Аппаратный стек

Стек - это запоминающее устройство, из которого элементы извлекаются в порядке, обратном их помещению в стек. Стек можно представить как стопку листов бумаги, на каждом из которых записан один из сохраняемых элементов. На вершине стека находится последний запомненный элемент.

Стек можно представить в виде трубки с подпружиненым дном, расположеной вертикально. Верхний конец трубки открыт, в него можно добавлять, или, как говорят, заталкивать элементы. Общепринятые английские термины в этом плане очень красочны, операция добавления элемента в стек обозначается push, в переводе "затолкнуть, запихнуть". Новый добавляемый элемент проталкивает элементы, помещеные в стек ранее, на одну позицию вниз. При извлечении элементов из стека они как бы выталкиваются вверх, по-английски pop ("выстреливают").

Аппаратный стек реализуется на базе оперативной памяти. Элементы стека расположены в оперативной памяти, каждый из них занимает одно слово. Регистр SP в любой момент времени хранит адрес элемента в вершине стека. Стек растет в сторону уменьшения адресов: элемент, расположенный непосредственно под вершиной стека, имеет адрес SP + 4 (при условии, что размер слова равен четырем байтам), следующий SP + 8 и т.д.

Оперативная память
адрес	содержимое
0
4
8
...	...
SP	элементы	<=вершина стека
SP+4	стека
SP+8
...	...
232-4

Поскольку регистр SP содержит адрес машинного слова, его значение всегда кратно четырем. При помещении элемента x в стек значение SP сначала уменьшается на 4, затем x записывается в слово оперативной памяти с адресом SP. При извлечении элемента из стека сначала слово с адресом SP копируется в выходную переменную x, затем значение SP, т.е. адрес вершины стека, увеличивается на 4. Обычно команда добавления в стек обозначается словом push, команда извлечения из стека — словом pop:

push X ~ SP := SP − 4;

m [SP] := X;

pop X ~ X := m [SP] ;

SP := SP + 4;

Здесь через m[SP] обозначается содержимое слова памяти с адресом SP (m - сокращение от memory).

Команды вызова подпрограммы call и возврата return

Одно из главных назначений аппаратного стека — поддержка вызовов подпрограмм. При вызове подпрограммы надо сохранить адрес возврата, чтобы подпрограмма могла по окончанию своей работы вернуть управление вызвавшей ее программе. В старых архитектурах, в которых аппаратный стек отсутствовал (например, в компьютерах IBM 360/370), точки возврата сохранялись в фиксированных ячейках памяти для каждой подпрограммы. Это делало невозможной рекурсию, т.е. повторный вызов той же подпрограммы непосредственно из ее текста или через цепочку промежуточных вызовов, поскольку при повторном вызове старое содержимое ячейки, хранившей адрес возврата, терялось/

Во всех современных архитектурах точка возврата сохраняется в аппаратном стеке, что делает возможным рекурсию, а также параллельное выполнение нескольких легковесных процессов (нитей). Для вызова подпрограммы ƒ служит команда call, которая осуществляет переход к подпрограмме ƒ (т.е. присваивает регистру PC адрес ƒ) и одновременно помещает старое содержимое регистра PC в стек:

call ƒ ~ push PC;

PC:= ƒ;

В момент выполнения любой команды регистр PC содержит адрес следующей команды, т.е. фактически адрес возврата из подпрограммы ƒ. Таким образом, команда call сохраняет в стеке точку возврата и осуществляет переход к подпрограмме ƒ.

Для возврата из подпрограммы используется команда return. Она извлекает из стека адрес возврата и помещает его в регистр PC:

return ~ pop PC;