堆叠暂存器

堆叠暂存器是微处理器中，处理呼叫堆叠的暂存器。在以累加器为基础的处理器中，堆叠暂存器可能是某个特定的暂存器。若是有多个通用暂存器的处理器架构，堆叠暂存器可能是某个依惯例保留的暂存器，像是IBM System/360、z/Architecture（英语：z/Architecture）架构以及RISC架构，也有可能是用副程式呼叫或程式返回指令，硬编码的暂存器，例如PDP-11、VAX和Intel x86架构。有些处理器（像Data General Eclipse（英语：Data General Eclipse））没有专用的堆叠暂存器，而是用保留的硬体记忆体位置来处理此功能。

在1960年末期以前的处理器（例如PDP-8和HP 2100（英语：HP 2100））没有可以支援递归呼叫的编译器。其程序呼叫指令会将目前程式指标位置储存在跳跃地址，接著将程式指标设定为下一个位置^[1]。此作法比维护堆叠简单，因为每一个副程式只会有一个返回位址，但除非程式作大幅相关更动，此作法无法支援递归呼叫。

堆叠结构机器（Stack machine）可能会有二个或多个堆叠暂存器，其中有一个处理呼叫堆叠，其他暂存器则处理其他堆栈。

x86的堆叠暂存器

x86架构16位元的处理器里，主堆叠暂存器是16位元的堆叠指标（Stack Pointer，SP）, 32位元的IA-32里，扩展为32位元的扩展堆叠指标（Extended Stack Pointer, ESP），64位元的X86-64里，扩展为64位元的暂存器堆叠指标（Register Stack Pointer，RSP）。堆叠区段暂存器（stack segment register，SS）会储存目前执行程式呼叫堆叠的记忆体分段相关资讯。SP会指向目前堆叠的最顶端。预设情形，堆叠会以记忆体减少的方式成长，因此比较新的资料会放在较低的记忆体位置。PUSH指令可以将值存在堆叠里，因此堆叠会增加一个资料，POP指令可以提取堆叠中的资讯，并且堆叠会减少一笔资料。

假设SS = 1000h，SP = 0xF820，这表示目前的堆叠顶是在实体地址0x1F820（这是因为Intel 8086的记忆体分区机制），接下来的二个机器码是

PUSH AX
PUSH BX

• 第一个指令会将AX（16位元暂存器）的值放在堆叠内，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，会设定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，程式将暂存器的资料PUSH到堆叠是有其目的，例如呼叫会更改暂存器值的副程式。若要提取堆叠中的程式，可以用以下的机器码

POP BX
POP AX

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

堆叠机

较简单的处理器会将堆叠指标储存在一般的硬体暂存器，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，去增加或减少堆叠指标，处理记忆体的读取和写入^[3]。

较新的处理器会有专用的堆叠机（stack engine）以最佳化堆叠操作。Intel的Pentium M是第一个有堆叠机的x86处理器，其实现方式是将堆叠指标分为两个暂存器：ESP_O是32位元的暂存器，ESP_d是8位元的偏移值，会依堆叠操作而更新其数值。PUSH、POP、CALL和RET微指令直接对ESP_d运作。若If ESP_d接近溢位，或是ESP暂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扩充到64位元^[4]。

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