汇编语言：栈

一篇前言

这是一系列的汇编语言学习的读书笔记，以及一些自己的理解系列文章。我想我会在循序渐进的学习中，写下对汇编的点点滴滴，一方面是给自己立一个短期的小目标，另一方面，如果您有缘看到了这一系列的文章,希望对您有所帮助。

栈的定义

栈在计算机领域应用可以为数据暂时存储的地方，实际上内存空间的分配和操作的一种方式。提供一种特殊的访问方式的存储空间，它的特殊性就在于，最先进入这个空间的数据，最后出去，而最后进入这个空间的数据，最先出去。

我们可以用一个盒子和3本书来描述栈的这种操作方式。

入栈的方式

当我们把3本书按顺序放进盒子里，现在问题是，一次只允许取一本书，我们如何取出这个3本书。显然，我们只能从盒子的最顶端取，这样取出来书的顺序是：《软件工程》，《c语言》，《高等数学》，如下图所示：

出栈的方式

由上面放入书和取出书的过程，我们可以看出，栈有2个基本操作：入栈和出栈。入栈就是将一个新的元素放到栈顶，而出栈呢则是从栈顶取出一个元素。

CPU提供 栈 的机制

8086CPU提供相关的指令来以栈的方式访问内存空间。这意味着我们可以在编程的时候，将一段内存空间当作栈来使用。
8086提供出栈和入栈操作的指令：
入栈：push
出栈：pop

push ax  //将寄存器ax中的数据 入栈
pop  ax  //从栈顶取出数据，送入寄存器ax中

那么CPU如何知道一段内存空间被当作栈来使用呢？

我们前面讲过，CS:IP指向的内容是代表指令下一条要执行的指令的内存地址。显然栈是操作栈元素，也应该有相应的寄存器来保存栈顶元素内存地址，8086CPU中有2个寄存器，段寄存器SS（stack segment），寄存器SP，栈顶的段地址存放在SS中，偏移地址存放在SP中。当执行push或者pop指令时，CPU从SS和SP中得到栈顶地址，任意时刻，SS:SP指向栈顶元素。

我们可以描述 push ax 指令的执行过程：
1、首先将SP = SP - 2
2、然后，ax中内容送入SS:SP指向的内存单元处，此时SS:SP指向了新的栈顶。

push指令执行过程示意图

从图中我们可以看出，push指令执行的时候，栈顶由高地址向低地址方向移动。

接下来，我们描述pop指令执行的过程
pop ax执行的过程，正好和push ax相反。
1、首先将SS:SP指向的内存单元的数据送入寄存器ax中
2、将SP = SP + 2，SS:SP指向了当前栈顶下面的单元，以移动后的新的单元作为栈顶。

pop指令执行过程.png

注意，我们看到执行完pop以后呢，2266H数据依然存在，但是它已经不在栈中，之后如我们执行push，会有新的数据将它覆盖。

栈顶超界的问题

我们知道SS:SP指示栈顶的地址，并提供push和pop指令实现入栈和出栈，但是还有一个问题，SS:SP只记录了栈顶的地址，依靠SS和SP可以保证出栈或者入栈时能够找到栈顶，可是却不能够保证入栈和出栈不会超出栈的界限。下图描述了在执行push指令后，栈顶找出界限的情况：

执行push指令后栈顶超出栈空间.png

图中，我们将10010H~1001EH这段内存空间当作栈，在执行8次push ax后，栈已经处于满的状态，此时SS:SP指向了10010H处，如果此时，再次执行push ax，那么SS:SP将会指向1000EH，紧接着AX中的内容将会把1000H的内存字单元覆盖，这也就是将栈空间以外的数据覆盖了。

同样pop执行执行后，栈顶也会存在超界情况：

执行pop指令后栈顶超出栈空间.png

同样，此时我们把10010H~1001F这段空间当作栈空间，该空间容量为16个字节，当前栈为满的状态，SS:SP = 10010H，在执行8次pop ax之后，SS:SP指向了10020H（栈的最后一个内存单元的下一个单元），此时，栈空。如果我们再次执行pop ax，那么会将SS:SP指向10022H处，此后，如果再执行push指令呢，会将10020H和10021H处的数据覆盖，栈超界。

栈超界是非常危险的，因为既然安排一段空间，那么栈空间之外的内存单元很可能存放了其它有用的数据，如数据，代码，这些数据和代码很可能是我们自己程序，也可能是其它程序的，但是由于我们的不小心，意外的将这些数据改写，将会引发不可想象的错误。

我们当然希望CPU可以帮助我们解决这个问题，比如CPU中存在能够记录栈顶上限和栈底的寄存器，然而8086CPU并没有，不保证程序员对栈操作不会超界，也就说CPU只知道栈顶在何处，而不知道我们安排了多大的内存空间作为栈。这就是好像CS:IP只指示当前要执行的指令，而不知道究竟有多少指令要执行，从这2点上可以看出，8086CPU的工作机制，它只考虑当前的情况：当前栈顶在何处，当前执行的指令是哪一条。

所以，我们在编程的时候，要自己考虑栈的大小，根据可能用到的最大空间，来合理安排栈的大小，防止入栈的数据太多而导致超界。同样执行出栈操作的时候，也要注意以防栈空的时候继续出栈而导致超界。

push 和 pop 指令 栈与内存

我们一直使用push ax 和 pop ax，显然push 和 pop 指令是可以在寄存器和栈空间之间传送数据的。栈空间也是内存空间一部分，它只是一段可以以特殊方式进行访问的内存空间。

push 寄存器   // 将一个寄存器的内容入栈
pop  寄存器   //将栈顶的元素送入寄存器

push 段寄存器   // 将一个寄存器的内容入栈
pop  段寄存器   //将栈顶的元素送入寄存器

同样，push 和 pop 也可以在内存单元和内存单元之间传送数据。

mov ax,1000H
mov ds,ax  //内存单元的段地址 要放在ds段寄存器中
push [0]     //将1000:0处的字单元入栈
pop  [2]    //用1000:2处的字单元接受出栈数据

栈的总结

• 8086CPU提供了栈，在SS:SP存放栈的段地址和偏移地址。
• 提供了push 和 pop 指令，它们将根据SS:SP指向的地址，按照栈的方式访问这个内存单元。
• push执行的步骤
  • 首先将SP = SP - 2，将偏移地址向低位减2
  • 然后向当前SS:SP指向的新地址传送字单元的数据
• pop执行步骤
  • 首先将SS:SP指向的内存字单元的数据输出
  • 将SP = SP + 2，将偏移地址向高位加2
• 任意时候，SS:SP指向栈顶元素。
• 8086CPU只记录栈顶元素，而不管理栈的大小和超界问题。
• CPU将内存单元中的某段内容当作代码，是因为CS:IP指向了那里，CPU将某一段内存中当作数据，是以为DS指向了那里，CPU将某段内存单元当作栈，是因为SS:SP指向了那里。