堆疊暫存器
堆疊暫存器是微处理器中，處理呼叫堆疊的暫存器。在以累加器為基礎的處理器中，堆疊暫存器可能是某個特定的暫存器。若是有多個通用暫存器的處理器架構，堆疊暫存器可能是某個依慣例保留的暫存器，像是IBM System/360、z/Architecture架構以及RISC架構，也有可能是用副程式呼叫或程式返回指令，硬編碼的暫存器，例如PDP-11、VAX和Intel x86架構。有些處理器（像Data General Eclipse）沒有專用的堆疊暫存器，而是用保留的硬體記憶體位置來處理此功能。
在1960年末期以前的處理器（例如PDP-8和HP 2100）沒有可以支援递归呼叫的編譯器。其程序呼叫指令會將目前程式指標位置儲存在跳躍地址，接著將程式指標設定為下一個位置[1]。此作法比維護堆疊簡單，因為每一個副程式只會有一個返回位址，但除非程式作大幅相關更動，此作法無法支援递归呼叫。
堆疊結構機器（Stack machine）可能會有二個或多個堆疊暫存器，其中有一個處理呼叫堆疊，其他暫存器則處理其他堆栈。
x86的堆疊暫存器
[编辑]x86架構16位元的處理器裡，主堆疊暫存器是16位元的堆疊指標（Stack Pointer，SP）, 32位元的IA-32裡，擴展為32位元的擴展堆疊指標（Extended Stack Pointer, ESP），64位元的X86-64裡，擴展為64位元的暫存器堆疊指標（Register Stack Pointer，RSP）。堆疊區段暫存器（stack segment register，SS）會儲存目前執行程式呼叫堆疊的記憶體分段相關資訊。SP會指向目前堆疊的最頂端。預設情形，堆疊會以記憶體減少的方式成長，因此比較新的資料會放在較低的記憶體位置。PUSH指令可以將值存在堆疊裡，因此堆疊會增加一個資料，POP指令可以提取堆疊中的資訊，並且堆疊會減少一筆資料。
假設SS = 1000h，SP = 0xF820，這表示目前的堆疊頂是在實體地址0x1F820（這是因為Intel 8086的記憶體分區機制），接下來的二個機器碼是
PUSH AX
PUSH BX
- 第一個指令會將AX（16位元暫存器）的值放在堆疊內，SP數值會減2。
- 新的SP值是0xF81E。CPU會將AX的值複製到0x1F81E.
- 執行PUSH BX時，會設定SP為0xF81C，將BX的值複製到0x1F81C[2]。
上述就是PUSH運作的原理。一般來說，程式將暫存器的資料PUSH到堆疊是有其目的，例如呼叫會更改暫存器值的副程式。若要提取堆疊中的程式，可以用以下的機器碼
POP BX
POP AX
POP BX將0x1F81C位置的字元（是BX原來的值）複製到BX，接著將SP加2，SP值是0xF81E。POP AX將0x1F81E位置的字元複製到AX，接著將SP加2，SP值是0xF820[nb 1][nb 2]。
堆疊機
[编辑]較簡單的處理器會將堆疊指標儲存在一般的硬體暫存器，用算術邏輯單元（ALU）來處理其數值。一般來說push和pop會翻譯為多個微指令，去增加或減少堆疊指標，處理記憶體的讀取和寫入[3]。
較新的處理器會有專用的堆疊機（stack engine）以最佳化堆疊操作。Intel的Pentium M是第一個有堆疊機的x86處理器，其實現方式是將堆疊指標分為兩個暫存器：ESPO是32位元的暫存器，ESPd是8位元的偏移值，會依堆疊操作而更新其數值。PUSH、POP、CALL和RET微指令直接對ESPd運作。若If ESPd接近溢位，或是ESP暫存器被其他指令更新（而ESPd ≠ 0），此時會插入同步的微指令，用ALU更新ESPO，並且讓ESPd為0。在後續的Intel處理器中，此機制大致保留，不過將ESPO擴充到64位元[4]。
AMD K8微處理器使用一種類似於Intel堆疊機的作法。在其推土機微架構中，不需要加入同步的微指令，但不清楚其堆疊機的內部設計[4]。
註解
[编辑]參考資料
[编辑]- ^ Salomon, David. 写于California State University, Northridge, California, USA. Chivers, Ian D. , 编. Assemblers and Loaders (PDF). Ellis Horwood Series In Computers And Their Applications 1. Chicester, West Sussex, UK: Ellis Horwood Limited / Simon & Schuster International Group. February 1993 [1992] [2008-10-01]. ISBN 0-13-052564-2. （原始内容存档 (PDF)于2020-03-23）.
Most computers save the return address in either the stack, in one of the registers, or in the first word of the procedure (in which case the first executable instruction of the procedure should be stored in the second word). If the latter method is used, a return from the procedure is a jump to the memory location whose address is contained in the first word of the procedure.
(xiv+294+4 pages) - ^ Howard, Brian. Assembly Tutorial - Instructions. Computer Science Department, DePauw University. [2013-07-19].
- ^ Stokes, Jon "Hannibal". A Look at Centrino's Core: The Pentium M. archive.arstechnica.com: 5. 2004-02-25.
- ^ 4.0 4.1 Fog, Agner. The microarchitecture of Intel, AMD and VIA CPUs (PDF). Technical University of Denmark.