X86的浮点单元(X87 FPU)用作浮点数据处理，必然要使用寄存器，而且这个寄存器必然要同整点的不同。那么，在FPU中是怎么设计这些浮点寄存器呢？

实际上，X86的FPU中包含一个浮点寄存器栈，它包含了8个80位的可以直接进行浮点运算的寄存器，浮点数以双精度格式存储在这些寄存器中，无论 是单精度、双精度还是整数等，被load到这些个寄存器中后，都会转化为双精度。FPU指令在使用这些寄存器的时候，是以一种“栈”的方式来使用，叫做 “浮点寄存器栈”，其结构如下图所示：

 

这 个栈由8个可以直接进行浮点运算的寄存器组成，按照顺序编号为0－7。CPU在处理浮点运算的时候，将这些寄存器作为一个栈来使用。它是一个向下扩展的循环栈。我们知道，整点运算有个FLAG状态寄存器，同样，浮点运算部件中也有个浮点状态寄存器FFLAG，处理器利用浮点状态寄存器中的bit11- bit13三个bit来标记这个栈的栈顶位置（用top指针表示）。

 

下面介绍下这个浮点栈的工作原理：

1. 当程序向寄存器栈中装入数据的时候，top指针的值减1，然后将数据压入top指针指向的浮点寄存器中。
2. 当top值为0的时候，下一次压栈则将数据压入7号浮点寄存器中，top指针被设置成7（也就是说浮点栈是一个循环栈）。
3. 当需要将堆栈中的数据保存到内存中的时候(FST指令)，则进行退栈操作。退栈操作与压栈类似，top指针增加1，若退栈前top值为7，则退栈后top为0（对于X87寄存器来说，一个load操作相当于push，一个store操作相当于pop）。

上述这些操作由硬件来完成，对用户是透明的，用户无须关心压栈和出栈操作以及top值这些细节，FPU提供了FLD，FST等访存指令和FADD等 浮点运算指令以及其他一些辅助指令来操作浮点寄存器（可参考IA_32指令集手册）。用户可以通过FLD指令将内存中的浮点数据压入浮点寄存器栈，通过 FADD指令进行一个加法运算，然后通过FST指令来保存结果并退栈。

那么，按照上面的逻辑，我们是不是之能够使用栈顶的浮点寄存器呢？X87的设计者当然不会这么做。那么，用户怎么操作这些寄存器呢？这些寄存器的名字是什么呢？

在用户通过指令对浮点数据操作的时候，这些浮点寄存器所呈现给用户的名字是ST[0],ST[1],ST[2]......ST[7]。但是，要注意，这里的ST[i]中的i并不是和上图中的编号一一对应的，而是离栈顶的距离。也就是说，ST[i]表示距离栈顶的第i个单元的寄存器。按照上面的图所示的状态，ST[0]为第3号寄存器，ST[1]为第4号寄存器，以此类推。

听到这里，是不是有点糊涂了？我们在实际浮点运算中到底怎么使用浮点栈？如果需要store ST[2]，还要出栈么？不要着急，让我们看几个指令的例子：

看下面这几条指令：

FLD    value1 ;(a) value1=5.6FMUL  value2 ;(b) value2=2.4FLD    value3 ; value3=3.8FMUL  value4 ;(c)value4=10.3FADD  ST(1)  ;(d)

实际上，这些指令是完成了一个这样的操作：

double Product = (5.6 x 2.4) + (3.8 x 10.3);

让我们一步一步来看每条指令是怎么操作浮点栈的：

1. 第一条指令（FLD value1）将top指针减1（压栈），将值5.6 从内存load到ST[0]寄存器，如下面的图中(a)所示。
2. 第二个指令将ST(0)同内存中的valua2（2.4）相乘，并将结果存在ST[0]中。如(b)所示。
3. 第三条指令将top减1，并将3.8 load到ST[0]中。
4. 第四条指令将ST[0]中的值同内存中的value4（10.3）相乘，并将结果存储在ST[0]中，如(c)所示。
5. 第五条指令将ST[0]中的值同ST[1]中的值相加，把结果存放到ST[0]中，如(d)所示。

 

经过这样的解释，是不是会清晰很多？当然，如果还有疑问的话，建议去阅读

IntelArchitecture Software Developer‘s Manual, Volume 2: Instruction Set ReferenceManual

中的浮点指令，多看几个浮点指令的用法，就知道该怎么用了。

另外，这样就结束了么？这种结构不会存在问题？对了，溢出怎么办？怎么防止栈顶覆盖栈底呢？对空栈退栈操作和对满栈入栈操作都是不允许的。

实际上，FPU还提供了一个标记寄存器tag，这个寄存器记录了每个浮点寄存器的状态，当装入数据的时，硬件会将寄存器中相应的tag置为有效，反 之置为空。当压栈时遇到已经标为有效的寄存器时，产生上溢；如果退栈时，遇到相应tag为空时，则产生下溢，处理器会触发相应的异常来进行处理。

另外，值得一提的是，其他大多数处理起上都没有这种运算方式，一般处理器都是内部防止几个通用的浮点寄存器，按照寄存器编号进行使用。因此，要在其 他体系结构下模拟这种浮点栈，是二进制翻译的一个难点。以后的文章我会详细介绍二进制翻译下怎么模拟这些浮点栈，包括寄存器旋转和归一法，此文在这里仅作为介绍性的引文，更多内容可以参考：

Intel® 64 and IA-32Architectures Software Developer‘s Manuals