スタックレジスタ

スタックレジスタは、コール スタックを追跡することを目的としたコンピュータの中央処理装置レジスタです。アキュムレータ ベースのアーキテクチャマシンでは、これは専用レジスタである場合があります。複数の汎用レジスタを持つマシンでは、これはIBM System/360からz/Architectureアーキテクチャ、RISCアーキテクチャなどの慣例により予約されているレジスタである場合もあれば、PDP-11、VAX、Intel x86アーキテクチャなどのプロシージャ呼び出しおよび戻り命令が使用するようにハードワイヤードされているレジスタである場合もあります。Data General Eclipseなどの一部の設計では専用レジスタはなく、この機能のために予約済みのハードウェア メモリ アドレスを使用していました。

1960年代後半以前のマシン（ PDP-8やHP 2100など）には、再帰をサポートするコンパイラがありませんでした。それらのサブルーチン命令は通常、現在の位置をジャンプアドレスに保存し、プログラムカウンターを次のアドレスに設定します。^[1]これはスタックを維持するよりも簡単ですが、サブルーチンコードセクションごとに戻り位置が1つしかないため、プログラマーのかなりの労力なしに再帰を行うことはできません。

スタックマシンには 2 つ以上のスタック レジスタがあり、そのうちの 1 つはコール スタックを追跡し、他のレジスタは他のスタックを追跡します。

8086では、メイン スタック レジスタは「スタック ポインタ」(SP) と呼ばれます。スタック セグメント レジスタ (SS) は通常、現在実行中のプログラムの呼び出しスタックを格納するメモリ セグメントに関する情報を格納するために使用されます。SP は現在のスタック トップを指します。デフォルトでは、スタックはメモリ内で下方向に拡大するため、新しい値はより低いメモリ アドレスに配置されます。スタックに値を保存するには、命令が使用されます。スタックから値を取得するには、命令が使用されます。 PUSHPOP

例: SS = 1000h、SP = 0xF820 と仮定します。これは、現在のスタック トップが物理アドレス 0x1F820 であることを意味します (これは8086 のメモリ セグメンテーションによるものです)。プログラムの次の 2 つのマシン命令は次のとおりです。

AXを押すBXを押す 
 

• 最初の命令は、AX (16 ビット レジスタ) に格納されている値をスタックにプッシュします。これは、SP から 2 (2 バイト) の値を減算することによって行われます。
• SP の新しい値は 0xF81E になります。次に、CPU は AX の値を物理アドレスが 0x1F81E であるメモリ ワードにコピーします。
• 「PUSH BX」が実行されると、SPは0xF81Cに設定され、BXは0x1F81Cにコピーされます。^[2]

これは、PUSH がどのように機能するかを示しています。通常、実行中のプログラムは、レジスタをスタックにプッシュして、レジスタの現在の値を変更する可能性のあるルーチンを呼び出すなど、他の目的でレジスタを使用します。スタックに格納されている値を復元するには、プログラムに次のようなマシン命令を含める必要があります。

ポップBXポップAX 
 

• POP BX0x1F81C のワード (BX の古い値) を BX にコピーし、SP を 2 増やします。SP は 0xF81E になります。
• POP AX0x1F81EのワードをAXにコピーし、SPを0xF820に設定します。^{[nb 1] [nb 2]}

より単純なプロセッサでは、スタックポインタを通常のハードウェアレジスタに格納し、算術論理ユニット（ALU）を使用してその値を操作します。通常、pushとpopは複数のマイクロオペレーションに変換され、スタックポインタを個別に加算/減算し、メモリにロード/ストアを実行します。^[3]

新しいプロセッサには、スタック操作を最適化するための専用スタック エンジンが搭載されています。Pentium M は、スタック エンジンを導入した最初の x86 プロセッサでした。実装では、スタック ポインターは 2 つのレジスタに分割されています。ESP _Oは 32 ビット レジスタで、ESP _{d は}スタック操作によって直接更新される 8 ビットのデルタ値です。PUSH、POP、CALL、および RET オペコードは、ESP _dレジスタを直接操作します。ESP _{dがオーバーフローに近い場合、または ESP レジスタが他の命令から参照されている場合 (ESP d} ≠ 0の場合)、同期マイクロ オペが挿入され、ALU を使用してESP _{O を更新し、ESP d を0 にリセットします。この設計は、ESP O}が 64 ビットに拡張されたにもかかわらず、後の Intel プロセッサでもほとんど変更されていません。^[4]

Intelと同様のスタックエンジンは、AMD K8マイクロアーキテクチャにも採用されている。Bulldozerでは同期マイクロオペレーションの必要性がなくなったが、スタックエンジンの内部設計は不明である。^[4]