Forth (język programowania)

Forth – językiem programowania wysokiego poziomu, należący jednocześnie do kategorii języków tzw. bliskich sprzętowi, czasem (potocznie) używa się określenia asemblerowy język programowania wysokiego poziomu.

Charakterystyka języka Forth

Do cech charakterystycznych tego języka należą:

• natychmiastowa interpretacja wprowadzonych słów,
• natychmiastowa kompilacja definicji nowych słów,
• wykonywanie operacji za pośrednictwem stosu,
• zapis wyrażeń arytmetycznych w odwrotnej notacji polskiej.

Specyfika języka sprawia, że jest to język dla specjalistów, głównie z dziedziny automatyki. Jego główne zastosowania to systemy czasu rzeczywistego i sterowanie urządzeniami.

Twórcą języka jest Amerykanin Charles H. Moore, który stworzył pod koniec lat 60. pierwszą jego implementację.

Program napisany w Forth składa się z sekwencji słów rozdzielonych separatorami (jeden ze znaków: spacja, znak o kodzie zero #0, powrót karetki #13). Słowa pamiętane są w słowniku, w którym można tworzyć podsłowniki i dowolnie je rozszerzać (aż do granic możliwości systemu komputerowego). Nowo definiowane słowa są natychmiast kompilowane i gotowe do użycia.

Specyfika tego języka prowadzi do programowania od dołu do góry (od szczegółu do ogółu).

Interpreter i kompilator

W trakcie swojego działania interpreter języka może znajdować się w jednym ze stanów:

• definiowania,
• wykonywania.

Jeżeli Forth znajduje się w stanie wykonywania, wprowadzane słowa są natychmiast interpretowane i wykonywane. Wśród słów języka Forth znajdują się słowa, tzw. kompilatory (w nomenklaturze Forth), standardowe (np. „:”, „CONSTANT”) lub zdefiniowane przez programistę, które powodują przejście systemu w stan definiowana. W tym stanie kolejne słowa są traktowane jako część definicji nowego – właśnie definiowanego – słowa, aż do napotkania słowa kończącego definicję (standardowo „;”). Taka definicja podlega kompilacji, a nowo zdefiniowane słowo umieszczone zostaje w słowniku.

Słowa

Słowa języka mogą należeć do kategorii:

• operatorów biernych,
• operatorów czynnych (które wykonywane są także wtedy, gdy interpreter znajduje się w stanie definiowania, chyba że programista użyje słowa, które spowoduje umieszczenie w polu nowej definicji adresu tego operatora zamiast jego wykonanie).

Kompilatory

Pojęcie kompilatora w Forth

Kompilatorem (w nomenklaturze Forth), nazywa się słowo, które powoduje przejście systemu Forth w stan definiowania, zinterpretowanie najbliższego słowa jako nazwy nowego operatora (słowa języka Forth) i w konsekwencji skompilowanie kolejnych słów zawartych w aktualnie przetwarzanej definicji według zadanych (zawartych w definicji kompilatora) instrukcji oraz umieszczenie nowego słowa w słowniku (ewentualnie w podsłowniku).

W Forth wbudowane są standardowe kompilatory, takie między innymi jak: „:” – podstawowy kompilator operatorów, „CONSTANT” – definiowanie stałych i inne. Programista ma także możliwość definiowania własnych kompilatorów.

 ( POTEGA 3; a -- b )
 : POW DUP DUP * * ;
 5 POW

Zdefiniowano operator bierny POW, który jest podprogramem w rozumieniu „tradycyjnych” języków programowania – podniesienie do 3 potęgi, który zostaje skompilowany i umieszczony w słowniku. Po tej operacji może być używany tak jak słowa standardowe. Umieszczenie na stosie liczby 5 (w stanie wykonywania) i wykonanie operatora POW powoduje umieszczenie na stosie wyniku operacji (5*5*5). Podprogram taki nie definiuje parametrów, pobiera po prostu określoną w jego definicji liczbę argumentów ze stosu. Często stosowaną konwencją jest umieszczenie w komentarzu opisu parametru (liczby pobieranych argumentów) i zwracanych na stos wartości (ich liczby). W powyższym przykładzie, określono jeden parametr „a” (nazwa nieistotna) i jedną wartość stanowiącą rezultat „b” (nazwa nieistotna) podprogramu.

Kompilatory standardowe

Język Forth posiada zdefiniowane kompilatory standardowe:

• CONSTANT nazwa (a --): definicja operatora (słowa o właściwościach stałej) o nazwie jak najbliższe słowo wejściowe nazwa i wartości a pobranej ze stosu,
• VARIABLE nazwa (a --): definicja operatora (słowa o właściwościach zmiennej) o nazwie jak najbliższe słowo wejściowe nazwa i wartości a pobranej ze stosu; wykonanie operatora powoduje umieszczenie adresu danej na stosie,

  nazwa słowa_definiujące ; (--): utworzenie operatorów, które można przez analogię porównać do podprogramu w językach programowania ogólnego przeznaczenia,

• USER: podstawowy kompilator niskopoziomowy, wiele słów standarodwych jest utworzonych za pomocą tego kompilatora,
• VOCABULARY: utworzenie słownika.

Definiowanie kompilatorów

Definicja nowego kompilatora ma postać:

nazwa

     <BUILDS
         słowa kompilujące
     DOES>
         słowa wykonawcze

Instrukcje strukturalne

Wprowadzenie

Forth posiada, jak większość języków programowania wysokiego poziomu, zestaw standardowych instrukcji strukturalnych umożliwiających programowanie złożonych problemów i algorytmów. Jednak jego znamienną cechą jest rozszerzalność przejawiająca się m.in. możliwością definiowania własnych, nowych instrukcji strukturalnych.

Standardowe instrukcje strukturalne

• instrukcja warunkowa

 warunek IF
   instrukcje wykonywane gdy warunek spełniony
 [ELSE
   instrukcje wykonywane gdy warunek nie spełniony]
 THEN | ENDIF

przy czym warunek jest po prostu ciągiem instrukcji języka Forth, a operator IF bada czy na stosie jest wartość różna od zera:

• jeżeli tak to wykonywane są instrukcje wykonywane gdy warunek spełniony,
• jeżeli nie to wykonywane są instrukcje wykonywane gdy warunek nie spełniony lub instrukcje po słowie THEN (lub ENDIF co jest równoważne) jeżeli fraza ELSE została pominięta.

SELECT KEY 10 =

     IF
         +
     ELSE
         *
     THEN;
   2 3 SELECT

• instrukcja iteracyjna

 przed_DO
     DO
         instrukcje
     LOOP | +LOOP
 po_LOOP

Operator DO ustala (na podstawie wartości ze stosu) dwa parametry iteracji: ograniczenie – warunek zakończenia, oraz wartość początkową. Dla słowa LOOP krok wynosi +1, dla +LOOP wartość kroku pobierana jest ze stosu, przy czym może to być wartość ujemna. Cykl wykonywany jest co najmniej jednokrotnie, gdyż sprawdzenie warunku wykonywane jest na końcu. Operator I udostępnia wartość zmiennej sterującej cyklem.

CIAG

   10 2 DO
     I. 2
   +LOOP;
 (wyprowadzenie liczb 2 4 6 8)

• instrukcja repetycyjna

 BEGIN
   przed_WHILE WHILE
   po_WHILE
 REPEAT

Po wykonaniu przed_WHILE operator WHILE sprawdza wartość na stosie, jeżeli jest to zero to kończy instrukcję REPEAT, jeżeli nie to wykonywane jest po_WHILE a operator REPEAT powoduje skok do BEGIN i powtórzenie cyklu.

WAINT_SP

   BEGIN
     KEY 32 = 0= WHILE
   REPEAT

• nieskończona

 BEGIN
   instrukcje
 AGAIN

Definiowanie własnych instrukcji strukturalnych

Język ten umożliwia definiowanie własnych instrukcji strukturalnych przy pomocy operatorów skoków warunkowych i bezwarunkowych 0BRANCH i BRANCH.

Stosy w systemie języka Forth

System Forth posługuje się dwoma stosami:

• stosem parametrów,
• stosem powrotów.

Stos parametrów

Stos parametrów jest to podstawowy element systemu, również dla użytkownika, na którym wykonywane są operacje. Służy przede wszystkim do przekazywania argumentów operacji i przekazywania wyników operacji (podprogramów).

Stos powrotów

Stos powrotów w zasadzie pełni rolę stosu systemowego. Lista operacji podstawowych na stosie powrotów jest dość ograniczona. Do najważniejszych z nich należą:

• >R (a --): przeniesienie danej słowowej a ze stosu parametrów na stos powrotów,
• R> (-- a): umieszczenie danej słowowej a na stosie parametrów ze stosu powrotów,
• R (-- a): skopiowanie danej słowowej a na stosie parametrów ze stosu powrotów,
• RP! (--): usunięcie wszystkich danych ze stosu powrotów,
• RP@ (-- a): umieszczenie na stosie parametrów adresu szczytu stosu powrotów,
• R0 (-- a): umieszczenie na stosie parametrów adresu pustego stosu powrotów (początku).

Jak widać są to głównie operacje sterujące, służące następującym celom (dla których przeznaczony jest stos powrotów):

• przechowywanie śladów wzajemnych wywołań operatorów (podprogramów),
• przechowywanie parametrów instrukcji strukturalnych,
• pomocniczy stos roboczy dla danych,
• chwilowa pamięć podręczna dla użytkownika (programisty),
• inne.

System języka Forth automatycznie wykorzystuje stos powrotów do przechowywania licznika interpretera IP sterującego wywoływaniem kolejnych słów (jako podprogramów).

Słownik

Słownik w języku Forth skupia w sobie wszystkich zdefiniowane i dostępne do użycia słowa. Jest on strukturą drzewiastą, podzieloną na podsłowniki, które mogą być podzielone na kolejne podsłowniki, przy czym główny słownik nosi nazwę FORTH i skupia podstawowe operacje w tym zdefiniowane w kodzie maszynowym. Dodatkowo zwykle definiowane są także:

• EDITOR: słowa dotyczące edytora,
• ASSEMBLER: umożliwiający programowanie hybrydowe.

Zawsze jeden słownik jest słownikiem bieżącym, od którego rozpoczyna się poszukiwanie definicji słowa. Bezpośrednio po uruchomieniu bieżącym jest słownik FORTH. Operacje słownikowe:

• VOCABULARY nazwa IMMEDIATE: zdefiniowanie nowego słownika (w bieżącym słowniku definiowania),
• nazwa: ustalenie bieżącego słownika,
• CONTEXT: zmienna przechowująca odniesienie do bieżącego słownika,
• nazwa DEFINITIONS: zmiana słownika definiowania,
• CURRENT: zawiera odniesienie do bieżącego słownika definiowania.

Należy zauważyć, że przy takiej organizacji można definiować wielokrotnie to samo słowo w różnych słownikach w różny sposób, a to, która definicja zostanie użyta, zdeterminowane będzie kolejnością przeszukiwania słowników. Można to uznać za rodzaj przeciążania nazw.

Zobacz też

• Podprogram w języku Forth
• Język Forth jako system operacyjny

Bibliografia

• Jan Ruszczyc, Poznajemy FORTH, SOETO Warszawa 1987 r., Seria: Informatyka mikrokomputerowa
• Jan Bielecki, Język FORTH, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988, Seria: Mikrokomputery, ISBN 83-204-0930-6.
• Roland Wacławek, Przewodnik po informatyce, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1989, ISBN 83-02-03482-7.
• Mike Duck, Języki mikrokomputerów. Przewodnik dla początkujących. Basic, Pascal, Logo, Prolog, Comal, Forth, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988, tłumaczenie: Marcin Turski, ISBN 83-204-0966-7.