CPU 上推送和弹出操作的必要性答案

【问题标题】：Neccessity of push and pop operands on CPUsCPU 上推送和弹出操作的必要性
【发布时间】：2012-04-26 16:40:37
【问题描述】：

为什么我们有 push 和 pop 之类的命令？

据我了解，pop 和 push 基本上与分别在 esp 上执行 (mov 然后 add) 和 (sub 然后 mov) 相同。

例如不会：

pushl %eax

相当于：

subl $4, %esp
movl %eax, (%esp-4)

如果堆栈访问不是(%esp-4)，请纠正我，我还在学习汇编

我能看到的唯一真正好处是，如果同时进行这两项操作会提供一些优势；但是我不明白它是怎么做到的。

【问题讨论】：

节省空间，x86其实是CISC设计，何乐而不为。
@harold 它没有提供额外的功能，这就是为什么不提供。 CPU 仍然在这两个操作上花费时间。
是的.. 但它是一个 CISC 设计，因此它旨在通过提供“做很多”的指令来使汇编程序员更容易使用。另请参阅：leave、enter、rep movsb 等。它确实也节省了大量字节空间。

【解决方案1】：

但是，CALL 指令也没有理由。毕竟，您可以通过以下方式模拟通话：

sub esp,4
mov [esp-4], offset return_address
jmp myproc

也不需要RET 指令，因为您可以使用以下命令对其进行模拟：

mov eax,[esp]
add esp,4
jmp [eax]

如果你仔细观察，你会发现很多指令可以通过组合其他指令来模拟。有什么意义？

这类问题的答案植根于 x86 处理器系列的悠久历史，以及之前的处理器。设计人员研究了程序员如何使用处理器，并创建了一个在执行速度和内存使用方面高效的指令集。

在 70 年代后期，64 KB 是很多 RAM，而 RAM 则要慢得多。每个指令字节都是宝贵的，从内存中获取指令需要大量开销。取指令花费的时间比执行时间长的情况并不少见。因此，通过尽可能少的指令字节对事物进行编码，可以获得巨大的性能提升。

与 CPU 时钟速度相比，RAM 仍然非常慢，因此通过尽可能少的指令字节进行编码仍然可以获得好处。确实，我们拥有的大型 CPU 缓存非常有用，分支预测和预取逻辑也有很大帮助，但是从 RAM 传输到 CPU 缓存的每个字节仍然很昂贵。节省指令编码是值得的。

关于调用程序：

汇编语言中调用过程的标准方式是传入参数然后call过程。例如，这会传递两个 dword 值：

push eax
push ebx
call proc    ; pushes the return address and jumps to proc
...

proc:
  ; at this point, [esp] contains the return address

ret 指令将返回地址弹出到指令指针中。

当然，必须有人清理堆栈。调用者可以通过递增堆栈指针来清理堆栈。或者被调用的过程可以使用ret 8清理堆栈，这将弹出返回地址并增加堆栈指针。

【讨论】：

我认为subl $4, %esp 在调用之前是必需的，或者至少在中断之前是必需的；另外，为什么%esp 在您的示例中有返回地址？
@Hawken：你必须把返回地址放在某个地方。
但是为什么返回地址在栈指针处呢？这是假设您清除了用于被调用函数的堆栈变量吗？
@Hawken：标准调用约定先推送参数，然后再推送返回地址。（实际上，call 指令压入了返回地址。）所以返回地址总是在堆栈的“顶部”（即由 SP 指向）。
@Hawken：查看我的附加信息，尤其是有关调用约定的信息的链接。

【解决方案2】：

嗯。如果您有两条指令，那么它们可能会占用更多空间。这需要cpu传输更多数据。这需要更多时间。两条单独的指令通常也需要更多的 CPU 资源。即使 cpu 将它们并行化，提取器、解码器还有更多工作...... 如果您尝试删除所有但绝对必要的指令，您最终会得到图灵机。终极风险，但在实践中不是很有效。

【讨论】：

【解决方案3】：

1 个操作码 > 2 个操作码，至少在您尝试降低 CPU 使用率时。

【讨论】：

我明白了，这可以节省部分可执行文件的内存，但仍然必须执行这两个操作。也许这就是启发 RISC 架构的东西？
嗯，它可能激发了 RISC 架构的消亡。
@hanspassant 为什么？ RISC 每条指令的可预测性更高，CISC 似乎什么都不做，除了创建一个“快捷方式”，它仍然需要相同的时间来执行（不是多少快捷方式）。根据我对 CISC 的了解，由于这些快捷方式，它在许多情况下都比较慢。如果我理解正确，addl %eax,%ebx 之类的东西会浪费时间在运行addl 之前检查%eax 和%ebx 是否是内存地址，因为它需要支持使用内存地址代替寄存器。
@Hawken：您可能想了解更多关于 RISC 与 CISC 的信息。人们会期望，如果 RISC 明显更好（即更快），人们会更多地使用它们。是的，RISC 每条指令的可预测性更高。但是在 RISC 处理器上编写的程序将需要比在 CISC 处理器上的等效程序更多的指令字节。而且指令获取不是免费的。
@hanspassant 我听说 RISC 的主要问题是采用率低；有传言称，由于 PowerPC 芯片对便携式设备产生过多热量，而 PowerPC 因采用率低而开发不足，因此 Apple 已切换。