80x87指令集为何采用“基于栈”的设计？

Question

当英特尔首次设计8087时，为什么选择将浮点寄存器组织成堆栈？这种设计可能带来什么优势？与允许任意寄存器用作源和目的操作数相比，它似乎不太灵活且更难处理。

(当8087首次被设计时，Intel选择将浮点寄存器组织成堆栈的原因是为了提高程序员的编程效率。通过使用堆栈，程序员可以轻松地保存和恢复浮点值，而不必担心寄存器的编号或寄存器之间的依赖关系。此外，堆栈还可以保证浮点寄存器的使用顺序，从而避免了一些潜在的错误。虽然这种设计可能会限制一些高级编程技术的使用，但对于普通程序员来说，它确实提高了编程效率。)

- Alex D

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我建议你在电子工程堆栈上提问，但我认为这将归结于晶体管数量的限制。根据Wikipedia的说法，8080有4500个晶体管。到了8088年，它已经增加到29000个晶体管，但我不知道它是否直接与你的问题相关。 - Elliott Frisch

请参阅此文档（通过wikipedia找到）。 - Jester

你要求我们回顾历史（没有考虑到技术进步所带来的知识），以确定为什么做出了某个决定。事后诸葛亮很容易，但除非你是通灵者（如果他们真的存在），否则无法预测未来。 - Ken White

@KenWhite，感谢您的反馈。这个问题并不是要求别人成为心理学家或读取设计师的思想。这个想法是：设计选择有利有弊，一个经验丰富的汇编程序员（我不是，但希望能找到）可以理解这些利弊。例如，如果你问我关于Ruby语言中的设计选择，我通常可以提供简明扼要的解释，包括微妙的点，除非你使用该语言已经有几年的时间，否则你可能无法理解。 - Alex D

@Alex：然而，你在询问关于20世纪80年代末/90年代初做出的决策，当时处理器架构与今天完全不同。在1990年，你能知道这个网站会存在，所以你可以在这里提出这个问题吗？我可以对那个问题提供简明扼要的答案：不，我不会知道。你正在要求讨论一个已经过去很久的时间点上做出的决定，而讨论问题在这里是不合适的。 - Ken White

Answer 1

这篇文章"论8087堆栈的优势",由@Jester在评论中分享，解释了设计者的思考过程。以下是他们将浮点寄存器组织成堆栈的原因：

1. 理论上，它可能使过程调用更加高效，因为调用者和被调用者都不需要显式地保存和恢复FP寄存器。需要进行FP计算的被调用者只需将其操作数推入寄存器堆栈，进行计算，并在完成后从堆栈中弹出结果，自动恢复调用者的x87状态。(这与机器堆栈用于函数参数、返回值和局部变量的方式基本相同。)

2. 考虑到指令已经在8086/8088上编码，以及已经使用的操作码数量，他们只能为8087提供1操作数指令，而不能是2操作数。这在扁平寄存器文件中不起作用。

3. 他们认为提供FXCH指令会使重新排列x87寄存器堆栈变得简单（这样在需要时可以使用任意对值作为操作数）。此外，FXCH操作是廉价的。

- Alex D

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我是唯一一个认为80x87是一个好的架构，但却成为了一些相当糟糕的编译器受害者的人吗？如果编译器不允许声明扩展精度变量，并且有时将80位值留在寄存器中，但有时将其“溢出”为32位或64位，则结果语义将是糟糕的，但8x87设计师并不应该受到责备。当人们因为两个浮点数的乘积通常而不总是表现为扩展形式而咒骂8x87时，我感到难过，而不是咒骂不能让他们一致使用扩展形式的语言。 - supercat

因此，如果a=1.1；b=0.875；c=0.875；上述计算可能会使用sin（x）的值为0.89120736006143533995来计算“x”，而计算“y”则假定了一个值为（0.89120736006143530527）的值。从这些值中减去0.875将产生不同的“double”值。因此，即使“b”和“c”相等，“x”和“y”也会变得不相等，程序员会咒骂“x”是用“额外”的精度计算出来的这一事实。 - supercat

当然，如果该语言实现了long double为80位，并允许程序员编写t=sin(a); x=t+b; y=t+c;，那么结果将是一致的。关于sin(a)是否应返回舍入到64位精度的值的问题可能有点模糊，但将该值（无论是什么）复制到t将确保x和y都使用与原始表达式相同的值进行评估。 - supercat

堆栈设计仍然是现代 CPU 的缺点。在当时显然是有意义的，但它没有经受住时间的考验。额外的精度与具有寄存器堆栈无关，因此我们可以在平面寄存器文件中拥有额外的精度，并且有一个快速的指令进行四舍五入。不过，除非你截断它，否则它可能必须远离 0 进行四舍五入并滚动到指数中，因此它可能不像您希望的那样快，但仍然可以比 gcc -ffloat-store 更快，而无需始终禁用额外的精度。 - Peter Cordes

@PeterCordes：8087 的设计存在一些失误，但我认为最具讽刺意味的是，人们认为 80 位的 long double 是围绕着 8087 设计的，而实际上它在没有浮点单元的处理器上提供了更大的好处。在我看来，C 应该定义一个 long float 类型，其精度和范围可以介于 float 和 long double 之间，并指定对 float 进行的计算升级到 long float，对 double 进行的计算升级到 long double。再结合一种语法来指定可接受类型列表... - supercat