Понятие стека.назначение. механизм работы состеком

Стек — это область памяти, специально выделяемая для временного хранения данных программы. Важность стека определяется тем, что для него в структуре программы предусмотрен отдельный сегмент. На тот случай, если программист забыл описать сегмент стека в своей программе, компоновщик tlink выдаст предупреждающее сообщение.

Для работы со стеком предназначены три регистра:

• ss — сегментный регистр стека;
• sp/esp — регистр указателя стека;
• bp/ebp — регистр указателя базы кадра стека.

Размер стека зависит от режима работы микропроцессора и ограничивается 64 Кбайт (или 4 Гбайт в защищенном режиме).
В каждый момент времени доступен только один стек, адрес сегмента которого содержится в регистре ss. Этот стек называется текущим. Для того чтобы обратиться к другому стеку (“переключить стек”), необходимо загрузить в регистр ss другой адрес. Регистр ss автоматически используется процессором для выполнения всех команд, работающих со стеком.

Перечислим еще некоторые особенности работы со стеком:

• запись и чтение данных в стеке осуществляется в соответствии с принципом LIFO (Last In First Out — “последним пришел, первым ушел”);
• по мере записи данных в стек последний растет в сторону младших адресов. Эта особенность заложена в алгоритм команд работы со стеком;
• при использовании регистров esp/sp и ebp/bp для адресации памяти ассемблер автоматически считает, что содержащиеся в нем значения представляют собой смещения относительно сегментного регистра ss.

В общем случае стек организован так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Концептуальная схема организации стека

Для работы со стеком предназначены регистры ss, esp/sp и ebp/bp.
Эти регистры используются комплексно, и каждый из них имеет свое функциональное назначение.
Регистр esp/sp всегда указывает на вершину стека, то есть содержит смещение, по которому в стек был занесен последний элемент. Команды работы со стеком неявно изменяют этот регистр так, чтобы он указывал всегда на последний записанный в стек элемент. Если стек пуст, то значение esp равно адресу последнего байта сегмента, выделенного под стек.
При занесении элемента в стек процессор уменьшает значение регистра esp, а затем записывает элемент по адресу новой вершины.
При извлечении данных из стека процессор копирует элемент, расположенный по адресу вершины, а затем увеличивает значение регистра указателя стека esp.
Таким образом, получается, что стек растет вниз, в сторону уменьшения адресов.

Что делать, если нам необходимо получить доступ к элементам не на вершине, а внутри стека?
Для этого применяют регистр ebp. Регистр ebp — регистр указателя базы кадра стека.
Например, типичным приемом при входе в подпрограмму является передача нужных параметров путем записи их в стек. Если подпрограмма тоже активно работает со стеком, то доступ к этим параметрам становится проблематичным. Выход в том, чтобы после записи нужных данных в стек сохранить адрес вершины стека в указателе кадра (базы) стека — регистре ebp. Значение в ebp в дальнейшем можно использовать для доступа к переданным параметрам.

push источник — запись значения источник в вершину стека.
Интерес представляет алгоритм работы этой команды, который включает следующие действия (рис. 3):

• (sp) = (sp) – 2; значение sp уменьшается на 2;
• значение из источника записывается по адресу, указываемому парой ss:sp.

Рис. 3. Принцип работы команды push

pop назначение — запись значения из вершины стека по месту, указанному операндом назначение. Значение при этом “снимается” с вершины стека.
Алгоритм работы команды pop обратен алгоритму команды push (рис. 4):

• запись содержимого вершины стека по месту, указанному операндом назначение;
• (sp) = (sp) + 2; увеличение значения sp.

Рис. 4.Принцип работы команды pop

pusha — команда групповой записи в стек.
По этой команде в стек последовательно записываются регистры ax, cx, dx, bx, sp, bp, si, di. Заметим, что записывается оригинальное содержимое sp, то есть то, которое было до выдачи команды pusha (рис. 5).

Рис. 5. Принцип работы команды pusha

pushaw — почти синоним команды pusha. В чем разница? На уроке 5 мы обсуждали один из атрибутов сегмента — атрибут разрядности. Он может принимать значение use16 или use32.
Рассмотрим работу команд pusha и pushaw при каждом из этих атрибутов:

• use16 — алгоритм работы pushaw аналогичен алгоритму pusha.
• use32 — pushaw не изменяется (то есть она нечувствительна к разрядности сегмента и всегда работает с регистрами размером в слово — ax, cx, dx, bx, sp, bp, si, di). Команда pusha чувствительна к установленной разрядности сегмента и при указании 32-разрядного сегмента работает с соответствующими 32-разрядными регистрами, то есть eax, ecx, edx, ebx, esp, ebp, esi, edi.

pushad — выполняется аналогично команде pusha, но есть некоторые особенности, которые вы можете узнать из “Справочника команд”.

Следующие три команды выполняют действия, обратные вышеописанным командам:
popa;
popaw;
popad.

Группа команд, описанная ниже, позволяет сохранить в стеке регистр флагов и записать слово или двойное слово в стеке. Отметим, что перечисленные ниже команды — единственные в системе команд микропроцессора, которые позволяют получить доступ (и которые нуждаются в этом доступе) ко всему содержимому регистра флагов.
pushf — сохраняет регистр флагов в стеке.
Работа этой команды зависит от атрибута размера сегмента:

• use16 — в стек записывается регистр flags размером 2 байта;
• use32 — в стек записывается регистр eflags размером 4 байта.

pushfw — сохранение в стеке регистра флагов размером в слово. Всегда работает как pushf с атрибутом use16.
pushfd — сохранение в стеке регистра флагов flags или eflags в зависимости от атрибута разрядности сегмента (то есть то же, что и pushf).