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第二部分 内核基准测试和个案研究基准测试我们已经回答了每个与 Forth 实现决策有关的问题，现在应该是“编码并查看结果”的时候了。不过，你肯定不想仅仅为了测试不同的方法就编写许多个完整的 Forth 内核。幸运的是，仅仅编写 Forth 内核的小子集就可以得到一些相当好的“感觉”。 Guy Kelly [KEL92] 研究了 19 个不同的 IBM PC 的下列一些代码样例： • NEXT …… 是链接“串线”中一个字到另一个字的“内层解释器”。用于每一个 CODE 定义的结尾，是决定 Forth 执行速度的一个最重要的因素。你已经看到了它的 ITC 和 DTC 伪码；在 STC 中，它就是 CALL/RET 指令。 • ENTER …… 也称为 DOCOL 或者 DOCOLON ，高级“冒号”定义代码域动作。它对于速度也是至关重要的；用于每个冒号定义的开始，在 STC 中不需要。 • EXIT …… 在 FIG-Forth 中称为 S; 。结束一个冒号定义执行的代码。它在每个冒号定义的结束处出现，决定高级子程序的返回效率。在 STC 中它就是一个 RET 机器指令。 NEXT 、 ENTER 和 EXIT 表现了串线机制的性能。它们都应该通过实际的编码来评估实现性能。它们也反映了实现时 IP 、 W 和 RSP 寄存器分配策略是否正确。 • DOVAR …… “变量”，对于所有 Forth 变量 VARIABLE 的代码域动作。 • DOCON …… “常量”，对于所有 Forth 常量 CONSTANT 的代码域动作。 DOCON 、 DOVAR 和 ENTER 一起显示了你可以得到一个正在执行的字的参数域地址的效率。这反映了你对 W 寄存器的选择，在 DTC Forth 中，也指出应该在代码域中放一个 JUMP 指令还是一个 CALL 指令。 • LIT …… “文字量”。这个字从 Forth 的高级串线中取一个单元值。有几个字需要使用这样的内嵌参数，这很好地显示了它们的性能。它反映了你对 IP 寄存器的选择。 • @ …… Forth 的存储器读取操作，显示了从高级 Forth 中访问存储器可以有多快。这个字常常从堆栈的 TOS 中受益。 • ! …… Forth 的存储器存操作，从另一方面反映了存储器访问的能力。它消耗堆栈的两个项目，所以能反映参数栈的访问效率。它也很好地说明了我们把 TOS 放在存储器还是放在寄存器中的决策。 • + …… 加法操作，是所有 Forth 算术和逻辑操作的典型代表。 以上是一个非常好的代码样例。我还增加了几个附属的测试： • DODEOS …… 是用 DOES> 构建字的代码域动作，尽管它没有反映 W 、 IP 和 RSP 的使用。我包含这个字是因为它是 Forth 内核中最费解的代码，如果你可以编码 DODOES 的逻辑，其它的任何东西就都不在话下了。 DODOES 的复杂性将在本文的后面描述。 • SWAP …… 是一个简单的堆栈操作符，但能说明问题。 • ROT …… 是一个更加复杂的堆栈操作符。它为你能简单地访问参数栈给出一个好主意。 ROT 好像需要一个外加的临时寄存器才能完成。如果你能够在不使用 X 寄存器的情况下实现 ROT ，则其它情况下也不会需要 X 寄存器。 • 0= …… 是不多的几个单目算术操作之一，是最有可能从“TOS 在寄存器中 ” 获益的字之一。 • +! …… 是最多被说明的操作，组合了堆栈访问、算术、存储器取和存储器存。这是一个非常理想的用于标准测试的字，尽管比上面所列出的其它字使用频率低。 以上所列的都是最常用的 Forth 字，努力优化它们是值得的。我将给出一个 MC6809 的伪码例子。对于其它的处理器，我将解释特别选择的代码片段。 个案研究 1 ： MC6809在 8 位 CPU 世界中， MC6809 是 Forth 程序员的甜蜜之梦。它支持 2 个堆栈！还有另外 2 个地址寄存器和大量的只有 PDP-11 才有的正交寻址方式。正交的意思是指所有的地址寄存器有相同的选项和相同的工作方式，而两个 8 位累加器可以作为一个单一的 16 位累加器使用，并具有许多 16 位操作指令。 MC6809 的程序员模型是 A - 8 bit 累加器 B - 8 bit 累加器 大多数算术操作以累加作为目的寄存器。它们也可以连接在一起作为一个 16 位的累加器 D （ A 是高 8 位， B 是低 8 位）。 X - 16 位索引寄存器 Y - 16 位索寄存器 S - 16 位堆栈指针 U - 16 位堆栈指针 所有用于 X 和 Y 寄存器的寻址模式也可以用于 S 和 U 寄存器。 PC - 16 位程序计数器 CC - 8 位条件标志寄存器 DP - 8 位直接页访问寄存器 MC6800 系列的直接寻址模式可以使用一个 8 位寄存器访问零页存储器的任何位置。 MC6809 允许对任何页进行直接寻址。DP 寄存器提供高 8 位地址（页地址）。 有 2 个堆栈指针可供 Forth 使用，它们是等效的，但 CPU 设计者把 S 用于子程序调用和中断。为一致起见，我们把 S 作为返回栈， U 作为参数栈。 W 和 IP 都要求使用地址寄存器，它们逻辑上用于 X 和 Y 寄存器，我们可以任意指定： X => W 而 Y => IP 。 现在来选择一个串线模型。我简单地舍弃 STC 和 TTC ，构造一个“传统”的 Forth 。性能上的限制因素是 NEXT 子程序。让我们先看看它的 ITC 和 DTC 实现： ITC-NEXT:
DTC-NEXT:
NEXT 在 DTC 的 MC6809 中只有一条指令！这就意味着你可以用 2 个字节的内嵌编码，比 JMP NEXT 又快又好。作为比较，子程序串线是这样的：
STC 花费 13 个周期用于串线下的一个字，而 DTC 只需要 9 个周期。这是由于子程序串线需要将返回地址弹出和压栈，而 CODE 字却不需要。 决定了使用 DTC 之后，你还有两个选择：高级定义字在它的代码域中使用 JMP 还是 CALL ？决定的因素是我们如何能更快地得到后面的参数域地址。让我们注意一个冒号定义的 ENTER 编码： 如果使用 JSR (Call):
... ENTER:
以上总计 37 个周期 如果使用 JMP:
ENTER:
以上总计 31 个周期 因为 MC6809 的寻址模式允许另外一级的间接，所以 6809 的 NEXT 不使用 W 寄存器。 ENTER 的 JMP 版本必须再次读取代码域的地址 -- NEXT 没有在任何寄存器中留下这个地址。 JSR 可以通过弹出返回栈直接得到参数域地址。所以， JMP 版本更快。 不论哪一种方式， EXIT 都是一样的： EXIT:
有些寄存器尚未分配。你可以把用户指针放到存储器中，这样的 Forth 也运行得很好。不过 DP 寄存器就浪费了，而 DP 也没有什么其它的用处。让我们使用一个“技巧”来实现，我们把 UP 的高位搬到 DP 中（它的低字节是 0 ）。 还有一个没有使用的寄存器 D 寄存器，许多算术操作需要这个寄存器。它应该自由地作为一个可随意使用的寄存器呢？还是应该作为栈顶元素呢？ MC6809 使用存储器作为一个操作数，所以并不需要第二个工作寄存器。如果临时需要寄存器，把 D 压入和弹出也很容易。 所以我们只能对两种方式编写测试程序，看看哪个更快。 NEXT 、 ENTER 和 EXIT 不使用堆栈，在各种情况下的代码都是一样的。 DOVAR 、 DOCON 和 LIT 在两种情况下所用的时钟周期数相同。这就解释了我们以前谈到的把 TOS 放到寄存器中仅仅改变 PUSH 或者 POP 的位置： SWAP 、 ROT 、 0= 、 @ 特别是 + 通过把 TOS 放到寄存器中而加快 : 但是， ! 和 +! 却由于 TOS 放到寄存器中而变慢 : 这些字变慢的原因是许多访问存储器的 Forth 字希望地址在栈顶，所以需要一个额外的 FTR 指令。这就是为什么 TOS 寄存器必须是一个地址寄存器。不幸的是， MC6809 的地址寄存器都用于更重要的 W 、 IP 、 PSP 和 RSP 了。不过，把 TOS 放到寄存器中对于 ! 和 !+ 的损失可以通过许多算术和堆栈操作运行速度的提高而得到弥补。 个案研究 2 ： 8051如果说 MC6809 是 Forth 系统实现者的美梦，那 Intel 8051 简直就是 Forth 实现者的恶梦了。它只有一个通用的地址寄存器，一种寻址模式，总是使用一个 8 位累加器。 所有的算术操作、许多的逻辑操作都必须使用累加器。一个唯一的 16 位操作是 INC DPTR 。硬件堆栈必须使用 128 字节的片内寄存器文件，这样的 CPU 简直就是一堆破铜烂铁! 有些 8051 Forth 实现了一个 16 位的 Forth ，但是它们太慢而不能满足我们的要求。让我们进行某些权衡，以产生一个更快的 8051 Forth 系统。 我们最初的想法是利用那个唯一的地址寄存器。所以我们用 8051 的程序计数器作为 IP -- 也就是说，我们构造一个子程序串线的 Forth 系统。如果编译器在所有可能的情况下都使用 2 字节的 ACALL 代替 3 字节的 LCALL ，多数的 STC 代码将和 ITC/STC 一样小。 子程序串线意味着返回栈指针就是硬件堆栈指针。片上寄存器文件共有 64 个单元空间，但是这些空间并不足以支持多任务堆栈。面对这种情况下你可以考虑以下几个策略： • 限制这个 Forth 系统为单任务系统； • 在所有的 Forth 定义入口处把返回地址保存到一个外部 RAM 软件堆栈中； • 在任务切换的时候把全部返回栈的内容保存到外部 RAM 中。 第二种方法是最慢的！在每个任务切换的时候移动 128 个字节比在每个 Forth 字中移动两个字节要快得多。现在我选择 1 ，而将选择 3 留作以后扩充。 唯一一个真正的地址寄存器 DPTR 将要担负多种使命。它就是 W ，多用途的工作寄存器。 实际上，还有两个寄存器可以寻址外部存储器： R0 和 R1 。它们仅仅提供 8 位地址，高 8 位将显式地输出到口 2 上。但是对于堆栈，这是一个可以容忍的限制，因为我们可以把堆栈限制在 256 字节空间。所以我们使用 R0 作为 PSP 。 同样的 256 字节可以用于用户数据区，这使得 P2 （口 2 ）成为用户指针的高字节，像 MC6809 一样，而低字节隐含是 0. 于是 8051 的程序员模型就变成了： 寄存器地址 8051 名字 Forth 使用
在子程序串线的 Forth 系统中，不需要 NEXT、ENTER 和 EXIT 。 如何处理栈顶元素呢？在 8051 中，有许多的寄存器，而存储器操作却非常昂贵。我们把 TOS 放到 R3:R2 中（按 INTEL 格式，R3 是高字节）。注意，我们不能使用 B:A 寄存器对 -- A 寄存器是一个漏斗，所有的寄存器引用都要通过它进行。 8051 采用了“哈佛”体系结构：程序和数据在分开的存储器中存放。（Z8 和 TMS320 是哈佛体系结构的另外两个例子）。但 8051 使用的是一种“野蛮”的退化形式：软件没有办法从物理上向程序存储器写，这就意味着 Forth 的开发者只能使用下述两个方式： • 交叉编译全部程序，包括应用程序，放弃实现一个 8051 交互式 Forth 的努力； • 使一部分或者全部的程序存储器在数据空间可见，最简单的办法就是使这两个空间完全覆盖。 相比 Z8 和 TMS320 就比较文明，它们允许向程序存储器写入。Forth 内核的具体实现将在以后讨论。 个案研究 3 ： Z80选择讨论 Z80 是因为它是非正交 CPU 的一个极端例子，它有 4 个不同种类的地址寄存器，有些操作使用寄存器 A 作为目的寄存器，有些则可以是任意的8位寄存器，有些是 HL 寄存器对，有些则可以是任意的16位寄存器，等等。有些操作（比如 EX DE, HL ）却只允许一种寄存器组合。 在 Z80 这类的 CPU 中（或者同样在 8086 中）， Forth 功能的指定必须仔细匹配 CPU 寄存器的能力。许多方案需要评估，而唯一的办法常常就是对不同的决策方案编写各种代码进行测试。为了避免本文变成为一堆“代码列表”，我选择了基于许多 Z80 编码经验的一种寄存器指定，它说明了这些选择可以合理地解释早期讨论的一般原理。 我希望得到一个传统的 Forth ，尽管我使用了直接串线技术。我需要全部的“经典”虚拟寄存器。 忽略其它的寄存器集， Z80 的6个地址寄存器具有下列能力： • BC,DE - LD A 间接 , INC, DEC 也交换 DE/HL • HL - LD r 间接 , ALU 间接 , INC, DEC, ADD, ADC, SBC, 交换 W/TOS, JP 间接 • IX,IY - LD r 间接 , ALU 间接 , INC, DEC, ADD, ADC,SBC, 交换 W/TOS, JP 间接 ( 全都很慢 ) • SP - PUSH/POP 16 位 , ADD/ADC/SUB to HL/IX/IY BC, DE, 和 HL 也可以作为位寄存器对来处理。 8 位寄存器 A 必须留作临时寄存器，因为许多 ALU 操作和存储器引用操作都使用它作为目的。 HL 无疑是最通用的寄存器，可以逐个试着用它作为每个虚拟寄存器。然而，由于它的通用性 -- 它是唯一可以读取字格式和支持间接跳转的寄存器 -- HL 应该作为 Forth 的通用工作寄存器 W 。 由于 IX 、 IY 都有索引寻址模式并可用 ALU 操作，所以可以考虑用它们作为堆栈指针 。但是它们有两个主要的问题：通用的堆栈指针 SP 寄存器没有用，而 IX/IY 却特别慢！ 在 Forth 的两个栈上都有许多 16 位的 PUSH / POP 类操作，对于 SP 来说，这些操作只需要一条指令，而 IX 或者 IY 操作却需要 4 条指令。所以两个堆栈之一应该用 SP 实现，这应该是参数栈，因为它的使用频率比返回栈要高。 如何考虑 Forth 的 IP 寄存器呢？在大多数情况下， IP 都是从存储器读取并且自动增量的，使用 IX/IY 作为 IP 不会比使用 BC/DE 有任何编程上的好处，考虑 IP 的速度，使用 BC/DE 对却更快。让我们把 IP 放到 DE 中：它可以与 HL 的内容交换，而后者是通用的。 需要第二个 Z80 寄存器对（不是 W ）进行 16 位的算术运算。现在只有 BC 了，它可以用于寻址或者与 A 进行 ALU 操作。但是，我们是用 BC 作为第二个工作寄存器“X”、还是作为栈顶元素呢？只有编码才能得到结论。现在，让我们乐观地假定 BC = TOS 。 只剩下 RSP 和 UP 了，还有 IX 和 IY 寄存器没有分配。 IX 和 IY 是等效的，我们设 IX = RSP , IY = UP 。 于是， Z80 Forth 系统的寄存器分配如下 BC = TOS IX = RSP DE = IP IY = UP HL = W SP = PSP 现在让我们看看 DTC 的 Forth 系统 NEXT 编码： DTC-NEXT:
还可以有其它的版本（具有同样的时钟周期） DTC-NEXT:
NEXT-HL:
JP (HL) (4) 转到 W 中的地址 注意单元是以低位字节优先的方式存放在存储器中的。同样，尽管看起来把 IP 保存在 HL 寄存器中有许多好处，但实际上却没有。这是由于 Z80 不能进行 JP (DE) 。 NEXT-HL 进入将更短一些。 仅仅用于比较，让我们看一下 ITC NEXT 。以前给出的伪代码需要另一个临时寄存器“X”，它的内容用于间接跳转。令 DE = X, BC = IP, TOS 保存在存储器中。 ITC-NEXT:
这就把“W”加 1 并放到在 DE 寄存器中了。只要这是一致的，就不会有任何问题 -- 代码知道在需要 W 的内容时如何去找到它，以及如何调整它。 ITC 的 NEXT 是 11 个同期， DTC 是 7 个同期。 ITC 没有将 TOS 保存在寄存器中的能力，所以我选择 DTC 。 如果使用内嵌编码， DTC NEXT 在每个 CODE 字中需要 7 个字节。一个直接跳转到 NEXT 的子程序只需要 3 个字节，但需要附加 10 个时钟周期，这是一个特别的例子，我们选择的是内嵌方式的 NEXT 。但有时 NEXT 特别大，或者存储器很小，更谨慎的决策可能是使用 JMP 到 NEXT 。 现在让我们来看 ENTER 的代码。使用一个 CALL ，可以弹出硬件堆栈以得到参数域地址：
ENTER:
实际上这比 POP HL 快，然而使用最后的 6 个指令（不用 EXDE ， HL ）：
ENTER:
总计 119 个周期 当使用 JP 时， W 寄存器（ HL ）依然指向代码域。代码域是其后的 3 个字节： JP ENTER (10) ... ENTER:
总计 120 个周期 由于改变了 NEXT 的入口， IP 的新值就不必放入 DE 寄存器对了。 CALL 版本快了 1 个周期。在嵌入式系统应用 Z80 时，我们还可以使用单字节的 RST 指令来得到速度和空间的双重收益，但是在基于 Z80 的个人计算机上，这个策略并不可用（操作系统使用了这个特性，即操作系统的系统调用是通过这个接口进入的）。 个案研究 4 ： INTEL 8086Intel 的 8086 是另一个有教育意义的 CPU 。我们不再详细讨论设计过程，只是看一个新的用于 PC 的共享软件： Pygmy Forth [SER90]. Pygmy 是一个直接串线的 Forth 系统，栈顶元素保存在寄存器中。 8086 寄存器是这样安排的： AX = W DI = scratch BX = TOS SI = IP CX = scratch BP = RSP DX = scratch SP = PSP 许多 8086 Forth 系统的实现使用 SI 寄存器作为 IP ，所以 NEXT 可以通过 LODSW 指令实现。在 Pygmy 的 DTC 实现中， NEXT 是这样的： NEXT:
这已经小得足以嵌入到每个 CODE 字中了 。 高级“定义” Forth 字使用一个 JMP （相对）指令转向它们的机器码。 ENTER 子程序（在 Pygmy 中称为 'docol' ）因此需要从 W 中得到参数域地址。 ENTER:
注意交换两个堆栈指针的 XCHG 用法，这允许对两个堆栈都使用 PUSH 和 POP 指令，这比使用基于 BP 的直接寻址指令要快。 EXIT:
段模型Pygmy Forth 是一个单段的 Forth 系统，所有的代码和数据都在一个 64K 字节的段中， 这相当于 Turbo C 的紧缩模式。到目前为止，我们讨论的 Forth 标准都假设所有的东西全部包含在单一的存储器地址空间，使用同样的读写操作符。然而， IMP PC Forth 开始使用多个段来处理 5 种不同的数据，它们是：
这就允许 PC 机上的 Forth 突破 64K 字节的段限制，而又不需要在一个 16 位的 CPU 上实现一个 32 位的 Forth 系统。但是，实现一个多段的模型、分支到 Forth 核心等等内容已经远远超出了本文的讨论范围。 参考文献[KEL92] Kelly, Guy M., "Forth Systems Comparisons," Forth Dimensions XIII:6 (Mar/Apr 1992). Also published in the 1991 FORML Conference Proceedings . Both available from the Forth Interest Group, P.O. Box 2154, Oakland, CA 94621. Illustrates design tradeoffs of many 8086 Forths with code fragments and benchmarks -- highly recommended! [MOT83] Motorola Inc., 8-Bit Microprocessor and Peripheral Data , Motorola data book (1983). [SIG92] Signetics Inc., 80C51-Based 8-Bit Microcontrollers , Signetics data book (1992). Forth 实现[PAY90] Payne, William H., Embedded Controller FORTH for the 8051 Family , Academic Press (1990), ISBN 0-12-547570-5. This is a complete "kit" for a 8051 Forth, including a metacompiler for the IBM PC. Hardcopy only; files can be downloaded from GEnie. Not for the novice! [SER90] Sergeant, Frank, Pygmy Forth for the IBM PC , version 1.3 (1990). Distributed by the author, available from the Forth Interest Group. Version 1.4 is now available on GEnie, and worth the extra effort to obtain. [SEY89] Seywerd, H., Elehew, W. R., and Caven, P., LOVE-83Forth for the IBM PC , version 1.20 (1989). A shareware Forth using a five-segment model. Contact Seywerd Associates, 265 Scarboro Cres., Scarborough, Ontario M1M 2J7 Canada.
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