Forth ist eine faszinierende und zugleich herausfordernde Programmiersprache, die sich besonders durch ihre einfache Syntax und ihr ungewöhnliches Konzept auszeichnet. Eine ihrer wichtigsten Eigenschaften ist die Verwendung von sogenannten „Wörtern“, die sowohl Funktionen, Variablen, Konstanten oder Schlüsselwörter repräsentieren können. Diese Flexibilität macht Forth zu einem einzigartigen Ansatz, der sich grundlegend von traditionellen Programmiersprachen unterscheidet. Besonders die ANS Forth-Spezifikation definiert einen Standard, der Entwickler auf der ganzen Welt fördert und gleichzeitig Raum für verschiedene Implementierungen lässt. Eine gängige Art, Forth zu implementieren, ist das indirekt verknüpfte Code-Format, oft als Indirect Threaded Code (ITC) bezeichnet.
Die ITC-Implementierung ist aufgrund ihrer Einfachheit und Flexibilität weiterhin relevant, vor allem auf Prozessorarchitekturen mit beschränkten Ressourcen wie dem MC6809. Im Kern arbeitet Forth mit zwei Hauptstapeln, dem Datenstapel und dem Rücksprungstapel. Der Datenstapel wird für die Berechnung genutzt, wobei alle Daten hauptsächlich über ihn weitergereicht werden, während der Rücksprungstapel hauptsächlich zur Speicherverwaltung von Rücksprungadressen beim Aufruf von Wörtern dient. Im Gegensatz zu den meisten Programmiersprachen verwendet Forth Reverse Polish Notation (RPN), was bedeutet, dass die Operanden vor dem Operator auftauchen. Diese Eigenschaft ermöglicht komplexe Ausdrücke, die einfach gestapelt und ausgewertet werden können.
Wichtig ist zu verstehen, dass ein Forth-Wort nicht zwangsläufig nur ein Programmcodeabschnitt ist. Es kann auch eine Variable, eine Konstante oder sogar ein spezielles Schlüsselwort sein. Die Sammlung aller Wörter wird in einem sogenannten Wörterbuch oder auch Wortsatz (wordset) verwaltet. Je nach Version kann dieses Wörterbuch als eine Art Bibliothek oder Modul fungieren, die zur Laufzeit erweitert oder verändert werden kann. Viele Wörtersammlungen sind in der ANS Forth-Spezifikation klar definiert, wobei der Core Wordset das Minimum an benötigten Wörtern darstellt.
Die Implementierung einer indirekt verknüpften ANS Forth-Engine beginnt mit einem Blick auf die Struktur eines einzelnen Forth-Worts. In einer typischen ITC-Implementierung besteht jedes Wort aus einem Verweis auf das vorherige Wort im Wörterbuch, einer Längenangabe, dem namensgebenden Text, einem sogenannten Execution Token (xt) und schließlich dem ausführbaren Codeabschnitt, der Body genannt wird. Die Länge des Namens und einige Statusinformationen werden in der Längenangabe zusammengefasst. Interessanterweise wird in manchen Implementierungen, wie auf dem MC6809 Prozessor, für diese Länge 16 Bits reserviert, nicht nur zur Angabe der Namenslänge, sondern auch um diverse Flags wie zum Beispiel „immediate“ oder spezielle Eigenschaften des Wortes zu speichern. Die Execution Tokens sind dabei Zeiger auf Funktionen oder Codeabschnitte, welche die Semantik des jeweiligen Wortes definieren.
Sie erlauben die dynamische Reihenfolge und Ausführung von Programmfunktionen, wie es bei sogenannten Threaded-Code-Implementierungen typisch ist. Der MC6809 eignet sich aufgrund seiner 16-Bit-Register (D, X, Y, U, S) und seinen flexiblen Adressierungsmodi besonders gut für eine solche Umsetzung. In der hier betrachteten Variante wird beispielsweise das Register Y als Instruction Pointer (IP) für Forth-Wörter genutzt, während die Register U und S die Zeiger auf Daten- und Rücksprungstapel darstellen. Ein typisches Beispiel für ein primitives Wort in dieser Implementierung ist das Addition-Symbol „+“. Dieses ist direkt in Assembler geschrieben und greift auf die Elemente des Datenstapels zu, addiert sie und legt das Ergebnis wieder auf den Stapel zurück.
Der Rücksprung erfolgt nach Ausführung an den nächsten auszuführenden Wortcode, der über die indirekte Sprungadresse geladen wird. Dieser Mechanismus, bei dem der Inhalt eines Registers als Zeiger interpretiert und die Kontrolle zu diesem Ziel übertragen wird, definiert den Unterschied zwischen indirekt und direkt verknüpftem Code. Während das direkte verknüpfte Code-Modell (Direct Threaded Code, DTC) eine direkte Sprunganweisung verwendet, springt das indirekte Modell, um mehr Flexibilität und Einfachheit zu ermöglichen, mittels einer Referenz auf einen Zeiger. Neben primitiven Wörtern gibt es auch sogenannte sekundäre Wörter, die in Forth selbst definiert sind. Diese werden als Listen von Executable Tokens umgesetzt, die nacheinander ausgeführt werden.
Eine solche Liste wird durch das Laufzeitwort DOCOLON realisiert, das den aktuellen Instruction Pointer auf den Rücksprungstapel ablegt und die Ausführung zum Start der EXEC-Tokens im Wort weitergibt. Die Routine sorgt dafür, dass verschachtelte Wortaufrufe möglich sind, indem es den aktuellen Ausführungspunkt sichert, bevor der IP auf den neuen Arbeitsbereich gesetzt wird. Das Wort EXIT spielt in der Steuerflusskontrolle eine zentrale Rolle. Es poppt die zuletzt gespeicherte Instruktionsadresse vom Rücksprungstapel und setzt die Ausführung direkt an dieser Stelle fort. EXIT ist in der Regel mit einem speziellen Flag versehen, welches angibt, dass es nicht interpretiert werden kann, sondern nur während der Programmausführung sinnvoll ist.
Als Ergebnis dieser Struktur können zusammengesetzte Wörter nahtlos miteinander interagieren, wobei die Kontrolle des Programmflusses sauber zwischen den sekundären und primitiven Wörtern gehalten wird. Ein weiterer spannender Aspekt der ANS Forth-Implementierung liegt im Umgang mit der Interpretation und Kompilierung. Forth arbeitet im Allgemeinen in zwei Modi: dem Interpretationsmodus, in welchem Wörter direkt ausgeführt werden, und dem Kompilationsmodus, in dem Wörter zu einem neuen Forth-Wort zusammengebaut werden. Einige Wörter sind dabei mit dem „immediate“-Flag versehen und werden auch im Kompilationsmodus sofort ausgeführt, was eine flexible Erweiterung des Compilers ermöglicht. So sind Kontrollstrukturen wie IF oder BEGIN eigentlich Wörter mit sofortiger Ausführung während der Kompilierung.
Das Umschalten zwischen diesen Modi ist häufig eine der anspruchsvolleren Aufgaben bei der Implementierung, allerdings sind die Grundelemente durchaus überschaubar. Im Interpretationsmodus ist der grundlegende Ablauf das Einlesen eines Tokens, das Nachschlagen des entsprechenden Worts im Wörterbuch, gefolgt von dessen Ausführung oder der Behandlung von Zahlen. Im Kompilationsmodus wird im Gegensatz dazu die Maschinencode-Darstellung des Wortes in die neue Definition eingebaut, sofern das Wort nicht immediate ist. Zahlen werden dabei als Push-Operationen auf den Stapel übersetzt und somit in kompilierten Wörtern direkt ausgeführt. Auf der MC6809 basierenden ITC-Forth-Implementierung wird der Datenstapel meist im Speicher gehalten, wobei der Top-of-Stack-Operator explizit behandelt wird, um Speicherzugriffe gering zu halten.
Das Design beschränkt sich bewusst darauf, die Statusinformationen mittels eines 16-Bit-Felds zu verwalten. Dies ermöglicht Flags für Eigenschaften wie „immediate“, „imlining“, „Interpreter ausschließen“ (NOINTERP) und weitere, welche die Laufzeit und Kompilierung steuern. Die Namensgebung der Wörter entspricht streng der ANS Forth-Standards, wobei Präfixe wie „forth_core_“ vorangestellt werden. Dadurch wird nicht nur die Lesbarkeit erhöht, sondern auch eine klare Übersicht geschaffen, welche Wörter aus welchem Überraschungswortschatz kommen. So entsteht ein konsistentes System für ernsthafte Wartung und Erweiterung.
Interessanterweise sind einige Teile der Implementierung hand-optimiert in Assembler gehalten, während höherwertige Wortdefinitionen direkt in Forth realisiert und anschließend von Hand übersetzt wurden. Dieses Vorgehen erleichtert das Debuggen und stellt sicher, dass die Kompilierung wie erwünscht funktioniert. Die Einfachheit von Forth in Kombination mit dem Power-of-Threaded-Code-Mechanismus macht ANS Forth zu einem besonders leichten und eleganten Interpretations- und Kompilierungssystem. Dennoch offenbart die genauere Betrachtung der ANS-Standards viele subtile Herausforderungen, insbesondere bei der Balance zwischen Standardkonformität, Performanz und Speicherverbrauch. Zukunftige Posts und Studien zu diesem Thema werden sich mit Details der Kompilierung, Fehlerbehandlung, komplexeren Kontrollstrukturen und optionalen Wortsets beschäftigen.
Doch trotz der scheinbaren Komplexität bleibt die Kern-Idee von Forth – einfache und effektive Verarbeitung von Wörtern über Stapel, kombiniert mit einem starken und flexiblen Ausführungsmodell – eine Einladung für Liebhaber von kompakter, leistungsfähiger Softwareentwicklung. Die indirekt verknüpfte ANS Forth-Implementierung stellt somit eine hervorragende Grundlage dar, um klassische Konzepte mit moderner Architektur in Einklang zu bringen. Sie ist ideal, um sowohl die Grundlagen der Sprache als auch das Funktionieren ihres Ausführungskerns eingehend zu verstehen und praktisch umzusetzen.
