Lots of typos fixed.
[jonesforth.git] / jonesforth.S
index 53e2706..d110e6c 100644 (file)
@@ -1,8 +1,12 @@
 /*     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 1.20 2007-09-15 11:21:09 rich Exp $
 
        gcc -m32 -nostdlib -static -Wl,-Ttext,0 -o jonesforth jonesforth.S
-
+*/
+       .set JONES_VERSION,20
+/*
        INTRODUCTION ----------------------------------------------------------------------
 
        FORTH is one of those alien languages which most working programmers regard in the same
@@ -61,6 +65,8 @@
 
        Here is another "Why FORTH?" essay: http://www.jwdt.com/~paysan/why-forth.html
 
+       Discussion and criticism of this FORTH here: http://lambda-the-ultimate.org/node/2452
+
        ACKNOWLEDGEMENTS ----------------------------------------------------------------------
 
        This code draws heavily on the design of LINA FORTH (http://home.hccnet.nl/a.w.m.van.der.horst/lina.html)
        Also I used this document (http://ftp.funet.fi/pub/doc/IOCCC/1992/buzzard.2.design) which really
        defies easy explanation.
 
+       PUBLIC DOMAIN ----------------------------------------------------------------------
+
+       I, the copyright holder of this work, hereby release it into the public domain. This applies worldwide.
+
+       In case this is not legally possible, I grant any entity the right to use this work for any purpose,
+       without any conditions, unless such conditions are required by law.
+
        SETTING UP ----------------------------------------------------------------------
 
        Let's get a few housekeeping things out of the way.  Firstly because I need to draw lots of
        strings (or rather it used to, but the developers removed it!) so I've abused the syntax
        slightly to make things readable.  Ignore these warnings.
 
+       If you want to run your own FORTH programs you can do:
+
+       ./jonesforth < myprog.f
+
+       If you want to load your own FORTH code and then continue reading user commands, you can do:
+
+       cat myfunctions.f - | ./jonesforth
+
        ASSEMBLER ----------------------------------------------------------------------
 
        (You can just skip to the next section -- you don't need to be able to read assembler to
 
        THE DICTIONARY ----------------------------------------------------------------------
 
-       In FORTH as you will know, functions are called "words", as just as in other languages they
+       In FORTH as you will know, functions are called "words", and just as in other languages they
        have a name and a definition.  Here are two FORTH words:
 
        : DOUBLE DUP + ;                \ name is "DOUBLE", definition is "DUP +"
            |
          LATEST
 
-       You shoud be able to see from this how you might implement functions to find a word in
+       You should be able to see from this how you might implement functions to find a word in
        the dictionary (just walk along the dictionary entries starting at LATEST and matching
-       the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary),
+       the names until you either find a match or hit the NULL pointer at the end of the dictionary);
        and add a word to the dictionary (create a new definition, set its LINK to LATEST, and set
        LATEST to point to the new word).  We'll see precisely these functions implemented in
        assembly code later on.
 
        and so on.  How would a function, say 'f' above, be compiled by a standard C compiler?
        Probably into assembly code like this.  On the right hand side I've written the actual
-       16 bit machine code.
+       i386 machine code.
 
        f:
          CALL a                        E8 08 00 00 00
        %esi -> 1C 00 00 00
                2C 00 00 00
 
-       The all-important x86 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
+       The all-important i386 instruction is called LODSL (or in Intel manuals, LODSW).  It does
        two things.  Firstly it reads the memory at %esi into the accumulator (%eax).  Secondly it
        increments %esi by 4 bytes.  So after LODSL, the situation now looks like this:
 
@@ -487,11 +508,11 @@ DOCOL:
                | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
                +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
        %esi -> | addr of DOUBLE   |               +------------------+
-               +------------------+               | addr of DUP   -------------->
+               +------------------+               | addr of DUP      |
                | addr of EXIT     |               +------------------+
                +------------------+               | etc.             |
 
-       First, the call to DOUBLE causes DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
+       First, the call to DOUBLE calls DOCOL (the codeword of DOUBLE).  DOCOL does this:  It
        pushes the old %esi on the return stack.  %eax points to the codeword of DOUBLE, so we
        just add 4 on to it to get our new %esi:
 
@@ -502,7 +523,7 @@ DOCOL:
                | addr of DOUBLE  ---------------> +------------------+
 top of return  +------------------+       %eax -> | addr of DOCOL    |
 stack points ->        | addr of DOUBLE   |       + 4 =   +------------------+
-               +------------------+       %esi -> | addr of DUP   -------------->
+               +------------------+       %esi -> | addr of DUP      |
                | addr of EXIT     |               +------------------+
                +------------------+               | etc.             |
 
@@ -645,7 +666,7 @@ name_\label :
        +--|------+---+---+---+---+------------+
        | LINK    | 3 | D | U | P | code_DUP ---------------------> points to the assembly
        +---------+---+---+---+---+------------+                    code used to write DUP,
-           ^       len              codeword                       which is ended with NEXT.
+           ^       len              codeword                       which ends with NEXT.
           |
          LINK in next word
 
@@ -726,11 +747,11 @@ code_\label :                     // assembler code follows
        NEXT
 
        defcode "4+",2,,INCR4
-       addl $4,(%esp)          // increment top of stack
+       addl $4,(%esp)          // add 4 to top of stack
        NEXT
 
        defcode "4-",2,,DECR4
-       subl $4,(%esp)          // decrement top of stack
+       subl $4,(%esp)          // subtract 4 from top of stack
        NEXT
 
        defcode "+",1,,ADD
@@ -740,7 +761,7 @@ code_\label :                       // assembler code follows
 
        defcode "-",1,,SUB
        pop %eax                // get top of stack
-       subl %eax,(%esp)        // and subtract if from next word on stack
+       subl %eax,(%esp)        // and subtract it from next word on stack
        NEXT
 
        defcode "*",1,,MUL
@@ -970,12 +991,13 @@ var_\name :
 
        STATE           Is the interpreter executing code (0) or compiling a word (non-zero)?
        LATEST          Points to the latest (most recently defined) word in the dictionary.
-       HERE            When compiling, compiled words go here.
+       HERE            Points to the next free byte of memory.  When compiling, compiled words go here.
        _X              These are three scratch variables, used by some standard dictionary words.
        _Y
        _Z
        S0              Stores the address of the top of the parameter stack.
        R0              Stores the address of the top of the return stack.
+       VERSION         Is the current version of this FORTH.
 
 */
        defvar "STATE",5,,STATE
@@ -986,6 +1008,7 @@ var_\name :
        defvar "_Z",2,,TZ
        defvar "S0",2,,SZ
        defvar "R0",2,,RZ,return_stack
+       defvar "VERSION",7,,VERSION,JONES_VERSION
 
 /*
        RETURN STACK ----------------------------------------------------------------------
@@ -994,15 +1017,6 @@ var_\name :
        the top of the return stack.
 */
 
-       defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
-       mov %esp,%eax
-       push %eax
-       NEXT
-
-       defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
-       pop %esp
-       NEXT
-
        defcode ">R",2,,TOR
        pop %eax                // pop parameter stack into %eax
        PUSHRSP %eax            // push it on to the return stack
@@ -1026,11 +1040,45 @@ var_\name :
        NEXT
 
 /*
+       PARAMETER (DATA) STACK ----------------------------------------------------------------------
+
+       These functions allow you to manipulate the parameter stack.  Recall that Linux sets up the parameter
+       stack for us, and it is accessed through %esp.
+*/
+
+       defcode "DSP@",4,,DSPFETCH
+       mov %esp,%eax
+       push %eax
+       NEXT
+
+       defcode "DSP!",4,,DSPSTORE
+       pop %esp
+       NEXT
+
+/*
        INPUT AND OUTPUT ----------------------------------------------------------------------
 
+       These are our first really meaty/complicated FORTH primitives.  I have chosen to write them in
+       assembler, but surprisingly in "real" FORTH implementations these are often written in terms
+       of more fundamental FORTH primitives.  I chose to avoid that because I think that just obscures
+       the implementation.  After all, you may not understand assembler but you can just think of it
+       as an opaque block of code that does what it says.
+
+       Let's discuss input first.
 
+       The FORTH word KEY reads the next byte from stdin (and pushes it on the parameter stack).
+       So if KEY is called and someone hits the space key, then the number 32 (ASCII code of space)
+       is pushed on the stack.
 
+       In FORTH there is no distinction between reading code and reading input.  We might be reading
+       and compiling code, we might be reading words to execute, we might be asking for the user
+       to type their name -- ultimately it all comes in through KEY.
 
+       The implementation of KEY uses an input buffer of a certain size (defined at the end of the
+       program).  It calls the Linux read(2) system call to fill this buffer and tracks its position
+       in the buffer using a couple of variables, and if it runs out of input buffer then it refills
+       it automatically.  The other thing that KEY does is if it detects that stdin has closed, it
+       exits the program, which is why when you hit ^D the FORTH system cleanly exits.
 */
 
 #include <asm-i386/unistd.h>
@@ -1067,6 +1115,12 @@ _KEY:
        mov $__NR_exit,%eax     // syscall: exit
        int $0x80
 
+/*
+       By contrast, output is much simpler.  The FORTH word EMIT writes out a single byte to stdout.
+       This implementation just uses the write system call.  No attempt is made to buffer output, but
+       it would be a good exercise to add it.
+*/
+
        defcode "EMIT",4,,EMIT
        pop %eax
        call _EMIT
@@ -1087,6 +1141,33 @@ _EMIT:
        .bss
 2:     .space 1                // scratch used by EMIT
 
+/*
+       Back to input, WORD is a FORTH word which reads the next full word of input.
+
+       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).
+
+       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
+       there is NO checking for overflow.  31 bytes happens to be the maximum length of a
+       FORTH word that we support, and that is what WORD is used for: to read FORTH words when
+       we are compiling and executing code.  The returned strings are not NUL-terminated, so
+       in some crazy-world you could define FORTH words containing ASCII NULs, although why
+       you'd want to is a bit beyond me.
+
+       WORD is not suitable for just reading strings (eg. user input) because of all the above
+       peculiarities and limitations.
+
+       Note that when executing, you'll see:
+       WORD FOO
+       which puts "FOO" and length 3 on the stack, but when compiling:
+       : BAR WORD FOO ;
+       is an error (or at least it doesn't do what you might expect).  Later we'll talk about compiling
+       and immediate mode, and you'll understand why.
+*/
+
        defcode "WORD",4,,WORD
        call _WORD
        push %ecx               // push length
@@ -1128,15 +1209,14 @@ _WORD:
        // overwrite this buffer.  Maximum word length is 32 chars.
 5:     .space 32
 
-       defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
-       mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
-       pop %ecx                // 2nd param: address of string
-       pop %edx                // 3rd param: length of string
-
-       mov $__NR_write,%eax    // write syscall
-       int $0x80
+/*
+       . (also called DOT) prints the top of the stack as an integer.  In real FORTH implementations
+       it should print it in the current base, but this assembler version is simpler and can only
+       print in base 10.
 
-       NEXT
+       Remember that you can override even built-in FORTH words easily, so if you want to write a
+       more advanced DOT then you can do so easily at a later point, and probably in FORTH.
+*/
 
        defcode ".",1,,DOT
        pop %eax                // Get the number to print into %eax
@@ -1161,9 +1241,16 @@ _DOT:
        call _EMIT
        ret
 
-       // Parse a number from a string on the stack -- almost the opposite of . (DOT)
-       // Note that there is absolutely no error checking.  In particular the length of the
-       // string must be >= 1 bytes.
+/*
+       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.
+
+       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.
+
+       This function is only used when reading literal numbers in code, and shouldn't really be used
+       in user code at all.
+*/
        defcode "SNUMBER",7,,SNUMBER
        pop %edi
        pop %ecx
@@ -1183,6 +1270,30 @@ _SNUMBER:
        jnz 1b
        ret
 
+/*
+       DICTIONARY LOOK UPS ----------------------------------------------------------------------
+
+       We're building up to our prelude on how FORTH code is compiled, but first we need yet more infrastructure.
+
+       The FORTH word FIND takes a string (a word as parsed by WORD -- see above) and looks it up in the
+       dictionary.  What it actually returns is the address of the dictionary header, if it finds it,
+       or 0 if it didn't.
+
+       So if DOUBLE is defined in the dictionary, then WORD DOUBLE FIND returns the following pointer:
+
+    pointer to this
+       |
+       |
+       V
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+
+       See also >CFA which takes a dictionary entry pointer and returns a pointer to the codeword.
+
+       FIND doesn't find dictionary entries which are flagged as HIDDEN.  See below for why.
+*/
+
        defcode "FIND",4,,FIND
        pop %edi                // %edi = address
        pop %ecx                // %ecx = length
@@ -1231,7 +1342,36 @@ _FIND:
        xor %eax,%eax           // Return zero to indicate not found.
        ret
 
-       defcode ">CFA",4,,TCFA  // DEA -> Codeword address
+/*
+       FIND returns the dictionary pointer, but when compiling we need the codeword pointer (recall
+       that FORTH definitions are compiled into lists of codeword pointers).  The standard FORTH
+       word >CFA turns a dictionary pointer into a codeword pointer.
+
+       The example below shows the result of:
+
+               WORD DOUBLE FIND >CFA
+
+       FIND returns a pointer to this
+       |                               >CFA converts it to a pointer to this
+       |                                          |
+       V                                          V
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+
+       Notes:
+
+       Because names vary in length, this isn't just a simple increment.
+
+       In this FORTH you cannot easily turn a codeword pointer back into a dictionary entry pointer, but
+       that is not true in most FORTH implementations where they store a back pointer in the definition
+       (with an obvious memory/complexity cost).  The reason they do this is that it is useful to be
+       able to go backwards (codeword -> dictionary entry) in order to decompile FORTH definitions.
+
+       What does CFA stand for?  My best guess is "Code Field Address".
+*/
+
+       defcode ">CFA",4,,TCFA
        pop %edi
        call _TCFA
        push %edi
@@ -1247,12 +1387,130 @@ _TCFA:
        andl $~3,%edi
        ret
 
-       defcode "CHAR",4,,CHAR
-       call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
-       xor %eax,%eax
-       movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
-       push %eax               // Push it onto the stack.
-       NEXT
+/*
+       COMPILING ----------------------------------------------------------------------
+
+       Now we'll talk about how FORTH compiles words.  Recall that a word definition looks like this:
+
+               : DOUBLE DUP + ;
+
+       and we have to turn this into:
+
+         pointer to previous word
+          ^
+          |
+       +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+--|---------+------------+------------+
+           ^       len                         pad  codeword      |
+          |                                                      V
+         LATEST points here                            points to codeword of DUP
+
+       There are several problems to solve.  Where to put the new word?  How do we read words?  How
+       do we define the words : (COLON) and ; (SEMICOLON)?
+
+       FORTH solves this rather elegantly and as you might expect in a very low-level way which
+       allows you to change how the compiler works on your own code.
+
+       FORTH has an INTERPRETER function (a true interpreter this time, not DOCOL) which runs in a
+       loop, reading words (using WORD), looking them up (using FIND), turning them into codeword
+       pointers (using >CFA) and deciding what to do with them.
+
+       What it does depends on the mode of the interpreter (in variable STATE).
+
+       When STATE is zero, the interpreter just runs each word as it looks them up.  This is known as
+       immediate mode.
+
+       The interesting stuff happens when STATE is non-zero -- compiling mode.  In this mode the
+       interpreter appends the codeword pointer to user memory (the HERE variable points to the next
+       free byte of user memory).
+
+       So you may be able to see how we could define : (COLON).  The general plan is:
+
+       (1) Use WORD to read the name of the function being defined.
+
+       (2) Construct the dictionary entry -- just the header part -- in user memory:
+
+    pointer to previous word (from LATEST)                     +-- Afterwards, HERE points here, where
+          ^                                                    |   the interpreter will start appending
+          |                                                    V   codewords.
+       +--|------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+
+                   len                         pad  codeword
+
+       (3) Set LATEST to point to the newly defined word, ...
+
+       (4) .. and most importantly leave HERE pointing just after the new codeword.  This is where
+           the interpreter will append codewords.
+
+       (5) Set STATE to 1.  This goes into compile mode so the interpreter starts appending codewords to
+           our partially-formed header.
+
+       After : has run, our input is here:
+
+       : DOUBLE DUP + ;
+                ^
+                |
+               Next byte returned by KEY
+
+       so the interpreter (now it's in compile mode, so I guess it's really the compiler) reads DUP,
+       gets its codeword pointer, and appends it:
+
+                                                                            +-- HERE updated to point here.
+                                                                            |
+                                                                            V
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+
+                   len                         pad  codeword
+
+       Next we read +, get the codeword pointer, and append it:
+
+                                                                                         +-- HERE updated to point here.
+                                                                                         |
+                                                                                         V
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+
+                   len                         pad  codeword
+
+       The issue is what happens next.  Obviously what we _don't_ want to happen is that we
+       read ";" and compile it and go on compiling everything afterwards.
+
+       At this point, FORTH uses a trick.  Remember the length byte in the dictionary definition
+       isn't just a plain length byte, but can also contain flags.  One flag is called the
+       IMMEDIATE flag (F_IMMED in this code).  If a word in the dictionary is flagged as
+       IMMEDIATE then the interpreter runs it immediately _even if it's in compile mode_.
+
+       I hope I don't need to explain that ; (SEMICOLON) is just such a word, flagged as IMMEDIATE.
+       And all it does is append the codeword for EXIT on to the current definition and switch
+       back to immediate mode (set STATE back to 0).  Shortly we'll see the actual definition
+       of ; and we'll see that it's really a very simple definition, declared IMMEDIATE.
+
+       After the interpreter reads ; and executes it 'immediately', we get this:
+
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+       | LINK    | 6 | D | O | U | B | L | E | 0 | DOCOL      | DUP        | +          | EXIT       |
+       +---------+---+---+---+---+---+---+---+---+------------+------------+------------+------------+
+                   len                         pad  codeword                                          ^
+                                                                                                      |
+                                                                                                     HERE
+
+       STATE is set to 0.
+
+       And that's it, job done, our new definition is compiled, and we're back in immediate mode
+       just reading and executing words, perhaps including a call to test our new word DOUBLE.
+
+       The only last wrinkle in this is that while our word was being compiled, it was in a
+       half-finished state.  We certainly wouldn't want DOUBLE to be called somehow during
+       this time.  There are several ways to stop this from happening, but in FORTH what we
+       do is flag the word with the HIDDEN flag (F_HIDDEN in this code) just while it is
+       being compiled.  This prevents FIND from finding it, and thus in theory stops any
+       chance of it being called.
+
+       Compared to the description above, the actual definition of : (COLON) is comparatively simple:
+*/
 
        defcode ":",1,,COLON
 
@@ -1287,6 +1545,11 @@ _TCFA:
        movl $1,var_STATE
        NEXT
 
+/*
+       , (COMMA) is a standard FORTH word which appends a 32 bit integer (normally a codeword
+       pointer) to the user data area pointed to by HERE, and adds 4 to HERE.
+*/
+
        defcode ",",1,,COMMA
        pop %eax                // Code pointer to store.
        call _COMMA
@@ -1297,6 +1560,10 @@ _COMMA:
        movl %edi,var_HERE      // Update HERE (incremented)
        ret
 
+/*
+       ; (SEMICOLON) is also elegantly simple.  Notice the F_IMMED flag.
+*/
+
        defcode ";",1,F_IMMED,SEMICOLON
        movl $EXIT,%eax         // EXIT is the final codeword in compiled words.
        call _COMMA             // Store it.
@@ -1305,6 +1572,34 @@ _COMMA:
        movl %eax,var_STATE
        NEXT
 
+/*
+       EXTENDING THE COMPILER ----------------------------------------------------------------------
+
+       Words flagged with IMMEDIATE (F_IMMED) aren't just for the FORTH compiler to use.  You can define
+       your own IMMEDIATE words too, and this is a crucial aspect when extending basic FORTH, because
+       it allows you in effect to extend the compiler itself.  Does gcc let you do that?
+
+       Standard FORTH words like IF, WHILE, .", [ and so on are all written as extensions to the basic
+       compiler, and are all IMMEDIATE words.
+
+       The IMMEDIATE word toggles the F_IMMED (IMMEDIATE flag) on the most recently defined word,
+       or on the current word if you call it in the middle of a definition.
+
+       Typical usage is:
+
+       : MYIMMEDWORD IMMEDIATE
+               ...definition...
+       ;
+
+       but some FORTH programmers write this instead:
+
+       : MYIMMEDWORD
+               ...definition...
+       ; IMMEDIATE
+
+       The two usages are equivalent, to a first approximation.
+*/
+
        defcode "IMMEDIATE",9,F_IMMED,IMMEDIATE
        call _IMMEDIATE
        NEXT
@@ -1314,6 +1609,11 @@ _IMMEDIATE:
        xorb $F_IMMED,(%edi)    // Toggle the IMMED bit.
        ret
 
+/*
+       HIDDEN toggles the other flag, F_HIDDEN, of the latest word.  Note that words flagged
+       as hidden are defined but cannot be called, so this is rarely used.
+*/
+
        defcode "HIDDEN",6,,HIDDEN
        call _HIDDEN
        NEXT
@@ -1323,12 +1623,80 @@ _HIDDEN:
        xorb $F_HIDDEN,(%edi)   // Toggle the HIDDEN bit.
        ret
 
-/* This definiton of ' (TICK) is strictly cheating - it also only works in compiled code. */
+/*
+       ' (TICK) is a standard FORTH word which returns the codeword pointer of the next word.
+
+       The common usage is:
+
+       ' FOO ,
+
+       which appends the codeword of FOO to the current word we are defining (this only works in compiled code).
+
+       You tend to use ' in IMMEDIATE words.  For example an alternate (and rather useless) way to define
+       a literal 2 might be:
+
+       : LIT2 IMMEDIATE
+               ' LIT ,         \ Appends LIT to the currently-being-defined word
+               2 ,             \ Appends the number 2 to the currently-being-defined word
+       ;
+
+       So you could do:
+
+       : DOUBLE LIT2 * ;
+
+       (If you don't understand how LIT2 works, then you should review the material about compiling words
+       and immediate mode).
+
+       This definition of ' uses a cheat which I copied from buzzard92.  As a result it only works in
+       compiled code.  It is possible to write a version of ' based on WORD, FIND, >CFA which works in
+       immediate mode too.
+*/
        defcode "'",1,,TICK
        lodsl                   // Get the address of the next word and skip it.
        pushl %eax              // Push it on the stack.
        NEXT
 
+/*
+       BRANCHING ----------------------------------------------------------------------
+
+       It turns out that all you need in order to define looping constructs, IF-statements, etc.
+       are two primitives.
+
+       BRANCH is an unconditional branch. 0BRANCH is a conditional branch (it only branches if the
+       top of stack is zero).
+
+       The diagram below shows how BRANCH works in some imaginary compiled word.  When BRANCH executes,
+       %esi starts by pointing to the offset field (compare to LIT above):
+
+       +---------------------+-------+---- - - ---+------------+------------+---- - - - ----+------------+
+       | (Dictionary header) | DOCOL |            | BRANCH     | offset     | (skipped)     | word       |
+       +---------------------+-------+---- - - ---+------------+-----|------+---- - - - ----+------------+
+                                                                  ^  |                       ^
+                                                                  |  |                       |
+                                                                  |  +-----------------------+
+                                                                 %esi added to offset
+
+       The offset is added to %esi to make the new %esi, and the result is that when NEXT runs, execution
+       continues at the branch target.  Negative offsets work as expected.
+
+       0BRANCH is the same except the branch happens conditionally.
+
+       Now standard FORTH words such as IF, THEN, ELSE, WHILE, REPEAT, etc. can be implemented entirely
+       in FORTH.  They are IMMEDIATE words which append various combinations of BRANCH or 0BRANCH
+       into the word currently being compiled.
+
+       As an example, code written like this:
+
+               condition-code IF true-part THEN rest-code
+
+       compiles to:
+
+               condition-code 0BRANCH OFFSET true-part rest-code
+                                         |             ^
+                                         |             |
+                                         +-------------+
+*/
+
        defcode "BRANCH",6,,BRANCH
        add (%esi),%esi         // add the offset to the instruction pointer
        NEXT
@@ -1340,15 +1708,40 @@ _HIDDEN:
        lodsl                   // otherwise we need to skip the offset
        NEXT
 
+/*
+       PRINTING STRINGS ----------------------------------------------------------------------
+
+       LITSTRING and EMITSTRING are primitives used to implement the ." operator (which is
+       written in FORTH).  See the definition of that operator below.
+*/
+
        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
        addl %eax,%esi          // skip past the string
-       addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
+       addl $3,%esi            // but round up to next 4 byte boundary
        andl $~3,%esi
        NEXT
 
+       defcode "EMITSTRING",10,,EMITSTRING
+       mov $1,%ebx             // 1st param: stdout
+       pop %ecx                // 2nd param: address of string
+       pop %edx                // 3rd param: length of string
+       mov $__NR_write,%eax    // write syscall
+       int $0x80
+       NEXT
+
+/*
+       COLD START AND INTERPRETER ----------------------------------------------------------------------
+
+       COLD is the first FORTH function called, almost immediately after the FORTH system "boots".
+
+       INTERPRETER is the FORTH interpreter ("toploop", "toplevel" or "REPL" might be a more accurate
+       description -- see: http://en.wikipedia.org/wiki/REPL).
+*/
+
+
        // COLD must not return (ie. must not call EXIT).
        defword "COLD",4,,COLD
        .int INTERPRETER        // call the interpreter loop (never returns)
@@ -1420,19 +1813,61 @@ _HIDDEN:
 interpret_is_lit:
        .int 0                  // Flag used to record if reading a literal
 
+/*
+       ODDS AND ENDS ----------------------------------------------------------------------
+
+       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.
+*/
+
+       defcode "CHAR",4,,CHAR
+       call _WORD              // Returns %ecx = length, %edi = pointer to word.
+       xor %eax,%eax
+       movb (%edi),%al         // Get the first character of the word.
+       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
        int $0x80
 
-/*----------------------------------------------------------------------
- * Input buffer & initial input.
- */
+/*
+       START OF FORTH CODE ----------------------------------------------------------------------
+
+       We've now reached the stage where the FORTH system is running and self-hosting.  All further
+       words can be written as FORTH itself, including words like IF, THEN, .", etc which in most
+       languages would be considered rather fundamental.
+
+       As a kind of trick, I prefill the input buffer with the initial FORTH code.  Once this code
+       has run (when we get to the "OK" prompt), this input buffer is reused for reading any further
+       user input.
+
+       Some notes about the code:
+
+       \ (backslash) is the FORTH way to start a comment which goes up to the next newline.  However
+       because this is a C-style string, I have to escape the backslash, which is why they appear as
+       \\ comment.
+
+       Similarly, any backslashes in the code are doubled, and " becomes \" (eg. the definition of ."
+       is written as : .\" ... ;)
+
+       I use indenting to show structure.  The amount of whitespace has no meaning to FORTH however
+       except that you must use at least one whitespace character between words, and words themselves
+       cannot contain whitespace.
+
+       FORTH is case-sensitive.  Use capslock!
+
+       Enjoy!
+*/
+
        .data
        .align 4096
 buffer:
-       // XXX gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore
+       // Multi-line constant gives 'Warning: unterminated string; newline inserted' messages which you can ignore.
        .ascii "\
 \\ Define some character constants
 : '\\n'   10 ;
@@ -1593,7 +2028,7 @@ buffer:
 \\ that the input buffer where the string comes from may be overwritten by the time we
 \\ come round to running the function).  We store the string in the compiled function
 \\ like this:
-\\   LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
+\\   ..., LITSTRING, string length, string rounded up to 4 bytes, EMITSTRING, ...
 : .\" IMMEDIATE
        STATE @         \\ compiling?
        IF
@@ -1646,10 +2081,11 @@ buffer:
 
 \\ ALLOT is used to allocate (static) memory when compiling.  It increases HERE by
 \\ the amount given on the stack.
-: ALLOT HERE +! ;
+\\: ALLOT HERE +! ;
 
 
 \\ Finally print the welcome prompt.
+.\" JONESFORTH VERSION \" VERSION @ . CR
 .\" OK \"
 "
 
@@ -1661,3 +2097,5 @@ currkey:
        .int buffer
 bufftop:
        .int _initbufftop
+
+/* END OF jonesforth.S */