3.6. Назначение стека

Стек - это память с линейно упорядоченными ячейками и специальным механизмом доступа, исключающим необходимость указания адреса при записи и чте­нии. В зависимости от используемого правила доступа, называемо­го дисциплиной, различают два типа организации стековой памя­ти: очередь и стек. Дисциплина определяется применительно к вход­ным (записываемым) и выходным (читаемым) последовательнос­тям слов. Очередь реализует дисциплину FIFO (First-In-First-Out - первый поступивший удаляется первым). Стек в отличие от очере­ди организован в соответствии с дисциплиной LIFO (Last-In-First-Out - последний поступивший извлекается первым), т.е. инфор­мация из стека выбирается в обратном по отношению к записи по­рядке. В МП обычно используют стек. Физически стек представляет собой набор регистров (аппаратурный стек) или ячеек оперативной памяти, снабженный указателем стека SP.

Указатель SP, в качестве которого используют реверсивный счетчик, всегда адресует «вершину стека», под которой понимается ячейка стека, до­ступная для чтения. По мере записи и считывания данных из стека содержимое указателя SP меняется: при записи или загрузке в стек, например при исполнении команд PUSH, значение указа­теля SP уменьшается - стек растет в сторону младших адресов, а при чтении или выталкивании данных из стека, в частности при исполнении команд POP, значение указателя SP увеличивается. Указанное правило при обращении к стеку реализуется автома­тически, и поэтому при операциях со стеком возможно безадрес­ное задание операнда. Стековая память является безадресной.

Важнейшей характеристикой стека является его размер. МП может содержать относительно небольшой по размеру аппарат­ный стек (число внутренних регистров стековой памяти, как пра­вило, не превышает 8 - 16) или не содержать такового совсем. Более распространена архитектура МП, использующая практи­чески неограниченный внешний стек, моделируемый в ОП с про­извольным доступом.

Стек играет важную роль в микропроцессорных системах как средство сохранения адресов возврата и состояния данных при работе с подпрограммами. Использование стека приводит к суще­ственным упрощениям при организации вложенных подпрограмм, когда одна программа вызывает другую, которая в свою очередь может вызвать третью и т.д. В таких случаях при каждом вызове адрес возврата текущей программы и другая необходимая инфор­мация (содержимое РОН) загружаются в стек. При возврате ин­формация в обратном порядке выбирается из стека. Заметим, что при организации стека, моделируемого в памяти с произвольным доступом, время обращения к элементам данных стека равно вре­мени обращения к памяти. Однако стек наряду с отмеченными особенностями его использования эффективнее обычной памяти. Во-первых, используемые при обращении к стеку, команды PUSH и POP короче стандартных команд обращения к памяти, так как в них один из операндов неявно адресуется через регистр SP, и, во-вторых, инкремент или декремент указателя SP с образовани­ем нового адреса производится автоматически.

В современных процессорах стек применяется для разных целей: временного хранения данных, когда для них нет смысла выделять фиксированные места в памяти; организации прерываний, вызо­вов процедур и возвратов из них; передачи и возврата параметров при вызовах процедур. Кроме того, стековая память является важ­нейшей компонентой процессоров со стековой архитектурой.

Структуру стекового процессора имеет специализированный арифметический сопроцессор (блок вычислений с плавающей точкой FPU) современных МП Pentium. Чтобы пояснить его на­значение, кратко характеризуем предысторию его появления.

В связи с ограничениями на сложность схем ОБ младшие моде­ли МП могли выполнять только операции над числами с фикси­рованной точкой с ограниченной длиной слова. Обработка чисел повышенной разрядности и чисел в формате с плавающей точкой в таких МП реализовывались программно. Это приводило к зна­чительному снижению производительности.

Рис. 3.4. Расширенный формат вещественных чисел:

S – знак числа; E – порядок числа; M – мантисса числа

Для эффективной реализации опера­ций над числами в стандартных форматах в конце 70-х гг. XX в. был предложен принцип специализации. Суть его заключается в разработке специализированных процессорных модулей (сопро­цессоров) со своими системами команд, которые ориентированы на конкретные приложения. Арифметический сопроцессор с пла­вающей точкой является примером такого модуля. Сопроцессоры обычно работают под управлением центрального процессора и совместно используют ОП. Сопроцессор не имеет своей отдель­ной программы и не может считывать команды из памяти, однако он может обращаться к памяти для записи и считывания данных. Часть кодов команд центрального процессора резервируется для команд сопроцессора. Сопроцессор не может выполнять команды центрального процессора, но свои команды выполняет очень бы­стро (по сравнению с их программной эмуляцией командами цен­трального процессора). В процессе работы и процессор, и сопро­цессор из общего командного потока выбирают свои команды и выполняют их. Сопроцессор выполняет свои «долгие» арифмети­ческие операции параллельно с центральным процессором, при этом последний может продолжать выполнение потока собствен­ных команд.

Такое архитектурное решение фирма Intel применила в семействе программно совместных МП 8086, 80286, 80386, 80486 (i486). Обобщенно архитектуру процессов этого семейства обозна­чают х86. Для младших членов семейства сопроцессоры были реа­лизованы в виде специализированных СБИС - 8087 (для 8086), 80287 (для 80286), 80387 (для 80386). Благодаря росту уровня ин­теграции микросхем в МП i486 и всех моделях Pentium арифмети­ческий сопроцессор реализован в виде устройства операций с пла­вающей точкой FPU как составная часть процессора, т.е. является внутренним блоком МП. Размещение устройства FPU на кристал­ле процессора значительно повышает производительность числен­ных вычислений. Совместно с центральным процессором сопро­цессор образует мощный тандем, производительность которого в задачах численной обработки в 10-50 раз выше производитель­ности одного центрального процессора. С точки зрения програм­миста, система с сопроцессором выглядит как единый процессор с расширенными возможностями ОБ, большим набором команд, форматов чисел и числом регистров. Взаимодействие между цент­ральным процессором и FPU невидимо для пользователя.