如何設計高低階混用碼指令？

如何設計高低階混用碼指令？

曾慶潭 Ching-Tang Tseng

ilikeforth@gmail.com

Hamilton, New Zealand

16 March 2026

在某些特殊情況，當我們使用 FORTH 系統提供的所有現成指令設計程式時，會希望高低階指令可以任意混合使用，這種特殊編寫程式的功能稱之為混碼程式(Mixing code)技術。程式語言可以有許許多多的古怪技術，但對 FORTH 而言，只要是你描述得出來的技術， FORTH 沒有設計不出來的，而且強調僅由個人私下就可以解決，這是 FORTH 具有延伸性性能使然。不像其他程式語言，特殊功能通常要等原販售公司將其添加於系統，發行新版後才有可能，因為大多數程式語言均屬封閉性，不容使用者隨意修改系統既定功能。本文介紹如何為 FORTH 系統添加混碼程式功能？它就是一個 FORTH 程式語言與其他程式語言比較時，在眾多性能差異上，特別成為鮮明對比的例子。

1 預備知識

初學 FORTH 之人，可能較難看懂這種指令的設計原理，因為初學者通常不會一開始就直接接觸理論性的『FORTH系統結構』與『FORTH指令基本結構』，更進一步的『FORTH執行原理』，則要等學過 FORTH 後，還有興趣深入探討系統時才會去研究它，而欲設計這種指令時，必須先具備這些基本知識，否則不易透徹了解它們的設計方法。另外，因為要混用高低階指令編寫程式，系統當然要具備 FORTH Assembler 的功能，在使用 FORTH 組合語言時，所有的規矩也都得遵循，要有『CPU內有那些暫存器不可亂用？』的限制觀念。上述的預備知識就成了能看懂本文的基本要素了。屬於系統部份的預備知識，你可以從 1987 年 4 月我們出版過的『FORTH期刊』中獲得。組合語言的部份要自行下功夫實作後才能真正體會了解，要先行標出 CPU 內那些暫存器被 FORTH 系統規劃掉了？必須避開不用，或用前搬開內容，用完再合理恢復，所寫的程式執行時才不會出錯。

這些指令不屬於標準指令，在歷來的標準指令表中找不到他們的蹤跡，甚至於最新的 ANSI 標準中也絕口不提，可是它在 FORTH 發展的早期就已經被經常使用了，很久以前，我們在使用這種性能已經多年之後，才在後來新發行的 C 類程式語言系統中見到它的仿照設計。 FORTH 有許多性能領先別人許久，一直到今天依然如此，我們還可以舉出多項性能是一般程式語言所沒有的，這也是為何學會 FORTH 後便愛用 FORTH 的原因。學會設計混碼程式需用指令的設計方法，將更加強對於 FORTH 系統的深入認識，也將終身受用。看懂本文，將來就能輕易的為任何新出現的 FORTH 系統添加此一性能，這是作者為傳揚 FORTH 的最主要目的。因此，特別挑選了一個原本欠缺此一性能的大眾化系統來驗證它，就以 eForth32 做為設計基礎，為其添加此一性能。如果你手頭上使用中的系統已經有此性能，或者只有一半性能，例如：只能在高階定義指令中混入低階指令編寫程式，而於編寫低階定義指令時，還不能混入高階指令。那麼，你就可以根據本文自行添加此性能，自己磨練系統指令的程式設計能力，並與原已有功能比較，將是毫不遜色，因為不同的設計都將殊途同歸，對於程式執行速度或執行效果毫無影響。

如果你尚未準備好上述背景知識，建議你暫時不用細看本文，留供日後參考便可。通常一般商售的 FORTH 系統都提供了此一性能，它們較常用的指令名稱為 ： [C 、 C] 、 C: 、 ;C 之類的名稱。前二者成一對，使用在高階定義中轉入低階再轉回高階。後二者成另一對，使用在低階定義中轉入高階再轉回低階。不用讀通本文，你也可以直接使用這些指令，使用手冊的說明文獻也只能做到這個地步。

留供日後參考的建議係作者個人的贈言，四十幾年前，我們在中山科學研究院內的週五研討會上，討論過此項性能。我記得當時藍瑞賢個人獨衷 Zen-Forth 商售系統，其中只提供了這項功能的半套指令，而當時大家公認使用的推廣標準是無版權問題的 F83-FORTH 系統，已有完整的這項功能。為此問題我們另有 Poly-FORTH 系統，也有完整的這項功能，可以比照參考。陳爽的 FORTH 功力當時最好，他帶頭講解的結果，讓與會者此後便有能力自建此功能於任何系統，我則仔細的做了筆記。三十年前我們移民到了紐西蘭，我隨身攜帶來此的書籍、簿本，只有三樣，一本中英對照的『聖經』，一本精裝大字足本的『四書讀本』，另外就是所有的 FORTH 歷年筆記，這些都是精神糧食，好東西就應該留供日後參考，單純只留在腦袋中，老了是會忘記的。我在 eForth32 中重建此功能時，只花了半天時間，而且一次完成，為什麼？靠的就是筆記。

2 使用時機

我們可以舉出許多例子來強調這項功能非常方便，尤其是對一個想玩進 FORTH 系統內部的人更具有吸引力，因為它涉及了低階程式的可以無所不做能力，以及執行速度可以發揮到系統極限的先天優點，另外配上高階程式的現成與複雜功能，二者組合起來，在許多場合就相當方便。因此，若輕易就能擁有的功能，為何不用？它不是標準指令又有甚麼關係？ 舉例來說：如果我有一個程式想測系統性能，必須斤斤計較執行速度到系統的基本時脈週期程度。我曾寫過這種程式，就以讀取電腦中的標準時基計數器內容當標準，要讀得又快又穩又準，當然得用低階組合語言來寫程式，想像中幾乎是一瞬間就得到了參考時基，而且只用幾個低階指令，自己耗了幾個時脈數很容易清算，易於隨後扣除。接下來要處理計算與顯示時，若還只能用低階程式，那就非常痛苦了，這項高低階可以混用的功能就很有用處，讓問題極容易解決。

另外，我們在設計中斷處理程式最後，免不了要用低階程式來安放執行位址(Entry point)於中斷執行向量位置，中斷瞬間想以低階最快速度做一件事，隨後想做的事通常就很複雜，不用高階就不方便，做到關鍵處還有可能又要求用低階設計比較有效，如此又高又低的翻來覆去，這項功能更能提供方便。

還有一些平日設計的高階程式，在某些過程中想穿透系統去做一些沒有指令可用的工作，例如：像除錯工具指令一樣可以取得當時 FORTH 系統高階定義指令的程式計數器(Program counter) 內容，高階指令設計中便可混入幾個低階指令來完成。等同於 FORTH 系統高階指令程式計數器的專有名詞，在 FORTH 領域，則稱之為指令指標暫存器(Interpreter Pointer or Instruction Pointer，IP )，系統一般均不提供操作它的指令，古時候的系統則有此 IP 指令可用，它會直接取得系統執行當時的 IP 內容，有幾個結構化跳躍指令，可以藉助於此指令之存在而容易完成設計，後來有新觀念被發展出來才不用它了。

另外，一個接近終了的程式設計，也許會有強調必須改善執行速度的要求，大家都知道，此時非用低階指令取代設計不可了，如果可修正的指令不想搬離原設計位置，那麼，這項功能理所當然的可以提供服務。

還有無數的例子可以舉出，那怕僅只是玩一玩，當基本教材訓練學生，都是有用的，越用 FORTH 設計程式，就越能發現那些場合？可以讓這項功能盡量發揮。我常用，可是很不喜歡用這種程式來當作寫 FORTH 文章的題材，因為要用組合語言，文章只能在限用時間內有效，我擅長用卻不擅長描述這種程式，痛苦之至，最好不寫。很不幸本文的程式設計就不可或免的得用到一些組合語言，我只好將就一點，勉為其難的在該部份進行簡單說明。

3 基本原理

在解說問題時，必須將問題簡化才方便解釋，我們就以這個方式開始。 FORTH 系統中，強調所有的東西都盡可能為統一的格式，因此，無論是高、低階指令，或變數、常數、或字彙，它們的基本結構都是一致的，至少有名稱欄、連結欄，解碼欄、參數欄，某些系統還多了觀察欄或其他欄，我們暫時別管它們的存在與否，只考慮基本上標準的前四欄。

無論你如何寫程式，能被 FORTH 系統接受的最後結果，其格式仍必須符合標準結構的要求，否則不能被正常的執行。因此，我們現在探討的主題，也不能脫離這個範疇。也就是說，高階定義指令中混用低階的指令，或低階指令中混用了高階指令，這個基本結構規矩仍得遵循，不可以在基本結構中另出一基本結構，我們想解說的問題因此被簡化了一半。

四欄的結構有時又被分成兩個部份，一是頭部，也就是名稱欄與連結欄，另一個就是體部，也就是解碼欄與參數欄。分成兩部份，有時有利，有時有害，利害分析這部份，超出本文探討範圍，擱置不予置評，有許多系統都這樣做， eForth32 、Win32Forth 都是， F83 則不是。高階定義指令中使用低階，其中的低階既然不能也是一個原來的標準結構樣子，那麼，必須是怎樣的結構才能被系統接受呢？根據『FORTH執行原理』來考慮，如果我們能夠去除這個下屬於高階指令的低階指令其頭部，系統的執行機制就可以符合正常的 FORTH 系統執行原理。換句話說，如果我們將這樣的程式設計，搞成包括進來的低階指令沒了頭部，只有體部，那麼整個系統的執行機理就能維持而未被破壞。反之，低階指令中使用了高階，其理亦然，只能留住下屬者的體部，而不能有其頭部。根據這樣的原則，我們就能按照FORTH的執行原理，在邊界位置設計程式，來切換系統執行高階或低階指令時的相關程式計數器內容，以達到目的。

所謂的程式計數器，我們暫時可以將情況比擬想像成， Forth 系統中高階定義指令的程式計數器是 IP 。而低階定義指令的程式計數器是 W ，也就是 Forth 系統中所謂的工作暫存器(Current Word Pointer or Working Register)。一般 CPU 所擁有的程式計數器則仍然稱之為 PC ，如果還想再延伸推理到 FORTH 系統中是否還有其他類似意義的程式計數器？那麼我們也可以說負責多工任務(Multi-task)的另一個指標，使用者系統變數指標暫存器 UP(User Pointer)，可以算是多工(Tasks)運轉時的程式計數器，接受這一段描述，很可以加強你了解所謂『FORTH虛電腦』這個專有名詞的意義。

如果你很能融會貫通新學的東西，也很有創意，用心想一想，有一天也許能在 FORTH 領域創作出另一個程式計數器，例如：一種中階定義指令的指標暫存器，名叫 MP(Middle Word Pointer )，或者是比 UP 更高的超級程式計數器，用它供作多人使用時、許多系統相連時、甚或全世界網域互通時的指標暫存器之用，它名叫 Super-P ，因為管得太大了，所以名字比較長。讀者千萬不要認為這些推理不切實際，它蘊涵了 FORTH 一貫的哲理。

將指令結構分成兩部份的系統，常強調最終的應用程式被執行時只有體部才被用到，頭部可以說是多餘的，因此分成兩部份放置後，最後可以一次就丟光系統所有的頭部，只留體部，應用程式仍然照舊執行，省了記憶體，還讓有心人無法以逆行追蹤的方式還原源程式的結構。混用碼的程式技術也就是根據這樣的原則，來將其所下屬的高低不平等指令埋進系統的，我們須要的指令就根據此理而設計，這一部份簡化了剩下來另外一半的問題。

4 程式設計

下列是一套設計完成後經過測試的指令組：

突破結構化設計測試記錄

突破結構化設計測試記錄

曾慶潭 Ching-Tang Tseng

ilikeforth@gmail.com

Hamilton, New Zealand

2 March 2026

本文係 eForth32 系統中的測試記錄，原稿創作日期為 20111010 ，當時係為了紀念中華民國一百年十月十日而寫。

這是一個反其道而行的論題，程式設計觀念的演變是由原本可以非結構化的規格，演進到現代的強調要結構化，為了防止程式被執行期間因特例而出問題，且易於與人溝通，我也同意設計程式時應該結構化。然而，作為一個 FORTH 自由程式語言的使用者，根本不喜歡別人來干涉我的程式結不結構化？非結構化術語的存在意味著它應有存在的權力，這個自由也不應該被澈底剝奪。我個人的觀點則是：設計程式時應該盡量達到結構化的要求，但在萬一想直接引用前人設計出來的好程式，卻遇到了非結構化的情況，自己又不想大張旗鼓的重改其結構，則應該仍讓我擁有非結構化的權力。

所謂『結構化』，指的是程式執行流程若以繪線來表示，一些迴路或條件分支會形成封閉的迴圈，這些迴圈之線互不相交者就稱之為『結構化』，會相交者就是『非結構化』。舉例而言，早期的 FORTRAN、BASIC ..... 等程式語言，古今所有的 ASSEMBLY 程式語言，都是非結構化程式語言，近代的 BASIC、C++、FORTH ..... 則是結構化程式語言。我們可以這樣認為，所有的程式語言，原本都可由 ASSEMBLY 發展出來，包括其自身亦然。既然 ASSEMBLY 原本即有非結構化之本質，換句話說，程式語言就是有非結構化的天性，是人為的安排使之只能以結構化規格使用的，通常均因系統設計者在編譯程式(Compiler)中加了限制所致，否則所寫的程式無法通過編譯。

如果我們清楚了前述這些情況，當然就很容易了解，一般程式語言一旦有結構化要求之後，就很難再以不結構化方式設計程式了。 FORTH 不然！這也是一項它與一般程式語言有所不同的地方。通常一個市售的標準 FORTH 系統，編譯程式內也設計了結構化檢查的功能，但 FORTH 系統沒有使用者不得操控編譯程式或執譯程式(Interpreter)的嚴格限制，只要你有本事，你就可以進行隨心所欲的彈性運用，重點則在不要破壞了系統或毀了自己的設計。 FORTH 給你這種權力，但後果自行負責，是真正名符其實的『自由程式語言』。

許多年前，我在使用 FORTH 設計數值分析程式時，曾想直接引用一個 Gauss 法求解多元聯立方程式的 FORTRAN 程式，就遭遇到非結構化的問題，當時不想修改程式來適應系統，卻想操控 FORTH 系統來磨練本領，因此將問題提交到中山科學研究院舉辦的週五研討會上討論，陳爽提供了解答，他不愧為 FORTH 系統的個中好手，詳細的說明系統性能，並設計出解決方法，對此後的所有 FORTH 系統是否永久有效？ 不能保證，特此聲明。此段記述納入這篇短文，目的在除了不該掠人之美外，也期盼在 FORTH 發展逐漸式微的今天，能與大家分享這個早年不易散播的技術資料。

在正常情況下，這種破壞結構化的程式設計是不被許可的，因為程式無法適應編譯程式，一般 FORTH 系統遇到此一情況，通常會顯示錯誤訊息，且無法通過編譯。我最近均努力於發展 eForth32 系統的應用程式，在一次偶然的試用中，發現這種程式可以通過此系統的編譯，但當然無法被正確執行，原因是 eForth32 非商售的標準系統，它可以不對出此錯事負責，系統為了精簡設計，在編譯結構化分支指令時不設計彼此配對的識別碼，這也是此系統跑得很快的原因之一。

無論 FORTH 系統結構為何？如果瞭解 FORTH 系統在編譯時的一項重點，這個破壞結構化以迎合自己要求的問題就可以解決，此一重點就是──『FORTH在編譯時不用回返堆疊來傳遞參數，反而使用數據堆疊來傳遞參數』。 FORTH 系統在編譯到結構化指令時，通常由於該類指令必須成對使用的要求，會在數據堆疊上留下兩個數值。一是成對要求的識別碼，例如： IF 配 THEN 有一代表碼， DO 配 LOOP 是另一代表碼。另一數值則為結構分支所需的位址值，以便分支指令可以據以編譯入系統。必須特別強調的是， eForth32 系統則簡化成只有一個位址值。

根據這個特點，我們就可以指揮系統但不破壞系統來完成我們的要求，可以形成迴路的指令不僅只是一兩個，我們不宜一一舉例來長篇討論，讀者應舉一能反三，自行活用，須要時仔細拜讀系統結構化指令的詳細內容，也就不可或免。本文僅舉一簡單例子，並設計程式測試，以驗證無誤，提供讀者日後引用時參考。設計驗證的方法也是另類技術，在正式引用前所應先行完成的工作。

例如：我們希望一個 IF ..... THEN 的結構能與 BEGIN ..... UNTIL 結構相跨，還能讓程式正常的被執行。也就是希望程式寫成形同下列的格式，照樣可以被執行：

 

: NON-STRUCTURE
  Statement-1
  Flag-for-IF
     IF     Statement-2
            BEGIN   Statement-3
     THEN   Statement-4
            Flag-for-UNTIL
            UNTIL   Statement-5  ;
 
  
 

分析過指令詳細內容後，我們可以發現，兩組結構化分支指令都各有一相關的位址值， IF 可能要跳往 THEN ， UNTIL 可能要回跳至 BEGIN 。系統在編譯到 IF 時會留下一個當時系統的位址在數據堆疊上，等到編譯 THEN 時，再將當時系統的位址回填入此堆疊上留下的位址內，完成一組結構化配對指令的要求。同理，系統編譯到 BEGIN 時，也會留下一個系統當時的位址在數據堆疊上，等到編譯 UNTIL 時，系統會安排一個條件分支指令，此留在數據堆疊上的位址，便會被填入此指令之後，以供須要跳躍分支時前往。如果我們不對留在數據堆疊上的兩個位址值進行處理，而仍能通過編譯，那麼編譯的結果，當然會造成跳至錯誤去處的現象， eForth32 系統即為如此。如果我們希望系統仍能編譯出正確的結果，那麼該處理的對象也就是在數據堆疊上所留下的位址值，由上列程式的判讀，我們也可以得知，處理的時機在 BEGIN 與 THEN 之間，至於在 Statement-3 的前面或後面就不太重要了，端視 Statement-3 是否也會在數據堆疊上留下參數而定，因此較妥善的位置，應該是就緊接在 BEGIN 位置之後，處理的方法為在程式的這個位置插入一小段程式，宣告要求系統由編譯狀態轉入執譯狀態，然後立刻執行翻轉數據堆疊頂部當時被留置下來的兩個數值，末了再宣告系統恢復原有的編譯狀態，繼續編譯，這樣就可以人為的方式騙過系統，好像不曾發生過事情一般，完成正常編譯，而且程式可以執行。所添加的三個指令並不會增加系統的編譯量，因為它們在執譯狀態時立即被執行掉了。對 eForth32 系統而言，改寫後的程式如下：

 
: NON-STRUCTURE
  Statement-1
  Flag-for-IF
     IF     Statement-2
            BEGIN  [  SWAP  ]  Statement-3
     THEN   Statement-4
            Flag-for-UNTIL
            UNTIL   Statement-5  ;


至於一般 FORTH 系統，因為多了一組配對識別碼的關係，此處的 SWAP 要改成 2SWAP (不保證都有效！） 。我們就根據原描述程式，設計驗證程式如下：



VARIABLE  flag-for-IF         -1  flag-for-IF    !
VARIABLE  flag-for-UNTIL      -1  flag-for-UNTIL !
:  Statement-1  .”  Statement-1  ”  ;
:  Statement-2  .”  Statement-2  ”  ;
:  Statement-3  .”  Statement-3  ”  ;
:  Statement-4  .”  Statement-4  ”  ;
:  Statement-5  .”  Statement-5  ”  ;
:  NON-STRUCTURE
   Statement-1
   Flag-for-IF
      IF    Statement-2
            BEGIN  [  SWAP  ]  Statement-3
      THEN  Statement-4
            KEY?
            UNTIL  Statement-5  ; 

注意！我們用 KEY? 取代了該處原本應該設計的一個可調內容之旗標變數 flag-for-UNTIL ，原因無它， BEGIN ..... UNTIL 如果被編譯完成且被執行， UNTIL 前列的變數就不再有可被調變的機會，它將形成一個永不終止的無限迴路，因此改用 KEY? 來人為控制。這個指令很好用，它是呈現出鍵盤可以被當作一個即時性(Real-time control)控制器使用的專門指令，它具有 FORTH 即時性控制的精神本質。

執行上述編譯完成的程式後，可以根據螢幕上列印出來的文字，判斷你所設計的程式正確與否？此處所舉的例子僅代表本文論述的問題可以被很技巧的解決，至於任意結構化指令的隨意混組，又想要突破其結構化限制，如何解決？則應視情況而定，了解指令執行機制，仿照本文敘述，找到處理對象、處理位置與處理方法並不困難，這不是一件經常要做的事情，不須強記，只須留下本文以供日後需要時參考，另外，則應記得 FORTH 經常與眾不同，它可以變化萬千。

如果仔細深究我設計的 ABC Forth 系統，就具有本文探討的特性，能夠在高階程式的環境，破壞結構化規格。它的應用實例，可以從我在這個網頁中曾經貼出之有關鑑定質數的程式中發現。

例如：程式用來鑑定某一數字是否為質數時，程式的設計方法是核算從 2 開始，直到該數字之開平方以前，該數能否被這些質數除得盡？能除得盡就不是質數，都除不盡就是新產生的質數。這樣的程式，在設計時，我採用了 BASIC 語法中有固定上限指標的 FOR ..... NEXT 迴路完成設計。

為了能在已核算出能被除得盡時不必續算剩餘指標，我就取巧的利用了執行一次 2drop 的技巧，令程式可以從 FOR ..... NEXT 固定迴路中跳出迴圈。這樣做，可以大量節省執行次數與執行時間，就是一種非結構化的用法。

能這樣做的原因，是因為我把 FOR ..... NEXT 迴路的指標 I 之上限與現行數字設計成放在數據堆疊上運作的關係，所以能輕鬆的只用 2drop 指令實現非結構化設計。實際程式可以從本網頁中已貼出的文章中找到，請自行參閱。