Lec. 10. C in Assembly Language

07 Apr 2024 in Microprocessor

C in Assembly Language

Resource

Online ARM converter (assembler) Reference for study

https://azeria-labs.com/writing-arm-assembly-part-1/

https://developer.arm.com/documentation/dui0662/b/The-Cortex-M0--Instruction-Set

Program build tools

Compiler: c나 header파일로 저장된 source file를 Assembly file로 변환

Assembler: compile된 assembly file을 기계어로 변환

Linker/Loader: 기계어 코드를 기존의 library file들과 link해줌

Assembler

사람이 읽을 수 있는 assembly language module을 object 모듈로 변환

If/Else

코드의 line number는 2자리씩 차이나는데 이는 어셈블리 코드가 2바이트씩 자리를 띄운다고 생각하면 된다.

2900, d001(16-bit Thumb mode)등의 code가 기계어 명령어 인데, 명령이 처리해주는 레지스터의 주소에 따라 같은 어셈블리 명령어라도 code가 달라지기도 한다.

방금 전의 조건문을 diagram으로 표현하면 위 그림과 같다.

Switch

Do while

CMP는 r1 레지스터의 값과 0x14를 빼준 결과의 flag를 업데이트하고,

BCC는 C(Carry) flag를 check 해준다.

CMP의 Carry가 0이면 작은 경우이고 Carry가 1이면 크거나 같은 경우이다.

CMP를 수행해줄 때, 두 수를 Unsigned 취급해서 수행해준다.

0x14 = 20을 two’s complement로 빼 주었을 때, -20 = 1110~~와 x를 더했을 때, 결과의 앞자리의 bit가 0이라면 carry가 발생하였다는 것을 말하고, x가 더 크다는 뜻이므로, C = 1이면 x가 더 크다. 반대로 앞 자리의 bit가 1이라면 carry가 발생하지 않은 경우(C = 0)이고, 결과가 음수이게 되므로 x가 더 작다는 것을 뜻하게 된다.

While

While은 Do while과는 달리 먼저 조건을 check를 해주는 link로 넘어가서, 조건을 만족하는 경우에만 code가 실행되도록 해준다.

FOR

For문은 먼저 초기화를 수행해준 후에 While문과 비슷하게 조건을 check하고, 만족하는 경우 반복문 내의 code를 수행해주도록 한다.

Calling Subroutines

C언어에서의 Function의 경우 subroutine을 통해서 구현된다.

함수 호출이 일어나면 MOVS를 통해서 함수에 전달해주는 값을 레지스터에 복사를 시켜준다. 이후 fun5라는 function을 호출하고 함수가 수행되는 곳으로 jump를 해주게 되는데 현재 위치(함수의 반환주소, 위 코드의 경우 STR 문의 주소)를 LR(link register)에 저장해준다.

fun5 함수가 끝나고 반환주소로 돌아오게 되면 r0라는 곳에 저장된 결과값을 스택 포인터의 첫번째 주소가 가리키는 곳에 저장해준다.

Register use convention

레지스터는 마음대로 저장해줄 수 있지만, 레지스터를 사용하는 것에 전통적인 규칙이 있다.

PC는 현재 실행되는 위치

LR은 주로 BL과 BLX에 의해 반환 주소가 저장된다.

SP는 Stack pointer의 top 주소

R0~R3는 주로 함수의 입력 값을 저장한다. R0, R1은 주로 함수의 반환 값이 저장되고, R0~R3는 함수가 끝났을 때 원래의 값으로 다시 복원해줄 필요가 없다.

R4~R11까지의 레지스터는 함수가 끝났을 때, 원래의 값이 복구되는 것을 암묵적으로 약속하고 있기 때문에 구현시에 유의하여 이와 관련한 구문을 포함해주어야 한다.

Function arguments / Return values

argument는 레지스터(4개로 제한)나 메모리에 의해 전달된다. 레지스터의 속도가 빠르기 때문에, compiler는 주로 레지스터를 활용해서 argument를 전달할 수 있도록 assembly code를 작성한다.

4 byte의 배수 길이로 argument를 사용
64bit arguments 짝수 개수의 레지스터를 사용해서 전달 (작은 부분은 R0, R2, 큰 부분은 R1, R3에 저장)
레지스터의 개수를 넘치는 경우 stack을 사용한다.

Function의 return value는 r0, r1, stack 을 통해 전달받는다. 64bit return값도 32bit 씩 나누어 전달을 받는다.

Prolog and Epilog

함수가 실행될 때를 prolog, 함수가 끝날 때를 Epilog라고 한다.

Prolog

보존해주어야 할 레지스터를 저장해준다.
- 위 fun4의 경우 r4를 사용하려고 하므로 원래의 값을 stack에 저장해주고 있다. 또한 LR(link register)에 함수 실행 이후 돌아갈 주소를 저장해주었으므로 해당 값 또한 stack에 저장해준다. 이는 함수 내에 다른 함수가 호출되었을 경우 LR이 수정되기 때문에 이러한 경우 반환 주소가 유실되는 것을 방지해주기 위해 필요하다.
Stack을 call 해서 activation record를 설정한다.
- 이는 함수 내 지역변수를 위한 공간을 마련한다는 뜻이다. -> SUB sp, sp, #0x20 = int x[8]
- 이렇게 선언된 변수의 경우 [sp, #0], [sp, #4] 등을 통해 x[0], x[1]에 접근해준다.
필요한 경우 automatic variable에 대한 initializing이 필요하다.

A - #n 을 통해 주소를 보여주고 있다. 지정해준 순서대로 stack에 정보가 저장되게 된다.

위 일련의 과정을 통해 Prolog가 끝나게 된다. 함수가 끝나게 되면 A라는 초기 위치로 돌아와야 하는데, 이 과정을 Epilog에서 수행해준다.

Epilog

반환 값을 적절한 위치에 저장해준다.
복원해주어야 하는 레지스터 값을 복구시켜준다.
호출한 함수로 이동한다.

ADD sp, sp, #0x20 을 통해 Stack pointer가 가리키는 주소를 LR이 저장되었던 곳으로 이동시키고, LR 값은 돌아갈 주소를 저장하고 있으므로, POP {r4, pc}를 통해 PC에 돌아갈 반환주소를 넣어주도록 하고, r4에 원래 있던 값을 복원해주었다. 이를 통해 원래 함수 호출 이전인 A 주소로 이동하게 되었다.

Data memory

Statically allocated memory

AREA는 섹션을 지정하기 위함 (프로그램들을 보기 쉽게 구역을 나누어 준 것) DCD는 constant 값을 메모리에 저장하는 역할로, 이후 입력한 값의 위치를 위쪽 줄의 레이블로 지정하는 것이다.

siA

DCD 0x00000000 -> 0x00000000의 주소를 ||siA||에 저장

L1.312

DCD ||siA||의 주소를 |L1.312|에 저장

;;;20 siA = 2;

MOVS를 통해 R1에 2라는 값이 저장이 되었고, LDR를 통해 R2에 L1.312 가 가리키고 있는 siA 라는 주소 값이 저장되게 된다.
STR를 통해 R2가 가리키고 있는 siA에 2라는 값이 저장되게 된다.

;;;21 aiB = siC + siA

LDR을 통해 r1에 먼저 siC 의 주소를 담는다.
LDR을 통해 r1에 siC 의 값을, r2에 siA 의 값을 각각 담는다.
이후 r1에 r1과 r2의 값을 더한 값을 넣어준다.
r1의 값을 [sp, #0xc]를 통해 aiB에 저장해준다.

Automatically allocated memory

Using stack

Stack을 이용하는 방법을 automatically allocated memory라고 한다.

Static은 우리가 각 포인터 변수들을 손으로 직접 지정해주었던 반면, Automatically의 경우 stack으로 일정량 을 할당해줄 수 있다.

PUSH {r0-r3,lr}을 통해 stack에 해당 변수들을 저장한다.

이후 SUB sp, sp, #0x10 을 통해서 변수를 저장할 공간을 할당하고, r1에 임시적으로 4, 5, 6이라는 값을 저장하여 각각 [sp, #8], [sp, #4], [sp, #0]에 저장한다.

Dynamically allocated memory

[sp, #0xc]의 값 (aiB)의 주소 값을 r0에 저장

r0의 값을 r1에 복사

r1 = r1 + 1을 수행

이 r1을 다시 r0에 저장