7.7. Работа со стеком

Прежде, чем двигаться дальше в описании команд перехода, нам необходимо изучить понятие стека и рассмотреть команды работы со стеком.

Стеком называется сегмент памяти, на начало которого указывает сегментный регистр SS. При работе программы в регистр SS можно последовательно загружать адреса начал нескольких сегментов, поэтому иногда говорят, что в программе несколько стеков. Однако в каждый момент стек только один – тот, на который сейчас указывает регистр SS. Именно этот стек мы и будем иметь в виду.

Кроме начала, у стека есть текущая позиция – вершина стека, её смещение от начала сегмента стека записано в регистре SP (stack pointer). Следовательно, как мы уже знаем, физический адрес вершины стека можно получить по формуле А_физ = (SS*16 + SP)_{mod 2}²⁰.

Стек есть аппаратная реализация абстрактной структуры данных стек, с которой Вы познакомились в прошлом семестре. В стек можно записывать (и, соответственно, читать из него) только машинные слова, чтение и запись байтов не предусмотрена в архитектуре рассматриваемого нами компьютера. Это, конечно, не значит, что в стеке нельзя хранить байты, двойные слова и т.д., просто нет машинных команд для записи в стек и чтения из стека данных этих форматов.

В соответствие с определением понятия стек последнее записанное в него слово будет читаться из стека первым. Это так называемое правило "последний пришёл – первый вышел" (английское сокращение LIFO).¹ Обычно стек принято изображать "растущим" снизу-вверх. Как следствие получается, что конец стека фиксирован и расположен снизу, а вершина двигается вверх (при записи в стек) и вниз (при чтении из стека).

В каждый момент времени регистр SP указывает на последнее слово, записанное в стек. Обычно стек изображают, как показано на рис. 7.1.

Начало стека SS 
Вершина стека SP  Конец стека 
SP для пустого стека 
Рис. 7.1. Так мы будем изображать стек.

На нашем рисунке, как обычно, стек растёт снизу-вверх, занятая часть стека закрашена. В начале работы программы, когда стек пустой, регистр SP указывает на первое слово за концом стека. Особым является случай, когда стек имеет максимальный размер 2¹⁶ байт, в этом случае значение регистра SP для пустого стека равно нулю, т.е. совпадает со значением этого регистра и для полного стека, поэтому стеки максимального размера использовать не рекомендуется, так как будет затруднён контроль пустоты и переполнения стека.

Обычно для резервирования памяти под стек на языке Ассемблера описывается специальный сегмент стека. В наших предыдущих программах мы делали это таким образом:

stack segment stack

dw 64 dup (?)

stack ends

Имя сегмента стека и способ резервирования памяти может быть любым, например, можно описать такой стек:

st_1 segment stack

db 128 dup (?)

st_1 ends

То, что этот сегмент будет при выполнении программы использоваться именно как сегмент стека, указывается параметром stack директивы segment. Этот параметр является служебным словом языка Ассемблера и, вообще говоря, не должен употребляться ни в каком другом смысле. ²

В нашем последнем примере размер сегмента стека установлен в 64 слова, поэтому в начале работы регистр SP будет иметь значение 128, т.е., как мы и говорили ранее, указывает на первое слово за концом стека. Области памяти в стеке обычно не имеют имён, так как доступ к ним, как правило, производится только с использованием регистров.

Обратим здесь внимание на важное обстоятельство. Перед началом работы со стеком необходимо загрузить в регистры SS и SP требуемые значения, однако сама программа это сделать не может, т.к. при выполнении самой первой команды программы стек уже должен быть доступен (почему это так мы узнаем в нашем курсе позже, когда будем изучать механизм прерываний). Поэтому в рассмотренных выше примерах программ мы сами не загружали в регистры SS и SP никаких начальных значений. Как мы узнаем позже, перед началом выполнения нашей программы этим регистрам присвоит значения специальная системная программа загрузчик, которая размещает нашу программу в памяти и передаёт управление на команду, помеченную той меткой, которая указана в конце нашего модуля в качестве параметра директивы end. Разумеется, позже при работе программы мы и сами можем загрузить в регистр SS новое значение, это будет переключением на другой сегмент стека.

Рассмотрим сначала те команды работы со стеком, которые не являются командами перехода. Команда

push op1

где op1 может иметь форматы r16, m16, CS,DS,SS,ES, записывает в стек слово, определяемое своим операндом. Это команда выполняется по правилу:

SP := (SP – 2)_{mod 2}¹⁶ ; <SS,SP> := op1

Здесь запись <SS,SP> обозначает адрес в стеке, вычисляемый по формуле

А_физ = (SS*16 + SP)_{mod 2}²⁰ .

Особым случаем является команда

push SP

В младших моделях нашего семейства она выполняется, как описано выше, а в старших – по схеме

<SS,SP> := SP; SP := (SP – 2)_{mod 2}¹⁶

Следовательно, если мы хотим, чтобы наша программа правильно работала на всех моделях семейства, надо с осторожностью использовать в программе команду push SP .

Команда

pop op1

где op1 может иметь форматы r16, m16, SS, DS, ES, читает из стека слово и записывает его в место памяти, определяемое своим операндом. Это команда выполняется по правилу:

op1 := <SS,SP>; SP := (SP + 2)_{mod 2}¹⁶

Команда

pushf

записывает в стек регистр флагов FLAGS, а команда

popf

наоборот, читает из стека слово и записывает его в регистр флагов FLAGS. Эти команды удобны для сохранения в стеке и восстановления значения регистра флагов.

В старших моделях нашего семейства появились две новые удобные команды работы со стеком. Команда

pusha

последовательно записывает в стек регистры AX,CX,DX,BX,SP (этот регистр записывается до его изменения), BP,SI и DI. Команда

popa

последовательно считывает из стека и записывает значения в эти же регистры (но, естественно, в обратном порядке). Эти команды предназначены для сохранения в стеке и восстановления значений сразу всех этих регистров.

Команды записи в стек не проверяют того, что стек уже полон, для надёжного программирования это должен делать сам программист. Например, для проверки того, что стек уже полон, и писать в него нельзя, можно использовать команду сравнения

cmp SP,0; стек уже полон ?

и выполнить условный переход, если регистр SP равен нулю. Особым случаем здесь будет стек максимального размера 2¹⁶ байт, для него значение регистра SP=0 как для полного, так и для пустого стека (обязательно понять это!), поэтому не рекомендуется использовать стек максимального размера.

Аналогично для проверки того, что стек уже пуст, и читать из него нельзя, следует использовать команду сравнения

cmp SP,K; стек пуст ?

где K – чётное число – размер стека в байтах. Если размер стека в байтах нечётный, то стек полон при SP=1, т.е. в общем случае необходима проверка SP<2. Обычно избегают задавать стеки нечёт­ной длины, для них труднее проверить и пустоту стека.

В качестве примера использования стека рассмотрим программу для решения следующей задачи. Необходимо вводить целые беззнаковые числа до тех пор, пока не будет введено число ноль (признак конца ввода). Затем следует вывести в обратном порядке то из введённых чисел, которые принадлежат диапазону [2..100] (сделаем спецификацию, что таких чисел может быть не более 300). Ниже приведено возможное решение этой задачи.

include io.asm

st segment stack

db 128 dup (?); это для системных нужд

dw 300 dup (?); это для хранения наших чисел

st ends

code segment

assume cs:code,ds:code,ss:st

T1 db ′Вводите числа до нуля$′

T2 db ′Числа в обратном порядке:′,10,13,′$′

T3 db ′Ошибка – много чисел!′,10,13,′$′

program_start:

mov ax,code

mov ds,ax

mov dx, offset T1; Приглашение к вводу

outstr

newline

sub cx,cx; хороший способ для cx:=0

L: inint ax

cmp ax,0; проверка конца ввода

je Pech; на вывод результата

cmp ax,2

jb L

cmp ax,100

ja L; проверка диапазона

cmp cx,300; в стеке уже 300 чисел ?

je Err

push ax; запись числа в стек

inc cx; счетчик количества чисел в стеке

jmp L

Pech: jcxz Kon; нет чисел в стеке

mov dx, offset T2

outstr

L1: pop ax

outword ax,10; ширина поля вывода=10

loop L1

Kon: finish

Err: mov dx,T3

outstr

finish

code ends

end program_start

Заметим, что в нашей программе нет собственно переменных, а только строковые константы, поэтому мы не описали отдельный сегмент данных, а разместили эти строковые константы в кодовом сегменте. Можно считать, что сегменты данных и кода в нашей программе совмещены. Мы разместили строковые константы в начале сегмента кода, перед входной точкой программы, но с таким же успехом можно разместить эти строки и в конце кодового сегмента после последней макрокоманды finish.

Обратите внимание, как мы выбрали размер стека: 128 байт мы зарезервировали для системных нужд (как уже упоминалось, стеком будут пользоваться и другие программы, подробнее об этом будет рассказано далее) и 300 слов мы отвели для хранения введённых нами чисел. При реализации этой программы может возникнуть желание определять, что введено слишком много чисел, анализируя переполнение стека. Другими словами, вместо проверки

cmp cx,300; в стеке уже 300 чисел ?

je Err

казалось бы, можно было поставить проверку исчерпания стека

cmp SP,2; стек уже полон ?

jb Err

Это, однако, может повлечь за собой тяжёлую ошибку. Дело в том, что в стеке может остаться совсем мало места, а, как мы знаем, стек использует не только наша, но и другие программы, которые в этом случае будут работать неправильно.

Теперь, после того, как мы научились работать со стеком, вернёмся к дальнейшему рассмотрению команд перехода.