2044 /*
2045         QUIT AND INTERPRET ----------------------------------------------------------------------
2046
2047         QUIT is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
2048         As explained before, QUIT doesn't "quit" anything.  It does some initialisation (in particular
2049         it clears the return stack) and it calls INTERPRET in a loop to interpret commands.  The
2050         reason it is called QUIT is because you can call it from your own FORTH words in order to
2051         "quit" your program and start again at the user prompt.
2052
2053         INTERPRET is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
2054         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
2055 */
2056
2057         // QUIT must not return (ie. must not call EXIT).
2058         defword "QUIT",4,,QUIT
2059         .int RZ,RSPSTORE        // R0 RSP!, clear the return stack
2060         .int INTERPRET          // interpret the next word
2061         .int BRANCH,-8          // and loop (indefinitely)
2062
2063 /*
2064         This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
2065         it later with a more powerful one!
2066  */
2067         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
2068         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2069
2070         // Is it in the dictionary?
2071         xor %eax,%eax
2072         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
2073         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
2074         test %eax,%eax          // Found?
2075         jz 1f
2076
2077         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
2078         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
2079         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
2080         push %ax                // Just save it for now.
2081         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
2082         pop %ax
2083         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
2084         mov %edi,%eax
2085         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
2086
2087         jmp 2f
2088
2089 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
2090         incl interpret_is_lit
2091         call _NUMBER            // Returns the parsed number in %eax, %ecx > 0 if error
2092         test %ecx,%ecx
2093         jnz 6f
2094         mov %eax,%ebx
2095         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
2096
2097 2:      // Are we compiling or executing?
2098         movl var_STATE,%edx
2099         test %edx,%edx
2100         jz 4f                   // Jump if executing.
2101
2102         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
2103         call _COMMA
2104         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
2105         test %ecx,%ecx
2106         jz 3f
2107         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
2108         call _COMMA
2109 3:      NEXT
2110
2111 4:      // Executing - run it!
2112         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
2113         test %ecx,%ecx          // Literal?
2114         jnz 5f
2115
2116         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
2117         // eventually call NEXT which will reenter the loop in QUIT.
2118         jmp *(%eax)
2119
2120 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
2121         push %ebx
2122         NEXT
2123
2124 6:      // Parse error (not a known word or a number in the current BASE).
2125         // Print an error message followed by up to 40 characters of context.
2126         mov $2,%ebx             // 1st param: stderr
2127         mov $errmsg,%ecx        // 2nd param: error message
2128         mov $errmsgend-errmsg,%edx // 3rd param: length of string
2129         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2130         int $0x80
2131
2132         mov (currkey),%ecx      // the error occurred just before currkey position
2133         mov %ecx,%edx
2134         sub $buffer,%edx        // %edx = currkey - buffer (length in buffer before currkey)
2135         cmp $40,%edx            // if > 40, then print only 40 characters
2136         jle 7f
2137         mov $40,%edx
2138 7:      sub %edx,%ecx           // %ecx = start of area to print, %edx = length
2139         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2140         int $0x80
2141
2142         mov $errmsgnl,%ecx      // newline
2143         mov $1,%edx
2144         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
2145         int $0x80
2146
2147         NEXT
2148
2149         .section .rodata
2150 errmsg: .ascii "PARSE ERROR: "
2151 errmsgend:
2152 errmsgnl: .ascii "\n"
2153
2154         .data                   // NB: easier to fit in the .data section
2155         .align 4
2156 interpret_is_lit:
2157         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
2158
2159 /*
2160         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
2161
2162         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
2163         CHAR A puts 65 on the stack.
2164
2165         EXECUTE is used to run execution tokens.  See the discussion of execution tokens in the
2166         FORTH code for more details.
2167
2168         SYSCALL0, SYSCALL1, SYSCALL2, SYSCALL3 make a standard Linux system call.  (See <asm/unistd.h>
2169         for a list of system call numbers).  As their name suggests these forms take between 0 and 3
2170         syscall parameters, plus the system call number.
2171
2172         In this FORTH, SYSCALL0 must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
2173         initialise the LATEST variable to point to it.  This means that if you want to extend the assembler
2174         part, you must put new words before SYSCALL0, or else change how LATEST is initialised.
2175 */
2176
2177         defcode "CHAR",4,,CHAR
2178         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2179         xor %eax,%eax
2180         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
2181         push %eax               // Push it onto the stack.
2182         NEXT
2183
2184         defcode "EXECUTE",7,,EXECUTE
2185         pop %eax                // Get xt into %eax
2186         jmp *(%eax)             // and jump to it.
2187                                 // After xt runs its NEXT will continue executing the current word.
2188
2189         defcode "SYSCALL3",8,,SYSCALL3
2190         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2191         pop %ebx                // First parameter.
2192         pop %ecx                // Second parameter
2193         pop %edx                // Third parameter
2194         int $0x80
2195         push %eax               // Result (negative for -errno)
2196         NEXT
2197
2198         defcode "SYSCALL2",8,,SYSCALL2
2199         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2200         pop %ebx                // First parameter.
2201         pop %ecx                // Second parameter
2202         int $0x80
2203         push %eax               // Result (negative for -errno)
2204         NEXT
2205
2206         defcode "SYSCALL1",8,,SYSCALL1
2207         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2208         pop %ebx                // First parameter.
2209         int $0x80
2210         push %eax               // Result (negative for -errno)
2211         NEXT
2212
2213         defcode "SYSCALL0",8,,SYSCALL0
2214         pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
2215         int $0x80
2216         push %eax               // Result (negative for -errno)
2217         NEXT
2218
2219 /*
2220         DATA SEGMENT ----------------------------------------------------------------------
2221
2222         Here we set up the Linux data segment, used for user definitions and variously known as just
2223         the 'data segment', 'user memory' or 'user definitions area'.  It is an area of memory which
2224         grows upwards and stores both newly-defined FORTH words and global variables of various
2225         sorts.
2226
2227         It is completely analogous to the C heap, except there is no generalised 'malloc' and 'free'
2228         (but as with everything in FORTH, writing such functions would just be a Simple Matter
2229         Of Programming).  Instead in normal use the data segment just grows upwards as new FORTH
2230         words are defined/appended to it.
2231
2232         There are various "features" of the GNU toolchain which make setting up the data segment
2233         more complicated than it really needs to be.  One is the GNU linker which inserts a random
2234         "build ID" segment.  Another is Address Space Randomization which means we can't tell
2235         where the kernel will choose to place the data segment (or the stack for that matter).
2236
2237         Therefore writing this set_up_data_segment assembler routine is a little more complicated
2238         than it really needs to be.  We ask the Linux kernel where it thinks the data segment starts
2239         using the brk(2) system call, then ask it to reserve some initial space (also using brk(2)).
2240
2241         You don't need to worry about this code.
2242 */
2243         .text
2244         .set INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE,65536
2245 set_up_data_segment:
2246         xor %ebx,%ebx           // Call brk(0)
2247         movl $__NR_brk,%eax
2248         int $0x80
2249         movl %eax,var_HERE      // Initialise HERE to point at beginning of data segment.
2250         addl $INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE,%eax    // Reserve nn bytes of memory for initial data segment.
2251         movl %eax,%ebx          // Call brk(HERE+INITIAL_DATA_SEGMENT_SIZE)
2252         movl $__NR_brk,%eax
2253         int $0x80
2254         ret
2255
2256 /*
2257         We allocate static buffers for the return static and input buffer (used when
2258         reading in files and text that the user types in).
2259 */
2260         .set RETURN_STACK_SIZE,8192
2261         .set BUFFER_SIZE,4096
2262
2263         .bss
2264 /* FORTH return stack. */
2265         .align 4096
2266 return_stack:
2267         .space RETURN_STACK_SIZE
2268 return_stack_top:               // Initial top of return stack.
2269
2270 /* This is used as a temporary input buffer when reading from files or the terminal. */
2271         .align 4096
2272 buffer:
2273         .space BUFFER_SIZE
2274
2275 /*
2276         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
2277
2278         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
2279         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
2280         languages would be considered rather fundamental.
2281
2282         I used to append this here in the assembly file, but I got sick of fighting against gas's
2283         crack-smoking (lack of) multiline string syntax.  So now that is in a separate file called
2284         jonesforth.f
2285
2286         If you don't already have that file, download it from http://annexia.org/forth in order
2287         to continue the tutorial.
2288 */
2289
2290 /* END OF jonesforth.S */