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曾经有个时期,们不怯怯乔乔从IBM置备计算机,和那时一样,现在们固然也不怯怯乔乔用C发言来编写嵌入式体系程序。假设还要再选取一个的话,那通常是汇编发言,尽管时髦正在转向Java。惟有很少的程序员纵Forth,这种发言组合了汇编发言的速度、灵和紧缩,又具有C发言的机关化和易读。这些为数不多的程序员还觉察了Forth能够进步编程的临盆率。
在这篇文章中,我们期望(再一次)先容Forth。将会骇怪于不必要庞杂的工具就能够如此之快和互式地编写和测试嵌入式程序。
编写程序的第一步是安排程序行为的细节。有些画流程图,有些用程序安排发言(PDL),始末与英语类似的方式形作的序列和测试条件。完这些之
后,安排就被分红模块,每一块都被转可履行的代码,全部的事就是编译、连接、测试,这个迭代的进程可能会连接几个月。
假设PDL能够间接履行,就不必要把它翻译另一种发言,那该省去几许时间呀!假设能互式地测试每个程序模块,确认它能正确地办事,那不就更轻易了吗?再假定有一种发言,它能够履行得和其它的发言一样快、只须1K字节的运转支拨、适应ANSI轨范、能够扩展以餍足应用程序的特别必要,经过一到两个星期的生疏娴熟,每天能够编写出三倍于同伴的代码,那么对这种发言感兴致吗?假设是,请听如何用Forth来做到这些。Forth是什么?
从某种意义上说,Forth不是一种发言,我们更应当把它看一种为手头的任务编写应用发言的程序安排方。编写的大局限程序都是办事的必要而不是编译器的必要。Forth支持必要的任何作和语。
Forth理解必定局限的原语字,它们治理全部一般的算术、规律和程序流作,然则它也有一个确定的格式向发言到场字。能够确定哪些字能更好地形
的应用,然后用现有的字定义这些字。一但定义了一个字,这个字就变了发言的一局限,能够用来定义其它的字。起先级别的字就是程序自己。
在Forth中,每个事物是一个字或许是一个数,它们相互被空格分隔隔离分散。Forth没有词理解,语也很少。没有作符,没有函数,没有进程,没有子程序,以至没有程序,惟有字和数。
每个字通知计算机去履行一个清楚的精彩定义的作。定义一个字之后,就能够把它作为一个独立的元素来测试。在开端测试的时刻不必要完全部程序,能够在键盘上输入任何一个字,履行它,看完毕是不是所必要的。
Forth也是它自己程序的符号调试器,所以测试一个Forth程序比测试其它发言的程序更快。用增量化的方式编写Forth定义、测试定义。一但确认一个字能够办事,就能够把它到场到的程序中;一但定义了起先级别的字,就能够完毕编程办事而不必要进一步的调试。
尽管Forth程序通常是自顶向下安排的,但是必要自底向上编写,它要求在纵一个字之前先定义它。但是现实上,Forth程序通常是从两端向中心编写的。开端的时刻,知道所必要的程序顶级行为,也知道与硬件互的字必需做的事,于是就有中心的办事必要完。
也能够先给某个效一个名字,在定义之前纵它(假设必要测试编译,就给它一个空的名字)。一个程序的顶级字能够是一个无穷循环,,,所以我
把程序分红可治理的自我形的小块是每个越程序的行为。所不同的是,在Forth中,末了的完毕是一个可履行的程序,而不是另一个冗进步程的开端。Forth是编译器吗?
Forth是编译的,但是它的用户界面是说明的。Forth维护一个它所知道的全盘字的字典。每个定义由定义这个字的那些字的地址列表组(为使代码更短,在3位或许更长地址的机器上能够纵1位的记号而不是现实的地址)。编译的进程就是把的字和它们的定义到场到字典。
由于Forth把源程序中的每个字翻译对应的地址,Forth的编译器就很像是一个汇编器。图1是Forth编译器完善的流程图,假设把C发言编译器流程图异样地画进去,那会是一张”x”的招贴海报。
把Forth程序想像全部是由子程序组的,可能会对我们理解Forth体系有所助理副理。由于每个字调用子程序,所以不必要CALL指令,它只是一个地址。在运转时,一个机器码片段读出下一个指令的地址,把今朝程序计数器留存在前往栈上,履行这个调用。这个小小的支拨对待每个字都要履行一次,招致了Forth程序比化的汇编程序要慢。Forth是如何办事的?
是,大约有0个字是用机器码字义的。每个定义最终都是由这些“原语字“组合而的,它们履行某些真正的办事。
上,惟有这些原语字必要重写。某些Forth运转在DOS和Windows上,而在嵌入式应用中,这些由机器码定义的原语字就是作体系。
Forth在堆栈上通报参数。在一个字履行之前,所必要的参数必需在堆栈上。而在履行之后,假设有任何的完毕,也留在堆栈上。
这与大多半当代计算机发言的行为正确地相仿,但是当代计算机发言的堆栈通常是隐蔽起来的。在Forth中,程序员知道堆栈上的形式,并能够间接治理它们。例如,Forth原语字SWAP流堆栈上的两个元素。大多半发言留存未决的作,当写下C=A+B,编译器把“=“和“+“作放到未决的表中直到读到表达式的末尾。然后它重写这个表达式为“取A,取B,加,取出C“。
Forth消去了中心进程,在Forth中,把异样的作写是******@B@+C!。这里的@和!是Forth“读取“和“存储“作的缩写,+极度怪僻地表示加。
庆幸的是,惟有不多的Forth字用这种密码表示。大多半的Forth担当多达31个字符,大多半的轨范字形了它们的效。好的Forth程序是自说明的,所以应当尽量使定义的字为自形的。调试这个字的方是打入它的输入参
数,后随这个字。它马上履行,就彷佛Forth是一个说明器,允许测试堆栈上的完毕。
一个堆栈元素典型地有3位(有些Forth体系为1位)并且是无类型的,它能够表示一个有或许无符号的整数、一个地址、一个单精度的浮点数或许是一个布尔标志。必要对此维系跟踪。
Forth的哲学是容许而不是抑遏。假设有一个好的缘由把布尔值加到地址上,Forth不会阻挡。对待这些事,Forth中没有一点东西能够阻挡把一个不
对的工程放到堆栈上。Forth极度急迅而高效,但是自己也得睁大眼睛。立一个的字义
Forth中最首要的字可能是冒号,它把编译器从运转形式切换到编译形式并立一个的字典项。在冒号之后的第一个字是将要定义的字的名字,定义接着名字之后。规律上,定义被一个分号完毕,这将编译一个前往指令并把编译器切换到运转形式。
:MAGNITUDE(XY-vectormagnitude)DUP*SWAPDUP*+SQRT;
括号中的表达式是堆栈说明,它指引程序员这个字的输入输入参数是什么。DUP(复制)作发生栈顶元素的另一个拷贝,*是单精度乘,SQRT获得一个数的平方根。
作为Forth灵方面的一个例子,假定必要C发言的++作符,Forth与之最近的等效是+!,它把一个指定的数加到一个变量中。假设定义:
则ALPHA++加1到变量ALPHA中,Forth与C发言的独一区分是Forth不允许ALPHA++,但是C发言允许,由于Forth并不理解表达式,它会把ALPHA++作为一个定义字。程序机关
Forth是高度机关化的,假设确凿必要,固然也有格式编译一个GOTO,但通常纵IFELSETHENBEGINUNTILWHILEREPEATDO和LOOP来把握程序的
Forth的IF搜检栈顶标志,这一个标志是很多Forth角力比赛斗嘴作字中的一个留下的。歧我们期望角力比赛斗嘴堆栈上的两个数,假设相等就履行选取1,假设不等就履行选取,Forth的语是这样的:
(我在自己的程序中纵ENDIF代庖THEN,由于我觉得THEN对待Basic来说不合理。Forth允许这样的私化选取,尽管的老板或许同伙不允许)常数变量和串
源文件中的一个数作为马上数编译。一个命名的常数在编译时存储一个值并在运转时把这个值放到堆栈上。命名一个变量则编译一个存储空间。援用一个变量则把它的地址放到堆栈上以打定读写。一个Forth串是一个变量区,它的第一个字节是串的长度。
由于变量指示了它的地址,所以能在纵这个变量之前治理这个地址。例如,假设纵的Forth体系没有ARRAY数组机关,能够定义一个,Forth能够指定定义字的类型。另外,能够“假造“数组。BETA7+C@读取数组中的第八个字节,这个数组开端于BETA变量的地址。
Forth源程序的一个不够是我们不理解一个字表示的是变量还是函数。有些纵这样的保守:用连字符表示变量名而用小数点表示函数名。由于好的Forth代码与英语极度相像,在视觉上不必要理解一个整行就能够区分代码和说明,很多用户就用大写字母表示代码而用大写字母表示注释。Forth硬件
Forth简直在每个现存的或许曾经存在过的微治理器上都有告竣,但是有些芯片更适合Forth体系运转。很清楚,那些与图的Forth虚拟机更接近的芯片能更好地运转Forth。Forth必要两个堆栈,那些支持一个以上堆栈的芯片将运转得更快。由于Forth只必要不多的存放器,所以硅片上假设有存放器也只能铺张。
Forth虚拟机具有HARVARD体系机关,告竣时通常用一个分辩的存放器留存栈顶元素
最小的Forth体系履行1位或许3位长的算术运算,所以Forth在8位芯片上运转较慢。历史上,Motorola微治理器比Intel治理器更适合运转Forth。MC809和MC8X0是统统的Forth8位芯片。
由于Forth虚拟机确定简洁,它能够在一个门阵列中告竣。最早的发愤是CharlesMoore,Forth的觉察,指导Harris公司于19年推出了RTX000。这个10MIPS的单芯片Forth引擎纵哈佛体系机关,并把参数栈和前往栈放到芯片上。倒霉的是,这款芯片在商业上没有成功,现在只用于一些公用的市场,歧自然卫星。纵Forth
现在有各种级别的商业和公共的Forth版本。对待一个8位或许1位治理器的嵌入式应用,最轻易方的是在PC机上编写Forth程序,然后再把最终的代码传送到标的目的体系上,由于启发体系能够纵全部的DOS或许Windows才略,在最终的产品中只必要包括一个小的运转时间包和程序自身,字典只是在编译和调试程序时才必要,在最终的产品里能够被去除。
由于Forth程序趋向于编译大约每行10个字节,一个000行的程序加上K字节的运转时间文件能够很简洁地放到3K字节的PROM中。假设标的目的体系运转串行口并能在RAM中履行,那我更喜好在标的目的体系上编译和安排。
尽管这在某种程度上预示着必要为字典和编译器找到存储器空间,但是它大大有助于硬件测试。我的很多硬件题目都是这样解决的:编写短的Forth程序来触发I/O位,再用一个示器查察可疑的区域。
一个商业化的Forth体系有一个初始字典,它包括有Forth原语和必要告竣Forth编译器的字。很多Forth体系有内建的编辑器,但能纵任何轻易的编译器。也可能获得在作体系上如Windows上启发Forth程序的库。对待一个纵单板PC的嵌入式应用,DOS库就很有用了。
也能够获得一个Forth扩展库,在程序必要它们的时刻装入这些库。例如,简洁的Forth只治理整数,而浮点是可选的。编写自己的库也很简洁,我曾经用从DeltaResearch公司获得的JForth编写理解滤波器的程序。JForth支持Windows、下拉菜单、输入固件和把握参数滑块。然则,它不能治理单数,我在0分钟里就编写好了自己的浮点单数程序库。
在一个编写一系列相关把握仪器的团队中,应当有一个员被指定编写硬件接口函数库,治理诸如用相仿方式探问前台把握和涌现等等办事。由于Forth允许程序员启发特别的解决题目的方,在一个大的工程中,必需有好的文档和团队员之间的严密。纵Forth的公司应当为它们的程序员维护一个Forth外部扩展轨范用于它们的产品和技术。用Forth能够做什么?
简洁地回复是:任何事。其它的计算机发言限制只能履行编译器的编写者以为必要的作。由于Forth是自然可扩展的,能够做必要的一切事。假设全盘的打算都不行,还能够间接进入机器代码并立必要的任何数据机关。
JForth以至告竣了C的机关,后者通常用于与主机的作体系实行互。我曾经必要一个机关,它写入30个命名的一维数组,作为一个单个的命名的两维数组。民众都说这用C告竣起来很轻易,但我平素就没有见到有试着做过。Forth轨范
自从CharlesMoore1970年觉察Forth之后,消灭了很多Forth轨范和方言。Forth荧惑创,所以总是有定制和刷它的倾向,就是在民众口头上担当了轨范时也一样。我从1979年开端处置陈旧的FIG-Forth编程,它照旧极度陈旧以至都无蜕变。从那时开端,又有了Forth-79和Forth-80,现在是一个ANSI的Forth轨范()。如何角力比赛斗嘴Forth和C?
Forth和C都使得程序员能够在更高的级别上头脑,并从较慢的汇编发言启发进程中开进去。Forth合理的文档顺次能够免去C发言中的原型说明。
全部的C发言轨范程序流把握(doifelsewhileswitch)在Forth中都存在,而且连名字都时时相仿,全盘首要的规律和算术作也存在,条件角力比赛斗嘴、数组和联合都在Forth中支持,COSNTANT替代了#define,Forth的间接堆栈治理省去了大多半的C发言auto变量。Forth字典的纵和FORTGET定义的才略比C发言的弱作用域作才略更强健。以至能够比C++更少困苦地支持自己的数据类型。
Forth假定清楚自己正在做的事。它能够阻挡犯打字和机关不完善的不对,但是编译的不对代码手册通常惟有一页,而不是整整一章。有曾经说过:Forth不能够标识语不对,由于它不知道打定纵什么语。
在C发言中,遭到的维护更多。但纵使如此,还是必需做一些事,如迫类型转换之类,来苦求编译器助理副理做一些搜检。
启发环境加倍简洁。不必要安置整个Forth启发包,由于Forth就是它自己的启发体系,在一个嵌入式应用中,也是它自己的作环境。它供给了一个OS、源码编译器和必要的全部调试程序,这些都放在一个30K字节的软盘上,完毕是,纵繁多的工具集和繁多的用户界面。能够把这些与其它工具角力比赛斗嘴:一个编译器、OS、一个调试器,可能还有一个标的目的调试程序,它们都来自不同的启发商,并且不是为相互协同办事而安排的;
当置备Forth时,通常能轻松的获得全部启发环境的源代码。一样,能够试着让Borland或许Microsoft给想要的、向后兼容的C发言实行更强的类型检测、模糊把握规律或许不同的浮点告竣;
时时能够在标的目的体系上启发Forth程序。在我的C程序合同中,纵Sun办事站运转MAKE来编译和连接履行代码。然后在一个标的目的机器上,我在标的目的体系上电之前下载代码并测试它。假设我想做一个调整,它将消磨一个小时来完全部的进程。纵Forth,我能够始末标的目的机的串行口来打入一个字,把参数放到堆栈上,然后调用它来搜检这个字能否办事。我能够简洁地联合字以截获对老字的调用;
纵编译器的扩展才略能够使实行任何时髦的编码而不必要切换发言。Forth从一开端就照旧是面对对象的、“沙箱支持“安闲立的。到场数据机关或许作符重载简直窒息了C++,但在Forth中却没有一点题目;
能够比C发言更简洁地进入汇编发言,全盘的数据机关都能够从汇编发言中探问;
标的目的测试更简洁。能够纵与代码中一样的命令来互式地搜检和治理数据,在C发言中做异样的事必要更多的学问,它必要很多的键盘输入来把握调试器。不必要一个标的目的作体系,Forth就是一个很好的OS。很多Forth支持多用户和多任务。由于每个任务有一个独立的参数栈和前往栈,所以任务的切换能够瞬时而高效。
Forth在编译时安排存储器资源,它的履行时间是确定的。它不必要消磨不愿定的时间来拾掇存储器碎片。在一个实时OS中,我选取不纵静态的存储器安排,但是假设必要一些像alloc和free一类的作,那也不是大题目,一页的代码足以告竣这些效。由于是基于堆栈的,Forth能够用很少的支拨实行隔绝任职,由于它不必要留存高低文。
不好的一面是,Forth可能有些慢。在一个大的程序中,它可能比最的C发言发生的代码占用更多的空间。然则,尽管用Forth编写的“Helloworld“程序能到达K字节,但是它不必要装载更大的运转时间库。Forth荧惑程序员纵定点表示,这能够极大地进步运转速度,但是在编码时必要更多地实行理解。
Forth的最大缺点如同“第条军规“。知道Forth的不多,而们又通常不欢快练习某些东西,除非其它的都期望纵它。这就是盖茨师长教师的生方式。
假设能够压服的老板让纵Forth,它将为的奥密武器。工业体会涌现Forth程序员能到达C程序员10倍以上的临盆率。
我们这里给出一个Forth和C发言区分的例子。这是一个嵌入式程序,纵板上的PIC驱动晶振。我们用Forth编写了一个程序以涌现PIC程序员如何办事。上面的列表1是这个程序外层循环的PDL形。列表供给了可履行的Forth程序。这了我10分钟时间(在一个现实的Forth程序中,这些代码将要被因子化几个定义),而列表3是异样程序的C发言版本。列表1一个抖动发生器的顶层程序PDL形
MainProgram:HouseKeep(setports,clearflags,setdefaults)Readuploadbit(hasusersavedprevioussettings?)IflowCopyPROM(loaddefaultsfromEEPROM)EndifReadConfiguration(getformersettingsfromEEPROM)SetConfiguration(setboardregisters)Beginloop:(Startofendlessloop)Readself-testbitReadself-testnumberIfbit=0andnumber0(selftestoperation)Case:(testnumber)On1dotest1OndotestOn3dotest3OndotestEndcase;Else(normaloperation)Readinterfaceflag(Checkforfaultsoruserinput)IfsetReadstatusword(Identifyfaultsoruserinput)Iffaultflag,dosoftreset,endifIfjitterflagjitterstate,tolestate,endifIfcalibrationrequest,Calibrate,endifIfBit0,SetAmplitude,EndifIfBit1,SetBitRate,SetAmplitude,EndifIfBit,SetBitRate,SetAmplitude,EndifIfBit3,SetFrequency,EndifIfparametershavechangedUpdateEEPROMEndifClearinterfaceflagEndifEndifEndloop;进一步练习
要练习更多Forth学问,最好的格式是到场非获利的ForthInterestGroup(FIG)组织。它们出版一本名为《ForthDIMENSIONS》的杂志,也图书和公共域版本的Forth体系软件。
典范但是有些过时的书是LeoBrodie的《StartingForth》(中译本:
《Forth发言入门》)。假设找不到它,能够从FIG置备。Brodie的《Forth头脑方式》没有通知如何纵Forth,但对Forth和其它发言的机关和哲学思想实行了很好的考察。《Forth根源》第一卷。
为了用Forth告竣一个嵌入式体系,能够先获得一个公共域版本,也能够凭据的治理器置备一个现的版本。,可用于8019、8018、8HC1和TMS30C31,它们也有用于8HC11和8051的Windows版本。
一些小的Forth启发商在《ForthDIMENSIONS》上作广告。为啥不纵Forth
们常说C发言程序员很简洁找到而Forth程序员却很难找。这是事实。很少的“程序员“知道Forth,但是,我们觉察硬件工程师却时时生疏娴熟它。有体会的工程师通常比职业程序员能写出更好的嵌入式代码,由于后者不生疏娴熟硬件。
必要知道公司的标的目的是什么。假设真的必要产品,那么就必要Forth。这就是路。
TomNapier曾是火箭迷信家,壮健学家和工程治理,最近九年时间处置宇宙飞船的通讯设备启发,现在是垂问筹议和作家。
