pusha与popa指令工作原理及自制简易OS打印函数调用异常原因

问题重现 #

你编写的第一个print_string实现存在栈溢出问题，导致程序在打印完第一个字符串后崩溃，无法执行后续代码。

第一个版本的print_string代码：

print_string:
    pusha
    cmp byte[bx], 0    
    je exit             
    mov ah, 0x0e        
    mov al, [bx]        
    int 0x10            
    inc bx               
    jmp print_string    
    
    exit: 
        mov ah, 0x0e       
        mov al, 13          
        int 0x10            
        mov al, 10          
        int 0x10            
        popa
        ret                 

主调用代码：

[org 0x7c00]              

mov bx, hello               
call print_string           
mov bx, hi                 
call print_string          
jmp $                       

%include "print_string.s"   
hello:                  
    db "Hello, World!",0     
hi:
    db "This is a test.",0

times 510-($-$$) db 0       
dw 0xaa55                   

问题根源 #

你的print_string用jmp print_string做循环，每次循环都会重新执行pusha指令：

1. 第一次调用print_string时，执行pusha把8个通用寄存器压入栈；
2. 打印一个字符后inc bx，然后jmp print_string回到函数开头，再次执行pusha，又把8个寄存器压栈；
3. 这个过程会重复到字符串结束，Hello, World!有13个字符，就会执行13次pusha，栈里堆积了13×16=208字节的数据；
4. 实模式下BIOS留给引导扇区的栈空间非常有限（通常只有几百字节），反复压栈会直接导致栈溢出，程序执行到exit段的popa和ret时已经处于异常状态，根本无法回到主函数执行mov bx, hi和第二次call print_string。

而修改后的版本把pusha/popa移到主函数，print_string内部没有pusha，循环时不会反复压栈，栈空间不会被耗尽，因此能正常执行两次调用。

pusha和popa的工作原理 #

• pusha：一次性将8个16位通用寄存器按固定顺序压入栈，顺序是：ax → cx → dx → bx → sp（压入pusha之前的栈指针值） → bp → si → di。每个寄存器占2字节，所以一次pusha会占用16字节的栈空间。
• popa：按与pusha相反的顺序从栈中弹出数据到寄存器，顺序是：di → si → bp → sp（这个值会被忽略，栈指针仍按正常弹出逻辑推进） → bx → dx → cx → ax，刚好恢复执行pusha之前的所有通用寄存器状态。

修复建议 #

如果想在print_string内部保留pusha/popa，应该把递归式的jmp print_string改成循环结构，避免反复执行pusha：

print_string:
    pusha          ; 仅在函数开头压栈一次
print_loop:
    cmp byte[bx], 0    
    je exit             
    mov ah, 0x0e        
    mov al, [bx]        
    int 0x10            
    inc bx               
    jmp print_loop       ; 跳转到循环体开头，而非函数开头
    
exit: 
    mov ah, 0x0e       
    mov al, 13          
    int 0x10            
    mov al, 10          
    int 0x10            
    popa                ; 函数结束时仅弹栈一次
    ret                 

这样pusha和popa只会执行一次，不会导致栈溢出，同时也能正确保护寄存器状态。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Davy133