Forth

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Forth jest językiem programowania wysokiego poziomu, lecz równocześnie należy do kategorii języków tzw. bliskich sprzętowi, czasem (potocznie) używa się określenia asemblerowy język programowania wysokiego poziomu.

Charakterystyka języka Forth[edytuj | edytuj kod]

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 języku 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[edytuj | edytuj kod]

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

  • definiowania,
  • wykonywania.

Jeżeli system języka Forth znajduje się w stanie wykonywania, wprowadzane słowa są natychmiast interpretowane i wykonywane. Wśród słów języka Forth znajdują się słowa, tzw. kompilatory (w nomenklaturze języka 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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Pojęcie kompilatora w Forth[edytuj | edytuj kod]

Kompilatorem (w nomenklaturze języka 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 język 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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

Definicja nowego kompilatora ma postać:

 : nazwa
     <BUILDS
         słowa kompilujące
     DOES>
         słowa wykonawcze
 ;

Instrukcje strukturalne[edytuj | edytuj kod]

Wprowadzenie[edytuj | edytuj kod]

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

Standardowe instrukcje strukturalne[edytuj | edytuj kod]

 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
 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
 BEGIN
   instrukcje
 AGAIN

Definiowanie własnych instrukcji strukturalnych[edytuj | edytuj kod]

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

Stosy w systemie języka Forth[edytuj | edytuj kod]

System języka Forth posługuje się dwoma stosami:

  • stosem parametrów,
  • stosem powrotów.

Stos parametrów[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  1. Jan Ruszczyc, Poznajemy FORTH, SOETO Warszawa 1987 r., Seria: Informatyka mikrokomputerowa
  2. Jan Bielecki, Język FORTH, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1988, Seria: Mikrokomputery, ISBN 83-204-0930-6
  3. Roland Wacławek, Przewodnik po informatyce, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1989, ISBN 83-02-03482-7
  4. 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

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]