Linux system calls added and SYSEXIT removed.
[jonesforth.git] / jonesforth.S
index 44e837b..624eba4 100644 (file)
@@ -1,11 +1,11 @@
 /*     A sometimes minimal FORTH compiler and tutorial for Linux / i386 systems. -*- asm -*-
        By Richard W.M. Jones <rich@annexia.org> http://annexia.org/forth
        This is PUBLIC DOMAIN (see public domain release statement below).
-       $Id: jonesforth.S,v 1.29 2007-09-24 00:37:01 rich Exp $
+       $Id: jonesforth.S,v 1.40 2007-09-29 22:12:07 rich Exp $
 
        gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
 */
-       .set JONES_VERSION,29
+       .set JONES_VERSION,39
 /*
        INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
 
@@ -45,7 +45,8 @@
        over every other element in a list of numbers?  You can add it to the language.  What
        about an operator which pulls in variables directly from a configuration file and makes
        them available as FORTH variables?  Or how about adding Makefile-like dependencies to
-       the language?  No problem in FORTH.  This concept isn't common in programming languages,
+       the language?  No problem in FORTH.  How about modifying the FORTH compiler to allow
+       complex inlining strategies -- simple.  This concept isn't common in programming languages,
        but it has a name (in fact two names): "macros" (by which I mean LISP-style macros, not
        the lame C preprocessor) and "domain specific languages" (DSLs).
 
        This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
        by Albert van der Horst.  Any similarities in the code are probably not accidental.
 
-       Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
-       defies easy explanation.
+       Some parts of this FORTH are also based on this IOCCC entry from 1992:
+       http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design.
+       I was very proud when Sean Barrett, the original author of the IOCCC entry, commented in the LtU thread
+       http://lambda-the-ultimate.org/node/2452#comment-36818 about this FORTH.
+
+       And finally I'd like to acknowledge the (possibly forgotten?) authors of ARTIC FORTH because their
+       original program which I still have on original cassette tape kept nagging away at me all these years.
+       http://en.wikipedia.org/wiki/Artic_Software
 
        PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
 
@@ -600,7 +607,7 @@ bufftop:
 /*
        BUILT-IN WORDS ----------------------------------------------------------------------
 
-       Remember our dictionary entries (headers).  Let's bring those together with the codeword
+       Remember our dictionary entries (headers)?  Let's bring those together with the codeword
        and data words to see how : DOUBLE DUP + ; really looks in memory.
 
          pointer to previous word
@@ -750,6 +757,14 @@ code_\label :                      // assembler code follows
        push %ecx
        NEXT
 
+       defcode "?DUP",4,,QDUP  // duplicate top of stack if non-zero
+       pop %eax
+       test %eax,%eax
+       jz 1f
+       push %eax
+1:     push %eax
+       NEXT
+
        defcode "1+",2,,INCR
        incl (%esp)             // increment top of stack
        NEXT
@@ -783,20 +798,19 @@ code_\label :                     // assembler code follows
        push %eax               // ignore overflow
        NEXT
 
-       defcode "/",1,,DIV
-       xor %edx,%edx
-       pop %ebx
-       pop %eax
-       idivl %ebx
-       push %eax               // push quotient
-       NEXT
+/*
+       In this FORTH, only /MOD is primitive.  Later we will define the / and MOD words in
+       terms of the primitive /MOD.  The design of the i386 assembly instruction idiv which
+       leaves both quotient and remainder makes this obvious choice.
+*/
 
-       defcode "MOD",3,,MOD
+       defcode "/MOD",4,,DIVMOD
        xor %edx,%edx
        pop %ebx
        pop %eax
        idivl %ebx
        push %edx               // push remainder
+       push %eax               // push quotient
        NEXT
 
        defcode "=",1,,EQU      // top two words are equal?
@@ -877,7 +891,7 @@ code_\label :                       // assembler code follows
 1:     pushl $1
        NEXT
 
-       defcode "0<",2,,ZLT
+       defcode "0<",2,,ZLT     // comparisons with 0
        pop %eax
        test %eax,%eax
        jl 1f
@@ -913,22 +927,22 @@ code_\label :                     // assembler code follows
 1:     pushl $1
        NEXT
 
-       defcode "AND",3,,AND
+       defcode "AND",3,,AND    // bitwise AND
        pop %eax
        andl %eax,(%esp)
        NEXT
 
-       defcode "OR",2,,OR
+       defcode "OR",2,,OR      // bitwise OR
        pop %eax
        orl %eax,(%esp)
        NEXT
 
-       defcode "XOR",3,,XOR
+       defcode "XOR",3,,XOR    // bitwise XOR
        pop %eax
        xorl %eax,(%esp)
        NEXT
 
-       defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH bitwise "NOT" function
+       defcode "INVERT",6,,INVERT // this is the FORTH bitwise "NOT" function (cf. NEGATE)
        notl (%esp)
        NEXT
 
@@ -977,7 +991,7 @@ code_\label :                       // assembler code follows
                                                   | addr of EXIT     |
                                                   +------------------+
 
-       And NEXT just completes the job by, well in this case just by calling DOUBLE again :-)
+       And NEXT just completes the job by, well, in this case just by calling DOUBLE again :-)
 
        LITERALS ----------------------------------------------------------------------
 
@@ -1045,18 +1059,20 @@ code_\label :                   // assembler code follows
        subl %eax,(%ebx)        // add it
        NEXT
 
-/* ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes.
- * I don't know whether FORTH has these words, so I invented my own, called !b and @b.
- * Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
- * UPDATE: writing a byte to the dictionary pointer is called C, in FORTH.
+/*
+       ! and @ (STORE and FETCH) store 32-bit words.  It's also useful to be able to read and write bytes
+       so we also define standard words C@ and C!.
+
+       Byte-oriented operations only work on architectures which permit them (i386 is one of those).
  */
-       defcode "!b",2,,STOREBYTE
+
+       defcode "C!",2,,STOREBYTE
        pop %ebx                // address to store at
        pop %eax                // data to store there
        movb %al,(%ebx)         // store it
        NEXT
 
-       defcode "@b",2,,FETCHBYTE
+       defcode "C@",2,,FETCHBYTE
        pop %ebx                // address to fetch
        xor %eax,%eax
        movb (%ebx),%al         // fetch it
@@ -1103,7 +1119,7 @@ var_\name :
 */
        defvar "STATE",5,,STATE
        defvar "HERE",4,,HERE,user_defs_start
-       defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSEXIT // SYSEXIT must be last in built-in dictionary
+       defvar "LATEST",6,,LATEST,name_SYSCALL3 // SYSCALL3 must be last in built-in dictionary
        defvar "_X",2,,TX
        defvar "_Y",2,,TY
        defvar "_Z",2,,TZ
@@ -1123,9 +1139,14 @@ var_\name :
        DOCOL           Pointer to DOCOL.
        F_IMMED         The IMMEDIATE flag's actual value.
        F_HIDDEN        The HIDDEN flag's actual value.
-       F_LENMASK       The length mask.
+       F_LENMASK       The length mask in the flags/len byte.
+
+       SYS_*           and the numeric codes of various Linux syscalls (from <asm/unistd.h>)
 */
 
+//#include <asm-i386/unistd.h> // you might need this instead
+#include <asm/unistd.h>
+
        .macro defconst name, namelen, flags=0, label, value
        defcode \name,\namelen,\flags,\label
        push $\value
@@ -1139,6 +1160,13 @@ var_\name :
        defconst "F_HIDDEN",8,,__F_HIDDEN,F_HIDDEN
        defconst "F_LENMASK",9,,__F_LENMASK,F_LENMASK
 
+       defconst "SYS_EXIT",8,,SYS_EXIT,__NR_exit
+       defconst "SYS_OPEN",8,,SYS_OPEN,__NR_open
+       defconst "SYS_CLOSE",9,,SYS_CLOSE,__NR_close
+       defconst "SYS_READ",8,,SYS_READ,__NR_read
+       defconst "SYS_WRITE",9,,SYS_WRITE,__NR_write
+       defconst "SYS_CREAT",9,,SYS_CREAT,__NR_creat
+
 /*
        RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
 
@@ -1210,8 +1238,6 @@ var_\name :
        exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
 */
 
-#include <asm-i386/unistd.h>
-
        defcode "KEY",3,,KEY
        call _KEY
        push %eax               // push return value on stack
@@ -1276,7 +1302,7 @@ _EMIT:
        What it does in detail is that it first skips any blanks (spaces, tabs, newlines and so on).
        Then it calls KEY to read characters into an internal buffer until it hits a blank.  Then it
        calculates the length of the word it read and returns the address and the length as
-       two words on the stack (with address at the top).
+       two words on the stack (with the length at the top of stack).
 
        Notice that WORD has a single internal buffer which it overwrites each time (rather like
        a static C string).  Also notice that WORD's internal buffer is just 32 bytes long and
@@ -1299,8 +1325,8 @@ _EMIT:
 
        defcode "WORD",4,,WORD
        call _WORD
-       push %ecx               // push length
        push %edi               // push base address
+       push %ecx               // push length
        NEXT
 
 _WORD:
@@ -1339,36 +1365,9 @@ _WORD:
 5:     .space 32
 
 /*
-       . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer in the current BASE.
-*/
-
-       defcode ".",1,,DOT
-       pop %eax                // Get the number to print into %eax
-       call _DOT               // Easier to do this recursively ...
-       NEXT
-_DOT:
-       mov var_BASE,%ecx       // Get current BASE
-1:
-       cmp %ecx,%eax           // %eax < BASE?  If so jump to print immediately.
-       jb 2f
-       xor %edx,%edx           // %edx:%eax / %ecx -> quotient %eax, remainder %edx
-       idivl %ecx
-       pushl %edx              // Print quotient (top half) first ...
-       call _DOT
-       popl %eax               // ... then loop to print remainder
-       jmp 1b
-2:                             // %eax < BASE so print immediately.
-       movl $digits,%edx
-       addl %eax,%edx
-       movb (%edx),%al         // Note top bits are already zero.
-       call _EMIT
-       ret
-       .section .rodata
-digits:        .ascii "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
-
-/*
-       Almost the opposite of DOT (but not quite), SNUMBER parses a numeric string such as one returned
-       by WORD and pushes the number on the parameter stack.
+       As well as reading in words we'll need to read in numbers and for that we are using a function
+       called SNUMBER.  This parses a numeric string such as one returned by WORD and pushes the
+       number on the parameter stack.
 
        This function does absolutely no error checking, and in particular the length of the string
        must be >= 1 bytes, and should contain only digits 0-9.  If it doesn't you'll get random results.
@@ -1420,10 +1419,10 @@ _SNUMBER:
 */
 
        defcode "FIND",4,,FIND
-       pop %edi                // %edi = address
        pop %ecx                // %ecx = length
+       pop %edi                // %edi = address
        call _FIND
-       push %eax
+       push %eax               // %eax = address of dictionary entry (or NULL)
        NEXT
 
 _FIND:
@@ -1943,25 +1942,28 @@ _COMMA:
        NEXT
 
 /*
-       PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
+       LITERAL STRINGS ----------------------------------------------------------------------
+
+       LITSTRING is a primitive used to implement the ." and S" operators (which are written in
+       FORTH).  See the definition of those operators later.
 
-       LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." and S" operators
-       (which are written in FORTH).  See the definition of those operators below.
+       TELL just prints a string.  It's more efficient to define this in assembly because we
+       can make it a single Linux syscall.
 */
 
        defcode "LITSTRING",9,,LITSTRING
        lodsl                   // get the length of the string
-       push %eax               // push it on the stack
        push %esi               // push the address of the start of the string
+       push %eax               // push it on the stack
        addl %eax,%esi          // skip past the string
        addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
        andl $~3,%esi
        NEXT
 
-       defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
+       defcode "TELL",4,,TELL
        mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
-       pop %ecx                // 2nd param: address of string
        pop %edx                // 3rd param: length of string
+       pop %ecx                // 2nd param: address of string
        mov $__NR_write,%eax    // write syscall
        int $0x80
        NEXT
@@ -1978,7 +1980,6 @@ _COMMA:
        // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
        defword "COLD",4,,COLD
        .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
-       .int LIT,1,SYSEXIT      // hmmm, but in case it does, exit(1).
 
 /* This interpreter is pretty simple, but remember that in FORTH you can always override
  * it later with a more powerful one!
@@ -2052,11 +2053,12 @@ interpret_is_lit:
        CHAR puts the ASCII code of the first character of the following word on the stack.  For example
        CHAR A puts 65 on the stack.
 
-       SYSEXIT exits the process using Linux exit syscall.
+       SYSCALL3 makes a standard Linux system call.  (See <asm/unistd.h> for a list of system call
+       numbers).  This is the form to use when the function takes up to three parameters.
 
-       In this FORTH, SYSEXIT must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
+       In this FORTH, SYSCALL3 must be the last word in the built-in (assembler) dictionary because we
        initialise the LATEST variable to point to it.  This means that if you want to extend the assembler
-       part, you must put new words before SYSEXIT, or else change how LATEST is initialised.
+       part, you must put new words before SYSCALL3, or else change how LATEST is initialised.
 */
 
        defcode "CHAR",4,,CHAR
@@ -2066,11 +2068,14 @@ interpret_is_lit:
        push %eax               // Push it onto the stack.
        NEXT
 
-       // NB: SYSEXIT must be the last entry in the built-in dictionary.
-       defcode SYSEXIT,7,,SYSEXIT
-       pop %ebx
-       mov $__NR_exit,%eax
+       defcode "SYSCALL3",8,,SYSCALL3
+       pop %eax                // System call number (see <asm/unistd.h>)
+       pop %ebx                // First parameter.
+       pop %ecx                // Second parameter
+       pop %edx                // Third parameter
        int $0x80
+       push %eax               // Result (negative for -errno)
+       NEXT
 
 /*
        START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------