Каллисто-2: разработка быстродействующего Форта для МК-161

Каллисто-2, черновик 5: http://the-hacker.ru/2016/Callisto2-d5.zip

Теперь шитый код генерируется SP-Forth, в полном соответствии с требованиями нового адресного интерпретатора. «Ассемблер» ЯМК вынесен в отдельный список слов. Определения примитивов выглядят весьма красиво:

code w1               \ === Обработчик 000 ===
  2 РРП 9010          \ Инициализация графического экрана
  1 2 9               \ Код буквы "Б"
  РРП 9020            \ Вывод символа на графический экран
  КГРФ                \ Обновляем индикатор
  КБП9                \ NEXT
end-code

Каллисто-2, черновик 6: http://the-hacker.ru/2016/Callisto-d6.zip

Заработали определения высокого уровня, то есть стек возвратов и CALL/EXIT. Производительность не мерил, но должно работать ощутимо быстрей Каллисто Классик.

Также добавлены циклы begin/until и begin/again для примитивов — слов на языке МК-161. Этот типично фортовский приём позволяет обходиться без меток в БП и условных переходах назад.

Каллисто-2, черновик 7: http://the-hacker.ru/2016/Callisto2-d7.zip

Начал писать терминал. Теперь после запуска Каллисто-2 выводит на индикатор нажимаемые клавиши. Раскладка примерно соответствует цифровой клавиатуре Каллисто Классик и пока не переключается в русский и латинский режимы.

На этот раз я не спешу и делаю всё, как надо. Ввод реализован с помощью прерываний. Вводимые литеры ставятся в очередь длиной 8 литер. Реализован автоповтор, впервые на «Электронике МК-161».

В метаязыке произошёл переход от 2 РРП 9010 к каллистянскому 2 9010 РРП — есть и другие изменения, которые позволят написать такую крупную программу, как транслятор Каллисто-2.

Каллисто-2, черновик 8: http://the-hacker.ru/2017/Callisto2-d8.zip

Внешне изменений нет — Каллисто-2 отображает нажатые клавиши, как и раньше. Внутри существенные изменения. Например, появился стек данных. Вершина стека теперь всегда хранится в регистре C.

Во многих реализациях Форта подобный трюк повышает быстродействие. В нашем случае выгода не очевидна. Я довольно долго размышлял над этим решением. Что-то станет работать чуть быстрей, что-то чуть медленней. Будет возможность сравнить.

Ассемблер языка МК теперь поддерживает все коды операций МК-161. Он ещё не умеет ссылаться на метки вперёд, но уже позволил реализовать десятки примитивов Каллисто, включая арифметические операции и операции со стеком. Практически каждое определение удалось записать в одну строчку. Вот некоторые из тех определений, где регистр С дал выигрыш и по размеру кода, и по скорости:

code dup ИПС КП3 КБП9 end-code
code 1+ 1 ИПС + ПС КБП9 end-code
code 2+ 2 ИПС + ПС КБП9 end-code
code 10ˣ ИПС F10ˣ ПС КБП9 end-code
code eˣ ИПС Feˣ ПС КБП9 end-code
code lg ИПС Flg ПС КБП9 end-code
code ln ИПС Fln ПС КБП9 end-code
code x² ИПС Fx² ПС КБП9 end-code
code √ ИПС F√ ПС КБП9 end-code

Команды ИП П БП ПП и несколько других стали «умными». Зная, к какому регистру или шагу происходит обращение, они сами выбирают нужный код операции — либо двухшаговой/внутристраничной, либо трёхшаговой/межстраничной команды.

Например РРИП 9000 теперь записывается в ассемблере, как 9000 ИП — ровно также, как в Каллисто. Переходы также стали использовать обратную польскую нотацию. Сперва пишем, куда. Потом пишем БП или Fx=0

При компиляции Каллисто-2 SP Forth выдаёт предупреждения о переопределении ряда слов. Это нормально. В конце-концов, мы и заняты определением слов Каллисто на Форте. Арифметические и другие операции получают новое определение.

Конечно, работы предстоит ещё очень много. Клавиатура и терминальный вывод станут куда умней. Устройство словаря Каллисто-2 пока очень примитивно, многим задумкам реализация только предстоит. Нет стековых диаграмм и другого само-документирования, хотя многое и повторяет Каллисто Классик.

Брать здесь:
http://the-hacker.ru/2017/Callisto2-d10.zip

Клавиатура становится серьёзней — в Каллисто-2 заработал цифровой режим. Теперь кнопка "3" даёт литеру "3", а последовательное нажатие кнопок "F 3" даёт литеру "#". Разумеется, это совместимо с автоповтором и очередью клавиатуры, важными нововведениями Каллисто-2. Нажав кнопку "F" и удерживая кнопку "3", мы получим автоповтор литеры "#".

Раскладка практически повторяет Каллисто Классик. Небольшие отличия вызваны лучшей продуманностью второй реализации алфавитно-цифровой клавиатуры для «Электроники МК-161». Например, "П" даёт "!", а "F П" даёт "?" — это освободило кнопку "К" для будущих применений.

Литера "|" теперь вводится "F В↑", а литера "↵" переехала на "F ВВОД". Клавиши выбора сейчас дают свои «старшие» коды, а «младшие» коды получаются при использовании префикса "F".

Пока в качестве префиксной клавиши "F" можно использовать любую другую спецкнопку — РУС/ЛАТ и т.п. Но это ненадолго, алфавитные режимы на подходе. Тестовое приложение осталось нетронутым. Хотя драйвер клавиатуры выдаёт правильные коды "Cx" и "F Cx", для редактирования строки их пока никто не использует.

Напомню, что для запуска Каллисто-2 в «Электронику» надо передать три файла — mkp, mkb и mkd.

Каллисто-2, черновик 11: http://the-hacker.ru/2017/Callisto2-d11.zip

Тестовая программа теперь выводит приглашение ">", в остальном без изменений. Зато драйвер клавиатуры завершён. В-основном он повторяет клавиатуру Каллисто Классик, но удалось воплотить две мои древние задумки. В цифровом режиме клавиша "K" работает, как Control — например "K S" вводит ^S, управляющий символ с кодом 19 и графическим изображением «знак паузы».

Также в цифровом режиме комбинация префиксных клавиш "F K" позволяет ввести любой символ по его шестнадцатеричному коду. Например, "F K 1 3" это ещё один способ ввести тот же самый «знак паузы». Клавиши выбора (и они же с клавишей "F") в цифровом и латинском режимах дают одинаковые служебные коды. Это позволит использовать их, например, для перемещения курсора.

Чтобы реализовать всё это богатство, в ассемблере МК-161 введены метки с возможностью ссылок вперёд. Подробней я объяснял эту тему в Контакте. Над метками я ещё немного поработаю напильником, но они уже вполне работоспособны.

Каллисто-2, черновик 13: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d13.zip

Благодаря поддержке русских фортеров начал переход к ALSO/ONLY, пока на уровне исходного кода. Слова кросс-компилятора теперь растасованы по спискам/словарям. Реализованные примитивы получили картинку стека. Добавлено несколько новых слов. Одно из них, слово TYPE , выводит титульную строку перед приглашением, с номером версии черновика.

Но для юзера изменений мало. По прежнему нажимаемые клавиши выводятся на индикатор, ничего нового. Напоминаю, что для запуска Каллисто-2 надо передать на МК-161 весь пакет полностью, а не только MKP. Компилируется Каллисто-2 с помощь SP-Forth 4.20

Фрагмент исходного кода. После code идёт каллистянское имя, после скобок реализация на языке ПМК:

\ Арифметика
code 1+  ( x -- x+1 )    1 +  next;
code 1-  ( x -- x-1 )    1 -  next;
code 2+  ( x -- x+2 )    2 +  next;
code 2-  ( x -- x-2 )    2 -  next;
code 2×  ( x -- x×2 )    В↑ +  next;
code 2/  ( x -- x/2 )    2 ÷ К[x]  next;
code +   ( y x -- y+x )  +  jdrop2 БП;
code -   ( y x -- y-x )  -  jdrop2 БП;
code ×   ( y x -- y×x )  ×  jdrop2 БП;
code ÷   ( y x -- y÷x )  ÷  jdrop2 БП;
code /   ( y x -- y/x )  ÷ К[x]  jdrop2 БП;

Каллисто-2, черновик 14: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d14.zip

Новая, в сравнении с Классик, концепция курсора. Теперь курсор не выделяет литеру, а расположен между ними. Переделан терминальный вывод, с помощью ассоциативных таблиц МК-161. Вполне возможно, что таким он и войдёт в релиз. Начата реализация обновлённого ACCEPT — но пока там одни строительные леса, управление туда не передаётся.

С точки зрения юзера вводимые клавиши выводятся на индикатор, как раньше. Зато теперь куда больше управляющих символов поддерживается. В режиме NUM комбинация ^L (K–) очищает экран, ^J (K8) переходит на строчку вниз, ^G (K БП) звонок и т.д.

В том же режиме NUM работает FK и две цифры шестнадцатеричного кода символа. Буквы A, B, C, D, E и F это кнопки ШГ влево, В/О, С/П, K, ИП и П — они такие же в режиме ЛАТ. Надо лишь помнить, что С/П я пока не отключал и при нажатии на эту кнопку МК-161 перестаёт выполнять черновик.

Кнопка Выход (она же К стрелка влево) завершает выполнение программы. И да, добавил GPL в архив.

Каллисто-2, черновик 15: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d15.zip

Сегодня задышал новый ACCEPT

Его ещё надо отлаживать, оптимизировать и дорабатывать. Не все клавиши редактирования работают. Зато символы вставляются в позицию курсора, курсор уже можно гонять влево-вправо. Ввод строки теперь близок к завершению, с автоповтором и другими удобствами улучшенной клавиатуры Каллисто-2.

ACCEPT будет работать через вспомогательное слово (ACCEPT) — которое позволяет редактировать заготовку строки. Это большой шаг к улучшению редактора экранов Каллисто. В Каллисто Классик редактировать экраны на борту было можно, но во входящем в комплект редакторе (другого никто не написал) при любом изменении строки приходилось набивать её заново. Теперь (ACCEPT) позволит вносить нужные изменения с клавиатуры ЭКВМ, не перебивая строку целиком.

В ближайших планах сделать комбинации клавиш для уборки строки в карман (F ↓) и вставки её оттуда (F↑) — как в Лексиконе. Карман отнимет 92 байта драгоценной байтовой памяти, но должен добавить удобств при разработке приложений на борту МК-161.

Каллисто-2, черновик 16: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d16.zip

Часть ненужного кода закомментировал. Исправил ряд ошибок и провёл первую оптимизацию ACCEPT

Удалось избавиться от R20, весь ACCEPT аккуратно уложился в традиционные советские регистры. Ещё остался баг — при перемещении курсора в конец строки иногда он появляется не там, где нужно. Клавиша «влево» возвращает курсор на место.

Интересно, что пришлось реализовать уникальную языковую конструкцию tails … then для хвостовой рекурсии. Пример использования см. в AccCTL. Но это в языке ПМК. Не факт, что она войдёт в Каллисто.

Каллисто-2, черновик 17: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d17.zip

Исправление ошибок и оптимизация ACCEPT

Помимо прочего, ACCEPT иногда позволяет разместить тонкие буквы в самом конце экранной строки — когда остаётся так мало места, что широкие буквы не влазят. Баг с переходом в конец строки ввода исправлен. В целом ACCEPT готов к реализации более сложных клавиш редактирования.

Каллисто-2, черновик 18: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d18.zip

Заработал ACCEPT — полностью. Теперь буду оптимизировать, но почти все задумки и хотелки реализованы. Клавиши редактирования строки:
← → Переместить курсор на одну позицию влево / вправо
F← F→ Переместить курсор в начало / конец строки
↑ ↓ Переместить курсор на 8 позиций влево / вправо
Сх (BS) Удалить литеру слева от курсора
F Сх (F BS) Удалить все литеры справа от курсора
F ↓ Очистить строку, забрав её в карман
F ↑ Вставить карман в текущую позицию курсора
ВВОД Завершает редактирование строки

Клавиши редактирования можно комбинировать. Например, F← F Сх удалит всю входную строку, не меняя содержимое кармана.

Карман сохраняется между вызовами ACCEPT и хранит не только литеры, но и позицию курсора. Туда, например, можно занести длинное слово и вставить его несколько раз. Если вам нужно продолжить редактирование строки после её сохранения в карман, используйте комбинацию F↓ F↑

Ну и несколько советов по клавиатуре. «Стрелки» не работают в русском режиме, на них «висят» русские буквы. Если надо ввести в строку сами «стрелки», нажмите перед ними в режиме NUM кнопку K. Например, литера ↑ вводится комбинацией K↑

Также напоминаю, что кнопка С/П останавливает программу.

Черновик 18 — значительный прогресс в сравнении с Каллисто Классик, где помимо клавиши ВВОД было всего две клавиши редактирования — удалить последний введённый символ (Cx) и очистить всю строку (F Cx).

Каллисто-2, черновик 20: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d20.zip

Представляю одно из главных нововведений Каллисто-2 — хэш-функцию. Черновик 20 вводит строку с клавиатуры, потом выводит на индикатор её и её хэш.

Именно сравнение имён слов не посимвольно, а по их хэшу позволит Каллисто-2 достичь приемлемого быстродействия уже на «Электронике МК-161». Немного про выбранную хэш-функцию:

1. Большие и малые буквы не отличаются ни в русском, ни в английском алфавитах. У имён TRUE , True и true хэш одинаков: 56118436.
2. Хэшируются только три буквы имени — первые два символа и один последний.
3. Хэш-функция учитывает длину имени. Поэтому АБВГ и АБГ имеют разные хэши 4708 и 4707, несмотря на одинаковые символы в начале и конце.

Каллисто-2, черновик 21: http://the-hacker.ru/2018/Callisto2-d21.zip

80 уже реализованных примитивов получили свои «десятичные заголовки», записанные в регистрах ЭКВМ с номерами 100-179. Это важный шаг по направлению к альфа-версии Каллисто-2. Для сравнения — в Каллисто Классик 298 слов.

Два 4-значных числа перед #code это хэш имени, рассчитанный словом HASH на «железной» МК-161. При программировании «на борту» эти хэши МК-161 будет вычислять самостоятельно и незаметно для владельца. Хочется ещё раз поблагодарить разработчиков «Электроники МК-161». Разрабатывать и отлаживать Каллисто, пользуясь настоящим физическим калькулятором — одно удовольствие. Прямо чувствуешь, как на глазах зарождается ПМК мечты.

Поле CFA и соответствующая ему свёртка с адресом обработчика (ещё одно know how Каллисто-2) генерируются автоматически. На прежнем уровне технологий, когда Каллисто писалась на MK.EXE, такие автоматические вычисления во время компиляции транслятора были бы невозможны. Поэтому второе спасибо — разработчикам СПФ.

\ Арифметика
0022 7170 #code 1+  ( x -- x+1 )    1 +   next;
0022 7234 #code 1-  ( x -- x-1 )    1 -   next;
0023 1778 #code 2+  ( x -- x+2 )    2 +   next;
0023 1842 #code 2-  ( x -- x-2 )    2 -   next;
0023 3570 #code 2×  ( x -- x×2 )    В↑ +  next;
0023 1906 #code 2/  ( x -- x/2 )    2 ÷ К[x]  next;
…

\ Примитивы МК-161
0000 4161 #code √    ( p -- x )    F√    next;
0035 2706 #code LN   ( p -- x )    Fln   next;
0035 2482 #code LG   ( p -- x )    Flg   next;
0040 8994 #code X²   ( x -- p )    Fx²   next;
0032 1474 #code Eˣ   ( x -- p )    Feˣ   next;
3273 8755 #code 10ˣ  ( x -- p )    F10ˣ  next;
9330 7267 #code |X|  ( x -- p )    К|x|  next;

Каллисто-2, черновик 23: http://the-hacker.ru/2019/Callisto2-d23.zip

Улучшена формула хэш-функции. Теперь для различения слов используются первые три символа имени, плюс длина. Так было и у Чака Мура, в своё время. Из этого правила два исключения. Если имя начинается с ARC или END — они учитываются, как один символ.

Новая формула позволяет различать слова BLANK и BLOCK — для предыдущей функции это было невозможно. Исключения позволяют отличать arcsin от arccos , а также готовят к реализации CASE

Также я начал реализацию атомов — новейшей концепции Каллисто-2, позволяющей улучшить быстродействие языка. Атом — подпрограмма на языке МК, которой можно дать имя и вызывать из слов, написанных на Каллисто. В шитом коде атом, скорее всего, будет представлен своим адресом в памяти программ. Итого атом будет занимать мало места, а исполняться максимально быстро. За скорость придётся платить. Атому недоступна такая «магия Форта», как параметризация слова через поле данных, а также (возможно) параметры вызова, скомпилированные в шитый код. Поэтому не все слова Каллисто-2 могут быть реализованы, как атомы.

Атом Каллисто-2 близок к примитиву Каллисто Классик, но есть и различия. Например, атом может быть словом высокого уровня, написанным в процедурном коде. Также не любая подпрограмма МК-161 является атомом — атому надо соблюдать ряд регистровых соглашений, чтобы не нарушить работу среды.

Сейчас черновик выводит номер своей версии и просит ввести слово, после чего выводит его на индикатор вместе с вычисленным хэшем. Всё готово для обновления адресного интерпретатора — введения атомов и процедурного кода в памяти программ, самого быстрого из известных.

Каллисто-2, черновик 24: http://the-hacker.ru/2019/Callisto2-d24.zip

Перешёл на новый адресный интерпретатор (АИ) с поддержкой атомов. Он примерно на треть (точно не измерял, подсчитал число инструкций) быстрее Каллисто Классик и занимает меньше места — 29 шагов вместо 48. Основная же выгода в том, что после вызова атома и до возврата из него накладные расходы на интерпретацию 0%. Атомы могут вызывать другие атомы (процедурный код), всё это обрабатывается традиционным ПП … В/О. Никакой ручной возни со стеком возврата, и даже два верхних элемента «бесконечного» стека данных доступны в регистрах X и Y.

Атомы сразу освободили 80 байт дорогой байтовой памяти, по сравнению с предыдущими черновиками — им не требуется поле кода. В шитый код атом компилируются очень просто, своим начальным адресом в памяти программ. При необходимости можно сделать полшага назад — ускорить АИ за счёт байтовой памяти, низведя атомы в привычный статус обработчиков.

АИ Каллисто-2 очень необычен для поклонников Форта (адрес NEXT теперь не используется, я даже закомментировал метку), зато очевиден для любителей ПМК.

«Я терпеть не могу компьютеров, особенно тех, которые что-то мне запрещают. Он думает, что если запретил мне выключать движок, то я так и послушался!» © Михаил Пухов

Новосибирск запретил нам исполнять код из памяти данных — Гарвард, гришь? Хорошо. Я написал короткие подпрограммы на все случаи жизни, а в памяти данных размещаем цепочку адресов этих подпрограмм. Плюс слова Форта, чьи поля данных интерпретируются разнообразными обработчиками.

У программистов Каллисто-2 будет даже CREATE DOES> для создания своих обработчиков — то, что мне не удалось сделать в 2017 (в 1.0 поддерживается только <BUILDS DOES>). Это уже заложено в новый АИ, гениальная отечественная реализация (Москва, 2019) гениальной идеи Чака Мура (Шарлотсвилл, 1971). Разработчику теперь не обязательно знать, что Каллисто запущена поверх Гарварда. :-)

Этот каллистянский трюк нам пригодится, и когда полезем в ПЗУ 8051. Вообще, новый АИ уже просится под напильник (заменить псевдоBCD на честную двоичку, десятичные регистры на РОН) — и в прошивку!

Вот, как знакомо и по ПМКшному теперь выглядят атомы Каллисто:

\ Арифметика
0022 7170 #atom 1+ ( x — x+1 ) 1 + В/О;
0022 7234 #atom 1- ( x — x-1 ) 1 - В/О;
0023 1778 #atom 2+ ( x — x+2 ) 2 + В/О;
0023 1842 #atom 2- ( x — x-2 ) 2 - В/О;
0023 3570 #atom 2× ( x — x×2 ) В↑ + В/О;
0023 1906 #atom 2/ ( x — x/2 ) 2 ÷ К[x] В/О;
0000 1377 #atom + ( y x — y+x ) + jdrop2 БП;
0000 1441 #atom - ( y x — y-x ) - jdrop2 БП;
0000 3169 #atom × ( y x — y×x ) × jdrop2 БП;
0000 3073 #atom ÷ ( y x — y÷x ) ÷ jdrop2 БП;
0000 1505 #atom / ( y x — y/x ) ÷ К[x] jdrop2 БП;
…

\ Атомы МК-161
0000 4161 #atom √ ( p — x ) F√ В/О;
0035 2706 #atom LN ( p — x ) Fln В/О;
0035 2482 #atom LG ( p — x ) Flg В/О;
0040 8994 #atom X² ( x — p ) Fx² В/О;
0032 1474 #atom Eˣ ( x — p ) Feˣ В/О;
3273 8755 #atom 10ˣ ( x — p ) F10ˣ В/О;
9330 7267 #atom |X| ( x — p ) К|x| В/О;
0007 9074 #atom СЧ ( — p ) ↔ КП3 ↔ КСЧ В/О;
0003 2674 #atom ЗН ( x — n ) КЗН В/О;
3139 5811 #atom /-/ ( x — x1 ) /-/ В/О;
3273 3443 #atom 1/X ( x — x1 ) F1/x В/О;
6079 1715 #atom [X] ( x — x1 ) К[x] В/О;
9264 3747 #atom {X} ( x — x1 ) К{x} В/О;

\ Тригонометрия МК-161
5471 2967 #atom RADIANS ( — ) 1 p: SetAng 9045 П Fo В/О;
4544 1767 #atom DEGREES ( — ) 0 SetAng БП; \ Нельзя Cx, т.к. верхушки стеков совпадают
9195 4980 #atom ARCSIN ( x — x1 ) Farcsin В/О;
9188 1444 #atom ARCCOS ( x — x1 ) Farccos В/О;
9195 9523 #atom ARCTG ( x — x1 ) Farctg В/О;
5541 3699 #atom SIN ( x — x1 ) Fsin В/О;
4482 4675 #atom COS ( x — x1 ) Fcos В/О;
0038 9346 #atom TG ( x — x1 ) Ftg В/О;

Каллисто-2, черновик 25: http://the-hacker.ru/2019/Callisto2-d25.zip

Внешне черновик тот же самый. Разве что пара багов исправлена.

Внутри два больших изменения — больше по форме, чем содержанию. Во-первых, я перешёл на общепринятые соглашения Форта для метакомпиляции, разные суровые THERE и C,-T

Старый наивный код мне нравился больше, но по мере роста и усложнения Каллисто формальности помогут избежать ошибок. Это большой шаг к метакомпиляции. Кросс-компилятор почти завершён, но я решил опубликовать этот черновик до важных финальных правок.

Второе изменение заключается в «причёсывании кросс-ассемблера». Обычно в Форте команды ассемблеров оканчиваются запятой. Мне долго удавалось этого избегать. Но раз уж мы держим курс на шустрый процедурный код, придётся как-то отличать в атомах, например, команду ПМК + от каллистянского слова +

Это я ещё игнорирую слово + СП-Форта, которое удаётся не выпускать за пределы стандартного словаря. :-) Также я сделал подсчёт и вывод числа реализованных слов. Сейчас Каллисто-2 знает 83 слова, в итоге получится примерно 300. Мы уже приближаемся к альфа-версии. Как только кросс-компилятор будет завершён, можно начать переносить уже готовые слова из Каллисто Классик. Но у меня в планах несколько серьёзных улучшений языка. Пока дорожная карта такая:

1. Каллисто-2 для МК-161 на языке МК. (в процессе подготовки к альфа-версии)
2. Ассемблер x86 и Каллисто-2 для DOS — или под более мощный отечественный ПМК, если у кого-нибудь получится такой выпустить.
3. Метакомпиляция Каллисто-2 под DOS’ом. Мощностей DOS должно хватить, чтобы отбросить ступень СПФ.
4. Каллисто-2 под W77LE516P (третий форт-ассемблер), если к тому времени будет ясно, как на МК-161 работают клавиатура и индикатор.
5. Разработка отечественного ПМК, родного железа под Каллисто?