栈寄存器

栈寄存器是微处理器中，处理调用堆栈的寄存器。在以累加器为基础的处理器中，栈寄存器可能是某个特定的寄存器。若是有多个通用寄存器的处理器架构，栈寄存器可能是某个依惯例保留的寄存器，像是IBM System/360、z/Architecture（英语：z/Architecture）架构以及RISC架构，也有可能是用副程序调用或程序返回指令，硬编码的寄存器，例如PDP-11、VAX和Intel x86架构。有些处理器（像Data General Eclipse（英语：Data General Eclipse））没有专用的栈寄存器，而是用保留的硬件存储器位置来处理此功能。

在1960年末期以前的处理器（例如PDP-8和HP 2100（英语：HP 2100））没有可以支持递归调用的编译器。其程序调用指令会将目前程序指针位置存储在跳跃地址，接着将程序指针设置为下一个位置^[1]。此作法比维护栈简单，因为每一个副程序只会有一个返回地址，但除非程序作大幅相关更动，此作法无法支持递归调用。

栈结构机器（Stack machine）可能会有二个或多个栈寄存器，其中有一个处理调用堆栈，其他寄存器则处理其他堆栈。

x86的栈寄存器

x86架构16位的处理器里，主栈寄存器是16位的栈指针（Stack Pointer，SP）, 32位的IA-32里，扩展为32位的扩展栈指针（Extended Stack Pointer, ESP），64位的X86-64里，扩展为64位的寄存器栈指针（Register Stack Pointer，RSP）。栈区段寄存器（stack segment register，SS）会存储目前执行程序调用堆栈的存储器分段相关信息。SP会指向目前栈的最顶端。默认情形，栈会以存储器减少的方式成长，因此比较新的资料会放在较低的存储器位置。PUSH指令可以将值存在栈里，因此栈会增加一个资料，POP指令可以提取栈中的信息，并且栈会减少一笔资料。

假设SS = 1000h，SP = 0xF820，这表示目前的栈顶是在实体地址0x1F820（这是因为Intel 8086的存储器分区机制），接下来的二个机器代码是

PUSH AX
PUSH BX

• 第一个指令会将AX（16位寄存器）的值放在栈内，SP数值会减2。
• 新的SP值是0xF81E。CPU会将AX的值复制到0x1F81E^.
• 执行PUSH BX时，会设置SP为0xF81C，将BX的值复制到0x1F81C^[2]。

上述就是PUSH运作的原理。一般来说，程序将寄存器的资料PUSH到栈是有其目的，例如调用会更改寄存器值的副程序。若要提取栈中的程序，可以用以下的机器代码

POP BX
POP AX

• POP BX将0x1F81C位置的字符（是BX原来的值）复制到BX，接着将SP加2，SP值是0xF81E。
• POP AX将0x1F81E位置的字符复制到AX，接着将SP加2，SP值是0xF820^{[nb 1][nb 2]}。

栈机

较简单的处理器会将栈指针存储在一般的硬件寄存器，用算术逻辑单元（ALU）来处理其数值。一般来说push和pop会翻译为多个微指令，去增加或减少栈指针，处理存储器的读取和写入^[3]。

较新的处理器会有专用的栈机（stack engine）以优化栈操作。Intel的Pentium M是第一个有栈机的x86处理器，其实现方式是将栈指针分为两个寄存器：ESP_O是32位的寄存器，ESP_d是8位的偏移值，会依栈操作而更新其数值。PUSH、POP、CALL和RET微指令直接对ESP_d运作。若If ESP_d接近溢出，或是ESP寄存器被其他指令更新（而ESP_d ≠ 0），此时会插入同步的微指令，用ALU更新ESP_O，并且让ESP_d为0。在后续的Intel处理器中，此机制大致保留，不过将ESP_O扩展到64位^[4]。

AMD K8微处理器使用一种类似于Intel栈机的作法。在其推土机微架构中，不需要加入同步的微指令，但不清楚其栈机的内部设计^[4]。

注解

1. 上述程序最后push BX，因此会最先pop BX
2. 8086里，PUSH & POP指令只能处理16位的元素