Version 32.
[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 1.32 2007-09-26 22:20:52 rich Exp $
5
6         gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
7 */
8         .set JONES_VERSION,32
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         cat jonesforth.f - | ./jonesforth
119
120         If you want to run your own FORTH programs you can do:
121
122         cat jonesforth.f myprog.f | ./jonesforth
123
124         If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
125
126         cat jonesforth.f myfunctions.f - | ./jonesforth
127
128         ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
129
130         (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
131         follow this tutorial).
132
133         However if you do want to read the assembly code here are a few notes about gas (the GNU assembler):
134
135         (1) Register names are prefixed with '%', so %eax is the 32 bit i386 accumulator.  The registers
136             available on i386 are: %eax, %ebx, %ecx, %edx, %esi, %edi, %ebp and %esp, and most of them
137             have special purposes.
138
139         (2) Add, mov, etc. take arguments in the form SRC,DEST.  So mov %eax,%ecx moves %eax -> %ecx
140
141         (3) Constants are prefixed with '$', and you mustn't forget it!  If you forget it then it
142             causes a read from memory instead, so:
143             mov $2,%eax         moves number 2 into %eax
144             mov 2,%eax          reads the 32 bit word from address 2 into %eax (ie. most likely a mistake)
145
146         (4) gas has a funky syntax for local labels, where '1f' (etc.) means label '1:' "forwards"
147             and '1b' (etc.) means label '1:' "backwards".
148
149         (5) 'ja' is "jump if above", 'jb' for "jump if below", 'je' "jump if equal" etc.
150
151         (6) gas has a reasonably nice .macro syntax, and I use them a lot to make the code shorter and
152             less repetitive.
153
154         For more help reading the assembler, do "info gas" at the Linux prompt.
155
156         Now the tutorial starts in earnest.
157
158         THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
159
160         In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
161         have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
162
163         : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
164         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;     \ name is "QUADRUPLE", definition is "DOUBLE DOUBLE"
165
166         Words, both built-in ones and ones which the programmer defines later, are stored in a dictionary
167         which is just a linked list of dictionary entries.
168
169         <--- DICTIONARY ENTRY (HEADER) ----------------------->
170         +------------------------+--------+---------- - - - - +----------- - - - -
171         | LINK POINTER           | LENGTH/| NAME              | DEFINITION
172         |                        | FLAGS  |                   |
173         +--- (4 bytes) ----------+- byte -+- n bytes  - - - - +----------- - - - -
174
175         I'll come to the definition of the word later.  For now just look at the header.  The first
176         4 bytes are the link pointer.  This points back to the previous word in the dictionary, or, for
177         the first word in the dictionary it is just a NULL pointer.  Then comes a length/flags byte.
178         The length of the word can be up to 31 characters (5 bits used) and the top three bits are used
179         for various flags which I'll come to later.  This is followed by the name itself, and in this
180         implementation the name is rounded up to a multiple of 4 bytes by padding it with zero bytes.
181         That's just to ensure that the definition starts on a 32 bit boundary.
182
183         A FORTH variable called LATEST contains a pointer to the most recently defined word, in
184         other words, the head of this linked list.
185
186         DOUBLE and QUADRUPLE might look like this:
187
188           pointer to previous word
189            ^
190            |
191         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
192         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | (definition ...)
193         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
194            ^       len                         padding
195            |
196         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
197         | LINK    | 9 | Q | U | A | D | R | U | P | L | E | 0 | 0 | (definition ...)
198         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+------------- - - - -
199            ^       len                                     padding
200            |
201            |
202           LATEST
203
204         You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
205         the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
206         the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
207         and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
208         LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
209         assembly code later on.
210
211         One interesting consequence of using a linked list is that you can redefine words, and
212         a newer definition of a word overrides an older one.  This is an important concept in
213         FORTH because it means that any word (even "built-in" or "standard" words) can be
214         overridden with a new definition, either to enhance it, to make it faster or even to
215         disable it.  However because of the way that FORTH words get compiled, which you'll
216         understand below, words defined using the old definition of a word continue to use
217         the old definition.  Only words defined after the new definition use the new definition.
218
219         DIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
220
221         Now we'll get to the really crucial bit in understanding FORTH, so go and get a cup of tea
222         or coffee and settle down.  It's fair to say that if you don't understand this section, then you
223         won't "get" how FORTH works, and that would be a failure on my part for not explaining it well.
224         So if after reading this section a few times you don't understand it, please email me
225         (rich@annexia.org).
226
227         Let's talk first about what "threaded code" means.  Imagine a peculiar version of C where
228         you are only allowed to call functions without arguments.  (Don't worry for now that such a
229         language would be completely useless!)  So in our peculiar C, code would look like this:
230
231         f ()
232         {
233           a ();
234           b ();
235           c ();
236         }
237
238         and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
239         Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
240         i386 machine code.
241
242         f:
243           CALL a                        E8 08 00 00 00
244           CALL b                        E8 1C 00 00 00
245           CALL c                        E8 2C 00 00 00
246           ; ignore the return from the function for now
247
248         "E8" is the x86 machine code to "CALL" a function.  In the first 20 years of computing
249         memory was hideously expensive and we might have worried about the wasted space being used
250         by the repeated "E8" bytes.  We can save 20% in code size (and therefore, in expensive memory)
251         by compressing this into just:
252
253         08 00 00 00             Just the function addresses, without
254         1C 00 00 00             the CALL prefix.
255         2C 00 00 00
256
257         On a 16-bit machine like the ones which originally ran FORTH the savings are even greater - 33%.
258
259         [Historical note: If the execution model that FORTH uses looks strange from the following
260         paragraphs, then it was motivated entirely by the need to save memory on early computers.
261         This code compression isn't so important now when our machines have more memory in their L1
262         caches than those early computers had in total, but the execution model still has some
263         useful properties].
264
265         Of course this code won't run directly any more.  Instead we need to write an interpreter
266         which takes each pair of bytes and calls it.
267
268         On an i386 machine it turns out that we can write this interpreter rather easily, in just
269         two assembly instructions which turn into just 3 bytes of machine code.  Let's store the
270         pointer to the next word to execute in the %esi register:
271
272                 08 00 00 00     <- We're executing this one now.  %esi is the _next_ one to execute.
273         %esi -> 1C 00 00 00
274                 2C 00 00 00
275
276         The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
277         two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
278         increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
279
280                 08 00 00 00     <- We're still executing this one
281                 1C 00 00 00     <- %eax now contains this address (0x0000001C)
282         %esi -> 2C 00 00 00
283
284         Now we just need to jump to the address in %eax.  This is again just a single x86 instruction
285         written JMP *(%eax).  And after doing the jump, the situation looks like:
286
287                 08 00 00 00
288                 1C 00 00 00     <- Now we're executing this subroutine.
289         %esi -> 2C 00 00 00
290
291         To make this work, each subroutine is followed by the two instructions 'LODSL; JMP *(%eax)'
292         which literally make the jump to the next subroutine.
293
294         And that brings us to our first piece of actual code!  Well, it's a macro.
295 */
296
297 /* NEXT macro. */
298         .macro NEXT
299         lodsl
300         jmp *(%eax)
301         .endm
302
303 /*      The macro is called NEXT.  That's a FORTH-ism.  It expands to those two instructions.
304
305         Every FORTH primitive that we write has to be ended by NEXT.  Think of it kind of like
306         a return.
307
308         The above describes what is known as direct threaded code.
309
310         To sum up: We compress our function calls down to a list of addresses and use a somewhat
311         magical macro to act as a "jump to next function in the list".  We also use one register (%esi)
312         to act as a kind of instruction pointer, pointing to the next function in the list.
313
314         I'll just give you a hint of what is to come by saying that a FORTH definition such as:
315
316         : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
317
318         actually compiles (almost, not precisely but we'll see why in a moment) to a list of
319         function addresses for DOUBLE, DOUBLE and a special function called EXIT to finish off.
320
321         At this point, REALLY EAGLE-EYED ASSEMBLY EXPERTS are saying "JONES, YOU'VE MADE A MISTAKE!".
322
323         I lied about JMP *(%eax).  
324
325         INDIRECT THREADED CODE ----------------------------------------------------------------------
326
327         It turns out that direct threaded code is interesting but only if you want to just execute
328         a list of functions written in assembly language.  So QUADRUPLE would work only if DOUBLE
329         was an assembly language function.  In the direct threaded code, QUADRUPLE would look like:
330
331                 +------------------+
332                 | addr of DOUBLE  --------------------> (assembly code to do the double)
333                 +------------------+                    NEXT
334         %esi -> | addr of DOUBLE   |
335                 +------------------+
336
337         We can add an extra indirection to allow us to run both words written in assembly language
338         (primitives written for speed) and words written in FORTH themselves as lists of addresses.
339
340         The extra indirection is the reason for the brackets in JMP *(%eax).
341
342         Let's have a look at how QUADRUPLE and DOUBLE really look in FORTH:
343
344                 : QUADRUPLE DOUBLE DOUBLE ;
345
346                 +------------------+
347                 | codeword         |               : DOUBLE DUP + ;
348                 +------------------+
349                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
350                 +------------------+               | codeword         |
351                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
352                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
353                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
354                 +------------------+       %esi -> | addr of +     --------+       +------------------+   |
355                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
356                                                    | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
357                                                    +------------------+    |       |    ..            |
358                                                                            |       |    ..            |
359                                                                            |       | NEXT             |
360                                                                            |       +------------------+
361                                                                            |
362                                                                            +-----> +------------------+
363                                                                                    | codeword      -------+
364                                                                                    +------------------+   |
365                                                                                    | assembly to   <------+
366                                                                                    | implement +      |
367                                                                                    |    ..            |
368                                                                                    |    ..            |
369                                                                                    | NEXT             |
370                                                                                    +------------------+
371
372         This is the part where you may need an extra cup of tea/coffee/favourite caffeinated
373         beverage.  What has changed is that I've added an extra pointer to the beginning of
374         the definitions.  In FORTH this is sometimes called the "codeword".  The codeword is
375         a pointer to the interpreter to run the function.  For primitives written in
376         assembly language, the "interpreter" just points to the actual assembly code itself.
377         They don't need interpreting, they just run.
378
379         In words written in FORTH (like QUADRUPLE and DOUBLE), the codeword points to an interpreter
380         function.
381
382         I'll show you the interpreter function shortly, but let's recall our indirect
383         JMP *(%eax) with the "extra" brackets.  Take the case where we're executing DOUBLE
384         as shown, and DUP has been called.  Note that %esi is pointing to the address of +
385
386         The assembly code for DUP eventually does a NEXT.  That:
387
388         (1) reads the address of + into %eax            %eax points to the codeword of +
389         (2) increments %esi by 4
390         (3) jumps to the indirect %eax                  jumps to the address in the codeword of +,
391                                                         ie. the assembly code to implement +
392
393                 +------------------+
394                 | codeword         |
395                 +------------------+
396                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
397                 +------------------+               | codeword         |
398                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
399                 +------------------+               | addr of DUP   --------------> +------------------+
400                 | addr of EXIT     |               +------------------+            | codeword      -------+
401                 +------------------+               | addr of +     --------+       +------------------+   |
402                                                    +------------------+    |       | assembly to    <-----+
403                                            %esi -> | addr of EXIT     |    |       | implement DUP    |
404                                                    +------------------+    |       |    ..            |
405                                                                            |       |    ..            |
406                                                                            |       | NEXT             |
407                                                                            |       +------------------+
408                                                                            |
409                                                                            +-----> +------------------+
410                                                                                    | codeword      -------+
411                                                                                    +------------------+   |
412                                                                         now we're  | assembly to    <-----+
413                                                                         executing  | implement +      |
414                                                                         this       |    ..            |
415                                                                         function   |    ..            |
416                                                                                    | NEXT             |
417                                                                                    +------------------+
418
419         So I hope that I've convinced you that NEXT does roughly what you'd expect.  This is
420         indirect threaded code.
421
422         I've glossed over four things.  I wonder if you can guess without reading on what they are?
423
424         .
425         .
426         .
427
428         My list of four things are: (1) What does "EXIT" do?  (2) which is related to (1) is how do
429         you call into a function, ie. how does %esi start off pointing at part of QUADRUPLE, but
430         then point at part of DOUBLE.  (3) What goes in the codeword for the words which are written
431         in FORTH?  (4) How do you compile a function which does anything except call other functions
432         ie. a function which contains a number like : DOUBLE 2 * ; ?
433
434         THE INTERPRETER AND RETURN STACK ------------------------------------------------------------
435
436         Going at these in no particular order, let's talk about issues (3) and (2), the interpreter
437         and the return stack.
438
439         Words which are defined in FORTH need a codeword which points to a little bit of code to
440         give them a "helping hand" in life.  They don't need much, but they do need what is known
441         as an "interpreter", although it doesn't really "interpret" in the same way that, say,
442         Java bytecode used to be interpreted (ie. slowly).  This interpreter just sets up a few
443         machine registers so that the word can then execute at full speed using the indirect
444         threaded model above.
445
446         One of the things that needs to happen when QUADRUPLE calls DOUBLE is that we save the old
447         %esi ("instruction pointer") and create a new one pointing to the first word in DOUBLE.
448         Because we will need to restore the old %esi at the end of DOUBLE (this is, after all, like
449         a function call), we will need a stack to store these "return addresses" (old values of %esi).
450
451         As you will have read, when reading the background documentation, FORTH has two stacks,
452         an ordinary stack for parameters, and a return stack which is a bit more mysterious.  But
453         our return stack is just the stack I talked about in the previous paragraph, used to save
454         %esi when calling from a FORTH word into another FORTH word.
455
456         In this FORTH, we are using the normal stack pointer (%esp) for the parameter stack.
457         We will use the i386's "other" stack pointer (%ebp, usually called the "frame pointer")
458         for our return stack.
459
460         I've got two macros which just wrap up the details of using %ebp for the return stack.
461         You use them as for example "PUSHRSP %eax" (push %eax on the return stack) or "POPRSP %ebx"
462         (pop top of return stack into %ebx).
463 */
464
465 /* Macros to deal with the return stack. */
466         .macro PUSHRSP reg
467         lea -4(%ebp),%ebp       // push reg on to return stack
468         movl \reg,(%ebp)
469         .endm
470
471         .macro POPRSP reg
472         mov (%ebp),\reg         // pop top of return stack to reg
473         lea 4(%ebp),%ebp
474         .endm
475
476 /*
477         And with that we can now talk about the interpreter.
478
479         In FORTH the interpreter function is often called DOCOL (I think it means "DO COLON" because
480         all FORTH definitions start with a colon, as in : DOUBLE DUP + ;
481
482         The "interpreter" (it's not really "interpreting") just needs to push the old %esi on the
483         stack and set %esi to the first word in the definition.  Remember that we jumped to the
484         function using JMP *(%eax)?  Well a consequence of that is that conveniently %eax contains
485         the address of this codeword, so just by adding 4 to it we get the address of the first
486         data word.  Finally after setting up %esi, it just does NEXT which causes that first word
487         to run.
488 */
489
490 /* DOCOL - the interpreter! */
491         .text
492         .align 4
493 DOCOL:
494         PUSHRSP %esi            // push %esi on to the return stack
495         addl $4,%eax            // %eax points to codeword, so make
496         movl %eax,%esi          // %esi point to first data word
497         NEXT
498
499 /*
500         Just to make this absolutely clear, let's see how DOCOL works when jumping from QUADRUPLE
501         into DOUBLE:
502
503                 QUADRUPLE:
504                 +------------------+
505                 | codeword         |
506                 +------------------+               DOUBLE:
507                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
508                 +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
509         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
510                 +------------------+               | addr of DUP      |
511                 | addr of EXIT     |               +------------------+
512                 +------------------+               | etc.             |
513
514         First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
515         pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
516         just add 4 on to it to get our new %esi:
517
518                 QUADRUPLE:
519                 +------------------+
520                 | codeword         |
521                 +------------------+               DOUBLE:
522                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
523 top of return   +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
524 stack points -> | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
525                 +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
526                 | addr of EXIT     |               +------------------+
527                 +------------------+               | etc.             |
528
529         Then we do NEXT, and because of the magic of threaded code that increments %esi again
530         and calls DUP.
531
532         Well, it seems to work.
533
534         One minor point here.  Because DOCOL is the first bit of assembly actually to be defined
535         in this file (the others were just macros), and because I usually compile this code with the
536         text segment starting at address 0, DOCOL has address 0.  So if you are disassembling the
537         code and see a word with a codeword of 0, you will immediately know that the word is
538         written in FORTH (it's not an assembler primitive) and so uses DOCOL as the interpreter.
539
540         STARTING UP ----------------------------------------------------------------------
541
542         Now let's get down to nuts and bolts.  When we start the program we need to set up
543         a few things like the return stack.  But as soon as we can, we want to jump into FORTH
544         code (albeit much of the "early" FORTH code will still need to be written as
545         assembly language primitives).
546
547         This is what the set up code does.  Does a tiny bit of house-keeping, sets up the
548         separate return stack (NB: Linux gives us the ordinary parameter stack already), then
549         immediately jumps to a FORTH word called COLD.  COLD stands for cold-start.  In ISO
550         FORTH (but not in this FORTH), COLD can be called at any time to completely reset
551         the state of FORTH, and there is another word called WARM which does a partial reset.
552 */
553
554 /* ELF entry point. */
555         .text
556         .globl _start
557 _start:
558         cld
559         mov %esp,var_S0         // Store the initial data stack pointer.
560         mov $return_stack,%ebp  // Initialise the return stack.
561
562         mov $cold_start,%esi    // Initialise interpreter.
563         NEXT                    // Run interpreter!
564
565         .section .rodata
566 cold_start:                     // High-level code without a codeword.
567         .int COLD
568
569 /*
570         We also allocate some space for the return stack and some space to store user
571         definitions.  These are static memory allocations using fixed-size buffers, but it
572         wouldn't be a great deal of work to make them dynamic.
573 */
574
575         .bss
576 /* FORTH return stack. */
577         .set RETURN_STACK_SIZE,8192
578         .align 4096
579         .space RETURN_STACK_SIZE
580 return_stack:                   // Initial top of return stack.
581
582 /* The user definitions area: space for user-defined words and general memory allocations. */
583         .set USER_DEFS_SIZE,65536
584         .align 4096
585 user_defs_start:
586         .space USER_DEFS_SIZE
587
588 /* This is used as a temporary input buffer when reading from files or the terminal. */
589         .set BUFFER_SIZE,4096
590         .align 4096
591 buffer:
592 _initbufftop:
593         .space BUFFER_SIZE
594 buffend:
595 currkey:
596         .int buffer
597 bufftop:
598         .int _initbufftop
599
600 /*
601         BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
602
603         Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
604         and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
605
606           pointer to previous word
607            ^
608            |
609         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
610         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
611         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
612            ^       len                         pad  codeword      |
613            |                                                      V
614           LINK in next word                             points to codeword of DUP
615         
616         Initially we can't just write ": DOUBLE DUP + ;" (ie. that literal string) here because we
617         don't yet have anything to read the string, break it up at spaces, parse each word, etc. etc.
618         So instead we will have to define built-in words using the GNU assembler data constructors
619         (like .int, .byte, .string, .ascii and so on -- look them up in the gas info page if you are
620         unsure of them).
621
622         The long way would be:
623         .int <link to previous word>
624         .byte 6                 // len
625         .ascii "DOUBLE"         // string
626         .byte 0                 // padding
627 DOUBLE: .int DOCOL              // codeword
628         .int DUP                // pointer to codeword of DUP
629         .int PLUS               // pointer to codeword of +
630         .int EXIT               // pointer to codeword of EXIT
631
632         That's going to get quite tedious rather quickly, so here I define an assembler macro
633         so that I can just write:
634
635         defword "DOUBLE",6,,DOUBLE
636         .int DUP,PLUS,EXIT
637
638         and I'll get exactly the same effect.
639
640         Don't worry too much about the exact implementation details of this macro - it's complicated!
641 */
642
643 /* Flags - these are discussed later. */
644         .set F_IMMED,0x80
645         .set F_HIDDEN,0x20
646         .set F_LENMASK,0x1f     // length mask
647
648         // Store the chain of links.
649         .set link,0
650
651         .macro defword name, namelen, flags=0, label
652         .section .rodata
653         .align 4
654         .globl name_\label
655 name_\label :
656         .int link               // link
657         .set link,name_\label
658         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
659         .ascii "\name"          // the name
660         .align 4
661         .globl \label
662 \label :
663         .int DOCOL              // codeword - the interpreter
664         // list of word pointers follow
665         .endm
666
667 /*
668         Similarly I want a way to write words written in assembly language.  There will quite a few
669         of these to start with because, well, everything has to start in assembly before there's
670         enough "infrastructure" to be able to start writing FORTH words, but also I want to define
671         some common FORTH words in assembly language for speed, even though I could write them in FORTH.
672
673         This is what DUP looks like in memory:
674
675           pointer to previous word
676            ^
677            |
678         +--|------+---+---+---+---+------------+
679         | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
680         +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
681            ^       len              codeword                        which ends with NEXT.
682            |
683           LINK in next word
684
685         Again, for brevity in writing the header I'm going to write an assembler macro called defcode.
686 */
687
688         .macro defcode name, namelen, flags=0, label
689         .section .rodata
690         .align 4
691         .globl name_\label
692 name_\label :
693         .int link               // link
694         .set link,name_\label
695         .byte \flags+\namelen   // flags + length byte
696         .ascii "\name"          // the name
697         .align 4
698         .globl \label
699 \label :
700         .int code_\label        // codeword
701         .text
702         .align 4
703         .globl code_\label
704 code_\label :                   // assembler code follows
705         .endm
706
707 /*
708         Now some easy FORTH primitives.  These are written in assembly for speed.  If you understand
709         i386 assembly language then it is worth reading these.  However if you don't understand assembly
710         you can skip the details.
711 */
712
713         defcode "DUP",3,,DUP
714         pop %eax                // duplicate top of stack
715         push %eax
716         push %eax
717         NEXT
718
719         defcode "DROP",4,,DROP
720         pop %eax                // drop top of stack
721         NEXT
722
723         defcode "SWAP",4,,SWAP
724         pop %eax                // swap top of stack
725         pop %ebx
726         push %eax
727         push %ebx
728         NEXT
729
730         defcode "OVER",4,,OVER
731         mov 4(%esp),%eax        // get the second element of stack
732         push %eax               // and push it on top
733         NEXT
734
735         defcode "ROT",3,,ROT
736         pop %eax
737         pop %ebx
738         pop %ecx
739         push %eax
740         push %ecx
741         push %ebx
742         NEXT
743
744         defcode "-ROT",4,,NROT
745         pop %eax
746         pop %ebx
747         pop %ecx
748         push %ebx
749         push %eax
750         push %ecx
751         NEXT
752
753         defcode "1+",2,,INCR
754         incl (%esp)             // increment top of stack
755         NEXT
756
757         defcode "1-",2,,DECR
758         decl (%esp)             // decrement top of stack
759         NEXT
760
761         defcode "4+",2,,INCR4
762         addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
763         NEXT
764
765         defcode "4-",2,,DECR4
766         subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
767         NEXT
768
769         defcode "+",1,,ADD
770         pop %eax                // get top of stack
771         addl %eax,(%esp)        // and add it to next word on stack
772         NEXT
773
774         defcode "-",1,,SUB
775         pop %eax                // get top of stack
776         subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
777         NEXT
778
779         defcode "*",1,,MUL
780         pop %eax
781         pop %ebx
782         imull %ebx,%eax
783         push %eax               // ignore overflow
784         NEXT
785
786 /*
787         In this FORTH, only /MOD is primitive.  We define the / and MOD words in
788         terms of /MOD.
789 */
790
791         defcode "/MOD",4,,DIVMOD
792         xor %edx,%edx
793         pop %ebx
794         pop %eax
795         idivl %ebx
796         push %edx               // push remainder
797         push %eax               // push quotient
798         NEXT
799
800         defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
801         pop %eax
802         pop %ebx
803         cmp %ebx,%eax
804         je 1f
805         pushl $0
806         NEXT
807 1:      pushl $1
808         NEXT
809
810         defcode "<>",2,,NEQU    // top two words are not equal?
811         pop %eax
812         pop %ebx
813         cmp %ebx,%eax
814         je 1f
815         pushl $1
816         NEXT
817 1:      pushl $0
818         NEXT
819
820         defcode "<",1,,LT
821         pop %eax
822         pop %ebx
823         cmp %eax,%ebx
824         jl 1f
825         pushl $0
826         NEXT
827 1:      pushl $1
828         NEXT
829
830         defcode ">",1,,GT
831         pop %eax
832         pop %ebx
833         cmp %eax,%ebx
834         jg 1f
835         pushl $0
836         NEXT
837 1:      pushl $1
838         NEXT
839
840         defcode "<=",2,,LE
841         pop %eax
842         pop %ebx
843         cmp %eax,%ebx
844         jle 1f
845         pushl $0
846         NEXT
847 1:      pushl $1
848         NEXT
849
850         defcode ">=",2,,GE
851         pop %eax
852         pop %ebx
853         cmp %eax,%ebx
854         jge 1f
855         pushl $0
856         NEXT
857 1:      pushl $1
858         NEXT
859
860         defcode "0=",2,,ZEQU    // top of stack equals 0?
861         pop %eax
862         test %eax,%eax
863         jz 1f
864         pushl $0
865         NEXT
866 1:      pushl $1
867         NEXT
868
869         defcode "0<>",3,,ZNEQU  // top of stack not 0?
870         pop %eax
871         test %eax,%eax
872         jnz 1f
873         pushl $0
874         NEXT
875 1:      pushl $1
876         NEXT
877
878         defcode "0<",2,,ZLT
879         pop %eax
880         test %eax,%eax
881         jl 1f
882         pushl $0
883         NEXT
884 1:      pushl $1
885         NEXT
886
887         defcode "0>",2,,ZGT
888         pop %eax
889         test %eax,%eax
890         jg 1f
891         pushl $0
892         NEXT
893 1:      pushl $1
894         NEXT
895
896         defcode "0<=",3,,ZLE
897         pop %eax
898         test %eax,%eax
899         jle 1f
900         pushl $0
901         NEXT
902 1:      pushl $1
903         NEXT
904
905         defcode "0>=",3,,ZGE
906         pop %eax
907         test %eax,%eax
908         jge 1f
909         pushl $0
910         NEXT
911 1:      pushl $1
912         NEXT
913
914         defcode "AND",3,,AND
915         pop %eax
916         andl %eax,(%esp)
917         NEXT
918
919         defcode "OR",2,,OR
920         pop %eax
921         orl %eax,(%esp)
922         NEXT
923
924         defcode "XOR",3,,XOR
925         pop %eax
926         xorl %eax,(%esp)
927         NEXT
928
929         defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH bitwise "NOT" function
930         notl (%esp)
931         NEXT
932
933 /*
934         RETURNING FROM FORTH WORDS ----------------------------------------------------------------------
935
936         Time to talk about what happens when we EXIT a function.  In this diagram QUADRUPLE has called
937         DOUBLE, and DOUBLE is about to exit (look at where %esi is pointing):
938
939                 QUADRUPLE
940                 +------------------+
941                 | codeword         |
942                 +------------------+               DOUBLE
943                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
944                 +------------------+               | codeword         |
945                 | addr of DOUBLE   |               +------------------+
946                 +------------------+               | addr of DUP      |
947                 | addr of EXIT     |               +------------------+
948                 +------------------+               | addr of +        |
949                                                    +------------------+
950                                            %esi -> | addr of EXIT     |
951                                                    +------------------+
952
953         What happens when the + function does NEXT?  Well, the following code is executed.
954 */
955
956         defcode "EXIT",4,,EXIT
957         POPRSP %esi             // pop return stack into %esi
958         NEXT
959
960 /*
961         EXIT gets the old %esi which we saved from before on the return stack, and puts it in %esi.
962         So after this (but just before NEXT) we get:
963
964                 QUADRUPLE
965                 +------------------+
966                 | codeword         |
967                 +------------------+               DOUBLE
968                 | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
969                 +------------------+               | codeword         |
970         %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
971                 +------------------+               | addr of DUP      |
972                 | addr of EXIT     |               +------------------+
973                 +------------------+               | addr of +        |
974                                                    +------------------+
975                                                    | addr of EXIT     |
976                                                    +------------------+
977
978         And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
979
980         LITERALS ----------------------------------------------------------------------
981
982         The final point I "glossed over" before was how to deal with functions that do anything
983         apart from calling other functions.  For example, suppose that DOUBLE was defined like this:
984
985         : DOUBLE 2 * ;
986
987         It does the same thing, but how do we compile it since it contains the literal 2?  One way
988         would be to have a function called "2" (which you'd have to write in assembler), but you'd need
989         a function for every single literal that you wanted to use.
990
991         FORTH solves this by compiling the function using a special word called LIT:
992
993         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
994         | (usual header of DOUBLE)  | DOCOL | LIT   | 2     | *     | EXIT  |
995         +---------------------------+-------+-------+-------+-------+-------+
996
997         LIT is executed in the normal way, but what it does next is definitely not normal.  It
998         looks at %esi (which now points to the literal 2), grabs it, pushes it on the stack, then
999         manipulates %esi in order to skip the literal as if it had never been there.
1000
1001         What's neat is that the whole grab/manipulate can be done using a single byte single
1002         i386 instruction, our old friend LODSL.  Rather than me drawing more ASCII-art diagrams,
1003         see if you can find out how LIT works:
1004 */
1005
1006         defcode "LIT",3,,LIT
1007         // %esi points to the next command, but in this case it points to the next
1008         // literal 32 bit integer.  Get that literal into %eax and increment %esi.
1009         // On x86, it's a convenient single byte instruction!  (cf. NEXT macro)
1010         lodsl
1011         push %eax               // push the literal number on to stack
1012         NEXT
1013
1014 /*
1015         MEMORY ----------------------------------------------------------------------
1016
1017         As important point about FORTH is that it gives you direct access to the lowest levels
1018         of the machine.  Manipulating memory directly is done frequently in FORTH, and these are
1019         the primitive words for doing it.
1020 */
1021
1022         defcode "!",1,,STORE
1023         pop %ebx                // address to store at
1024         pop %eax                // data to store there
1025         mov %eax,(%ebx)         // store it
1026         NEXT
1027
1028         defcode "@",1,,FETCH
1029         pop %ebx                // address to fetch
1030         mov (%ebx),%eax         // fetch it
1031         push %eax               // push value onto stack
1032         NEXT
1033
1034         defcode "+!",2,,ADDSTORE
1035         pop %ebx                // address
1036         pop %eax                // the amount to add
1037         addl %eax,(%ebx)        // add it
1038         NEXT
1039
1040         defcode "-!",2,,SUBSTORE
1041         pop %ebx                // address
1042         pop %eax                // the amount to subtract
1043         subl %eax,(%ebx)        // add it
1044         NEXT
1045
1046 /* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
1047  * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
1048  * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, (CCOMMA) in FORTH.
1049  */
1050         defcode "C!",2,,STOREBYTE
1051         pop %ebx                // address to store at
1052         pop %eax                // data to store there
1053         movb %al,(%ebx)         // store it
1054         NEXT
1055
1056         defcode "C@",2,,FETCHBYTE
1057         pop %ebx                // address to fetch
1058         xor %eax,%eax
1059         movb (%ebx),%al         // fetch it
1060         push %eax               // push value onto stack
1061         NEXT
1062
1063 /*
1064         BUILT-IN VARIABLES ----------------------------------------------------------------------
1065
1066         These are some built-in variables and related standard FORTH words.  Of these, the only one that we
1067         have discussed so far was LATEST, which points to the last (most recently defined) word in the
1068         FORTH dictionary.  LATEST is also a FORTH word which pushes the address of LATEST (the variable)
1069         on to the stack, so you can read or write it using @ and ! operators.  For example, to print
1070         the current value of LATEST (and this can apply to any FORTH variable) you would do:
1071
1072         LATEST @ . CR
1073
1074         To make defining variables shorter, I'm using a macro called defvar, similar to defword and
1075         defcode above.  (In fact the defvar macro uses defcode to do the dictionary header).
1076 */
1077
1078         .macro defvar name, namelen, flags=0, label, initial=0
1079         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1080         push $var_\name
1081         NEXT
1082         .data
1083         .align 4
1084 var_\name :
1085         .int \initial
1086         .endm
1087
1088 /*
1089         The built-in variables are:
1090
1091         STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
1092         LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
1093         HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
1094         _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
1095         _Y
1096         _Z
1097         S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
1098         BASE            The current base for printing and reading numbers.
1099
1100 */
1101         defvar "STATE",5,,STATE
1102         defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
1103         defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
1104         defvar "_X",2,,TX
1105         defvar "_Y",2,,TY
1106         defvar "_Z",2,,TZ
1107         defvar "S0",2,,SZ
1108         defvar "BASE",4,,BASE,10
1109
1110 /*
1111         BUILT-IN CONSTANTS ----------------------------------------------------------------------
1112
1113         It's also useful to expose a few constants to FORTH.  When the word is executed it pushes a
1114         constant value on the stack.
1115
1116         The built-in constants are:
1117
1118         VERSION         Is the current version of this FORTH.
1119         R0              The address of the top of the return stack.
1120         DOCOL           Pointer to DOCOL.
1121         F_IMMED         The IMMEDIATE flag's actual value.
1122         F_HIDDEN        The HIDDEN flag's actual value.
1123         F_LENMASK       The length mask.
1124 */
1125
1126         .macro defconst name, namelen, flags=0, label, value
1127         defcode \name,\namelen,\flags,\label
1128         push $\value
1129         NEXT
1130         .endm
1131
1132         defconst "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
1133         defconst "R0",2,,RZ,return_stack
1134         defconst "DOCOL",5,,__DOCOL,DOCOL
1135         defconst "F_IMMED",7,,__F_IMMED,F_IMMED
1136         defconst "F_HIDDEN",8,,__F_HIDDEN,F_HIDDEN
1137         defconst "F_LENMASK",9,,__F_LENMASK,F_LENMASK
1138
1139 /*
1140         RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
1141
1142         These words allow you to access the return stack.  Recall that the register %ebp always points to
1143         the top of the return stack.
1144 */
1145
1146         defcode ">R",2,,TOR
1147         pop %eax                // pop parameter stack into %eax
1148         PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
1149         NEXT
1150
1151         defcode "R>",2,,FROMR
1152         POPRSP %eax             // pop return stack on to %eax
1153         push %eax               // and push on to parameter stack
1154         NEXT
1155
1156         defcode "RSP@",4,,RSPFETCH
1157         push %ebp
1158         NEXT
1159
1160         defcode "RSP!",4,,RSPSTORE
1161         pop %ebp
1162         NEXT
1163
1164         defcode "RDROP",5,,RDROP
1165         lea 4(%ebp),%ebp        // pop return stack and throw away
1166         NEXT
1167
1168 /*
1169         PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
1170
1171         These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
1172         stack for us, and it is accessed through %esp.
1173 */
1174
1175         defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
1176         mov %esp,%eax
1177         push %eax
1178         NEXT
1179
1180         defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
1181         pop %esp
1182         NEXT
1183
1184 /*
1185         INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
1186
1187         These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
1188         assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
1189         of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
1190         the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
1191         as an opaque block of code that does what it says.
1192
1193         Let's discuss input first.
1194
1195         The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
1196         So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
1197         is pushed on the stack.
1198
1199         In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
1200         and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
1201         to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
1202
1203         The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of the
1204         program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
1205         in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
1206         it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
1207         exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
1208 */
1209
1210 #include <asm-i386/unistd.h>
1211
1212         defcode "KEY",3,,KEY
1213         call _KEY
1214         push %eax               // push return value on stack
1215         NEXT
1216 _KEY:
1217         mov (currkey),%ebx
1218         cmp (bufftop),%ebx
1219         jge 1f
1220         xor %eax,%eax
1221         mov (%ebx),%al
1222         inc %ebx
1223         mov %ebx,(currkey)
1224         ret
1225
1226 1:      // out of input; use read(2) to fetch more input from stdin
1227         xor %ebx,%ebx           // 1st param: stdin
1228         mov $buffer,%ecx        // 2nd param: buffer
1229         mov %ecx,currkey
1230         mov $buffend-buffer,%edx // 3rd param: max length
1231         mov $__NR_read,%eax     // syscall: read
1232         int $0x80
1233         test %eax,%eax          // If %eax <= 0, then exit.
1234         jbe 2f
1235         addl %eax,%ecx          // buffer+%eax = bufftop
1236         mov %ecx,bufftop
1237         jmp _KEY
1238
1239 2:      // error or out of input: exit
1240         xor %ebx,%ebx
1241         mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
1242         int $0x80
1243
1244 /*
1245         By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
1246         This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
1247         it would be a good exercise to add it.
1248 */
1249
1250         defcode "EMIT",4,,EMIT
1251         pop %eax
1252         call _EMIT
1253         NEXT
1254 _EMIT:
1255         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1256
1257         // write needs the address of the byte to write
1258         mov %al,(2f)
1259         mov $2f,%ecx            // 2nd param: address
1260
1261         mov $1,%edx             // 3rd param: nbytes = 1
1262
1263         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1264         int $0x80
1265         ret
1266
1267         .bss
1268 2:      .space 1                // scratch used by EMIT
1269
1270 /*
1271         Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
1272
1273         What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
1274         Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
1275         calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
1276         two words on the stack (with address at the top).
1277
1278         Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
1279         a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
1280         there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
1281         FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
1282         we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
1283         in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
1284         you'd want to is a bit beyond me.
1285
1286         WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
1287         peculiarities and limitations.
1288
1289         Note that when executing, you'll see:
1290         WORD FOO
1291         which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
1292         : BAR WORD FOO ;
1293         is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
1294         and immediate mode, and you'll understand why.
1295 */
1296
1297         defcode "WORD",4,,WORD
1298         call _WORD
1299         push %ecx               // push length
1300         push %edi               // push base address
1301         NEXT
1302
1303 _WORD:
1304         /* Search for first non-blank character.  Also skip \ comments. */
1305 1:
1306         call _KEY               // get next key, returned in %eax
1307         cmpb $'\\',%al          // start of a comment?
1308         je 3f                   // if so, skip the comment
1309         cmpb $' ',%al
1310         jbe 1b                  // if so, keep looking
1311
1312         /* Search for the end of the word, storing chars as we go. */
1313         mov $5f,%edi            // pointer to return buffer
1314 2:
1315         stosb                   // add character to return buffer
1316         call _KEY               // get next key, returned in %al
1317         cmpb $' ',%al           // is blank?
1318         ja 2b                   // if not, keep looping
1319
1320         /* Return the word (well, the static buffer) and length. */
1321         sub $5f,%edi
1322         mov %edi,%ecx           // return length of the word
1323         mov $5f,%edi            // return address of the word
1324         ret
1325
1326         /* Code to skip \ comments to end of the current line. */
1327 3:
1328         call _KEY
1329         cmpb $'\n',%al          // end of line yet?
1330         jne 3b
1331         jmp 1b
1332
1333         .bss
1334         // A static buffer where WORD returns.  Subsequent calls
1335         // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
1336 5:      .space 32
1337
1338 /*
1339         As well as reading in words we'll need to read in numbers and for that we are using a function
1340         called SNUMBER.  This parses a numeric string such as one returned by WORD and pushes the
1341         number on the parameter stack.
1342
1343         This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
1344         must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
1345
1346         This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
1347         in user code at all.
1348 */
1349         defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
1350         pop %edi
1351         pop %ecx
1352         call _SNUMBER
1353         push %eax
1354         NEXT
1355 _SNUMBER:
1356         xor %eax,%eax
1357         xor %ebx,%ebx
1358 1:
1359         imull $10,%eax          // %eax *= 10
1360         movb (%edi),%bl
1361         inc %edi
1362         subb $'0',%bl           // ASCII -> digit
1363         add %ebx,%eax
1364         dec %ecx
1365         jnz 1b
1366         ret
1367
1368 /*
1369         DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
1370
1371         We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
1372
1373         The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
1374         dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
1375         or 0 if it didn't.
1376
1377         So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
1378
1379     pointer to this
1380         |
1381         |
1382         V
1383         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1384         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1385         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1386
1387         See also >CFA and >DFA.
1388
1389         FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
1390 */
1391
1392         defcode "FIND",4,,FIND
1393         pop %edi                // %edi = address
1394         pop %ecx                // %ecx = length
1395         call _FIND
1396         push %eax
1397         NEXT
1398
1399 _FIND:
1400         push %esi               // Save %esi so we can use it in string comparison.
1401
1402         // Now we start searching backwards through the dictionary for this word.
1403         mov var_LATEST,%edx     // LATEST points to name header of the latest word in the dictionary
1404 1:
1405         test %edx,%edx          // NULL pointer?  (end of the linked list)
1406         je 4f
1407
1408         // Compare the length expected and the length of the word.
1409         // Note that if the F_HIDDEN flag is set on the word, then by a bit of trickery
1410         // this won't pick the word (the length will appear to be wrong).
1411         xor %eax,%eax
1412         movb 4(%edx),%al        // %al = flags+length field
1413         andb $(F_HIDDEN|F_LENMASK),%al // %al = name length
1414         cmpb %cl,%al            // Length is the same?
1415         jne 2f
1416
1417         // Compare the strings in detail.
1418         push %ecx               // Save the length
1419         push %edi               // Save the address (repe cmpsb will move this pointer)
1420         lea 5(%edx),%esi        // Dictionary string we are checking against.
1421         repe cmpsb              // Compare the strings.
1422         pop %edi
1423         pop %ecx
1424         jne 2f                  // Not the same.
1425
1426         // The strings are the same - return the header pointer in %eax
1427         pop %esi
1428         mov %edx,%eax
1429         ret
1430
1431 2:
1432         mov (%edx),%edx         // Move back through the link field to the previous word
1433         jmp 1b                  // .. and loop.
1434
1435 4:      // Not found.
1436         pop %esi
1437         xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
1438         ret
1439
1440 /*
1441         FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
1442         that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
1443         word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
1444
1445         The example below shows the result of:
1446
1447                 WORD DOUBLE FIND >CFA
1448
1449         FIND returns a pointer to this
1450         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1451         |                                          |
1452         V                                          V
1453         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1454         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1455         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1456
1457         Notes:
1458
1459         Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
1460
1461         In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
1462         that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
1463         (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
1464         able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
1465
1466         What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
1467 */
1468
1469         defcode ">CFA",4,,TCFA
1470         pop %edi
1471         call _TCFA
1472         push %edi
1473         NEXT
1474 _TCFA:
1475         xor %eax,%eax
1476         add $4,%edi             // Skip link pointer.
1477         movb (%edi),%al         // Load flags+len into %al.
1478         inc %edi                // Skip flags+len byte.
1479         andb $F_LENMASK,%al     // Just the length, not the flags.
1480         add %eax,%edi           // Skip the name.
1481         addl $3,%edi            // The codeword is 4-byte aligned.
1482         andl $~3,%edi
1483         ret
1484
1485 /*
1486         Related to >CFA is >DFA which takes a dictionary entry address as returned by FIND and
1487         returns a pointer to the first data field.
1488
1489         FIND returns a pointer to this
1490         |                               >CFA converts it to a pointer to this
1491         |                                          |
1492         |                                          |    >DFA converts it to a pointer to this
1493         |                                          |             |
1494         V                                          V             V
1495         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1496         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1497         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1498
1499         (Note to those following the source of FIG-FORTH / ciforth: My >DFA definition is
1500         different from theirs, because they have an extra indirection).
1501
1502         You can see that >DFA is easily defined in FORTH just by adding 4 to the result of >CFA.
1503 */
1504
1505         defword ">DFA",4,,TDFA
1506         .int TCFA               // >CFA         (get code field address)
1507         .int INCR4              // 4+           (add 4 to it to get to next word)
1508         .int EXIT               // EXIT         (return from FORTH word)
1509
1510 /*
1511         COMPILING ----------------------------------------------------------------------
1512
1513         Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
1514
1515                 : DOUBLE DUP + ;
1516
1517         and we have to turn this into:
1518
1519           pointer to previous word
1520            ^
1521            |
1522         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1523         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1524         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
1525            ^       len                         pad  codeword      |
1526            |                                                      V
1527           LATEST points here                            points to codeword of DUP
1528
1529         There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
1530         do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
1531
1532         FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
1533         allows you to change how the compiler works on your own code.
1534
1535         FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
1536         loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
1537         pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
1538
1539         What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
1540
1541         When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
1542         immediate mode.
1543
1544         The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
1545         interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
1546         free byte of user memory).
1547
1548         So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
1549
1550         (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
1551
1552         (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
1553
1554     pointer to previous word (from LATEST)                      +-- Afterwards, HERE points here, where
1555            ^                                                    |   the interpreter will start appending
1556            |                                                    V   codewords.
1557         +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1558         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1559         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1560                    len                         pad  codeword
1561
1562         (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
1563
1564         (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
1565             the interpreter will append codewords.
1566
1567         (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
1568             our partially-formed header.
1569
1570         After : has run, our input is here:
1571
1572         : DOUBLE DUP + ;
1573                  ^
1574                  |
1575                 Next byte returned by KEY will be the 'D' character of DUP
1576
1577         so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads "DUP",
1578         looks it up in the dictionary, gets its codeword pointer, and appends it:
1579
1580                                                                              +-- HERE updated to point here.
1581                                                                              |
1582                                                                              V
1583         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1584         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
1585         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
1586                    len                         pad  codeword
1587
1588         Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
1589
1590                                                                                           +-- HERE updated to point here.
1591                                                                                           |
1592                                                                                           V
1593         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1594         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
1595         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
1596                    len                         pad  codeword
1597
1598         The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
1599         read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
1600
1601         At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
1602         isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
1603         IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
1604         IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
1605
1606         This is how the word ; (SEMICOLON) works -- as a word flagged in the dictionary as IMMEDIATE.
1607         And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
1608         back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
1609         of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
1610
1611         After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
1612
1613         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1614         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
1615         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
1616                    len                         pad  codeword                                           ^
1617                                                                                                        |
1618                                                                                                       HERE
1619
1620         STATE is set to 0.
1621
1622         And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
1623         just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
1624
1625         The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
1626         half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
1627         this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
1628         do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
1629         being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
1630         chance of it being called.
1631
1632         The above explains how compiling, : (COLON) and ; (SEMICOLON) works and in a moment I'm
1633         going to define them.  The : (COLON) function can be made a little bit more general by writing
1634         it in two parts.  The first part, called CREATE, makes just the header:
1635
1636                                                    +-- Afterwards, HERE points here.
1637                                                    |
1638                                                    V
1639         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1640         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |
1641         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+
1642                    len                         pad
1643
1644         and the second part, the actual definition of : (COLON), calls CREATE and appends the
1645         DOCOL codeword, so leaving:
1646
1647                                                                 +-- Afterwards, HERE points here.
1648                                                                 |
1649                                                                 V
1650         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1651         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
1652         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
1653                    len                         pad  codeword
1654
1655         CREATE is a standard FORTH word and the advantage of this split is that we can reuse it to
1656         create other types of words (not just ones which contain code, but words which contain variables,
1657         constants and other data).
1658 */
1659
1660         defcode "CREATE",6,,CREATE
1661
1662         // Get the word.
1663         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1664         mov %edi,%ebx           // %ebx = address of the word
1665
1666         // Link pointer.
1667         movl var_HERE,%edi      // %edi is the address of the header
1668         movl var_LATEST,%eax    // Get link pointer
1669         stosl                   // and store it in the header.
1670
1671         // Length byte and the word itself.
1672         mov %cl,%al             // Get the length.
1673         stosb                   // Store the length/flags byte.
1674         push %esi
1675         mov %ebx,%esi           // %esi = word
1676         rep movsb               // Copy the word
1677         pop %esi
1678         addl $3,%edi            // Align to next 4 byte boundary.
1679         andl $~3,%edi
1680
1681         // Update LATEST and HERE.
1682         movl var_HERE,%eax
1683         movl %eax,var_LATEST
1684         movl %edi,var_HERE
1685         NEXT
1686
1687 /*
1688         Because I want to define : (COLON) in FORTH, not assembler, we need a few more FORTH words
1689         to use.
1690
1691         The first is , (COMMA) which is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer to the user
1692         data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.  So the action of , (COMMA) is:
1693
1694                                                         previous value of HERE
1695                                                                  |
1696                                                                  V
1697         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1698         | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 |             |  <data>    |
1699         +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+-- - - - - --+------------+
1700                    len                         pad                            ^
1701                                                                               |
1702                                                                         new value of HERE
1703
1704         and <data> is whatever 32 bit integer was at the top of the stack.
1705
1706         , (COMMA) is quite a fundamental operation when compiling.  It is used to append codewords
1707         to the current word that is being compiled.
1708 */
1709
1710         defcode ",",1,,COMMA
1711         pop %eax                // Code pointer to store.
1712         call _COMMA
1713         NEXT
1714 _COMMA:
1715         movl var_HERE,%edi      // HERE
1716         stosl                   // Store it.
1717         movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
1718         ret
1719
1720 /*
1721         Our definitions of : (COLON) and ; (SEMICOLON) will need to switch to and from compile mode.
1722
1723         Immediate mode vs. compile mode is stored in the global variable STATE, and by updating this
1724         variable we can switch between the two modes.
1725
1726         For various reasons which may become apparent later, FORTH defines two standard words called
1727         [ and ] (LBRAC and RBRAC) which switch between modes:
1728
1729         Word    Assembler       Action          Effect
1730         [       LBRAC           STATE := 0      Switch to immediate mode.
1731         ]       RBRAC           STATE := 1      Switch to compile mode.
1732
1733         [ (LBRAC) is an IMMEDIATE word.  The reason is as follows: If we are in compile mode and the
1734         interpreter saw [ then it would compile it rather than running it.  We would never be able to
1735         switch back to immediate mode!  So we flag the word as IMMEDIATE so that even in compile mode
1736         the word runs immediately, switching us back to immediate mode.
1737 */
1738
1739         defcode "[",1,F_IMMED,LBRAC
1740         xor %eax,%eax
1741         movl %eax,var_STATE     // Set STATE to 0.
1742         NEXT
1743
1744         defcode "]",1,,RBRAC
1745         movl $1,var_STATE       // Set STATE to 1.
1746         NEXT
1747
1748 /*
1749         Now we can define : (COLON) using CREATE.  It just calls CREATE, appends DOCOL (the codeword), sets
1750         the word HIDDEN and goes into compile mode.
1751 */
1752
1753         defword ":",1,,COLON
1754         .int CREATE             // CREATE the dictionary entry / header
1755         .int LIT, DOCOL, COMMA  // Append DOCOL  (the codeword).
1756         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Make the word hidden (see below for definition).
1757         .int RBRAC              // Go into compile mode.
1758         .int EXIT               // Return from the function.
1759
1760 /*
1761         ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
1762 */
1763
1764         defword ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
1765         .int LIT, EXIT, COMMA   // Append EXIT (so the word will return).
1766         .int LATEST, FETCH, HIDDEN // Toggle hidden flag -- unhide the word (see below for definition).
1767         .int LBRAC              // Go back to IMMEDIATE mode.
1768         .int EXIT               // Return from the function.
1769
1770 /*
1771         EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
1772
1773         Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
1774         your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
1775         it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
1776
1777         Standard FORTH words like IF, WHILE, ." and so on are all written as extensions to the basic
1778         compiler, and are all IMMEDIATE words.
1779
1780         The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
1781         or on the current word if you call it in the middle of a definition.
1782
1783         Typical usage is:
1784
1785         : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
1786                 ...definition...
1787         ;
1788
1789         but some FORTH programmers write this instead:
1790
1791         : MYIMMEDWORD
1792                 ...definition...
1793         ; IMMEDIATE
1794
1795         The two usages are equivalent, to a first approximation.
1796 */
1797
1798         defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
1799         movl var_LATEST,%edi    // LATEST word.
1800         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1801         xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
1802         NEXT
1803
1804 /*
1805         'addr HIDDEN' toggles the hidden flag (F_HIDDEN) of the word defined at addr.  To hide the
1806         most recently defined word (used above in : and ; definitions) you would do:
1807
1808                 LATEST @ HIDDEN
1809
1810         Setting this flag stops the word from being found by FIND, and so can be used to make 'private'
1811         words.  For example, to break up a large word into smaller parts you might do:
1812
1813                 : SUB1 ... subword ... ;
1814                 : SUB2 ... subword ... ;
1815                 : SUB3 ... subword ... ;
1816                 : MAIN ... defined in terms of SUB1, SUB2, SUB3 ... ;
1817                 WORD SUB1 FIND HIDDEN           \ Hide SUB1
1818                 WORD SUB2 FIND HIDDEN           \ Hide SUB2
1819                 WORD SUB3 FIND HIDDEN           \ Hide SUB3
1820
1821         After this, only MAIN is 'exported' or seen by the rest of the program.
1822 */
1823
1824         defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
1825         pop %edi                // Dictionary entry.
1826         addl $4,%edi            // Point to name/flags byte.
1827         xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
1828         NEXT
1829
1830 /*
1831         ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
1832
1833         The common usage is:
1834
1835         ' FOO ,
1836
1837         which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
1838
1839         You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
1840         a literal 2 might be:
1841
1842         : LIT2 IMMEDIATE
1843                 ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
1844                 2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
1845         ;
1846
1847         So you could do:
1848
1849         : DOUBLE LIT2 * ;
1850
1851         (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
1852         and immediate mode).
1853
1854         This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
1855         compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
1856         immediate mode too.
1857 */
1858         defcode "'",1,,TICK
1859         lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
1860         pushl %eax              // Push it on the stack.
1861         NEXT
1862
1863 /*
1864         BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
1865
1866         It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
1867         are two primitives.
1868
1869         BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
1870         top of stack is zero).
1871
1872         The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
1873         %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
1874
1875         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
1876         | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
1877         +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
1878                                                                    ^  |                       ^
1879                                                                    |  |                       |
1880                                                                    |  +-----------------------+
1881                                                                   %esi added to offset
1882
1883         The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
1884         continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
1885
1886         0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
1887
1888         Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
1889         in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
1890         into the word currently being compiled.
1891
1892         As an example, code written like this:
1893
1894                 condition-code IF true-part THEN rest-code
1895
1896         compiles to:
1897
1898                 condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
1899                                           |             ^
1900                                           |             |
1901                                           +-------------+
1902 */
1903
1904         defcode "BRANCH",6,,BRANCH
1905         add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
1906         NEXT
1907
1908         defcode "0BRANCH",7,,ZBRANCH
1909         pop %eax
1910         test %eax,%eax          // top of stack is zero?
1911         jz code_BRANCH          // if so, jump back to the branch function above
1912         lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
1913         NEXT
1914
1915 /*
1916         PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
1917
1918         LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." and S" operators
1919         (which are written in FORTH).  See the definition of those operators below.
1920 */
1921
1922         defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
1923         lodsl                   // get the length of the string
1924         push %eax               // push it on the stack
1925         push %esi               // push the address of the start of the string
1926         addl %eax,%esi          // skip past the string
1927         addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
1928         andl $~3,%esi
1929         NEXT
1930
1931         defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
1932         mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
1933         pop %ecx                // 2nd param: address of string
1934         pop %edx                // 3rd param: length of string
1935         mov $__NR_write,%eax    // write syscall
1936         int $0x80
1937         NEXT
1938
1939 /*
1940         COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
1941
1942         COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
1943
1944         INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
1945         description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
1946 */
1947
1948         // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
1949         defword "COLD",4,,COLD
1950         .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
1951         .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
1952
1953 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
1954  * it later with a more powerful one!
1955  */
1956         defword "INTERPRETER",11,,INTERPRETER
1957         .int INTERPRET,RDROP,INTERPRETER
1958
1959         defcode "INTERPRET",9,,INTERPRET
1960         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
1961
1962         // Is it in the dictionary?
1963         xor %eax,%eax
1964         movl %eax,interpret_is_lit // Not a literal number (not yet anyway ...)
1965         call _FIND              // Returns %eax = pointer to header or 0 if not found.
1966         test %eax,%eax          // Found?
1967         jz 1f
1968
1969         // In the dictionary.  Is it an IMMEDIATE codeword?
1970         mov %eax,%edi           // %edi = dictionary entry
1971         movb 4(%edi),%al        // Get name+flags.
1972         push %ax                // Just save it for now.
1973         call _TCFA              // Convert dictionary entry (in %edi) to codeword pointer.
1974         pop %ax
1975         andb $F_IMMED,%al       // Is IMMED flag set?
1976         mov %edi,%eax
1977         jnz 4f                  // If IMMED, jump straight to executing.
1978
1979         jmp 2f
1980
1981 1:      // Not in the dictionary (not a word) so assume it's a literal number.
1982         incl interpret_is_lit
1983         call _SNUMBER           // Returns the parsed number in %eax
1984         mov %eax,%ebx
1985         mov $LIT,%eax           // The word is LIT
1986
1987 2:      // Are we compiling or executing?
1988         movl var_STATE,%edx
1989         test %edx,%edx
1990         jz 4f                   // Jump if executing.
1991
1992         // Compiling - just append the word to the current dictionary definition.
1993         call _COMMA
1994         mov interpret_is_lit,%ecx // Was it a literal?
1995         test %ecx,%ecx
1996         jz 3f
1997         mov %ebx,%eax           // Yes, so LIT is followed by a number.
1998         call _COMMA
1999 3:      NEXT
2000
2001 4:      // Executing - run it!
2002         mov interpret_is_lit,%ecx // Literal?
2003         test %ecx,%ecx          // Literal?
2004         jnz 5f
2005
2006         // Not a literal, execute it now.  This never returns, but the codeword will
2007         // eventually call NEXT which will reenter the loop in INTERPRETER.
2008         jmp *(%eax)
2009
2010 5:      // Executing a literal, which means push it on the stack.
2011         push %ebx
2012         NEXT
2013
2014         .data
2015         .align 4
2016 interpret_is_lit:
2017         .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
2018
2019 /*
2020         ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
2021
2022         CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
2023         CHAR A puts 65 on the stack.
2024
2025         SYSEXIT exits the process using Linux exit syscall.
2026
2027         In this FORTH, SYSEXIT must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
2028         initialise the LATEST variable to point to it.  This means that if you want to extend the assembler
2029         part, you must put new words before SYSEXIT, or else change how LATEST is initialised.
2030 */
2031
2032         defcode "CHAR",4,,CHAR
2033         call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
2034         xor %eax,%eax
2035         movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
2036         push %eax               // Push it onto the stack.
2037         NEXT
2038
2039         // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
2040         defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
2041         pop %ebx
2042         mov $__NR_exit,%eax
2043         int $0x80
2044
2045 /*
2046         START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
2047
2048         We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
2049         words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
2050         languages would be considered rather fundamental.
2051
2052         I used to append this here in the assembly file, but I got sick of fighting against gas's
2053         stupid (lack of) multiline string syntax.  So now that is in a separate file called jonesforth.f
2054
2055         If you don't already have that file, download it from http://annexia.org/forth in order
2056         to continue the tutorial.
2057 */
2058
2059 /* END OF jonesforth.S */