本帖最后由 吾要单片机 于 2018-5-15 21:47 编辑
七、 独特的栈段结构
栈段是用于保存寄存器数据和子程序自动变量数据的内存空间。当前主流CPU的栈段结构如图1所示，从图1中可看出在栈段（STACK）内，寄存器数据区和子程序自动变量数据区是混合在一起，并且寄存器数据区栈指针（SP）和子程序自动变量数据区栈帧指针（FP）都是从高地址向低地址方向增长，在此本人将这种栈段结构称为单向栈段结构。本酷能指令集架构所使用的栈段结构有别于当前主流CPU的栈段结构，其栈段结构如图2所示。从图2中可看出在该栈段（STACK）内，寄存器数据区和子程序自动变量数据区是完全分开的，寄存器数据区保存在高地址区域，而子程序自动变量数据区保存在低地址区域，寄存器数据区栈指针（SP）的增长方向是从高地址向低地址，而子程序自动变量数据区栈帧指针（FP）的增长方向是从低地址向高地址，在此本人将这种栈段结构称为双向栈段结构。
由于两者的栈段结构有不同，所以程序对栈段操作也是有所不同，主要有3个不同点： 1、FP对齐不同： 对于图1（当前主流CPU所使用的单向栈段结构）来说，FP总是和SP一样，都是与寄存器字长对齐，而对于图2（本指令集架构所使用的双向栈段结构）来说， SP是与寄存器字长对齐，而FP对齐于子程序第一个自动变量的数据类型（字节，半字，字，双字），与静态数据段存储的方式相同，存储更密集。 2、对SP、FP操作不同： 在图1（当前主流CPU所使用的单向栈段结构）中，由于寄存器数据区和子程序自动变量数据区是混合在一起，所以子程序func1对SP和FP的操作有： ①对于ARM32来说(5级流水线)，其操作有： func1: mov ip, sp; 保存栈指针，耗时为1T stmfd sp!, {fp, ip, lr, pc}；把fp, ip,lr, pc依次压栈，耗时为4T sub fp, ip, #4；产生新的栈帧指针，耗时为1T sub sp, sp, #16；开辟新的自动变量数据区，耗时为1T ...... ldmdbfp, {fp, ip, pc}；恢复fp、 ip、 pc，回到调用着的状态，耗时为4T ......
从ARM的这5条指令可以算出子程序对SP和FP操作的耗时为11T（周期），其代码长度为20Byte。
②对于MIPS32来说(5级流水线)，其操作有： func1: addi sp, sp, -32；开辟新的自动变量数据区，耗时为1T sw ra, 28(sp)；保存ra，耗时为1T sw s8, 24(sp)；保存fp，耗时为1T move s8, sp；产生新的栈帧指针fp，耗时为1T ...... lw ra, 28(sp)；恢复ra，耗时为1T lw s8, 24(sp)；恢复fp，耗时为1T jr ra；子程序返回，恢复pc，耗时为2T addi sp, sp, 32；恢复sp，延时槽 ......
从MIPS的这8条指令可以算出子程序对SP和FP操作的耗时为8T（周期），其代码长度为32Byte。
③对于X86来说，其操作有： func1: push ebp；耗时为1T mov ebp,esp；耗时为1T sub esp,40h；耗时为1T ...... mov esp,ebp；耗时为1T pop ebp；耗时为1T ret；耗时为2T ......
从X86的这6条指令可以算出子程序对ESP和EBP操作的耗时为7T（周期），其代码长度为10Byte。
在图2（酷能指令集所使用的双向栈段结构）中，由于寄存器数据区和子程序自动变量数据区是完全分开的，所以子程序func1对SP和FP的操作有（使用酷能指令集）：
func1: add fp, #24； 产生新的栈帧指针，耗时为1T ...... ret；恢复sp、pc、lr、fp，回到调用者的状态，耗时为2T ......
从这2条指令可以看出，子程序不需要再用指令单独对SP进行操作，所以简化了进入/退出子程序的操作，其耗时为3T（周期），比图1（当前主流CPU的单向栈段结构）的ARM、MIPS和X86的操作快多了。当使用本32位指令集时，其代码长度为8Byte；而当使用本16位指令集时，其代码长度为6Byte，真是短小精悍的典范！
三种指令集调用子程序的情况对比表 | 指令集 | ARM32 | MIPS32 | X86 | 酷能32 | 酷能16 | | 代码长度（Byte） | 20 | 32 | 10 | 8 | 6 | | 总耗时（周期） | 11 | 8 | 7 | 3 | 3 |
从上表可以看出本酷能指令集具有先进性和创新性。
3、对子程序的自动变量寻址不同： 在图1中，对子程序的自动变量寻址的偏移量都是负整数，而在图2中，对子程序的自动变量寻址的偏移量是正整数，这和静态数据段（DATA）变量寻址的偏移量相同。
从上面比较分析结果看出，使用图2（本指令集架构所使用的双向栈段结构）的结构具有操作简单的优点，主要原因是子程序自动变量数据区没有插入寄存器数据，从而使得计算fp变得简单，同样的，由于寄存器数据区没有插入子程序自动变量数据，也使得维护sp、pc寄存器时简化了一些操作，但是最主要的还是由于本酷能指令集有CALL和RET指令（看指令操作说明，里面包含有对LR和FP的出入栈操作，和X86有很大差别），可以大幅度的简化调用子程序时寄存器出入栈的操作，所以优势非常明显。 | 
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