ID. and WORDS
[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 1.24 2007-09-23 20:06:00 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,24
9 /*
10         INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
11
12         FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
13         way as Haskell, LISP, and so on.  Something so strange that they'd rather any thoughts
14         of it just go away so they can get on with writing this paying code.  But that's wrong
15         and if you care at all about programming then you should at least understand all these
16         languages, even if you will never use them.
17
18         LISP is the ultimate high-level language, and features from LISP are being added every
19         decade to the more common languages.  But FORTH is in some ways the ultimate in low level
20         programming.  Out of the box it lacks features like dynamic memory management and even
21         strings.  In fact, at its primitive level it lacks even basic concepts like IF-statements
22         and loops.
23
24         Why then would you want to learn FORTH?  There are several very good reasons.  First
25         and foremost, FORTH is minimal.  You really can write a complete FORTH in, say, 2000
26         lines of code.  I don't just mean a FORTH program, I mean a complete FORTH operating
27         system, environment and language.  You could boot such a FORTH on a bare PC and it would
28         come up with a prompt where you could start doing useful work.  The FORTH you have here
29         isn't minimal and uses a Linux process as its 'base PC' (both for the purposes of making
30         it a good tutorial). It's possible to completely understand the system.  Who can say they
31         completely understand how Linux works, or gcc?
32
33         Secondly FORTH has a peculiar bootstrapping property.  By that I mean that after writing
34         a little bit of assembly to talk to the hardware and implement a few primitives, all the
35         rest of the language and compiler is written in FORTH itself.  Remember I said before
36         that FORTH lacked IF-statements and loops?  Well of course it doesn't really because
37         such a lanuage would be useless, but my point was rather that IF-statements and loops are
38         written in FORTH itself.
39
40         Now of course this is common in other languages as well, and in those languages we call
41         them 'libraries'.  For example in C, 'printf' is a library function written in C.  But
42         in FORTH this goes way beyond mere libraries.  Can you imagine writing C's 'if' in C?
43         And that brings me to my third reason: If you can write 'if' in FORTH, then why restrict
44         yourself to the usual if/while/for/switch constructs?  You want a construct that iterates
45         over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
46         about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
47         them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
48         the language?  No problem in FORTH.  This concept isn't common in programming languages,
49         but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
50         the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
51
52         This tutorial isn't about learning FORTH as the language.  I'll point you to some references
53         you should read if you're not familiar with using FORTH.  This tutorial is about how to
54         write FORTH.  In fact, until you understand how FORTH is written, you'll have only a very
55         superficial understanding of how to use it.
56
57         So if you're not familiar with FORTH or want to refresh your memory here are some online
58         references to read:
59
60         http://en.wikipedia.org/wiki/Forth_%28programming_language%29
61
62         http://galileo.phys.virginia.edu/classes/551.jvn.fall01/primer.htm
63
64         http://wiki.laptop.org/go/Forth_Lessons
65
66         http://www.albany.net/~hello/simple.htm
67
68         Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
69
70         Discussion and criticism of this FORTH here: http://lambda-the-ultimate.org/node/2452
71
72         ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
73
74         This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
75         by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
76
77         Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
78         defies easy explanation.
79
80         PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
81
82         I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
83
84         In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
85         without any conditions, unless such conditions are required by law.
86
87         SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
88
89         Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
90         ASCII-art diagrams to explain concepts, the best way to look at this is using a window which
91         uses a fixed width font and is at least this wide:
92
93  <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------>
94
95         Secondly make sure TABS are set to 8 characters.  The following should be a vertical
96         line.  If not, sort out your tabs.
97
98         |
99         |
100         |
101
102         Thirdly I assume that your screen is at least 50 characters high.
103
104         ASSEMBLING ----------------------------------------------------------------------
105
106         If you want to actually run this FORTH, rather than just read it, you will need Linux on an
107         i386.  Linux because instead of programming directly to the hardware on a bare PC which I
108         could have done, I went for a simpler tutorial by assuming that the 'hardware' is a Linux
109         process with a few basic system calls (read, write and exit and that's about all).  i386
110         is needed because I had to write the assembly for a processor, and i386 is by far the most
111         common.  (Of course when I say 'i386', any 32- or 64-bit x86 processor will do.  I'm compiling
112         this on a 64 bit AMD Opteron).
113
114         Again, to assemble this you will need gcc and gas (the GNU assembler).  The commands to
115         assemble and run the code (save this file as 'jonesforth.S') are:
116
117         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
118         ./jonesforth
119
120         You will see lots of 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages from the
121         assembler.  That's just because the GNU assembler doesn't have a good syntax for multi-line
122         strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
123         slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
124
125         If you want to run your own FORTH programs you can do:
126
127         ./jonesforth < myprog.f
128
129         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
130
131         cat myfunctions.f - | ./jonesforth
132
133         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
134
135         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
136         follow this tutorial).
137
138         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
139
140         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
141             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
142             have special purposes.
143
144         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
145
146         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
147             causes a read from memory instead, so:
148             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
149             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
150
151         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
152             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
153
154         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
155
156         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
157             less repetitive.
158
159         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
160
161         Now the tutorial starts in earnest.
162
163         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
164
165         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
166         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
167
168         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
169         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
170
171         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
172         which is just a linked list of dictionary entries.
173
174         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
175         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
176         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
177         |                        | FLAGS  |                   |
178         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
179
180         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
181         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
182         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
183         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
184         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
185         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
186         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
187
188         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
189         other words, the head of this linked list.
190
191         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
192
193           pointer to previous word
194            ^
195            |
196         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
197         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
198         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
199            ^       len                         padding
200            |
201         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
202         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
203         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
204            ^       len                                     padding
205            |
206            |
207           LATEST
208
209         You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
210         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
211         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
212         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
213         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
214         assembly code later on.
215
216         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
217         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
218         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
219         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
220         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
221         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
222         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
223
224         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
225
226         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
227         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
228         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
229         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
230         (rich@annexia.org).
231
232         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
233         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
234         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
235
236         f ()
237         {
238           a ();
239           b ();
240           c ();
241         }
242
243         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
244         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
245         i386 machine code.
246
247         f:
248           CALL a                        E8 08 00 00 00
249           CALL b                        E8 1C 00 00 00
250           CALL c                        E8 2C 00 00 00
251           ; ignore the return from the function for now
252
253         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
254         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
255         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
256         by compressing this into just:
257
258         08 00 00 00             Just the function addresses, without
259         1C 00 00 00             the CALL prefix.
260         2C 00 00 00
261
262         On a 16-bit machine like the ones which originally ran FORTH the savings are even greater - 33%.
263
264         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
265         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
266         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
267         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
268         useful properties].
269
270         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
271         which takes each pair of bytes and calls it.
272
273         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
274         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
275         pointer to the next word to execute in the %esi register:
276
277                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
278         %esi -> 1C 00 00 00
279                 2C 00 00 00
280
281         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
282         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
283         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
284
285                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
286                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
287         %esi -> 2C 00 00 00
288
289         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
290         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
291
292                 08 00 00 00
293                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
294         %esi -> 2C 00 00 00
295
296         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
297         which literally make the jump to the next subroutine.
298
299         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
300 */
301
302 /* NEXT macro. */
303         .macro NEXT
304         lodsl
305         jmp *(%eax)
306         .endm
307
308 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
309
310         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
311         a return.
312
313         The above describes what is known as direct threaded code.
314
315         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
316         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
317         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
318
319         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
320
321         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
322
323         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
324         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
325
326         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
327
328         I lied about JMP *(%eax).  
329
330         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
331
332         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
333         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
334         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
335
336                 +------------------+
337                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
338                 +------------------+                    NEXT
339         %esi -> | addr of DOUBLE   |
340                 +------------------+
341
342         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
343         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
344
345         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
346
347         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
348
349                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
350
351                 +------------------+
352                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
353                 +------------------+
354                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
355                 +------------------+               | codeword         |
356                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
357                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
358                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
359                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
360                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
361                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
362                                                    +------------------+    |       |    ..            |
363                                                                            |       |    ..            |
364                                                                            |       | NEXT             |
365                                                                            |       +------------------+
366                                                                            |
367                                                                            +-----> +------------------+
368                                                                                    | codeword      -------+
369                                                                                    +------------------+   |
370                                                                                    | assembly to   <------+
371                                                                                    | implement +      |
372                                                                                    |    ..            |
373                                                                                    |    ..            |
374                                                                                    | NEXT             |
375                                                                                    +------------------+
376
377         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
378         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
379         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
380         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
381         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
382         They don't need interpreting, they just run.
383
384         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
385         function.
386
387         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
388         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
389         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
390
391         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
392
393         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
394         (2) increments %esi by 4
395         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
396                                                         ie. the assembly code to implement +
397
398                 +------------------+
399                 | codeword         |
400                 +------------------+
401                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
402                 +------------------+               | codeword         |
403                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
404                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
405                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
406                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
407                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
408                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
409                                                    +------------------+    |       |    ..            |
410                                                                            |       |    ..            |
411                                                                            |       | NEXT             |
412                                                                            |       +------------------+
413                                                                            |
414                                                                            +-----> +------------------+
415                                                                                    | codeword      -------+
416                                                                                    +------------------+   |
417                                                                         now we're  | assembly to    <-----+
418                                                                         executing  | implement +      |
419                                                                         this       |    ..            |
420                                                                         function   |    ..            |
421                                                                                    | NEXT             |
422                                                                                    +------------------+
423
424         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
425         indirect threaded code.
426
427         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
428
429         .
430         .
431         .
432
433         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
434         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
435         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
436         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
437         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
438
439         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
440
441         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
442         and the return stack.
443
444         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
445         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
446         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
447         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
448         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
449         threaded model above.
450
451         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
452         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
453         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
454         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
455
456         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
457         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
458         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
459         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
460
461         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
462         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
463         for our return stack.
464
465         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
466         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
467         (pop top of return stack into %ebx).
468 */
469
470 /* Macros to deal with the return stack. */
471         .macro PUSHRSP reg
472         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
473         movl \reg,(%ebp)
474         .endm
475
476         .macro POPRSP reg
477         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
478         lea 4(%ebp),%ebp
479         .endm
480
481 /*
482         And with that we can now talk about the interpreter.
483
484         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
485         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
486
487         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
488         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
489         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
490         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
491         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
492         to run.
493 */
494
495 /* DOCOL - the interpreter! */
496         .text
497         .align 4
498 DOCOL:
499         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
500         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
501         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
502         NEXT
503
504 /*
505         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
506         into DOUBLE:
507
508                 QUADRUPLE:
509                 +------------------+
510                 | codeword         |
511                 +------------------+               DOUBLE:
512                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
513                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
514         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
515                 +------------------+               | addr of DUP      |
516                 | addr of EXIT     |               +------------------+
517                 +------------------+               | etc.             |
518
519         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
520         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
521         just add 4 on to it to get our new %esi:
522
523                 QUADRUPLE:
524                 +------------------+
525                 | codeword         |
526                 +------------------+               DOUBLE:
527                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
528 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
529 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
530                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
531                 | addr of EXIT     |               +------------------+
532                 +------------------+               | etc.             |
533
534         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
535         and calls DUP.
536
537         Well, it seems to work.
538
539         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
540         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
541         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
542         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
543         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
544
545         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
546
547         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
548         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
549         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
550         assembly language primitives).
551
552         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
553         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
554         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
555         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
556         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
557 */
558
559 /* ELF entry point. */
560         .text
561         .globl _start
562 _start:
563         cld
564         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
565         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
566
567         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
568         NEXT                    // Run interpreter!
569
570         .section .rodata
571 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
572         .int COLD
573
574 /*
575         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
576         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
577         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
578 */
579
580         .bss
581 /* FORTH return stack. */
582         .set RETURN_STACK_SIZE,8192
583         .align 4096
584         .space RETURN_STACK_SIZE
585 return_stack:                   // Initial top of return stack.
586
587 /* The user definitions area: space for user-defined words and general memory allocations. */
588         .set USER_DEFS_SIZE,16384
589         .align 4096
590 user_defs_start:
591         .space USER_DEFS_SIZE
592
593 /*
594         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
595
596         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
597         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
598
599           pointer to previous word
600            ^
601            |
602         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
603         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
604         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
605            ^       len                         pad  codeword      |
606            |                                                      V
607           LINK in next word                             points to codeword of DUP
608         
609         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
610         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
611         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
612         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
613         unsure of them).
614
615         The long way would be:
616         .int <link to previous word>
617         .byte 6                 // len
618         .ascii "DOUBLE"         // string
619         .byte 0                 // padding
620 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
621         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
622         .int PLUS               // pointer to codeword of +
623         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
624
625         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
626         so that I can just write:
627
628         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
629         .int DUP,PLUS,EXIT
630
631         and I'll get exactly the same effect.
632
633         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
634 */
635
636 /* Flags - these are discussed later. */
637         .set F_IMMED,0x80
638         .set F_HIDDEN,0x20
639         .set F_LENMASK,0x1f     // length mask
640
641         // Store the chain of links.
642         .set link,0
643
644         .macro defword name, namelen, flags=0, label
645         .section .rodata
646         .align 4
647         .globl name_\label
648 name_\label :
649         .int link               // link
650         .set link,name_\label
651         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
652         .ascii "\name"          // the name
653         .align 4
654         .globl \label
655 \label :
656         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
657         // list of word pointers follow
658         .endm
659
660 /*
661         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
662         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
663         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
664         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
665
666         This is what DUP looks like in memory:
667
668           pointer to previous word
669            ^
670            |
671         +--|------+---+---+---+---+------------+
672         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
673         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
674            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
675            |
676           LINK in next word
677
678         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
679 */
680
681         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
682         .section .rodata
683         .align 4
684         .globl name_\label
685 name_\label :
686         .int link               // link
687         .set link,name_\label
688         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
689         .ascii "\name"          // the name
690         .align 4
691         .globl \label
692 \label :
693         .int code_\label        // codeword
694         .text
695         .align 4
696         .globl code_\label
697 code_\label :                   // assembler code follows
698         .endm
699
700 /*
701         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
702         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
703         you can skip the details.
704 */
705
706         defcode "DUP",3,,DUP
707         pop %eax                // duplicate top of stack
708         push %eax
709         push %eax
710         NEXT
711
712         defcode "DROP",4,,DROP
713         pop %eax                // drop top of stack
714         NEXT
715
716         defcode "SWAP",4,,SWAP
717         pop %eax                // swap top of stack
718         pop %ebx
719         push %eax
720         push %ebx
721         NEXT
722
723         defcode "OVER",4,,OVER
724         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
725         push %eax               // and push it on top
726         NEXT
727
728         defcode "ROT",3,,ROT
729         pop %eax
730         pop %ebx
731         pop %ecx
732         push %eax
733         push %ecx
734         push %ebx
735         NEXT
736
737         defcode "-ROT",4,,NROT
738         pop %eax
739         pop %ebx
740         pop %ecx
741         push %ebx
742         push %eax
743         push %ecx
744         NEXT
745
746         defcode "1+",2,,INCR
747         incl (%esp)             // increment top of stack
748         NEXT
749
750         defcode "1-",2,,DECR
751         decl (%esp)             // decrement top of stack
752         NEXT
753
754         defcode "4+",2,,INCR4
755         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
756         NEXT
757
758         defcode "4-",2,,DECR4
759         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
760         NEXT
761
762         defcode "+",1,,ADD
763         pop %eax                // get top of stack
764         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
765         NEXT
766
767         defcode "-",1,,SUB
768         pop %eax                // get top of stack
769         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
770         NEXT
771
772         defcode "*",1,,MUL
773         pop %eax
774         pop %ebx
775         imull %ebx,%eax
776         push %eax               // ignore overflow
777         NEXT
778
779         defcode "/",1,,DIV
780         xor %edx,%edx
781         pop %ebx
782         pop %eax
783         idivl %ebx
784         push %eax               // push quotient
785         NEXT
786
787         defcode "MOD",3,,MOD
788         xor %edx,%edx
789         pop %ebx
790         pop %eax
791         idivl %ebx
792         push %edx               // push remainder
793         NEXT
794
795         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
796         pop %eax
797         pop %ebx
798         cmp %ebx,%eax
799         je 1f
800         pushl $0
801         NEXT
802 1:      pushl $1
803         NEXT
804
805         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
806         pop %eax
807         pop %ebx
808         cmp %ebx,%eax
809         je 1f
810         pushl $1
811         NEXT
812 1:      pushl $0
813         NEXT
814
815         defcode "<",1,,LT
816         pop %eax
817         pop %ebx
818         cmp %eax,%ebx
819         jl 1f
820         pushl $0
821         NEXT
822 1:      pushl $1
823         NEXT
824
825         defcode ">",1,,GT
826         pop %eax
827         pop %ebx
828         cmp %eax,%ebx
829         jg 1f
830         pushl $0
831         NEXT
832 1:      pushl $1
833         NEXT
834
835         defcode "<=",2,,LE
836         pop %eax
837         pop %ebx
838         cmp %eax,%ebx
839         jle 1f
840         pushl $0
841         NEXT
842 1:      pushl $1
843         NEXT
844
845         defcode ">=",2,,GE
846         pop %eax
847         pop %ebx
848         cmp %eax,%ebx
849         jge 1f
850         pushl $0
851         NEXT
852 1:      pushl $1
853         NEXT
854
855         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
856         pop %eax
857         test %eax,%eax
858         jz 1f
859         pushl $0
860         NEXT
861 1:      pushl $1
862         NEXT
863
864         defcode "0<>",3,,ZNEQU  // top of stack not 0?
865         pop %eax
866         test %eax,%eax
867         jnz 1f
868         pushl $0
869         NEXT
870 1:      pushl $1
871         NEXT
872
873         defcode "0<",2,,ZLT
874         pop %eax
875         test %eax,%eax
876         jl 1f
877         pushl $0
878         NEXT
879 1:      pushl $1
880         NEXT
881
882         defcode "0>",2,,ZGT
883         pop %eax
884         test %eax,%eax
885         jg 1f
886         pushl $0
887         NEXT
888 1:      pushl $1
889         NEXT
890
891         defcode "0<=",3,,ZLE
892         pop %eax
893         test %eax,%eax
894         jle 1f
895         pushl $0
896         NEXT
897 1:      pushl $1
898         NEXT
899
900         defcode "0>=",3,,ZGE
901         pop %eax
902         test %eax,%eax
903         jge 1f
904         pushl $0
905         NEXT
906 1:      pushl $1
907         NEXT
908
909         defcode "AND",3,,AND
910         pop %eax
911         andl %eax,(%esp)
912         NEXT
913
914         defcode "OR",2,,OR
915         pop %eax
916         orl %eax,(%esp)
917         NEXT
918
919         defcode "XOR",3,,XOR
920         pop %eax
921         xorl %eax,(%esp)
922         NEXT
923
924         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH "NOT" function
925         notl (%esp)
926         NEXT
927
928 /*
929         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
930
931         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
932         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
933
934                 QUADRUPLE
935                 +------------------+
936                 | codeword         |
937                 +------------------+               DOUBLE
938                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
939                 +------------------+               | codeword         |
940                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
941                 +------------------+               | addr of DUP      |
942                 | addr of EXIT     |               +------------------+
943                 +------------------+               | addr of +        |
944                                                    +------------------+
945                                            %esi -> | addr of EXIT     |
946                                                    +------------------+
947
948         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
949 */
950
951         defcode "EXIT",4,,EXIT
952         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
953         NEXT
954
955 /*
956         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
957         So after this (but just before NEXT) we get:
958
959                 QUADRUPLE
960                 +------------------+
961                 | codeword         |
962                 +------------------+               DOUBLE
963                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
964                 +------------------+               | codeword         |
965         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
966                 +------------------+               | addr of DUP      |
967                 | addr of EXIT     |               +------------------+
968                 +------------------+               | addr of +        |
969                                                    +------------------+
970                                                    | addr of EXIT     |
971                                                    +------------------+
972
973         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
974
975         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
976
977         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
978         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
979
980         : DOUBLE 2 * ;
981
982         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
983         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
984         a function for every single literal that you wanted to use.
985
986         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
987
988         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
989         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
990         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
991
992         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
993         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
994         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
995
996         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
997         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
998         see if you can find out how LIT works:
999 */
1000
1001         defcode "LIT",3,,LIT
1002         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
1003         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
1004         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
1005         lodsl
1006         push %eax               // push the literal number on to stack
1007         NEXT
1008
1009 /*
1010         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
1011
1012         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
1013         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
1014         the primitive words for doing it.
1015 */
1016
1017         defcode "!",1,,STORE
1018         pop %ebx                // address to store at
1019         pop %eax                // data to store there
1020         mov %eax,(%ebx)         // store it
1021         NEXT
1022
1023         defcode "@",1,,FETCH
1024         pop %ebx                // address to fetch
1025         mov (%ebx),%eax         // fetch it
1026         push %eax               // push value onto stack
1027         NEXT
1028
1029         defcode "+!",2,,ADDSTORE
1030         pop %ebx                // address
1031         pop %eax                // the amount to add
1032         addl %eax,(%ebx)        // add it
1033         NEXT
1034
1035         defcode "-!",2,,SUBSTORE
1036         pop %ebx                // address
1037         pop %eax                // the amount to subtract
1038         subl %eax,(%ebx)        // add it
1039         NEXT
1040
1041 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
1042  * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
1043  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
1044  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
1045  */
1046         defcode "!b",2,,STOREBYTE
1047         pop %ebx                // address to store at
1048         pop %eax                // data to store there
1049         movb %al,(%ebx)         // store it
1050         NEXT
1051
1052         defcode "@b",2,,FETCHBYTE
1053         pop %ebx                // address to fetch
1054         xor %eax,%eax
1055         movb (%ebx),%al         // fetch it
1056         push %eax               // push value onto stack
1057         NEXT
1058
1059 /*
1060         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
1061
1062         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
1063         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
1064         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
1065         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
1066         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
1067
1068         LATEST @ . CR
1069
1070         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
1071         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
1072 */
1073
1074         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
1075         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1076         push $var_\name
1077         NEXT
1078         .data
1079         .align 4
1080 var_\name :
1081         .int \initial
1082         .endm
1083
1084 /*
1085         The built-in variables are:
1086
1087         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
1088         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
1089         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
1090         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
1091         _Y
1092         _Z
1093         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
1094
1095 */
1096         defvar "STATE",5,,STATE
1097         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
1098         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
1099         defvar "_X",2,,TX
1100         defvar "_Y",2,,TY
1101         defvar "_Z",2,,TZ
1102         defvar "S0",2,,SZ
1103
1104 /*
1105         BUILT-IN CONSTANTS ----------------------------------------------------------------------
1106
1107         It's also useful to expose a few constants to FORTH.  When the word is executed it pushes a
1108         constant value on the stack.
1109
1110         The built-in constants are:
1111
1112         VERSION         Is the current version of this FORTH.
1113         R0              The address of the top of the return stack.
1114         DOCOL           Pointer to DOCOL.
1115         F_IMMED         The IMMEDIATE flag's actual value.
1116         F_HIDDEN        The HIDDEN flag's actual value.
1117         F_LENMASK       The length mask.
1118 */
1119
1120         .macro defconst name, namelen, flags=0, label, value
1121         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1122         push $\value
1123         NEXT
1124         .endm
1125
1126         defconst "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1127         defconst "R0",2,,RZ,return_stack
1128         defconst "DOCOL",5,,__DOCOL,DOCOL
1129         defconst "F_IMMED",7,,__F_IMMED,F_IMMED
1130         defconst "F_HIDDEN",8,,__F_HIDDEN,F_HIDDEN
1131         defconst "F_LENMASK",9,,__F_LENMASK,F_LENMASK
1132
1133 /*
1134         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1135
1136         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1137         the top of the return stack.
1138 */
1139
1140         defcode ">R",2,,TOR
1141         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1142         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1143         NEXT
1144
1145         defcode "R>",2,,FROMR
1146         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1147         push %eax               // and push on to parameter stack
1148         NEXT
1149
1150         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1151         push %ebp
1152         NEXT
1153
1154         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1155         pop %ebp
1156         NEXT
1157
1158         defcode "RDROP",5,,RDROP
1159         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1160         NEXT
1161
1162 /*
1163         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1164
1165         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1166         stack for us, and it is accessed through %esp.
1167 */
1168
1169         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1170         mov %esp,%eax
1171         push %eax
1172         NEXT
1173
1174         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1175         pop %esp
1176         NEXT
1177
1178 /*
1179         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1180
1181         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1182         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1183         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1184         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1185         as an opaque block of code that does what it says.
1186
1187         Let's discuss input first.
1188
1189         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1190         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1191         is pushed on the stack.
1192
1193         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1194         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1195         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1196
1197         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of the
1198         program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1199         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1200         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1201         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1202 */
1203
1204 #include <asm-i386/unistd.h>
1205
1206         defcode "KEY",3,,KEY
1207         call _KEY
1208         push %eax               // push return value on stack
1209         NEXT
1210 _KEY:
1211         mov (currkey),%ebx
1212         cmp (bufftop),%ebx
1213         jge 1f
1214         xor %eax,%eax
1215         mov (%ebx),%al
1216         inc %ebx
1217         mov %ebx,(currkey)
1218         ret
1219
1220 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1221         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1222         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1223         mov %ecx,currkey
1224         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1225         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1226         int $0x80
1227         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1228         jbe 2f
1229         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1230         mov %ecx,bufftop
1231         jmp _KEY
1232
1233 2:      // error or out of input: exit
1234         xor %ebx,%ebx
1235         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1236         int $0x80
1237
1238 /*
1239         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1240         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1241         it would be a good exercise to add it.
1242 */
1243
1244         defcode "EMIT",4,,EMIT
1245         pop %eax
1246         call _EMIT
1247         NEXT
1248 _EMIT:
1249         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1250
1251         // write needs the address of the byte to write
1252         mov %al,(2f)
1253         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1254
1255         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1256
1257         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1258         int $0x80
1259         ret
1260
1261         .bss
1262 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1263
1264 /*
1265         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1266
1267         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1268         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1269         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1270         two words on the stack (with address at the top).
1271
1272         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1273         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1274         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1275         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1276         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
1277         in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
1278         you'd want to is a bit beyond me.
1279
1280         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1281         peculiarities and limitations.
1282
1283         Note that when executing, you'll see:
1284         WORD FOO
1285         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1286         : BAR WORD FOO ;
1287         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1288         and immediate mode, and you'll understand why.
1289 */
1290
1291         defcode "WORD",4,,WORD
1292         call _WORD
1293         push %ecx               // push length
1294         push %edi               // push base address
1295         NEXT
1296
1297 _WORD:
1298         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1299 1:
1300         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1301         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1302         je 3f                   // if so, skip the comment
1303         cmpb $' ',%al
1304         jbe 1b                  // if so, keep looking
1305
1306         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1307         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1308 2:
1309         stosb                   // add character to return buffer
1310         call _KEY               // get next key, returned in %al
1311         cmpb $' ',%al           // is blank?
1312         ja 2b                   // if not, keep looping
1313
1314         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1315         sub $5f,%edi
1316         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1317         mov $5f,%edi            // return address of the word
1318         ret
1319
1320         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1321 3:
1322         call _KEY
1323         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1324         jne 3b
1325         jmp 1b
1326
1327         .bss
1328         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1329         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1330 5:      .space 32
1331
1332 /*
1333         . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer.  In real FORTH implementations
1334         it should print it in the current base, but this assembler version is simpler and can only
1335         print in base 10.
1336
1337         Remember that you can override even built-in FORTH words easily, so if you want to write a
1338         more advanced DOT then you can do so easily at a later point, and probably in FORTH.
1339 */
1340
1341         defcode ".",1,,DOT
1342         pop %eax                // Get the number to print into %eax
1343         call _DOT               // Easier to do this recursively ...
1344         NEXT
1345 _DOT:
1346         mov $10,%ecx            // Base 10
1347 1:
1348         cmp %ecx,%eax
1349         jb 2f
1350         xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
1351         idivl %ecx
1352         pushl %edx
1353         call _DOT
1354         popl %eax
1355         jmp 1b
1356 2:
1357         xor %ah,%ah
1358         aam $10
1359         cwde
1360         addl $'0',%eax
1361         call _EMIT
1362         ret
1363
1364 /*
1365         Almost the opposite of DOT (but not quite), SNUMBER parses a numeric string such as one returned
1366         by WORD and pushes the number on the parameter stack.
1367
1368         This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
1369         must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
1370
1371         This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
1372         in user code at all.
1373 */
1374         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1375         pop %edi
1376         pop %ecx
1377         call _SNUMBER
1378         push %eax
1379         NEXT
1380 _SNUMBER:
1381         xor %eax,%eax
1382         xor %ebx,%ebx
1383 1:
1384         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1385         movb (%edi),%bl
1386         inc %edi
1387         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1388         add %ebx,%eax
1389         dec %ecx
1390         jnz 1b
1391         ret
1392
1393 /*
1394         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1395
1396         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1397
1398         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1399         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1400         or 0 if it didn't.
1401
1402         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1403
1404     pointer to this
1405         |
1406         |
1407         V
1408         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1409         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1410         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1411
1412         See also >CFA and >DFA.
1413
1414         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1415 */
1416
1417         defcode "FIND",4,,FIND
1418         pop %edi                // %edi = address
1419         pop %ecx                // %ecx = length
1420         call _FIND
1421         push %eax
1422         NEXT
1423
1424 _FIND:
1425         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1426
1427         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1428         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1429 1:
1430         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1431         je 4f
1432
1433         // Compare the length expected and the length of the word.
1434         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1435         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1436         xor %eax,%eax
1437         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1438         andb $(F_HIDDEN|F_LENMASK),%al // %al = name length
1439         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1440         jne 2f
1441
1442         // Compare the strings in detail.
1443         push %ecx               // Save the length
1444         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1445         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1446         repe cmpsb              // Compare the strings.
1447         pop %edi
1448         pop %ecx
1449         jne 2f                  // Not the same.
1450
1451         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1452         pop %esi
1453         mov %edx,%eax
1454         ret
1455
1456 2:
1457         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1458         jmp 1b                  // .. and loop.
1459
1460 4:      // Not found.
1461         pop %esi
1462         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1463         ret
1464
1465 /*
1466         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1467         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1468         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1469
1470         The example below shows the result of:
1471
1472                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1473
1474         FIND returns a pointer to this
1475         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1476         |                                          |
1477         V                                          V
1478         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1479         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1480         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1481
1482         Notes:
1483
1484         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1485
1486         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1487         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1488         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1489         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
1490
1491         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1492 */
1493
1494         defcode ">CFA",4,,TCFA
1495         pop %edi
1496         call _TCFA
1497         push %edi
1498         NEXT
1499 _TCFA:
1500         xor %eax,%eax
1501         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1502         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1503         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1504         andb $F_LENMASK,%al     // Just the length, not the flags.
1505         add %eax,%edi           // Skip the name.
1506         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1507         andl $~3,%edi
1508         ret
1509
1510 /*
1511         Related to >CFA is >DFA which takes a dictionary entry address as returned by FIND and
1512         returns a pointer to the first data field.
1513
1514         FIND returns a pointer to this
1515         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1516         |                                          |
1517         |                                          |    >DFA converts it to a pointer to this
1518         |                                          |             |
1519         V                                          V             V
1520         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1521         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1522         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1523
1524         (Note to those following the source of FIG-FORTH / ciforth: My >DFA definition is
1525         different from theirs, because they have an extra indirection).
1526
1527         You can see that >DFA is easily defined in FORTH just by adding 4 to the result of >CFA.
1528 */
1529
1530         defword ">DFA",4,,TDFA
1531         .int TCFA               // >CFA         (get code field address)
1532         .int INCR4              // 4+           (add 4 to it to get to next word)
1533         .int EXIT               // EXIT         (return from FORTH word)
1534
1535 /*
1536         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1537
1538         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1539
1540                 : DOUBLE DUP + ;
1541
1542         and we have to turn this into:
1543
1544           pointer to previous word
1545            ^
1546            |
1547         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1548         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1549         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1550            ^       len                         pad  codeword      |
1551            |                                                      V
1552           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1553
1554         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1555         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1556
1557         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1558         allows you to change how the compiler works on your own code.
1559
1560         FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1561         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1562         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1563
1564         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1565
1566         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1567         immediate mode.
1568
1569         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1570         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1571         free byte of user memory).
1572
1573         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1574
1575         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1576
1577         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1578
1579     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1580            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1581            |                                                    V   codewords.
1582         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1583         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1584         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1585                    len                         pad  codeword
1586
1587         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1588
1589         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1590             the interpreter will append codewords.
1591
1592         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1593             our partially-formed header.
1594
1595         After : has run, our input is here:
1596
1597         : DOUBLE DUP + ;
1598                  ^
1599                  |
1600                 Next byte returned by KEY will be the 'D' character of DUP
1601
1602         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads "DUP",
1603         looks it up in the dictionary, gets its codeword pointer, and appends it:
1604
1605                                                                              +-- HERE updated to point here.
1606                                                                              |
1607                                                                              V
1608         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1609         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1610         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1611                    len                         pad  codeword
1612
1613         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1614
1615                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1616                                                                                           |
1617                                                                                           V
1618         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1619         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1620         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1621                    len                         pad  codeword
1622
1623         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1624         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1625
1626         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1627         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1628         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1629         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1630
1631         This is how the word ; (SEMICOLON) works -- as a word flagged in the dictionary as IMMEDIATE.
1632         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1633         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1634         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1635
1636         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1637
1638         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1639         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1640         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1641                    len                         pad  codeword                                           ^
1642                                                                                                        |
1643                                                                                                       HERE
1644
1645         STATE is set to 0.
1646
1647         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1648         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1649
1650         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1651         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1652         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1653         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1654         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1655         chance of it being called.
1656
1657         The above explains how compiling, : (COLON) and ; (SEMICOLON) works and in a moment I'm
1658         going to define them.  The : (COLON) function can be made a little bit more general by writing
1659         it in two parts.  The first part, called CREATE, makes just the header:
1660
1661                                                    +-- Afterwards, HERE points here.
1662                                                    |
1663                                                    V
1664         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1665         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |
1666         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1667                    len                         pad
1668
1669         and the second part, the actual definition of : (COLON), calls CREATE and appends the
1670         DOCOL codeword, so leaving:
1671
1672                                                                 +-- Afterwards, HERE points here.
1673                                                                 |
1674                                                                 V
1675         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1676         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1677         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1678                    len                         pad  codeword
1679
1680         CREATE is a standard FORTH word and the advantage of this split is that we can reuse it to
1681         create other types of words (not just ones which contain code, but words which contain variables,
1682         constants and other data).
1683 */
1684
1685         defcode "CREATE",6,,CREATE
1686
1687         // Get the word.
1688         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1689         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1690
1691         // Link pointer.
1692         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1693         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1694         stosl                   // and store it in the header.
1695
1696         // Length byte and the word itself.
1697         mov %cl,%al             // Get the length.
1698         stosb                   // Store the length/flags byte.
1699         push %esi
1700         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1701         rep movsb               // Copy the word
1702         pop %esi
1703         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1704         andl $~3,%edi
1705
1706         // Update LATEST and HERE.
1707         movl var_HERE,%eax
1708         movl %eax,var_LATEST
1709         movl %edi,var_HERE
1710         NEXT
1711
1712 /*
1713         Because I want to define : (COLON) in FORTH, not assembler, we need a few more FORTH words
1714         to use.
1715
1716         The first is , (COMMA) which is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer to the user
1717         data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.  So the action of , (COMMA) is:
1718
1719                                                         previous value of HERE
1720                                                                  |
1721                                                                  V
1722         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1723         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |             |  <data>    |
1724         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1725                    len                         pad                            ^
1726                                                                               |
1727                                                                         new value of HERE
1728
1729         and <data> is whatever 32 bit integer was at the top of the stack.
1730
1731         , (COMMA) is quite a fundamental operation when compiling.  It is used to append codewords
1732         to the current word that is being compiled.
1733 */
1734
1735         defcode ",",1,,COMMA
1736         pop %eax                // Code pointer to store.
1737         call _COMMA
1738         NEXT
1739 _COMMA:
1740         movl var_HERE,%edi      // HERE
1741         stosl                   // Store it.
1742         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1743         ret
1744
1745 /*
1746         Our definitions of : (COLON) and ; (SEMICOLON) will need to switch to and from compile mode.
1747
1748         Immediate mode vs. compile mode is stored in the global variable STATE, and by updating this
1749         variable we can switch between the two modes.
1750
1751         For various reasons which may become apparent later, FORTH defines two standard words called
1752         [ and ] (LBRAC and RBRAC) which switch between modes:
1753
1754         Word    Assembler       Action          Effect
1755         [       LBRAC           STATE := 0      Switch to immediate mode.
1756         ]       RBRAC           STATE := 1      Switch to compile mode.
1757
1758         [ (LBRAC) is an IMMEDIATE word.  The reason is as follows: If we are in compile mode and the
1759         interpreter saw [ then it would compile it rather than running it.  We would never be able to
1760         switch back to immediate mode!  So we flag the word as IMMEDIATE so that even in compile mode
1761         the word runs immediately, switching us back to immediate mode.
1762 */
1763
1764         defcode "[",1,F_IMMED,LBRAC
1765         xor %eax,%eax
1766         movl %eax,var_STATE     // Set STATE to 0.
1767         NEXT
1768
1769         defcode "]",1,,RBRAC
1770         movl $1,var_STATE       // Set STATE to 1.
1771         NEXT
1772
1773 /*
1774         Now we can define : (COLON) using CREATE.  It just calls CREATE, appends DOCOL (the codeword), sets
1775         the word HIDDEN and goes into compile mode.
1776 */
1777
1778         defword ":",1,,COLON
1779         .int CREATE             // CREATE the dictionary entry / header
1780         .int LIT, DOCOL, COMMA  // Append DOCOL  (the codeword).
1781         .int HIDDEN             // Make the word hidden (see below for definition).
1782         .int RBRAC              // Go into compile mode.
1783         .int EXIT               // Return from the function.
1784
1785 /*
1786         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1787 */
1788
1789         defword ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1790         .int LIT, EXIT, COMMA   // Append EXIT (so the word will return).
1791         .int HIDDEN             // Toggle hidden flag -- unhide the word (see below for definition).
1792         .int LBRAC              // Go back to IMMEDIATE mode.
1793         .int EXIT               // Return from the function.
1794
1795 /*
1796         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1797
1798         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1799         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1800         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1801
1802         Standard FORTH words like IF, WHILE, ." and so on are all written as extensions to the basic
1803         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1804
1805         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1806         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1807
1808         Typical usage is:
1809
1810         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1811                 ...definition...
1812         ;
1813
1814         but some FORTH programmers write this instead:
1815
1816         : MYIMMEDWORD
1817                 ...definition...
1818         ; IMMEDIATE
1819
1820         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1821 */
1822
1823         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1824         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1825         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1826         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1827         NEXT
1828
1829 /*
1830         HIDDEN toggles the other flag, F_HIDDEN, of the latest word.  Note that words flagged
1831         as hidden are defined but cannot be called, so this is only used when you are trying to
1832         hide the word as it is being defined.
1833 */
1834
1835         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1836         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1837         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1838         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1839         NEXT
1840
1841 /*
1842         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1843
1844         The common usage is:
1845
1846         ' FOO ,
1847
1848         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1849
1850         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1851         a literal 2 might be:
1852
1853         : LIT2 IMMEDIATE
1854                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1855                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1856         ;
1857
1858         So you could do:
1859
1860         : DOUBLE LIT2 * ;
1861
1862         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1863         and immediate mode).
1864
1865         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1866         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1867         immediate mode too.
1868 */
1869         defcode "'",1,,TICK
1870         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1871         pushl %eax              // Push it on the stack.
1872         NEXT
1873
1874 /*
1875         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1876
1877         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1878         are two primitives.
1879
1880         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1881         top of stack is zero).
1882
1883         The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1884         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1885
1886         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1887         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1888         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1889                                                                    ^  |                       ^
1890                                                                    |  |                       |
1891                                                                    |  +-----------------------+
1892                                                                   %esi added to offset
1893
1894         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1895         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1896
1897         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1898
1899         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1900         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1901         into the word currently being compiled.
1902
1903         As an example, code written like this:
1904
1905                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1906
1907         compiles to:
1908
1909                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1910                                           |             ^
1911                                           |             |
1912                                           +-------------+
1913 */
1914
1915         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1916         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1917         NEXT
1918
1919         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1920         pop %eax
1921         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1922         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1923         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1924         NEXT
1925
1926 /*
1927         PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
1928
1929         LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." operator (which is
1930         written in FORTH).  See the definition of that operator below.
1931 */
1932
1933         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1934         lodsl                   // get the length of the string
1935         push %eax               // push it on the stack
1936         push %esi               // push the address of the start of the string
1937         addl %eax,%esi          // skip past the string
1938         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1939         andl $~3,%esi
1940         NEXT
1941
1942         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1943         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1944         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1945         pop %edx                // 3rd param: length of string
1946         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1947         int $0x80
1948         NEXT
1949
1950 /*
1951         COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
1952
1953         COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
1954
1955         INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
1956         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
1957 */
1958
1959         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1960         defword "COLD",4,,COLD
1961         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1962         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1963
1964 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1965  * it later with a more powerful one!
1966  */
1967         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1968         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1969
1970         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1971         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1972
1973         // Is it in the dictionary?
1974         xor %eax,%eax
1975         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1976         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1977         test %eax,%eax          // Found?
1978         jz 1f
1979
1980         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1981         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1982         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1983         push %ax                // Just save it for now.
1984         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1985         pop %ax
1986         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1987         mov %edi,%eax
1988         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1989
1990         jmp 2f
1991
1992 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1993         incl interpret_is_lit
1994         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1995         mov %eax,%ebx
1996         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1997
1998 2:      // Are we compiling or executing?
1999         movl var_STATE,%edx
2000         test %edx,%edx
2001         jz 4f                   // Jump if executing.
2002
2003         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
2004         call _COMMA
2005         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
2006         test %ecx,%ecx
2007         jz 3f
2008         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
2009         call _COMMA
2010 3:      NEXT
2011
2012 4:      // Executing - run it!
2013         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
2014         test %ecx,%ecx          // Literal?
2015         jnz 5f
2016
2017         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
2018         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
2019         jmp *(%eax)
2020
2021 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
2022         push %ebx
2023         NEXT
2024
2025         .data
2026         .align 4
2027 interpret_is_lit:
2028         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
2029
2030 /*
2031         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
2032
2033         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
2034         CHAR A puts 65 on the stack.
2035
2036         SYSEXIT exits the process using Linux exit syscall.
2037
2038         In this FORTH, SYSEXIT must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
2039         initialise the LATEST variable to point to it.  This means that if you want to extend the assembler
2040         part, you must put new words before SYSEXIT, or else change how LATEST is initialised.
2041 */
2042
2043         defcode "CHAR",4,,CHAR
2044         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2045         xor %eax,%eax
2046         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
2047         push %eax               // Push it onto the stack.
2048         NEXT
2049
2050         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
2051         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
2052         pop %ebx
2053         mov $__NR_exit,%eax
2054         int $0x80
2055
2056 /*
2057         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
2058
2059         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
2060         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
2061         languages would be considered rather fundamental.
2062
2063         As a kind of trick, I prefill the input buffer with the initial FORTH code.  Once this code
2064         has run (when we get to the "OK" prompt), this input buffer is reused for reading any further
2065         user input.
2066
2067         Some notes about the code:
2068
2069         \ (backslash) is the FORTH way to start a comment which goes up to the next newline.  However
2070         because this is a C-style string, I have to escape the backslash, which is why they appear as
2071         \\ comment.
2072
2073         Similarly, any backslashes in the code are doubled, and " becomes \" (eg. the definition of ."
2074         is written as : .\" ... ;)
2075
2076         I use indenting to show structure.  The amount of whitespace has no meaning to FORTH however
2077         except that you must use at least one whitespace character between words, and words themselves
2078         cannot contain whitespace.
2079
2080         FORTH is case-sensitive.  Use capslock!
2081
2082         Enjoy!
2083 */
2084
2085         .data
2086         .align 4096
2087 buffer:
2088         // Multi-line constant gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore.
2089         .ascii "\
2090 \\ Define some character constants
2091 : '\\n'   10 ;
2092 : 'SPACE' 32 ;
2093
2094 \\ CR prints a carriage return
2095 : CR '\\n' EMIT ;
2096
2097 \\ SPACE prints a space
2098 : SPACE 'SPACE' EMIT ;
2099
2100 \\ DUP, DROP are defined in assembly for speed, but this is how you might define them
2101 \\ in FORTH.  Notice use of the scratch variables _X and _Y.
2102 \\ : DUP _X ! _X @ _X @ ;
2103 \\ : DROP _X ! ;
2104
2105 \\ The 2... versions of the standard operators work on pairs of stack entries.  They're not used
2106 \\ very commonly so not really worth writing in assembler.  Here is how they are defined in FORTH.
2107 : 2DUP OVER OVER ;
2108 : 2DROP DROP DROP ;
2109
2110 \\ More standard FORTH words.
2111 : 2* 2 * ;
2112 : 2/ 2 / ;
2113
2114 \\ The primitive . (DOT) function doesn't follow with a blank, so redefine it to behave like FORTH.
2115 \\ Notice how we can trivially redefine existing words.  Word definitions are not recursive by
2116 \\ default, but see below for the RECURSE word.
2117 : .
2118         . SPACE         \\ call built-in DOT, then print a space.
2119 ;
2120
2121 \\ LITERAL takes whatever is on the stack and compiles LIT <foo>
2122 : LITERAL IMMEDIATE
2123         ' LIT ,         \\ compile LIT
2124         ,               \\ compile the literal itself (from the stack)
2125         ;
2126
2127 \\ Now we can use [ and ] to insert literals which are calculated at compile time.
2128 \\ Within definitions, use [ ... ] LITERAL anywhere that '...' is a constant expression which you
2129 \\ would rather only compute once (at compile time, rather than calculating it each time your word runs).
2130 : ':'
2131         [               \\ go into immediate mode temporarily
2132         CHAR :          \\ push the number 58 (ASCII code of colon) on the stack
2133         ]               \\ go back to compile mode
2134         LITERAL         \\ compile LIT 58 as the definition of ':' word
2135 ;
2136
2137 \\ A few more character constants defined the same way as above.
2138 : '(' [ CHAR ( ] LITERAL ;
2139 : ')' [ CHAR ) ] LITERAL ;
2140 : '\"' [ CHAR \" ] LITERAL ;
2141
2142 \\ So far we have defined only very simple definitions.  Before we can go further, we really need to
2143 \\ make some control structures, like IF ... THEN and loops.  Luckily we can define arbitrary control
2144 \\ structures directly in FORTH.
2145 \\
2146 \\ Please note that the control structures as I have defined them here will only work inside compiled
2147 \\ words.  If you try to type in expressions using IF, etc. in immediate mode, then they won't work.
2148 \\ Making these work in immediate mode is left as an exercise for the reader.
2149
2150 \\ condition IF true-part THEN rest
2151 \\      -- compiles to: --> condition 0BRANCH OFFSET true-part rest
2152 \\      where OFFSET is the offset of 'rest'
2153 \\ condition IF true-part ELSE false-part THEN
2154 \\      -- compiles to: --> condition 0BRANCH OFFSET true-part BRANCH OFFSET2 false-part rest
2155 \\      where OFFSET if the offset of false-part and OFFSET2 is the offset of rest
2156
2157 \\ IF is an IMMEDIATE word which compiles 0BRANCH followed by a dummy offset, and places
2158 \\ the address of the 0BRANCH on the stack.  Later when we see THEN, we pop that address
2159 \\ off the stack, calculate the offset, and back-fill the offset.
2160 : IF IMMEDIATE
2161         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
2162         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
2163         0 ,             \\ compile a dummy offset
2164 ;
2165
2166 : THEN IMMEDIATE
2167         DUP
2168         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset from the address saved on the stack
2169         SWAP !          \\ store the offset in the back-filled location
2170 ;
2171
2172 : ELSE IMMEDIATE
2173         ' BRANCH ,      \\ definite branch to just over the false-part
2174         HERE @          \\ save location of the offset on the stack
2175         0 ,             \\ compile a dummy offset
2176         SWAP            \\ now back-fill the original (IF) offset
2177         DUP             \\ same as for THEN word above
2178         HERE @ SWAP -
2179         SWAP !
2180 ;
2181
2182 \\ BEGIN loop-part condition UNTIL
2183 \\      -- compiles to: --> loop-part condition 0BRANCH OFFSET
2184 \\      where OFFSET points back to the loop-part
2185 \\ This is like do { loop-part } while (condition) in the C language
2186 : BEGIN IMMEDIATE
2187         HERE @          \\ save location on the stack
2188 ;
2189
2190 : UNTIL IMMEDIATE
2191         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
2192         HERE @ -        \\ calculate the offset from the address saved on the stack
2193         ,               \\ compile the offset here
2194 ;
2195
2196 \\ BEGIN loop-part AGAIN
2197 \\      -- compiles to: --> loop-part BRANCH OFFSET
2198 \\      where OFFSET points back to the loop-part
2199 \\ In other words, an infinite loop which can only be returned from with EXIT
2200 : AGAIN IMMEDIATE
2201         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
2202         HERE @ -        \\ calculate the offset back
2203         ,               \\ compile the offset here
2204 ;
2205
2206 \\ BEGIN condition WHILE loop-part REPEAT
2207 \\      -- compiles to: --> condition 0BRANCH OFFSET2 loop-part BRANCH OFFSET
2208 \\      where OFFSET points back to condition (the beginning) and OFFSET2 points to after the whole piece of code
2209 \\ So this is like a while (condition) { loop-part } loop in the C language
2210 : WHILE IMMEDIATE
2211         ' 0BRANCH ,     \\ compile 0BRANCH
2212         HERE @          \\ save location of the offset2 on the stack
2213         0 ,             \\ compile a dummy offset2
2214 ;
2215
2216 : REPEAT IMMEDIATE
2217         ' BRANCH ,      \\ compile BRANCH
2218         SWAP            \\ get the original offset (from BEGIN)
2219         HERE @ - ,      \\ and compile it after BRANCH
2220         DUP
2221         HERE @ SWAP -   \\ calculate the offset2
2222         SWAP !          \\ and back-fill it in the original location
2223 ;
2224
2225 \\ FORTH allows ( ... ) as comments within function definitions.  This works by having an IMMEDIATE
2226 \\ word called ( which just drops input characters until it hits the corresponding ).
2227 : ( IMMEDIATE
2228         1               \\ allowed nested parens by keeping track of depth
2229         BEGIN
2230                 KEY             \\ read next character
2231                 DUP '(' = IF    \\ open paren?
2232                         DROP            \\ drop the open paren
2233                         1+              \\ depth increases
2234                 ELSE
2235                         ')' = IF        \\ close paren?
2236                                 1-              \\ depth decreases
2237                         THEN
2238                 THEN
2239         DUP 0= UNTIL            \\ continue until we reach matching close paren, depth 0
2240         DROP            \\ drop the depth counter
2241 ;
2242
2243 (
2244         From now on we can use ( ... ) for comments.
2245
2246         In FORTH style we can also use ( ... -- ... ) to show the effects that a word has on the
2247         parameter stack.  For example:
2248
2249         ( n -- )        means that the word consumes an integer (n) from the parameter stack.
2250         ( b a -- c )    means that the word uses two integers (a and b, where a is at the top of stack)
2251                                 and returns a single integer (c).
2252         ( -- )          means the word has no effect on the stack
2253 )
2254
2255 ( With the looping constructs, we can now write SPACES, which writes n spaces to stdout. )
2256 : SPACES        ( n -- )
2257         BEGIN
2258                 DUP 0>          ( while n > 0 )
2259         WHILE
2260                 SPACE           ( print a space )
2261                 1-              ( until we count down to 0 )
2262         REPEAT
2263         DROP
2264 ;
2265
2266 ( .S prints the contents of the stack.  Very useful for debugging. )
2267 : .S            ( -- )
2268         DSP@            ( get current stack pointer )
2269         BEGIN
2270                 DUP S0 @ <
2271         WHILE
2272                 DUP @ .         ( print the stack element )
2273                 4+              ( move up )
2274         REPEAT
2275         DROP
2276 ;
2277
2278 ( DEPTH returns the depth of the stack. )
2279 : DEPTH         ( -- n )
2280         S0 @ DSP@ -
2281         4-                      ( adjust because S0 was on the stack when we pushed DSP )
2282 ;
2283
2284 (
2285         [NB. The following may be a bit confusing because of the need to use backslash before
2286         each double quote character.  The backslashes are there to keep the assembler happy.
2287         They are NOT part of the final output.  So here we are defining a function called
2288         'dot double-quote' (not 'dot backslash double-quote').]
2289
2290         .\" is the print string operator in FORTH.  Example: .\" Something to print\"
2291         The space after the operator is the ordinary space required between words.
2292
2293         This is tricky to define because it has to do different things depending on whether
2294         we are compiling or in immediate mode.  (Thus the word is marked IMMEDIATE so it can
2295         detect this and do different things).
2296
2297         In immediate mode we just keep reading characters and printing them until we get to
2298         the next double quote.
2299
2300         In compile mode we have the problem of where we're going to store the string (remember
2301         that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
2302         come round to running the function).  We store the string in the compiled function
2303         like this:
2304         ..., LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
2305 )
2306 : .\" IMMEDIATE         ( -- )
2307         STATE @ IF      ( compiling? )
2308                 ' LITSTRING ,   ( compile LITSTRING )
2309                 HERE @          ( save the address of the length word on the stack )
2310                 0 ,             ( dummy length - we don't know what it is yet )
2311                 BEGIN
2312                         KEY             ( get next character of the string )
2313                         DUP '\"' <>
2314                 WHILE
2315                         HERE @ !b       ( store the character in the compiled image )
2316                         1 HERE +!       ( increment HERE pointer by 1 byte )
2317                 REPEAT
2318                 DROP            ( drop the double quote character at the end )
2319                 DUP             ( get the saved address of the length word )
2320                 HERE @ SWAP -   ( calculate the length )
2321                 4-              ( subtract 4 (because we measured from the start of the length word) )
2322                 SWAP !          ( and back-fill the length location )
2323                 HERE @          ( round up to next multiple of 4 bytes for the remaining code )
2324                 3 +
2325                 3 INVERT AND
2326                 HERE !
2327                 ' EMITSTRING ,  ( compile the final EMITSTRING )
2328         ELSE
2329                 ( In immediate mode, just read characters and print them until we get
2330                   to the ending double quote.  Much simpler than the above code! )
2331                 BEGIN
2332                         KEY
2333                         DUP '\"' = IF
2334                                 DROP    ( drop the double quote character )
2335                                 EXIT    ( return from this function )
2336                         THEN
2337                         EMIT
2338                 AGAIN
2339         THEN
2340 ;
2341
2342 (
2343         In FORTH, global constants and variables are defined like this:
2344
2345         10 CONSTANT TEN         when TEN is executed, it leaves the integer 10 on the stack
2346         VARIABLE VAR            when VAR is executed, it leaves the address of VAR on the stack
2347
2348         Constants can be read by not written, eg:
2349
2350         TEN . CR                prints 10
2351
2352         You can read a variable (in this example called VAR) by doing:
2353
2354         VAR @                   leaves the value of VAR on the stack
2355         VAR @ . CR              prints the value of VAR
2356
2357         and update the variable by doing:
2358
2359         20 VAR !                sets VAR to 20
2360
2361         Note that variables are uninitialised (but see VALUE later on which provides initialised
2362         variables with a slightly simpler syntax).
2363
2364         How can we define the words CONSTANT and VARIABLE?
2365
2366         The trick is to define a new word for the variable itself (eg. if the variable was called
2367         'VAR' then we would define a new word called VAR).  This is easy to do because we exposed
2368         dictionary entry creation through the CREATE word (part of the definition of : above).
2369         A call to CREATE TEN leaves the dictionary entry:
2370
2371                                    +--- HERE
2372                                    |
2373                                    V
2374         +---------+---+---+---+---+
2375         | LINK    | 3 | T | E | N |
2376         +---------+---+---+---+---+
2377                    len
2378
2379         For CONSTANT we can continue by appending DOCOL (the codeword), then LIT followed by
2380         the constant itself and then EXIT, forming a little word definition that returns the
2381         constant:
2382
2383         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2384         | LINK    | 3 | T | E | N | DOCOL      | LIT        | 10         | EXIT       |
2385         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2386                    len              codeword
2387
2388         Notice that this word definition is exactly the same as you would have got if you had
2389         written : TEN 10 ;
2390 )
2391 : CONSTANT
2392         CREATE          ( make the dictionary entry (the name follows CONSTANT) )
2393         DOCOL ,         ( append DOCOL (the codeword field of this word) )
2394         ' LIT ,         ( append the codeword LIT )
2395         ,               ( append the value on the top of the stack )
2396         ' EXIT ,        ( append the codeword EXIT )
2397 ;
2398
2399 (
2400         VARIABLE is a little bit harder because we need somewhere to put the variable.  There is
2401         nothing particularly special about the 'user definitions area' (the area of memory pointed
2402         to by HERE where we have previously just stored new word definitions).  We can slice off
2403         bits of this memory area to store anything we want, so one possible definition of
2404         VARIABLE might create this:
2405
2406            +--------------------------------------------------------------+
2407            |                                                              |
2408            V                                                              |
2409         +---------+---------+---+---+---+---+------------+------------+---|--------+------------+
2410         | <var>   | LINK    | 3 | V | A | R | DOCOL      | LIT        | <addr var> | EXIT       |
2411         +---------+---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2412                              len              codeword
2413
2414         where <var> is the place to store the variable, and <addr var> points back to it.
2415
2416         To make this more general let's define a couple of words which we can use to allocate
2417         arbitrary memory from the user definitions area.
2418
2419         First ALLOT, where n ALLOT allocates n bytes of memory.  (Note when calling this that
2420         it's a very good idea to make sure that n is a multiple of 4, or at least that next time
2421         a word is compiled that n has been left as a multiple of 4).
2422 )
2423 : ALLOT         ( n -- addr )
2424         HERE @ SWAP     ( here n -- )
2425         HERE +!         ( adds n to HERE, after this the old value of HERE is still on the stack )
2426 ;
2427
2428 (
2429         Second, CELLS.  In FORTH the phrase 'n CELLS ALLOT' means allocate n integers of whatever size
2430         is the natural size for integers on this machine architecture.  On this 32 bit machine therefore
2431         CELLS just multiplies the top of stack by 4.
2432 )
2433 : CELLS 4 * ;
2434
2435 (
2436         So now we can define VARIABLE easily in much the same way as CONSTANT above.  Refer to the
2437         diagram above to see what the word that this creates will look like.
2438 )
2439 : VARIABLE
2440         1 CELLS ALLOT   ( allocate 1 cell of memory, push the pointer to this memory )
2441         CREATE          ( make the dictionary entry (the name follows VARIABLE) )
2442         DOCOL ,         ( append DOCOL (the codeword field of this word) )
2443         ' LIT ,         ( append the codeword LIT )
2444         ,               ( append the pointer to the new memory )
2445         ' EXIT ,        ( append the codeword EXIT )
2446 ;
2447
2448 (
2449         VALUEs are like VARIABLEs but with a simpler syntax.  You would generally use them when you
2450         want a variable which is read often, and written infrequently.
2451
2452         20 VALUE VAL    creates VAL with initial value 20
2453         VAL             pushes the value directly on the stack
2454         30 TO VAL       updates VAL, setting it to 30
2455
2456         Notice that 'VAL' on its own doesn't return the address of the value, but the value itself,
2457         making values simpler and more obvious to use than variables (no indirection through '@').
2458         The price is a more complicated implementation, although despite the complexity there is no
2459         particular performance penalty at runtime.
2460
2461         A naive implementation of 'TO' would be quite slow, involving a dictionary search each time.
2462         But because this is FORTH we have complete control of the compiler so we can compile TO more
2463         efficiently, turning:
2464                 TO VAL
2465         into:
2466                 LIT <addr> !
2467         and calculating <addr> (the address of the value) at compile time.
2468
2469         Now this is the clever bit.  We'll compile our value like this:
2470
2471         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2472         | LINK    | 3 | V | A | L | DOCOL      | LIT        | <value>    | EXIT       |
2473         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2474                    len              codeword
2475
2476         where <value> is the actual value itself.  Note that when VAL executes, it will push the
2477         value on the stack, which is what we want.
2478
2479         But what will TO use for the address <addr>?  Why of course a pointer to that <value>:
2480
2481                 code compiled   - - - - --+------------+------------+------------+-- - - - -
2482                 by TO VAL                 | LIT        | <addr>     | !          |
2483                                 - - - - --+------------+-----|------+------------+-- - - - -
2484                                                              |
2485                                                              V
2486         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2487         | LINK    | 3 | V | A | L | DOCOL      | LIT        | <value>    | EXIT       |
2488         +---------+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
2489                    len              codeword
2490
2491         In other words, this is a kind of self-modifying code.
2492
2493         (Note to the people who want to modify this FORTH to add inlining: values defined this
2494         way cannot be inlined).
2495 )
2496 : VALUE         ( n -- )
2497         CREATE          ( make the dictionary entry (the name follows VALUE) )
2498         DOCOL ,         ( append DOCOL )
2499         ' LIT ,         ( append the codeword LIT )
2500         ,               ( append the initial value )
2501         ' EXIT ,        ( append the codeword EXIT )
2502 ;
2503
2504 : TO IMMEDIATE  ( n -- )
2505         WORD            ( get the name of the value )
2506         FIND            ( look it up in the dictionary )
2507         >DFA            ( get a pointer to the first data field (the 'LIT') )
2508         4+              ( increment to point at the value )
2509         STATE @ IF      ( compiling? )
2510                 ' LIT ,         ( compile LIT )
2511                 ,               ( compile the address of the value )
2512                 ' ! ,           ( compile ! )
2513         ELSE            ( immediate mode )
2514                 !               ( update it straightaway )
2515         THEN
2516 ;
2517
2518 (
2519         ID. takes an address of a dictionary entry and prints the word's name.
2520
2521         For example: LATEST @ ID. would print the name of the last word that was defined.
2522 )
2523 : ID.
2524         4+              ( skip over the link pointer )
2525         DUP @b          ( get the flags/length byte )
2526         F_LENMASK AND   ( mask out the flags - just want the length )
2527
2528         BEGIN
2529                 DUP 0>          ( length > 0? )
2530         WHILE
2531                 SWAP 1+         ( addr len -- len addr+1 )
2532                 DUP @b          ( len addr -- len addr char | get the next character)
2533                 EMIT            ( len addr char -- len addr | and print it)
2534                 SWAP 1-         ( len addr -- addr len-1    | subtract one from length )
2535         REPEAT
2536         DROP DROP       ( len addr -- )
2537 ;
2538
2539 (
2540         WORDS prints all the words defined in the dictionary, starting with the word defined most recently.
2541
2542         The implementation simply iterates backwards from LATEST using the link pointers.
2543 )
2544 : WORDS
2545         LATEST @        ( start at LATEST dictionary entry )
2546         BEGIN
2547                 DUP 0<>         ( while link pointer is not null )
2548         WHILE
2549                 DUP ID.         ( print the word )
2550                 SPACE
2551                 @               ( dereference the link pointer - go to previous word )
2552         REPEAT
2553         DROP
2554         CR
2555 ;
2556
2557 (
2558         So far we have only allocated words and memory.  FORTH provides a rather primitive method
2559         to deallocate.
2560
2561         'FORGET word' deletes the definition of 'word' from the dictionary and everything defined
2562         after it, including any variables and other memory allocated after.
2563
2564         The implementation is very simple - we look up the word (which returns the dictionary entry
2565         address).  Then we set HERE to point to that address, so in effect all future allocations
2566         and definitions will overwrite memory starting at the word.  We also need to set LATEST to
2567         point to the previous word.
2568
2569         Note that you cannot FORGET built-in words (well, you can try but it will probably cause
2570         a segfault).
2571
2572         XXX: Because we wrote VARIABLE to store the variable in memory allocated before the word,
2573         in the current implementation VARIABLE FOO FORGET FOO will leak 1 cell of memory.
2574 )
2575 : FORGET
2576         WORD FIND       ( find the word, gets the dictionary entry address )
2577         DUP @ LATEST !  ( set LATEST to point to the previous word )
2578         HERE !          ( and store HERE with the dictionary address )
2579 ;
2580
2581 ( While compiling, '[COMPILE] word' compiles 'word' if it would otherwise be IMMEDIATE. )
2582 : [COMPILE] IMMEDIATE
2583         WORD            ( get the next word )
2584         FIND            ( find it in the dictionary )
2585         >CFA            ( get its codeword )
2586         ,               ( and compile that )
2587 ;
2588
2589 (
2590         RECURSE makes a recursive call to the current word that is being compiled.
2591
2592         Normally while a word is being compiled, it is marked HIDDEN so that references to the
2593         same word within are calls to the previous definition of the word.  However we still have
2594         access to the word which we are currently compiling through the LATEST pointer so we
2595         can use that to compile a recursive call.
2596 )
2597 : RECURSE IMMEDIATE
2598         LATEST @ >CFA   ( LATEST points to the word being compiled at the moment )
2599         ,               ( compile it )
2600 ;
2601
2602 ( Finally print the welcome prompt. )
2603 .\" JONESFORTH VERSION \" VERSION . CR
2604 .\" OK \"
2605 "
2606
2607 _initbufftop:
2608         .align 4096
2609 buffend:
2610
2611 currkey:
2612         .int buffer
2613 bufftop:
2614         .int _initbufftop
2615
2616 /* END OF jonesforth.S */