Чому стеки зазвичай ростуть вниз?

Я знаю, що в архітектурах, з якими я особисто знайомий (x86, 6502 та ін.), Стек зазвичай росте вниз (тобто кожен елемент, що надходить у стек, призводить до зменшеного SP, а не до збільшеного).

Мені цікаво про історичне обгрунтування цього. Я знаю, що в уніфікованому адресному просторі зручно запускати стек на протилежному кінці сегмента даних (скажімо), тому існує проблема лише в тому випадку, якщо обидві сторони стикаються посередині. Але чому стек традиційно отримує верхню частину? Особливо з огляду на те, як це протилежність «концептуальній» моделі?

(І зауважте, що в архітектурі 6502 стек також зростає вниз, хоча він обмежений однією 256-байтовою сторінкою, і цей вибір напрямку виглядає довільним.)

Що стосується історичного обґрунтування, то я не можу сказати напевно (бо я їх не розробляв). Мої думки з цього приводу полягають у тому, що для початкових процесорів встановлено початковий лічильник програм 0, і це було природним бажанням запустити стек з іншого кінця і рости вниз, оскільки їх код, природно, росте вгору.

Окрім того, зауважимо, що це налаштування лічильника програми на 0 при перезавантаженні стосується не всіх ранніх процесорів. Наприклад, Motorola 6809 отримає лічильник програми з адрес, 0xfffe/fщоб ви могли почати працювати в довільному місці, залежно від того, що було надано за цією адресою (зазвичай, але жодним чином не обмежуючись ПЗУ).

Одне з перших дій, які деякі історичні системи повинні зробити, - це сканувати пам’ять зверху, поки вона не знайде місце, яке зчитує те саме записане значення, щоб вона знала фактично встановлену оперативну пам’ять (наприклад, z80 з адресовим простором 64K не обов'язково мали 64 КБ або оперативну пам'ять, насправді 64 Кб були б масовими в мої перші дні). Як тільки він знайшов верхню фактичну адресу, він встановив би вказівник стека відповідним чином, а потім міг би розпочати виклик підпрограм. Це сканування, як правило, здійснюється за допомогою запущеного коду процесора в ПЗУ в рамках запуску.

Що стосується зростання стеків, не всі вони ростуть вниз, див. Цю відповідь для деталей.

Одне гарне пояснення, яке я чув, було те, що в минулому деякі машини могли мати лише підписані зсуви, тому вам потрібно, щоб стек рос вниз, щоб ви могли вразити місцевих жителів, не втрачаючи додаткових вказівок, щоб підробити негативний зсув.

Стенлі Мазор (архітектор 4004 та 8080) пояснює, як було обрано напрямок зростання стека для 8080 (і врешті-решт для 8086) в "Мікропроцесори Intel: 8008 до 8086" :

Вказівник стека був обраний для запуску "вниз" (при цьому стек просувався до нижчої пам'яті), щоб спростити індексацію в стек з програми користувача (позитивне індексування) та спростити відображення вмісту стека з передньої панелі.

Однією з можливих причин може бути те, що це спрощує вирівнювання. Якщо ви помістите локальну змінну в стек, яка повинна бути розміщена на 4-байтовій межі, ви можете просто відняти розмір об'єкта від покажчика стека, а потім обнулити два нижні біти, щоб отримати належним чином вирівняну адресу. Якщо стек росте вгору, забезпечення вирівнювання стає дещо складнішим.

IIRC стек росте вниз, тому що купа росте вгору. Могло бути і навпаки.

Я вважаю, що це суто дизайнерське рішення. Не всі з них зростають вниз - див. Цей потік SO для гарного обговорення напряму зростання стека на різних архітектурах.

Я вважаю, що Конвенція розпочалася з IBM 704 та її сумнозвісного "реєстру декрементів". Сучасна мова могла б назвати це зміщеним полем інструкції, але справа в тому, що вони пішли вниз , а не вгору .

Ще лише на 2 с:

Окрім усіх згаданих історичних обґрунтувань, я абсолютно впевнений, що немає жодної причини, яка б відповідала сучасним процесорам. Всі процесори можуть приймати підписані зсуви, і максимізація відстані між купою та стеком є ​​досить спірною з тих пір, як ми почали працювати з декількома потоками.

Я особисто вважаю це недоліком дизайну безпеки. Якби, скажімо, дизайнери архітектури x64 змінили напрямок зростання стека, більшість переповнення буфера стека були б усунені - це свого роду велика справа. (оскільки струни ростуть вгору).

Я не впевнений, але ще колись я програмував VAX / VMS. Здається, я пам’ятаю, як одна частина пам’яті (купа ??) зростала, а стек опускався. Коли вони познайомились, тоді у вас не вистачало пам’яті.

Однією з переваг низхідного зростання стека в мінімальній вбудованій системі є те, що один шматок оперативної пам'яті може бути надмірно зіставлений як на сторінку O, так і на сторінку 1, дозволяючи призначати нульові змінні сторінки, починаючи з 0x000 і стек, що зростає вниз від 0x1FF, максимізуючи сума, яку йому довелося б збільшити до перезапису змінних.

Однією з оригінальних цілей дизайну 6502 було те, що він міг поєднуватися, наприклад, з 6530, що призвело до створення двокристальної мікроконтролерної системи з 1 КБ ПЗУ програми, таймером, введенням-виведенням і спільним використанням 64 байт оперативної пам'яті між стеком і нульовими змінними сторінки. Для порівняння, мінімальна вбудована система того часу, заснована на 8080 або 6800, мала б чотири-п’ять мікросхем.