Commit bd55267c authored by psf's avatar psf
Browse files

v2, now with a better-layered virtual stack CPU

parent 214a4917
/* --- The virtual CPU ---
*/
use std::io;
use std::io::Read;
use std::io::Write;
use std::convert::TryInto;
const ADDRESS_SPACE: usize = 65535;
const STACK_WORDS: usize = 16;
#[derive(Debug)]
struct Stack {
mem: [u16; STACK_WORDS],
tos: usize
}
impl Stack {
fn push(&mut self, val: u16) {
self.tos = (self.tos.wrapping_add(1)) & (STACK_WORDS - 1);
self.mem[self.tos] = val;
}
fn pop(&mut self) -> u16 {
let val = self.mem[self.tos];
self.mem[self.tos] = 0;
self.tos = (self.tos.wrapping_sub(1)) & (STACK_WORDS - 1);
return val;
}
}
#[derive(Debug)]
struct Core {
ram: [u8; ADDRESS_SPACE],
ip: u16,
dstack: Stack,
rstack: Stack
}
fn new_core() -> Core {
let c = Core {
ram: [0; ADDRESS_SPACE],
ip: 0,
dstack: Stack {tos: 0, mem: [0; STACK_WORDS]},
rstack: Stack {tos: 0, mem: [0; STACK_WORDS]}};
return c;
}
impl Core {
fn load(&self, addr: u16) -> u16 {
let a = addr as usize;
return u16::from_le_bytes(self.ram[a..=a+1].try_into().unwrap());
}
fn store(&mut self, addr: u16, val: u16) {
let a = addr as usize;
self.ram[a..=a+1].copy_from_slice(&val.to_le_bytes());
}
fn step(&mut self) {
let opcode = self.load(self.ip);
self.ip = self.ip.wrapping_add(2);
if opcode >= 0xfff0 {
PRIMITIVES[(opcode - 0xfff0) as usize](self);
}
else if (opcode & 1) == 1 {
// Literal
self.dstack.push(opcode >> 1);
}
else {
// Call
self.rstack.push(self.ip);
self.ip = opcode;
}
}
}
type Primitive = fn(&mut Core);
enum Op {
RET = 0xfff0, TOR = 0xfff1, RTO = 0xfff2, LD = 0xfff3,
ST = 0xfff4, DUP = 0xfff5, SWP = 0xfff6, DRP = 0xfff7,
Q = 0xfff8, ADD = 0xfff9, SFT = 0xfffa, OR = 0xfffb,
INV = 0xfffc, OUT = 0xfffd, IN = 0xfffe, NOP = 0xffff,
}
const PRIMITIVES: [Primitive; 16] = [
| x | { // 0: ret
x.ip = x.rstack.pop()
},
| x | { // 1: >r
x.rstack.push(x.dstack.pop())
},
| x | { // 2: r>
x.dstack.push(x.rstack.pop())
},
| x | { // 3: ld
let a = x.dstack.pop();
x.dstack.push(x.load(a));
},
| x | { // 4: st
let a = x.dstack.pop();
let v = x.dstack.pop();
x.store(a, v);
},
| x | { // 5: dup
let v = x.dstack.pop();
x.dstack.push(v);
x.dstack.push(v);
},
| x | { // 6: swp
let v1 = x.dstack.pop();
let v2 = x.dstack.pop();
x.dstack.push(v1);
x.dstack.push(v2);
},
| x | { // 7: drp
let _ = x.dstack.pop();
},
| x | { // 8: ?
let f = x.dstack.pop();
if f == 0 {
x.ip = x.ip.wrapping_add(2)
};
},
| x | { // 9: add
let v1 = x.dstack.pop();
let v2 = x.dstack.pop();
x.dstack.push(v1.wrapping_add(v2));
},
| x | { // a: sft
let amt = x.dstack.pop();
let val = x.dstack.pop();
x.dstack.push(
if amt <= 0xf {
val << amt
} else if amt >= 0xfff0 {
val >> (0xffff - amt + 1)
} else {
0
}
);
},
| x | { // b: or
let v1 = x.dstack.pop();
let v2 = x.dstack.pop();
x.dstack.push(v1 | v2);
},
| x | { // c: inv
let v1 = x.dstack.pop();
x.dstack.push(!v1);
},
| x | { // d: out
let port = x.dstack.pop();
let val = x.dstack.pop();
if port == 1 {
print!("{}", ((val & 0xff) as u8) as char);
let _ = io::stdout().flush();
}
},
| x | { // e: in
let port = x.dstack.pop();
if port == 0 {
let mut buf: [u8; 1] = [0];
let _ = io::stdin().read(&mut buf);
x.dstack.push(buf[0] as u16);
}
},
| _x | { // f: nop
},
];
fn test_stack() {
let mut s = Stack {tos: 0, mem: [0; STACK_WORDS]};
for i in 1..=20 {
s.push(i)
}
for i in 1..=16 {
assert_eq!(s.pop(), (21 - i))
}
for _i in 1..=4 {
assert_eq!(s.pop(), 0)
}
}
fn test_core () {
let mut c = new_core();
println!("{} {:?} {:?}", c.ip, c.dstack, c.rstack);
c.step();
println!("{} {:?} {:?}", c.ip, c.dstack, c.rstack);
c.step();
println!("{} {:?} {:?}", c.ip, c.dstack, c.rstack);
c.step();
println!("{} {:?} {:?}", c.ip, c.dstack, c.rstack);
}
/* --- The memory map ---
*/
/* --- The dictionary format ---
*/
/* --- The threading kind ---
*/
/* --- Create the dictionary ---
*/
// helper
struct Dict<'a> {
dp: u16,
here: u16,
c: &'a mut Core
}
impl Dict<'_> {
fn allot(&mut self, n: u16) {
self.here = self.here.wrapping_add(n);
}
fn comma(&mut self, val: u16) {
self.c.store(self.here, val);
self.allot(2);
}
fn call(&mut self, val: u16) {
self.comma(val);
}
fn op(&mut self, val: Op) {
self.comma(val as u16);
}
fn lit(&mut self, val: u16) {
assert!(val & 0x8000 == 0);
assert!(val < 0x7ff0);
self.comma((val << 1) | 1);
}
fn name(&mut self, n: u8, val: [u8; 3]) {
self.comma(n as u16 | ((val[0] as u16) << 8));
self.comma(val[1] as u16 | ((val[2] as u16) << 8));
}
fn entry(&mut self) {
let here = self.here;
self.comma(self.dp);
self.dp = here;
}
}
// for testing only
fn run(c: &mut Core, ip: u16) {
c.ip = ip;
while c.ip != 0 {
//println!("{}\n{:?}\n{:?}\n", c.ip, c.dstack, c.rstack);
c.step();
}
println!("{} {:?} {:?}", c.ip, c.dstack, c.rstack);
}
fn build_dictionary(c: &mut Core) {
let x = {
let mut d = Dict {dp: 0, here: 2, c: c};
/* --- Putting primitive words in the dictionary ---
*/
d.entry(); d.name(3, *b"ret"); let ret = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(2, *b">r "); let tor = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::SWP); d.op(Op::TOR); d.op(Op::TOR); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(2, *b"r> "); let rto = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::RTO); d.op(Op::SWP); d.op(Op::TOR); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(1, *b"@ "); let ld = d.here;
d.op(Op::LD); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(1, *b"! "); let st = d.here;
d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(3, *b"dup"); let dup = d.here;
d.op(Op::DUP); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(4, *b"swa"); let swp = d.here;
d.op(Op::SWP); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(4, *b"dro"); let drp = d.here;
d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(1, *b"+ "); let add = d.here;
d.op(Op::ADD); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(5, *b"shi"); let sft = d.here;
d.op(Op::SFT); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(2, *b"or "); let or = d.here;
d.op(Op::OR); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(6, *b"inv"); let inv = d.here;
d.op(Op::INV); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(3, *b"out"); let out = d.here;
d.op(Op::OUT); d.op(Op::RET);
d.entry(); d.name(2, *b"in "); let in_cmd = d.here;
d.op(Op::IN); d.op(Op::RET);
// building up more interesting capabilities from these
// emit ( n -- )
d.entry(); d.name(4, *b"emi"); let emit = d.here;
d.lit(1); d.op(Op::OUT); d.op(Op::RET);
// key ( -- n )
d.entry(); d.name(3, *b"key"); let key = d.here;
d.lit(0); d.op(Op::IN); d.op(Op::RET);
// - ( a b -- a-b )
d.entry(); d.name(1, *b"- "); let sub = d.here;
d.op(Op::INV); d.lit(1); d.op(Op::ADD); d.op(Op::ADD); d.op(Op::RET);
// and ( a b -- a&b )
d.entry(); d.name(3, *b"and"); let and = d.here;
d.op(Op::INV); d.op(Op::SWP); d.op(Op::INV); d.op(Op::OR);
d.op(Op::INV); d.op(Op::RET);
let zero = d.here;
d.lit(0); d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
// 0= ( n -- f )
d.entry(); d.name(2, *b"0= "); let zero_eq = d.here;
d.op(Op::Q); d.call(zero); d.lit(0); d.op(Op::INV); d.op(Op::RET);
// >= ( a b -- a>=b ) // note: signed comparison
d.entry(); d.name(2, *b">= "); let geq = d.here;
d.call(sub); d.lit(0x4000); d.op(Op::DUP); d.op(Op::ADD); d.call(and);
d.call(zero_eq); d.op(Op::RET);
// = ( a b -- a=b )
d.entry(); d.name(1, *b"= "); let eq = d.here;
d.call(sub); d.call(zero_eq); d.op(Op::RET);
// Advance past whitespace
let skip_helper = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP);
d.call(key); d.op(Op::DUP);
d.lit(33); d.call(geq); d.op(Op::Q); d.op(Op::RET);
d.op(Op::DRP); d.call(skip_helper);
d.entry(); d.name(6, *b"ski"); let skipws = d.here;
d.call(skip_helper);
// over ( a b -- a b a )
d.entry(); d.name(4, *b"ove"); let over = d.here;
d.op(Op::TOR); d.op(Op::DUP); d.op(Op::RTO); d.op(Op::SWP);
d.op(Op::RET);
// 2dup ( a b -- a b a b )
d.entry(); d.name(4, *b"2du"); let twodup = d.here;
d.call(over); d.call(over); d.op(Op::RET);
// Buffer for parsing an input word, formatted as Nabcde.
let word_buf = d.here;
d.allot(6);
// min ( a b -- n )
d.entry(); d.name(3, *b"min"); let min = d.here;
d.call(twodup);
d.call(geq); d.op(Op::Q); d.op(Op::SWP);
d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
// c@ ( a -- n )
d.entry(); d.name(2, *b"c@ "); let cld = d.here;
d.op(Op::LD); d.lit(0xff); d.call(and); d.op(Op::RET);
// c! ( n a -- )
d.entry(); d.name(2, *b"c! "); let cst = d.here;
d.op(Op::DUP); d.op(Op::LD); d.lit(0xff); d.op(Op::INV); d.call(and);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::TOR); d.op(Op::OR); d.op(Op::RTO);
d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// Load 1 letter into buffer.
let stchar = d.here;
d.lit(word_buf); d.call(cld); d.lit(1); d.op(Op::ADD); d.op(Op::DUP);
d.lit(word_buf); d.call(cst);
d.lit(5); d.call(min); d.lit(word_buf); d.op(Op::ADD); d.call(cst);
d.op(Op::RET);
// Load letters into buffer until whitespace is hit again.
// Return the whitespace character that was seen.
let getcs_helper = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP);
d.call(stchar);
d.call(key); d.op(Op::DUP); d.lit(32); d.op(Op::SWP);
d.call(geq); d.op(Op::Q); d.op(Op::RET); d.call(getcs_helper);
d.entry(); d.name(5, *b"get"); let getcs = d.here;
d.call(getcs_helper); d.op(Op::RET);
// word ( -- c )
// Not quite standard.
d.entry(); d.name(4, *b"wor"); let word = d.here;
// first clear the buffer
d.lit(word_buf); d.op(Op::DUP); d.lit(2); d.op(Op::ADD);
d.lit(0x2020); d.op(Op::SWP); d.op(Op::ST);
d.lit(0x2000); d.op(Op::SWP); d.op(Op::ST);
// then load it
d.call(skipws); d.call(getcs); d.op(Op::RET);
// latest ( -- a )
// Address of "latest" variable. This variable stores the address of
// the latest word in the dictionary.
let latest_ptr = d.here; d.allot(2);
d.entry(); d.name(6, *b"lat"); let latest = d.here;
d.lit(latest_ptr); d.op(Op::RET);
let matches = d.here;
d.lit(2); d.op(Op::ADD); d.op(Op::TOR);
d.lit(word_buf); d.op(Op::DUP); d.lit(2); d.op(Op::ADD); d.op(Op::LD); d.op(Op::SWP); d.op(Op::LD);
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DUP); d.op(Op::TOR);
d.op(Op::LD); d.lit(0x0080); d.op(Op::INV); d.call(and); d.call(eq);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::RTO); d.lit(2); d.op(Op::ADD); d.op(Op::LD); d.call(eq); d.call(and); d.op(Op::RET);
let matched = d.here;
d.lit(6); d.op(Op::ADD); d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
let find_helper = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP);
d.op(Op::DUP); d.lit(0); d.call(eq); d.op(Op::Q); d.op(Op::RET);
d.op(Op::DUP); d.call(matches); d.op(Op::Q); d.call(matched);
d.op(Op::LD); d.call(find_helper);
// find ( -- xt|0 )
d.entry(); d.name(4, *b"fin"); let find = d.here;
d.call(latest); d.op(Op::LD); d.call(find_helper);
// ' ( -- xt|0 )
d.entry(); d.name(1, *b"' "); let tick = d.here;
d.call(word); d.op(Op::DRP); d.call(find); d.op(Op::RET);
/* --- The outer interpreter ---
*/
// x10 ( n -- n*10 )
d.entry(); d.name(3, *b"x10"); let x10 = d.here;
d.op(Op::DUP); d.op(Op::DUP);
d.lit(3); d.op(Op::SFT); d.op(Op::ADD); d.op(Op::ADD); d.op(Op::RET);
// here ( -- a )
// Address of "here" variable. This variable stores the address of
// the first free space in the dictionary
let here_ptr = d.here; d.allot(2);
d.entry(); d.name(4, *b"her"); let here = d.here;
d.lit(here_ptr); d.op(Op::RET);
// state ( -- a )
// Address of "state" variable. This variable stores -1 if
// interpreting or 0 if compiling.
let state_ptr = d.here; d.allot(2);
d.entry(); d.name(5, *b"sta"); let state = d.here;
d.lit(state_ptr); d.op(Op::RET);
let word_addr = d.here;
d.lit(latest_ptr); d.op(Op::LD); d.lit(2); d.op(Op::ADD);
d.op(Op::RET);
// immediate ( -- )
d.entry(); d.name(9 | 0x80, *b"imm"); let immediate = d.here;
d.call(word_addr);
d.op(Op::DUP); d.op(Op::LD); d.lit(0x0080); d.op(Op::OR);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// smudge ( -- )
d.entry(); d.name(6 | 0x80, *b"smu"); let smudge = d.here;
d.call(word_addr);
d.op(Op::DUP); d.op(Op::LD); d.lit(0x0040); d.op(Op::OR);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// unsmudge ( -- )
d.entry(); d.name(8 | 0x80, *b"uns"); let unsmudge = d.here;
d.call(word_addr);
d.op(Op::DUP); d.op(Op::LD); d.lit(0x0040); d.op(Op::INV); d.call(and);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// [ ( -- )
d.entry(); d.name(1 | 0x80, *b"[ "); let lbracket = d.here;
d.lit(0); d.op(Op::INV); d.call(state); d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// ] ( -- )
d.entry(); d.name(1 | 0x80, *b"] "); let rbracket = d.here;
d.lit(0); d.call(state); d.op(Op::ST); d.op(Op::RET);
// , ( n -- )
d.entry(); d.name(1, *b", "); let comma = d.here;
d.call(here); d.op(Op::LD); d.op(Op::ST);
d.call(here); d.op(Op::LD); d.lit(2); d.op(Op::ADD);
d.call(here); d.op(Op::ST);
d.op(Op::RET);
let compile_call = d.here;
d.op(Op::DUP); d.lit(4); d.call(sub);
d.op(Op::LD); d.lit(0x0080); d.call(and);
d.call(state); d.op(Op::LD); d.op(Op::OR);
d.op(Op::Q); d.op(Op::RET);
d.call(comma); d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
let compile_lit = d.here;
d.call(state); d.op(Op::LD); d.op(Op::Q); d.op(Op::RET);
d.op(Op::DUP); d.op(Op::ADD); d.lit(1); d.op(Op::ADD);
d.call(comma); d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
let end_num = d.here;
d.op(Op::DRP); d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
let bad_num = d.here;
d.op(Op::DRP); d.op(Op::DRP); d.op(Op::DRP); d.lit(0); d.op(Op::INV);
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
let number_helper = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP);
d.op(Op::DUP); d.lit(word_buf); d.op(Op::ADD); d.call(cld);
d.lit(48); d.call(sub); d.lit(16383); d.call(and); // "unsigned comparison"
d.op(Op::DUP); d.lit(10); d.call(geq); d.op(Op::Q); d.call(bad_num);
d.op(Op::SWP); d.op(Op::TOR); d.op(Op::SWP); d.call(x10); d.op(Op::ADD); d.op(Op::RTO);
d.op(Op::DUP); d.lit(word_buf); d.call(cld); d.call(geq); d.op(Op::Q); d.call(end_num);
d.lit(1); d.op(Op::ADD); d.call(number_helper);
// number ( -- n|-1 )
d.entry(); d.name(6, *b"num"); let number = d.here;
d.lit(0); d.lit(1); d.call(number_helper);
// execute ( xt -- )
d.entry(); d.name(7, *b"exe"); let execute = d.here;
d.op(Op::TOR); d.op(Op::RET);
let doit = d.here;
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP);
d.call(compile_call); d.call(execute); d.op(Op::RET);
let bad = d.here;
d.op(Op::DRP); d.lit(63); d.call(emit);
d.op(Op::RTO); d.op(Op::DRP); d.op(Op::RET);
// dispatch ( xt -- )
d.entry(); d.name(9, *b"int"); let dispatch = d.here;
d.op(Op::DUP); d.op(Op::Q); d.call(doit);
d.op(Op::DRP);
d.call(number); d.op(Op::DUP); d.lit(1); d.op(Op::ADD);
d.call(zero_eq); d.op(Op::Q); d.call(bad);
d.call(compile_lit);
d.op(Op::RET);
// quit ( -- )
d.entry(); d.name(4, *b"qui"); let quit = d.here;
d.call(word); d.op(Op::DRP); d.call(find);
d.call(dispatch); d.call(quit);
// create ( -- )
d.entry(); d.name(6, *b"cre"); let create = d.here;
d.call(word); d.op(Op::DRP);
d.call(here); d.op(Op::LD);
d.call(latest); d.op(Op::LD); d.call(comma);
d.call(latest); d.op(Op::ST);
d.lit(word_buf); d.op(Op::DUP); d.op(Op::LD); d.call(comma);
d.lit(2); d.op(Op::ADD); d.op(Op::LD); d.call(comma);
d.op(Op::RET);
// : ( -- )
d.entry(); d.name(1, *b": "); let colon = d.here;
d.call(create); d.call(smudge); d.call(rbracket); d.op(Op::RET);
// ; ( -- )
d.entry(); d.name(1 | 0x80, *b"; "); let semicolon = d.here;
d.lit(!(Op::RET as u16)); d.op(Op::INV); d.call(comma);
d.call(lbracket); d.call(unsmudge); d.op(Op::RET);
// ? primitive
d.entry(); d.name(1 | 0x80, *b"? "); let q = d.here;
d.lit(!(Op::Q as u16)); d.op(Op::INV); d.call(comma); d.op(Op::RET);
d.c.store(latest_ptr, q-6);
d.c.store(here_ptr, d.here);
d.c.store(state_ptr, 0xffff);
quit
};