3.6栈

我们研究栈的角度：

      栈是一种具有特殊的访问方式的的存储空间。它的特殊性就在于，最后进入这个空间的数据最先出去。

可以用一个盒子和三本书来描述。

      一个开口的盒子就可以看作一个栈空间，现有三本书，《高等数学》，《C语言》，《软件工程》，把他们放到盒子中过程如图所示：

栈有两个基本操作：入栈和出栈。

入栈：将一个新的元素放到栈顶；

出栈：从栈顶取出一个元素。

栈顶元素总是最后入栈，需要出栈时，又最先被从栈中取出。

栈的操作原则：LIFO（Last In First Out，后进先出）

 

3.7 CPU提供的栈机制

   现今的CPU都有栈的设计。

   8086CPU提供相关的指令来以栈的方式访问内存空间。

   这就意味着，我们在基于8086CPU编程的时候，可以将一段内存当作栈来使用。

8086提供的入栈和出栈指令（最基本的）：

push（入栈）

pop（出栈）

push ax：将寄存器ax中的数据送入栈中；

pop ax：从栈顶取出数据送入ax。

8086CPU的入栈和出栈操作都是以字为单位进行的。

下面举例说明，我们可以将10000H~1000FH这段内存当作栈来使用。

下面一段指令的执行过程：

mov ax,0123H

push ax

mov bx,2266H

push bx

mov cx,1122H

push cx

pop ax

pop bx

pop cx

注意：字型数据用两个单元存放，高地质单元放高8位，低地址单元放低8位

两个疑惑：

1、CPU如何知道一段内存空间被当作栈使用？

（个人猜想：CS和IP指向的是指令，段寄存器DS和偏移地址指向的是数据，应该有一个特殊的段寄存器，叫做栈的使用的寄存器。）

2、执行push和pop的时候，CPU如何知道哪个单元是栈顶单元？

分析：

（1）CPU如何指导当前要执行的指令所在的位置？

答：寄存器CS和IP中存放着当前指令的段地址和偏移地址。

8086CPU中，有两个寄存器：

段寄存器SS：存放栈顶的段地址

寄存器SP：存放栈顶的偏移地址

结论：任意时刻，SS:SP指向栈顶元素。

push指令的执行过程

push ax

（1）SP=SP-2;

（2）将ax中的内容送入SS：SP指向的内存单元处，SS：SP此时指向新栈顶。

问题：如果我们将10000H~1000FH这段空间当作栈，初始状态栈是空的，此时SS=1000H，SP=？

分析：

SP=0010H

      注：pop是相反的过程，先将数据复制出来，再将SP加2，数据复制之后原地址的数据还是存在的，但是下一轮push的时候会把数据覆盖掉，类似于硬盘格式化之后还可以恢复。（所以硬盘中的数据想要完全删除就要覆盖很多次，硬盘是不提供删除功能的，所以高手可以取出被删除的数据）

总结：

      我们将10000H~1000FH这段空间当作栈段，SS=1000H，栈空间大小为16字节，栈最底部的字单元地址为1000：000E。任意时刻，SS:SP指向栈顶，当栈中只有一个元素的时候，SS=1000H，SP=000EH。

     栈为空，就相当于栈中唯一的元素出栈，出栈后，SP=SP+2，SP原来为000EH，加2后SP=10H，所以栈为空的时候，SS=1000H，SP=10H。

换个角度看：

     任何时刻，SS:SP指向栈顶元素，当栈为空的时候，栈中没有元素，也就不存在栈顶元素。

所以，SS:SP只能指向栈的最底部单元下面的单元，该单元的偏移地址为栈最底部的字单元的偏移地址加2.

栈最底部字单元的地址为1000：000E，所以，栈空时，SP=0010H。

pop指令的执行过程：

pop ax

1、将SS:SP指向的内存单元处的数据送入ax中；

2、SP=SP+2，SS:SP指向当前栈顶下面的单元，以当前栈顶下面的单元为新的栈顶。

注意：

    出栈后，SS:SP指向新的栈顶1000EH，pop操作前的栈顶元素1000CH处的2266H依然存在，但是它已不在栈中。

     当再次执行push等入栈指令后，SS:SP移至1000CH，并在里面写入新的数据，它将被覆盖。

 

3.8栈顶超界的问题

    SS和SP只记录了栈顶的地址，依靠SS和SP可以保证在入栈和出栈时找到栈顶。

    可是，如何能够保证在入栈、出栈时，栈顶不会超出栈空间？

    当栈满的时候再使用push指令入栈：

（类似溢出攻击）

栈空的时候再使用pop指令出栈：

这也是一种溢出

栈顶超界是危险的：

     因为我们既然将一段空间安排为栈，那么，在栈空间之外的空间里很可能存放了具有其他用途的数据、代码等，这些数据、代码可能是我们自己程序中的，也可能是别的程序中的（毕竟一个计算机系统中并不是只有我们自己的程序在运行）。但是由于我们在入栈出栈时的不小心，而将这些数据、代码意外地改写，将会引发一连串的错误。

    我们希望CPU提供有记录栈顶上限和下限的寄存器，我们可以通过填写这些寄存器来指定栈空间的范围，然后，CPU在执行push指令的时候靠检测栈顶上限寄存器、在执行pop指令的时候靠检测栈底寄存器保证不会超界。

    实际情况，8086CPU并没有提供这样的寄存器。CPU特别小，里面没有那么大的空间来放这样的寄存器是一个重要原因。

      8086CPU不保证我们对栈的操作不会超界，这也就是说，8086CPU只知道栈顶在何处（由SS:SP指示），而不知道要执行的指令有多少。

    从这两点上可以看出，8086CPU的工作原理：

    当前栈顶在何处；

     当前要执行的指令是哪一条。

结论：

      我们在编程时，要自己操心栈顶超界的问题，要根据可能用到的最大栈空间，来安排栈的大小，防止入栈的数据太多而导致的超界；

      执行出栈操作时也要注意，以防止栈空的时候继续出栈导致的超界问题。

（C语言、C++栈空间是编译器自动分配的，程序员分配的空间是堆）

 

3.9 pop、push指令

     push和pop指令是可以在寄存器和内存之间传送数据的。

栈与内存：

栈空间当然也是内存空间的一部分，它只是一段可以以一种特殊的方式（先进后出）进行访问的内存空间。

push和pop指令的格式（1）：

push 寄存器 ：将一个寄存器中的数据入栈

pop 寄存器：出栈，用一个寄存器接收出栈的数据

例如：push ax

           pop bx

push和pop指令的格式（2）：

push 段寄存器：将一个段寄存器中的数据入栈

pop段寄存器：出栈，用一个段寄存器接收出栈的数据

例如：push ds

           pop es

（段寄存器都是以s结尾的，通用寄存器都是以x结尾的）

push和pop指令的格式（3）：

push 内存单元 ：将一个内存单元处的字入栈（栈操作都是以字为单位）

pop  内存单元：出栈，用一个内存字单元接收出栈的数据

例如：push [0]

           pop [2]

执行指令时，CPU要知道内存单元的地址可以在push、pop指令中给出内存单元的偏移地址，段地址在指令执行时，CPU从ds中取得。

 

问题：

编程：将10000H~1000FH这段空间当作栈，初始状态是空的，将AX，BX，DS中的数据入栈。

分析：

代码如下：

mov ax,1000H

mov ss,ax              ；设置栈的段地址，SS=1000H，不能直接向段寄存器SS中送入数据，所以用ax中转

mov sp,0010H     ；设置栈顶的偏移地址，因栈为空，所以sp=0010H。这三条指令设置栈顶地址，编程中要自己注意栈的大小。

push ax

push bx

push cx

问题：

编程：

1、将10000H~1000FH这段空间当作栈，初始状态栈是空的；

2、设置AX=001AH，BX=001BH；

3、将AX、BX中的数据入栈

4、然后将AX、BX清零

5、从栈中恢复AX、BX原来的内容

分析：

mov ax,1000H

mov ss,ax         ；设置栈的段寄存器

mov sp,0010H  ；设置栈顶的偏移地址

mov ax,001AH 

push ax

mov bx,001BH

push bx

mov ax,0

mov bx,0

pop bx

pop ax

       从上面的程序我们可以看到，用栈来暂存以后需要恢复的寄存器中的内容时，出栈的顺序要和入栈的顺序相反，因为最后入栈的寄存器的内容在栈顶，所以在恢复时，要最先出栈。

问题：

编程：

1、将10000H~1000FH这段空间当作栈，初始状态栈是空的；

2、设置AX=002AH，BX=002BH；

3、利用栈，交换AX和BX中的数据。

分析：

mov ax,1000H

mov ss,ax

mov sp,0010H

mov ax,002AH

mov bx,002BH

push ax

push bx

pop ax

pop bx

问题：

我们如果要在10000H处写入字型数据2266H，可以用以下代码完成：

mov ax,1000H

mov ds,ax

mov ax,2266

mov [0],ax

补全下面代码，使它能够完成同样的功能：在10000H处写入字型数据2266H。

要求：不能使用“mov 内存单元，寄存器”这类指令。

——————

——————

——————

mov ax,2266H

push ax

答案：

mov ax,1000H

mov ss,ax

mov sp,2

mov ax,2266H

push ax

     分析：我们看出需补全代码的最后两条指令，将ax中的2266H压入栈中，也就是说，最终应由push ax将2266H写入10000H处。

      问题的关键就在于：如何使push ax访问的内存单元是10000H。

      push ax指令的执行过程要先让SP=SP-2，再将ax中的内容放入SS:SP字单元中。所以要让SS:SP=10002H。

     结论：push、pop指令shi实质上就是一种内存访问传送指令，可以在寄存器和内存数据之间传送数据，与mov指令不同的是，push和pop指令访问的内存单元的地址不是在指令中给出的，而是由SS:SP指出的。

同时，push和pop指令还要改变sp中的内容。

       我们十分清楚的是，push和pop指令同mov指令不同，CPU执行mov指令只需一步操作，就是传送，而执行push、pop指令却需要两步操作。

       执行push时，CPU的两步操作是：先改变SP，后向SS:SP处传送。

       执行pop时，CPU的两步操作是：先读取SS:SP处的数据，后改变SP。

注意：

       push，pop等栈操作指令，修改的只是SP。也就是说，栈顶的变化范围最大为：0~FFFFH。

提示：SS、SP指示栈顶；改变SP后写内存的入栈指令；读内存后改变SP的出栈指令。

这就是8086CPU提供的栈操作机制。

栈的综述：

1、8086CPU提供了栈操作机制，方案如下：

在SS:SP中存放栈顶的段地址和偏移地址

提供入栈和出栈指令，它们根据SS:SP指示的地址，按照栈的方式访问内存单元。

2、push指令的执行步骤：

（1）SP=SP-2

（2）向SS:SP指向的字单元中送入数据

3、pop指令的执行步骤：

（1）从SS:SP指向的字单元中读取数据

（2）SP=SP+2

4、任意时刻，SS:SP指向栈顶元素

5、8086CPU只记录栈顶，栈空间的大小我们要自己管理。

6、用栈来暂存以后需要恢复的寄存器的内容时，寄存器出栈的顺序要和入栈的顺序相反。

7、push、pop实质上是一种内存传送指令，注意它们的灵活应用。

注：栈是一种非常重要的机制，一定要深入理解，灵活掌握。

 

3.10栈段

    前面讲过，对于8086PC机，在编程时，我们可以根据需要，将一组内存单元定义为一个段。我们可以将长度为N（N不大于64KB）的一组地址连续、起始地址为16的倍数的内存单元，当作栈来使用，从而定义了一个栈段。

    比如我们将10010H~1001FH这段长度为16字节的内存空间当作栈来用，以栈的方式进行访问。这段空间就可以成为栈段，段地址为1000H，大小为16字节。

    将一段内存当作栈段，仅仅是我们在编程时的一种安排，CPU并不会由于这种安排，就在执行push、pop等栈操作指令时就自动地将我们定义的栈段当作栈空间来访问。

    如何使得如push、po'ppop等栈操作指令访问我们定义的栈段呢？

    答：将SS:SP指向我们定义的栈段。

问题：如果将10000H~1FFFFH这段空间当作栈段，初始状态栈是空的，此时，SS=1000H，SP=？

     我们将10000H~1FFFFH，这段空间当作栈段，SS=1000H，栈空间大小为64KB，栈最底部的字单元地址为：1000：FFFE。任意时刻，SS:SP指向栈顶单元，当栈中只有一个元素的时候，SS=1000H，SP=FFFEH。栈为空，就相当于栈中唯一元素出栈，出栈后，SP=SP+2.

    SP原来为FFFEH，加2后SP=0，所以，当栈为空的时候，SS=1000H，SP=0。

换个角度看

    任意时刻，SS:SP指向栈顶元素，当栈为空的时候，栈中没有元素，也就不存在栈顶元素，所以SS:SP只能指向栈的最底部单最底部单元的字单元的偏移地址+2，栈最底部字单元的地址为1000：FFFE，所以栈空时，SP=0000H。

问题：

    一个栈段最大可以设为多少？为什么？

分析：

    这个问题显而易见，提出来只是为了提示我们将相关的知识融会起来。

    首先从栈操作指令所完成的功能的角度上来看，push、pop等指令在执行的时候只修改SP，所以栈顶的变化范围是：0~FFFFH，从栈空时候的SP=0，一直压栈，直到栈满时，SP=0；如果再次压栈，栈顶将环绕，覆盖了原来栈中的内容，所以一个栈段的rong容量最大为64KB。

段的综述：

     我们可以将一段内存定义为一个段，用一个段地址指示段，用偏移地址访问段内的单元。这完全是我们自己的安排。

     我们可以用一个段存放数据，将它定义为“数据段”；

     我们可以用一个段存放代码，将它定义为“代码段”；

     我们可以用一个段当作栈，将它定义为“栈段”。

     我们可以这样安排，但若要让CPU按照我们的安排来访问这些段，就要：

     对于数据段，将它的段地址放在DS中，用mov、add、sub等访问内存单元的指令时，CPU就将我们定义的数据段中的内容当作数据来访问；

     对于代码段，将它的段地址放在CS中，将段中第一条指令的偏移地址放在IP中，这样CPU就将执行我们定义的代码段中的指令。

     对于栈段，将它的段地址放在SS中，将栈顶单元的偏移地址放在SP中，这样CPU在需要进行栈操作的时候，比如执行push、pop指令等，就将我们定义的栈段当作栈空间来使用。

     可见，不管我们如何安排，CPU将内存中的某段内容当作代码，是因为CS:IP指向了哪里；CPU将某段内存当作栈，是因为SS:IP指向指向了那里。

      举例：

      我们将10000H~1001FH安排为代码段，并在里面存储如下代码：

      mov ax,1000H

      mov ss,ax

      mov sp,0020H

      mov ax,cs

      mov ds,ax

      mov ax,[0]

      add ax,[2]

      mov bx,[4]

      add bx,[6]

      push ax

      push bx

      pop ax

      pop bx

   设置CS=1000H，IP=0，这段代码将得到执行，可以看到，在这段代码中，我们又将10000H~1001FH安排为栈段和数据段。10000H~1001FH这段内存，即是代码段，又是栈段和数据段。

   一段内存，可以既是代码的存储空间，又是数据的存储空间，还可以是栈空间，也可以什么都不是，关键在于CPU中寄存器的设置，即CS、IP、SS、SP、DS的指向。

 

   先做完检测题再进行下面的学习。