80x86CPU入栈与出栈操作

一、栈操作：入栈push，出栈pop

栈操作：FILO（先进后出机制）

栈顶的指针：ss:sp决定，任意时刻栈顶指针指向SS:SP的位置

对于8086CPU

入栈时：sp-2

出栈时：sp+2

assume cs:code,ds:data,ss:stack
;定义数据段
data segmentdw 0123H,0456H,0789H,0ABCH,0DEFH,0FEDH,0CBAH,0987H      ;定义8个字单元的存储数据
data ends;定义栈段
stack segmentdw 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
stack ends;定义代码段
code segment
start:mov ax,stackmov ss,axmov sp,0020H    ;将栈顶指向stack:0020Hmov ax,datamov ds,ax       ;数据段ds指向datamov bx,0000Hmov cx,0008Hs:   push [bx]       ;将data段中0——15个内存单元中的8个字型数据入栈add bx,2loop smov bx,0mov cx,0008Hs0:   pop [bx]add bx,2loop s0         ;将以上出栈的9个字型数据出栈到data段的0——15个内存单元中mov ax,4c00H    ;调用4c00H功能中断int 21Hcode ends               ;结束code段
end start               ;结束程序

栈的空间大小：对于8086CPU，SS:SP只是确定栈顶的位置，不知道栈空间的大小，只能在写程序时安排栈空间的大小，既要防止入栈时数据太多栈顶超界，又要防止出栈时取出数据过多栈底超界。

对于以下代码寄存器的值变化

在dosbox通过debug -a 0200:0000处进行汇编操作
mov ax,1000      ;(ax)=1000
mov ss,ax        ;(ss)=1000
mov sp,0010      ;(sp)=0010,栈顶位置=((ss*16)+sp)=10010H
mov ax,1234      ;(ax)=1234
mov bx,5678      ;(bx)=5678
push ax          ;将ax入栈，栈顶位置-2=10010-2=1000EH
push bx          ;将bx入栈，栈顶位置-2=10010-2=1000CH
pop ax           ;出栈,(ax)=5678H,栈顶加2=1000CH+2=1000EH
pop bx           ;出栈,(bx)=1234H,栈顶加2=1000EH+2=10010H通过-r命令修改cs:ip寄存器的值，将指令指针指向0200:0000处开始执行汇编语句
-rcs 0200
-rip 0000-t   ;单步指行，观察寄存器ax,bx,ss,sp的值变换

二、栈操作存在的问题

​栈顶越界（向上溢出）​​

当栈已满时执行push操作，栈顶指针（如SP）会超出栈的合法范围，向栈外内存写入数据。例如：

在x86架构中，若栈空间为10000H~1000FH（16字节），连续执行8次push后栈满，此时SP=0（栈顶指向10010H）。若再次执行push，SP会减2至FFFEH，导致数据写入栈外地址1000EH，覆盖相邻内存区域

​栈底越界（向下溢出）​​

当栈为空时执行pop操作，栈顶指针会越过栈底边界，读取无效数据。例如：

空栈时SP=0020H（指向栈底下一单元），执行pop会使SP加2至0022H，后续push操作可能覆盖10020H处的数据

三、越界的底层机制与后果

​1，CPU的局限性​

CPU仅跟踪栈顶指针（如x86的SS:SP），​不检测栈边界。无论越界与否，均按指令执行，导致以下风险：

​数据覆盖​：越界写入可能破坏其他程序或系统数据，引发崩溃（如操作系统关键数据被篡改）。

​数据泄露​：越界读取可能获取敏感信息（如密码、密钥）

​2，栈扩展方向的影响​

x86栈向低地址扩展，push时SP递减，pop时递增。若栈容量不足，越界操作可能覆盖代码段或堆段数据

3，​寄存器的限制​

16位系统（如8086）中，SP寄存器最大值为FFFFH（64KB），若栈定义为64KB且空时执行pop，SP可能从0000H回绕至FFFEH，导致数据覆盖

四、解决方案与防护机制

1，程序员责任​

​手动管理栈容量​：预估最大栈深度（如递归深度、局部变量大小），分配足够空间

​边界检查​：在关键操作前插入检查代码。例如：

; 检查栈是否已满（顺序栈示例）
cmp sp, STACK_BOTTOM
jae stack_overflow_error

​2、硬件与系统级保护​

​栈边界标记​：预留特定值（如0xDEADBEEF）标记栈边界，运行时检测是否被篡改

​不可执行栈（NX位）​​：标记栈内存为不可执行，防止注入代码运行（常见于现代操作系统）

3、​嵌入式系统的特殊处理​

​在线检测机制​：在DSP等嵌入式系统中，通过中断服务程序实时监控SP位置，触发异常处理（如重启或日志记录）

​多级栈保护​：结合虚拟栈帧和硬件保护环，限制栈操作范围