Forth 系统实现

第四部分 汇编器还是 META 编译器

撰写本文的过程贯穿着一个指导思想：“保持最短”。本着这个原则，我把源程序列表安排到另外的地方，对此我表示歉意。现在，我们主要试图讨论以下话题：

你如何开始构造一个 Forth 系统？

你现在已经知道了，主要的 Forth 程序代码是高级串线，它们通常被编译成一系列地址。在 FIG-Forth 时代和早期的 Forth 实践中，汇编语言是唯一可用的程序设计语言工具。汇编语言对于编写 Forth 的 CODE 字是非常好的，但是高级串线必须用一系列的 DW 伪指令来编写。例如， Forth 字：

: MAX ( n n - n) OVER OVER < IF SWAP THEN DROP ;

必须写成

DW OVER,OVER,LESS,ZBRAN

DW MAX2-$

DW SWAP

MAX2: DW DROP,SEMIS

后来，由于可以实际工作的 Forth 系统越来越普及， Forth 编写者开始把 Forth 编译器修改成为交叉编译器，通过运行在 CP/M （或者苹果 II ，或者其它任何什么微机系统）的 Forth 系统，你就可以为其它 CPU 编写 Forth 程序、更改 Forth 系统或者为那个 CPU 编写一个全新的 Forth 系统。

由于是从 Forth 内部创建一个全新的 Forth 系统，这种编译器被称为“META 编译器”。计算机科学的学究们反对这样的称谓，所以有些 Forth 编写者仍然使用“交叉编译”和“重新编译”的术语，这两个术语之间的差异是：“重新编译”只能为相同的 CPU 产生新的 Forth 系统。

现在大多数 PC 机上的 Forth 都是通过 META 编译产生的，但是，在嵌入式系统领域却产生了意见分歧。

使用汇编器编写 Forth 系统的观点认为：

•  META 编译器神秘难懂，你必须完全理解一个 META 编译器然后才能使用它；

•  一般的程序员都懂得汇编器；

•  汇编器对于一个新的 CPU 总是可用的；

•  汇编器处理许多优化（比如长短调用格式）；

•  汇编器处理前向引用和特殊的寻址模式，而许多 META 编译器通常不能做到；

•  汇编程序员可以使用熟悉的编辑器和调试工具；

•  代码的产生是完全可见的，没有向程序员“隐藏”任何东西；

•  改变 Forth 模型非常容易，而许多设计的考虑却影响 META 编译器的内部；

使用 META 编译器的观点认为：

•  你是在编写“正常”的 Forth 代码，它当然易于阅读和调试；

•  一但你理解了你的 META 编译器，你就可以很容易地把它移植到新的 CPU 上 ;

•  你需要的唯一工具就是你的计算机上的 Forth 系统；这一点对于没有 PC 的人特别实用，因为现在的许多交叉汇编器要求 PC 机或者工作站。

我用各种方式编写过几个 Forth 系统，所以要作出选择是很痛苦的。我倾向于使用 META 编译器：我发现 Forth 的 MAX 代码比等效的汇编代码易读、易懂。反对使用 META 编译器的观点许多已经被现代的“专业”编译器所克服，如果你使用 Forth 工作，我强烈建议你考虑一个商业化产品。唉，公共的 META 编译器（包括我自己的）依然落后于时代，笨拙同时神秘。

所以我准备为 Forth 程序员提供基本的材料，告诉你作出自己的选择。我将给出 META 形式的MC6809 代码，为 F83 （ IBM PC CP/M ST ）提供 META 编译器。 Z80 代码将使用 CP/M 汇编器写成。 8051 代码使用公共的 PC 交叉汇编器编写。

使用 C 语言编写 Forth 系统？

如果不讨论“用C语言编写 Forth 系统”这个新的方法，本文就将是不完全的。 C 语言比汇编器具有更好的可移植性 -- 理论上，你所要作的全部工作就是为任何 CPU 重新编译相同的代码。

这种方法的缺点是：

•  在设计决策选择上更缺少灵活性；比如，不可能实现直接串线编码，也不可能优化寄存器的分配；

•  增加原语之后，你必须重新编译 C 源代码；

•  某些 C 语言实现的 Forth 使用了效率很低的串线技术，比如多个 CASE 语句；

•  大多数 C 编译器产生的代码比汇编语言程序员的代码低效；

但是对于那些 UNIX 系统和不支持汇编语言编程的 RISC 工作站来说，这却是 Forth 得以运行的唯一方法。最完全和广泛使用的公共域 C 语言 Forth 系统是 TILE 。如果你没有运行 UNIX 系统，你可以看一下文件 HENCE4TH_1.2.A 。

为了继续以前的比较，还是先来看看 HENCE4TH 的 MAX 定义。为了清楚起见，我略去了字典头：

_max()

{

OVER OVER LESS IF SWAP ENDIF DROP

}

不使用汇编器，用 C 语言编写核心 CODE 定义，比如，这是 HENCE4TH 的 SWAP 定义：

_swap()

{

register cell i = *(dsp);

*(dsp) = *(dsp + 1);

*(dsp + 1) = i;

}

请注意：用 C 编写 Forth 字有非常不同的技术，所以这些字在 CForth 和 TILE 中可能差异非常大。

在 MC68000 或者 SPARC 工作站上，这样的编码可以产生非常好的代码。不过，一但你计划用 C 来实现 Forth ，你也需要理解用汇编语言实现 Forth 是怎样工作的。所以请继续阅读本文。

参考文献

[CAS80] Cassady, John J., METAForth: A Metacompiler for Fig- Forth , Forth Interest Group (1980).

[MIS90] HenceForth in C , Version 1.2, distributed by The Missing Link, 975 East Ave. Suite 112, Chico, CA 95926, USA (1990). This is a shareware product available from the GEnie Forth Roundtable.

[ROD91] Rodriguez, B.J., letter to the editor, Forth Dimensions XIII:3 (Sep/Oct 1991), p.5.

[ROD92] Rodriguez, B.J., "Principles of Metacompilation," Forth Dimensions XIV:3 (Sep/Oct 1992), XIV:4 (Nov/Dec 1992), and XIV:5 (Jan/Feb 1993). Note that the published code is for a fig-Forth variant and not F83. The F83 version is on GEnie as CHROMIUM.ZIP

[SER91] Sergeant, Frank, "Metacompilation Made Easy," Forth Dimensions XII:6 (Mar/Apr 1991).

[TAL80] Talbot, R.J., fig-Forth for 6809 , Forth Interest Group, P.O. Box 2154, Oakland, CA 94621 (1980).

[TIN91] Ting, C.H., "How Metacompilation Stops the Growth Rate of Forth Programmers," Forth Dimensions XIII:1 (May/Jun 1991), p.17.