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虎年运势测试！发大财！好运来~

原作者TomNapier和EricKrieg原文引自

曾经有个时期，们不怯怯乔乔从IBM置备计算机，和那时一样，现在们当

然也不怯怯乔乔用C发言来编写嵌入式体系程序。假若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发现了Forth能够进步编程的临盆率。

在这篇文章中，我们希望(再一次)先容Forth。将会骇怪于不须要庞杂的

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。

假若PDL能够间接履行，就不须要把它翻译另一种发言，那该省去几许时

间呀！假若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殊须要，经过一到两

个星期的熟识熟练，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?假若是，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须要而不是编

译器的须要。Forth支持须要的任何作和语。

Forth理解必然局限的原语字，它们治理全部一般的算术、逻辑和程序流

作，然则它也有一个肯定的格式向发言到场新字。能够肯定哪些字能更好地形

的应用，然后用现有的字定义这些字。一但定义了一个新字，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，每个事物是一个字也许是一个数，它们互相被空格分隔隔离

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晰的精彩定义的作。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须要完全部程序，

能够在键盘上输入任何一个字，履行它，看结束是不是所须要的。

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

够结束编程办事而不须要进一步的调试。

尽管Forth程序通常是自顶向下安排的，但是须要自底向上编写，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央编写

的。开端的时刻，知道所须要的程序顶级行为，也知道与硬件互的字必需做的

事，于是就有中央的办事须要完。

也能够先给某个效一个名字，在定义之前纵它(假若须要测试编译，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，它用字

开端，背面是字，所以我们

能够用Forth做PDL。当然，在这里假定是存在的，

末了还得定义这个字的正确行为。

把程序分红可管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，末了的结束是一个可履行的程序，而不是另一个冗长进程的开端。

Forth是编译器吗?

Forth是编译的，但是它的用户界面是阐明的。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位也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

程就是把新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，假若把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。

图1Forth编译器的完善的流程图

看待源程序中的每个字，这个循环都要履行一次

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，所以不须要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。这个小小的支拨看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?

履行一个无休止的子程序调用序列并不是一件很有用率的事。庆幸的是，

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。

原语定义了一个虚拟的Forth机器，要把Forth移植到一个新的体系上，

惟有这些原语字须要重写。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，所须要的参数必需在堆栈

上。而在履行之后，假若有任何的结束，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

栈通常是隐藏起来的。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消去了中央进程，在Forth中，把异样的作写是A@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承担多

达31个字符，大多半的轨范字形了它们的效。好的Forth程序是自阐明的，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。它立刻履行，就彷佛Forth是一个阐明器，允许测试堆栈上的结束。

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

能够表示一个有也许无符号的整数、一个地址、一个单精度的浮点数也许是一

个布尔标志。须要对此维系跟踪。

Forth的哲学是容许而不是抑遏。假若有一个好的原因把布尔值加到地址

上，Forth不会阻止。看待这些事，Forth中没有任何东西能够阻止把一个不对

的项目放到堆栈上。Forth极度急迅而高效，但是自己也得睁大眼睛。立一个

新的字义

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

并立一个新的字典项。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。逻辑上，定义被一个分号结束，这将编译一个前往指令并把编译

器切换到运转形式。

于是，一个完善的Forth定义看起来像上面这样：

：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，假定须要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。假若定义：

：++1SWAP+！；

则ALPHA++加1到变量ALPHA中，Forth与C发言的独一区别是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，假若确凿须要，当然也有格式编译一个GOTO，但

通常纵IFELSETHENBEGINUNTILWHILEREPEATDO和LOOP来把握程序的流

程。这些字把条件跳转指令编译到定义中。

Forth的IF搜检栈顶标志，这个标志是许多Forth角力较量斗嘴作字中的

一个留下的。歧我们希望角力较量斗嘴堆栈上的两个数，假若相等就履行选取

1，假若不等就履行选取，Forth的语是这样的：

=IF选取-1ELSE选取-THEN.

(我在自己的程序中纵ENDIF代庖THEN，由于我觉得THEN看待Basic来说

不合理。Forth允许这样的私化选取，尽管的老板也许同伙不允许)常数变量和

串

源文件中的一个数作为立刻数编译。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，所以能够在纵这个变量之前治理这个地址。例

如，假若纵的Forth体系没有ARRAY数组机关，能够定义一个，Forth能够指

定定义字的新类型。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代码与英语极度相似，在视觉上不须要理解一个整行就能够区别代码和

说明，许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简直在每个现存的也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。很分明，那些与图的Forth虚拟机更接近的芯

片能更好地运转Forth。Forth须要两个堆栈，那些支持一个以上堆栈的芯片将

运转得更快。由于Forth只须要不多的存放器，所以硅片上假若有存放器也只

能浪费。

图Forth虚拟机机关

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位也许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虚拟机绝对简单，它能够在一个门阵列中告竣。最早的发愤是

CharlesMoore，Forth的发觉，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胜利，现在只用于一些公用的市场，歧天然

卫星。纵Forth

现在有各种级别的商业和公共的Forth版本。看待一个8位也许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也许Windows才略，

在最终的产品中只须要包括一个小的运转时间包和程序自身，字典只是在编译

和调试程序时才须要，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容易地放到3K字节的PROM中。假若标的目的体系

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

管这意味着须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。

我的许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原语和须要告

竣Forth编译器的字。许多Forth体系有内建的编辑器，但是能够纵任何轻易

的编译器。也可能获得在作体系上如Windows上启发Forth程序的库。看待一

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，在程序须要它们的时刻装入这些库。例如，

简单的Forth只治理整数，而浮点是可选的。编写自己的库也很简单，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

允许程序员启发特殊的解决题目的方，在一个大的项目中，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?

简单地回复是：任何事。其它的计算机发言限制只能履行编译器的编写者

以为须要的作。由于Forth是天然可扩展的，能够做须要的一切事。假若全盘

的计划都不行，还能够间接进入机器代码并立须要的任何数据机关。

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

经须要一个机关，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年发觉Forth之后，出现了许多Forth轨范和方

言。Forth荧惑创新，所以总是有定制和刷新它的倾向，就是在民众口头上承

担了轨范时也一样。我从1979年开端处置陈旧的FIG-Forth编程，它仍旧极度

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(X3.15/199)。如何角力较量斗嘴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，全盘首要的逻辑和算术作也存在，条件角力较量

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健壮。以至能够比C++更少困苦地支持自己

的数据类型。

Forth假定知道自己正在做的事。它能够阻止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。

Forth比C发言有这样一些利益：

?启发环境加倍简单。不须要安置整个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。它提供了一个OS、

源码编译器和须要的全部调试程序，这些都放在一个30K字节的软盘上，结束

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较量斗嘴：

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，并且不是为互相协同办事而安排的；

?当置备Forth时，通常能够获得全部启发环境的源代码。相同，能够试着

让Borland也许Microsoft给想要的、向后兼容的C发言实行更强的类型检测、

隐约把握逻辑也许不同的浮点告竣；

?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。假若我想做一个调整，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

一个新字，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

单地联合新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须要切换发言。

Forth从一开端就仍旧是面向对象的、"沙箱支持"安闲台独立的。到场数据机

关也许作符重载简直窒息了C++，但在Forth中却没有任何题目；

?能够比C发言更容易地进入汇编发言，全盘的数据机关都能够从汇编发言

中探问；

?标的目的测试更容易。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发言中做异样的事须要更多的学问，它须要许多的键盘输入来把握调

试器。不须要一个标的目的作体系，Forth就是一个很好的OS。许多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在编译时分配存储器资源，它的履行时间是肯定的。它不须要消磨

不肯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

分配，但是假若须要一些像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，由于它不须要留存高下文。

不好的一面是，Forth可能有些慢。在一个大的程序中，它可能比最新的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

序能够到达K字节，但是它不须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，但是在编码时须要更多地实行理解。

Forth的最大缺点如同"第条军规"。知道Forth的不多，而们又通常不快

乐练习某些东西，除非其它的都希望纵它。这就是盖茨师长教师的生方式。

假若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

程序员能够到达C程序员10倍以上的临盆率。

我们这里给出一个Forth和C发言区别的例子。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。列表提供了可履行的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1一个发抖发生器的顶

层程序PDL形

MainProgram：HouseKeep(setports,clearflags,setdefaults)Read

uploadbit(hasusersavedprevioussettings?)IflowCopyPROM(load

defaultsfromEEPROM)EndifReadConfiguration(getformersettingsfrom

EEPROM)SetConfiguration(setboardregisters)Beginloop：(Startof

endlessloop)Readself-testbitReadself-testnumberIfbit=0and

number0(selftestoperation)Case：(testnumber)On1dotest1Ondo

testOn3dotest3OndotestEndcase；Else(normaloperation)Read

interfaceflag(Checkforfaultsoruserinput)IfsetReadstatus

word(Identifyfaultsoruserinput)Iffaultflag,dosoftreset,endif

Ifjitterflagjitterstate,tolestate,endifIfcalibration

request,Calibrate,endifIfBit0,SetAmplitude,EndifIfBit

1,SetBitRate,SetAmplitude,EndifIfBit,SetBitRate,SetAmplitude,Endif

IfBit3,SetFrequency,EndifIfparametershavechangedUpdateEEPROM

EndifClearinterfaceflagEndifEndifEndloop；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ForthInterest

Group(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》)。假若找不到它，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。另一个好的入门书是cCabe的《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。ForthInc.提供基于DOS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。为什么不纵

Forth

们常说C发言程序员很容易找到而Forth程序员却很难找。这是事实。很

少的"程序员"知道Forth，但是，我们发现硬件工程师却时时熟识熟练它。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，由于后者不熟识熟

练硬件。

须要知道公司的标的目的是什么。假若真的须要产品，那么就须要Forth。

这就是路。

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TomNapier曾是火箭迷信家，壮健学家和工程管理，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。

能够始末电子邮件与Eric关联

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