Der TI-84+ CE Taschenrechner ist seit Jahren ein beliebtes Gerät unter Studierenden, Wissenschaftlern und Programmierern, die gerne kleine Softwareprojekte erstellen. Obwohl der Rechner ursprünglich für einfache mathematische Berechnungen konzipiert wurde, bietet seine Hardware und das vorhandene Toolchain-Paket mittlerweile Möglichkeiten, komplexere Programme zu entwickeln. Ein besonders spannender Ansatz ist dabei die Kompilierung von OCaml-Code auf dieses Gerät – eine Kombination aus funktionaler Programmierung und minimalistischer Hardware. OCaml ist eine funktionale Programmiersprache, die vor allem durch ihre klare Syntax und mächtige Typisierung hervorsticht. Als vergleichsweise Nischensprache wird OCaml vor allem in akademischen und spezialisierten Bereichen geschätzt.
Die Vorstellung, OCaml-Programme auf einem Taschenrechner laufen zu lassen, klingt zunächst ungewöhnlich, birgt jedoch viele interessante Einsichten in Compiler-Technologien und die Integration exotischer Sprachen auf eingeschränkten Systemen. Anfangs war das Programmieren auf dem TI-84+ CE nur durch wenige Sprachen realisierbar, meistens in C oder Maschinencode für den z80-Prozessor. Mit der Zeit haben sich jedoch neue Toolchains etabliert, die LLVM verwenden, um Programme in C, C++, Rust oder Zig kompilierbar zu machen. OCaml hingegen war bislang nicht vertreten, was eine Lücke darstellte, die nun geschlossen wird. Die Herausforderung besteht darin, OCaml-Code so zu kompilieren, dass er im Rahmen der limitierten Hardware Ressourcen des Taschenrechners läuft.
OCaml-Compiler bieten bisher native Backends für x86, ARM und PowerPC, daneben eine Bytecode-Variante, die jedoch wenig dokumentiert und nicht für Embedded Systeme gedacht ist. Ein Kernproblem bei der Portierung von OCaml auf solche Systeme ist die Größe des Laufzeitsystems und die Ressourcenintensität, insbesondere aufgrund des Garbage Collectors und extrem großen Laufzeitbibliotheken, die schlecht für Geräte mit nur 256 Kilobyte RAM geeignet sind. Die Idee einer komplett portablen Lösung beruht auf der Erzeugung eines einzigen ANSI-C-Quellcodes, der anschließend mit dem vorhandenen TI-84+ CE C-Compiler kompatibel ist. Dies erlaubt, ein OCaml-Programm mittels unkomplizierter C Toolchains zu kompilieren, ohne komplexe native Backends anzupassen. Solche Ansätze sind nicht neu: ocamlcc transformiert OCaml-Bytecode in C-Code, und OMicroB zielt auf kleine Geräte ab, indem es Bytecode optimiert und eine kleine virtuelle Maschine verwendet.
Allerdings verfolgt dieses Projekt einen anderen Weg, bei dem der Fokus klar auf Portabilität, Kompatibilität mit dem OCaml-Buildsystem und der geringen Speichergröße liegt – Effizienz und Performance treten dabei zugunsten dieser pragmatischen Zielsetzung etwas zurück. Ein bewährtes Hilfsmittel ist die Nutzung von js_of_ocaml, einem Werkzeug, das OCaml-Bytecode in JavaScript übersetzt und dabei zahlreiche Webprojekte unterstützt. Dort wird OCaml vorerst zu Bytecode kompiliert, der dann von js_of_ocaml optimiert und zu JavaScript transformiert wird. Die zentrale Innovation ist nun, einen neuen Backend-Generator zu entwickeln, der nicht JavaScript, sondern C-Code erzeugt. Viele JavaScript-Konstrukte besitzen eine einfache Entsprechung in C, sodass sich die existierende Backend-Implementierung als Grundlage nutzen und relativ leicht modifizieren lässt.
Dadurch kann man auf bewährte Optimierungen, wie Dead Code Elimination, zurückgreifen, ohne diese neu implementieren zu müssen. Die größte technische Hürde bei der C-Backend-Erstellung ist die Implementierung des Garbage Collectors. Im Gegensatz zu nativen OCaml-Compilern, die CPU-Register und Stack durchscannen können, um lebende Objekte zu identifizieren, ist ein solches Verfahren in einem portablen C-Code nicht zuverlässig möglich. Deshalb verfolgt das Projekt einen anderen Ansatz: Es werden alle lokalen Variablen nicht direkt auf dem Stack, sondern in einem globalen Speicher gestapelt, der explizit verwaltet wird. So kann der Garbage Collector beim Sammeln einfach diese globale Struktur scannen und somit alle noch vorhandenen Objekte identifizieren.
Gleichzeitig erlaubt dieser Mechanismus, die Speicherbelegung exakt zu verfolgen und bei Bedarf Speicher freizugeben, um dem strikten Speicherlimit von 256 Kilobyte auf dem TI-84+ CE Rechnung zu tragen. Die Mark-and-Sweep-Garbage-Collection läuft dabei in mehreren Phasen ab: Zunächst wird der globale Stack von lokalen Variablen analysiert. Gefundene Zeiger auf OCaml-Objekte werden markiert. Recursiv werden alle weiteren auf diese Objekte zeigenden Referenzen verfolgt und markiert. Abschließend wird unmarkierter Speicher freigegeben.
Um den Speicherverbrauch einzuschränken und gleichzeitig die Programmstabilität zu gewährleisten, wird vor jeder Speicherallokation geprüft, ob die verfügbaren Ressourcen überschritten würden – entweder durch Erreichen der maximalen Speichergrenze oder durch Überschreitung eines definierten Schwellenwerts basierend auf der zuletzt gesammelten Speichermenge. Rein funktional betrachtet ist das Resultat dieser Architektur ein tragfähiges Laufzeitsystem, das OCaml-Programme auch auf stark eingeschränkter Hardware ausführen kann. Um die Anwendungsnützlichkeit zu erweitern, bietet das System Schnittstellen zu nativen Funktionen, welche die Calculator-spezifische Funktionalität bereitstellen. In OCaml können diese als externe Funktionen deklariert werden und werden dann vom in C geschriebenen Laufzeitsystem implementiert. Somit ist es möglich, einfache Grafikbefehle zu schreiben, etwa für das Zeichnen auf dem Display des Taschenrechners, was die Entwicklung kleiner Spiele oder interaktiver Anwendungen ermöglicht.
Dank der Integration in das OCaml-Buildsystem Dune ist die Entwicklung komfortabel. So können Entwickler mit Editor-Support und nativen OCaml-Werkzeugen arbeiten und mittels einfacher Kommandozeilenbefehle Programme erstellen, die sich direkt für den TI-84+ CE kompilieren und testen lassen. Dabei wird ein großer Vorteil von js_of_ocaml effektiv ausgenutzt: Die starke Unterstützung durch Dead Code Elimination ermöglicht es, den generierten Code so klein wie möglich zu halten, was bei der beschränkten Speicherkapazität des Taschenrechners unerlässlich ist. Das Projekt hat zwar Einschränkungen – derzeit werden viele fortgeschrittene OCaml-Features, wie Fließkommazahlen, Ausnahmen oder komplexe Datentypen, nicht unterstützt. Beispielsweise verwendet die Demo eines rotierenden Würfels feste Punktzahlen mit 24-Bit-Registern, um Fließkommaoperationen zu umgehen.
Dennoch demonstriert das Vorhaben eindrucksvoll das Potenzial, funktionale Programmiersprachen auf ungewöhnliche Plattformen zu portieren, und eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich Embedded Systems und Bildung. Perspektivisch könnten weitere Optimierungen und Erweiterungen dazu führen, OCaml-Code auf noch kleinerer Hardware oder in anderen Umgebungen ähnlich effizient und portabel laufen zu lassen. Die gesamte Implementierung steht offen zur Verfügung und bietet damit eine interessante Grundlage für Entwickler, die funktionale Programmierung auf Embedded Devices erkunden möchten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kompilierung von OCaml auf den TI-84+ CE Taschenrechner ein bedeutsamer Schritt in Richtung neuer Programmiermodelle auf dynamischer und ressourcenbeschränkter Hardware ist. Das Projekt verbindet die Eleganz der funktionalen Programmierung mit pragmatischer Ingenieurskunst und zeigt, wie moderne Compilertechniken auch auf vermeintlich veralteter oder eingeschränkter Hardware zum Einsatz kommen können.
Für Programmierer, die sich für die Grenzen und Möglichkeiten von Compilern sowie funktionaler Programmierung interessieren, stellt diese Herangehensweise eine spannende und lehrreiche Herausforderung dar – die weit über die ursprünglichen Anwendungsgebiete eines einfachen Taschenrechners hinausgeht.
