栈指针

引言

堆栈指针是计算机结构中，在微处理器和微控制器领域内的一个关键要素。它是一种特殊的指针，始终指向堆栈的顶部。堆栈是一种线性数据结构，其中插入和删除只在一个末端发生。堆栈遵循后进先出 (LIFO) 原则，这意味着最后压入堆栈的条目是您弹出时第一个获得的条目。

堆栈指针的作用

堆栈指针是一个寄存器，用于存储堆栈顶部的地址。它用于在程序执行期间存储二进制信息。当新请求到达时，它会将先前的请求向下压。堆栈指针存储最后一个程序请求的地址。当将程序请求插入堆栈时，堆栈指针首先加一。然后，请求被压入堆栈。

堆栈的类型

• 寄存器堆栈

寄存器堆栈是内存单元中存在的存储设备，但它只能处理少量数据。寄存器堆栈的深度总是有限的，因为与内存相比，寄存器堆栈的大小非常小。寄存器堆栈中的压入操作包括将堆栈指针加 1，然后将数据输入堆栈。弹出操作包括从堆栈读取数据，然后将堆栈指针减 1。

• 内存堆栈

在内存堆栈中，堆栈深度是灵活的。它占用大量的内存数据，而在寄存器堆栈中，只存储有限数量的内存字。内存堆栈中的压入操作包括将堆栈指针加 1，然后将数据输入堆栈。弹出操作包括从堆栈读取数据，然后将堆栈指针减 1。

两者之间的主要区别是大小限制（即它们可以容纳的元素数量）。寄存器堆栈具有固定大小，而内存堆栈可以根据需要动态增长。

代码

输出

Stack Overflow. Can't push to a full stack.
3
2
1
Stack Underflow. Can't pop from an empty stack.
None
b
a
Stack Underflow. Can't pop from an empty stack.
None

在上面的代码中

• 寄存器堆栈具有容量属性，限制了它可以容纳的项目数量。如果您尝试在堆栈已满时压入项目，它将打印“堆栈溢出。无法压入已满的堆栈。”
• 内存堆栈没有容量属性。它可以容纳无限数量的项目（仅受可用内存限制）。
• 这两个类都有压入和弹出方法。压入方法将项目添加到堆栈顶部，弹出方法从堆栈顶部移除项目。如果您尝试在堆栈为空时弹出项目，它将打印“堆栈下溢。无法从空堆栈弹出。”

栈上的操作

只能在特定堆栈中执行的两个基本操作是 PUSH（压入）和 POP（弹出）。

推送操作

压入操作是将元素添加到堆栈的过程。以下是它在两种类型的堆栈中的工作方式

• 寄存器堆栈
  1. 堆栈指针加 1：SP←SP+1。
  2. 将数据输入堆栈：M [SP]←DR，其中 DR 是数据寄存器。
  3. 检查堆栈是否已满。如果堆栈指针等于 0 (sp=0)，则堆栈已满 (full←1)。
  4. 将堆栈标记为非空：empty←0。
• 内存堆栈
  1. 堆栈指针加 1：SP←SP+1。
  2. 将数据输入堆栈：M [SP]←DR。

Pop（出栈）操作

弹出操作是从堆栈中删除元素的过程。以下是它在两种类型的堆栈中的工作方式

• 寄存器堆栈
  1. 从堆栈读取数据：DR←M [SP]。
  2. 堆栈指针减 1：SP←SP-1。
  3. 检查堆栈是否为空。如果堆栈指针等于 0 (sp=0)，则堆栈为空 (empty←1)。
• 内存堆栈
  1. 从堆栈读取数据：DR←M [SP]。
  2. 堆栈指针减 1：SP←SP-1。

堆栈指针的应用有

1. 字符串反转：堆栈可以通过将字符压入堆栈，然后以相反的顺序将它们弹出回字符串来反转字符串。
2. 平衡括号：堆栈可以通过将每个开括号压入堆栈，并为每个闭括号弹出，来检查表达式是否具有平衡括号。
3. 撤销/重做：堆栈可以在文本编辑器等程序中实现撤销和重做操作。当调用撤销操作时，操作被压入撤销堆栈并弹出到重做堆栈。
4. 用于激活记录的系统堆栈：堆栈用于在程序执行期间管理激活信息。每个记录都包含执行过程或函数所需的数据。
5. 中缀、前缀、后缀表达式：堆栈用于中缀、前缀和后缀表达式的转换和求值。

结论

总之，堆栈指针在微处理器中管理堆栈方面起着至关重要的作用。它有助于高效地利用内存，并简化函数调用和处理过程。理解堆栈指针及其操作是理解微处理器操作和编程的基础。