为什么堆栈通常会向下增长？

Question

我知道在我个人熟悉的架构（x86,6502等）中，堆栈通常向下增长（即，推入堆栈的每个项目都会导致递减的SP，而不是递增的SP）。

我想知道这个的历史原因。我知道在一个统一的地址空间中，在数据段的另一端（例如）开始堆栈很方便，所以如果双方在中间碰撞，那么只会出现问题。但是为什么堆栈传统上是最重要的？特别是考虑到这与“概念”模型的对立方式如何？

（请注意，在6502架构中，堆栈也向下增长，即使它被限制在一个256字节的页面上，这种方向选择似乎是任意的。）

Answer 1

至于历史原因，我不能肯定地说（因为我没有设计它们）。关于此事的想法是早期的CPU将其原始程序计数器设置为0，并且自然希望在另一端启动堆栈并向下扩展，因为它们的代码自然会向上增长。 / p>

  

另外，请注意，所有早期CPU不会在重置时将程序计数器的此设置设置为0。例如，摩托罗拉6809将从地址0xfffe/f获取程序计数器，因此您可以开始在任意位置运行，具体取决于该地址提供的内容（通常，但不限于ROM）。 / p>

某些历史系统最先做的事情之一就是从顶部扫描内存，直到找到一个可以读回写入的相同值的位置，这样就可以知道安装的实际RAM（例如，z80与64K地址空间不一定有64K或RAM，事实上64K在我早期就已经大量了。一旦找到顶部实际地址，它将适当地设置堆栈指针，然后可以开始调用子例程。这种扫描通常由CPU在ROM中运行代码来完成，作为启动的一部分。

关于堆栈增长，并非所有堆栈都向下增长，有关详细信息，请参阅this answer。

Answer 2

我听到的一个很好的解释是，过去的某些机器只能有无符号的偏移量，所以你希望堆栈向下增长，这样你就可以击中当地人，而不必丢失额外的指令来伪造负偏移

Answer 3

一个可能的原因可能是它简化了对齐。如果在堆栈上放置一个必须放在4字节边界上的局部变量，则可以简单地从堆栈指针中减去对象的大小，然后将两个较低位置零以获得正确对齐的地址。如果堆栈向上增长，确保对齐变得有点棘手。

Answer 4

IIRC堆栈向下增长，因为堆向上增长。它可能是另一种方式。

Answer 5

Stanley Mazor（4004和8080架构师）介绍了如何在"Intel Microprocessors: 8008 to 8086"中为8080（最终是8086）选择了堆栈增长方向：

  

选择将堆栈指针运行为“下坡”（堆栈向低内存方向前进）以简化从用户程序到堆栈的索引编制（正索引编制）并简化从前面板显示堆栈的内容。

Answer 6

我认为这纯粹是一个设计决定。并非所有这些都向下增长 - 请参阅this SO thread，以便就不同架构的堆栈增长方向进行一些讨论。

Answer 7

我认为会议始于IBM 704及其臭名昭着的“减量登记册”。现代语音将其称为指令的偏移字段，但关键是它们向下，不 向上。

Answer 8

因为 POP 使用的寻址模式与通常用于扫描字符串和数组的寻址模式相同

从堆栈中弹出一个值的指令需要做两件事：从内存中读取值，并调整堆栈指针。此操作有四种可能的设计选择：

1. 预增栈指针，然后读取值。这意味着堆栈将“向下”增长（朝向较低的内存地址）。

2. 先递减栈指针，然后读取值。这意味着堆栈将“向上”增长（朝向更高的内存地址）。

3. 先读取值，然后后增量堆栈指针。这意味着堆栈将向下增长。

4. 先读取值，然后后递减堆栈指针。这意味着堆栈将向上增长。

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在许多计算机语言（尤其是 C）中，字符串和数组作为指向其第一个元素的指针传递给函数。一个非常常见的操作是按顺序读取字符串或数组的元素，从第一个元素开始。这样的操作只需要上述的后增量寻址模式。

此外，读取字符串或数组的元素比写入元素更常见。实际上，有许多标准库函数根本不执行写入操作（例如 strlen()、strchr()、strcmp()）！

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因此，如果您的指令集设计中的寻址模式数量有限，那么最有用的寻址模式将是后增量读取。这不仅会导致最有用的字符串和数组操作，还会导致POP 指令向下增长堆栈。

第二个最有用的寻址模式是后递减写入，可用于匹配的 PUSH 指令。

确实，PDP-11 had postincrement and predecrement 寻址模式产生了向下增长的堆栈。甚至 VAX 也没有 preincrement 或 postdecrement。

Answer 9

我不确定，但是在那些日子里我为VAX / VMS做了一些编程。我似乎记得内存的一部分（堆??）上升，堆栈下降。当两人相遇时，你就失去了记忆。

Answer 10

再多2c：

除了提到的所有历史原理之外，我很确定没有理由在现代处理器中有效。所有处理器都可以采用有符号的偏移量，自从我们开始处理多个线程以来，最大化堆/堆栈距离是没有用的。

我个人认为这是一个安全设计缺陷。例如，如果x64体系结构的设计者会颠倒堆栈增长方向，那么堆栈缓冲区溢出就会被消除 - 这是一个大问题。

Answer 11

在最小的嵌入式系统中，堆栈增长下降的一个优点是可以将单个RAM块冗余地映射到页面O和页面1中，从而允许从0x000开始分配零页面变量，并且堆栈从0x1FF开始向下增长，从而在覆盖变量之前最大程度地增加了增长量。

6502的最初设计目标之一是可以与例如6530结合使用，从而形成具有1 KB程序ROM，计时器，I / O和64字节的两芯片微控制器系统。堆栈和页面零变量之间共享的RAM数量。相比之下，当时基于8080或6800的最小嵌入式系统将是四或五个芯片。