KOCW에 공개된 영남대 최규상 교수님 컴퓨터 구조 강의를 수강 후 정리한 내용입니다.
2.8 Supporting Procedures in Computer Hardware
1. 함수(function, procedure)의 실행 단계
용어 정리
- caller: 함수를 부르는 것
- callee: 불려지는 함수
실행 단계
- caller가 callee가 접근할 수 있는 곳에 argument를 가져다 놓음
- $a0 - $a3: argument를 저장하는데 사용되는 네 개의 register
- caller가 callee에게 컨트롤을 넘겨줌
- callee가 필요한 메모리 공간을 할당받음
- callee가 해야할 일을 수행
- callee가 일을 마친 후 caller가 접근할 수 있는 위치에 return 값을 저장
- $v0 - $v1: return value를 저장하기 위해 사용되는 두 개의 register
- callee가 caller에게 컨트롤을 넘겨줌
- callee가 caller에게 컨트롤을 넘길 때 return address를 알고있어야 함
- $ra: return address를 저장하는데 사용되는 register
2. Procedure Call Instructions
1. Procedure call: jump and link
jal ProcedureLabel: ProcedureLabel의 다음 명령어 주소를 $ra에 저장한 후 ProcedureLabel로 jump
2. Procedure return: jump register
jr $ra: $ra의 값을 program counter(PC, 현재 실행하고 있는 명령어의 메모리 주소 값을 가지고 있는 레지스터)에 복사해 프로그램이 $ra로 jump
Leaf Procedure Example
- Leaf Procedure: 함수 내에서 다른 함수를 부르지 않는 것
- f는 로컬 변수이므로 $s0에 저장되어 있다고 가정
3. Non-Leaf Procedure
- 함수 내에서 다른 함수를 호출
- 함수 내에서 다른 함수를 호출할 경우 caller가 가지고 있던 return address의 값을 다른 곳에 저장해야함. 또한 호출한 함수의 argument 값을 stack에 저장해야함
- callee에서 caller로 온 후에 stack에 저장된 값을 복원해야 함
3. Local Data on the Stack
- 보라색 상자: activation record(procedure frame). 하나의 함수를 부를 때마다 activation record가 할당됨. b에 나와있는 값들을 저장
- $sp: stack pointer, 스택의 시작 위치
- $fp: frame pointer, 현재의 activation record의 시작 위치. 끝 위치를 가리키는 것이 $sp
4. 메모리 구조
- Text: 프로그램 명령어 저장
- Static data: global variables(전역 변수), static 변수 저장
- $gp: Static data 부분의 중간을 가리켜 Static data에 접근하기 훨씬 수월하게 만듦
- Dynamic data(heap): C언어의 malloc, Java에서의 new를 사용할 경우 할당됨
- Stack: activation record가 할당되는 부분
- heap은 위쪽 방향으로 증가, Stack은 아래쪽 방향으로 증가
2.9 Communicating with People
Character Data
- character data는 byte로 구성: ASCII(128 characters), Latin-1(256 characters)
- 문자열을 8bit로 표현
- Unicode: 32bit character set
- UTF-8, UTF-16: 여러 바이트를 사용해서 표현 가능
2.10 MIPS Addressing for 32-Bit Immediates and Addresses
32bit Constants
- MIPS에서 상수는 16bit. 32bit의 상수를 다루기 위해서는 두 개의 instruction이 필요
- constant의 값이 rt의 상위 16bit로 가게됨
- 하위 16bit의 값을 지정해서 넣어주면 32bit constants를 만들 수 있음
- constant의 값이 rt의 상위 16bit로 가게됨
1. Adressing
1. Branch Addressing
- branch는 특정 타켓 address로 가게됨
- PC-relative addressing
- Target address = PC + offset X 4
- PC는 현재 명령어가 수행되고 있으면 다음에 수행될 명령어의 주소를 가지고 있기 때문에 이미 4만큼 증가되어 있음. 따라서 Target address를 계산할 때에 고려해줘야함
- PC-relative addressing
2. Jump Addressing
- Target address = PC의 상위 4bit(31~28bit) + (address X 4)
- Example
2. Branching Far Away
- branch의 경우 16bit offset 값을 넘어가는 경우가 있음. branch target이 너무 멀리 있어 16bit offset으로 커버가 안되는 경우 어셈블러는 명령어를 아래처럼 바꿔 씀
- branch 명령어 대신 jump 명령어 사용. jump 명령어는 26bit를 커버하기 때문에 훨씬 멀리 있는 곳까지 jump 가능
3. Addressing Mode Summary
1. Immediate addressing
- 상수를 사용하는 경우
- ex) addi
2. Register addressing
- R-type
3. Base addressing
- load/store와 관련된 명령어
4. PC-relative addressing
- branch 명령어
5. Pseudodirect addressing
- jump 명령어
2.12 Translating and Starting a Program
Translation and Startup
- Linker: 작성한 프로그래밍 언어와 library를 합쳐 실행 파일을 만들어줌
- loader: 프로그램이 실행되기 위해서는 저장장치에서 memory로 올라와야하는데 이 과정을 load라고 함. loader는 작성한 프로그램을 memory로 올려줌
- Static linking: 작성한 프로그램 안으로 library가 들어오는 것. 반대되는 개념이 Dynamic linking
Assembler Pseudoinstructions
- MIPS에서는 사용 불가능하지만 어셈블러에서 사용할 수 있는 가짜 명령어
- 어셈블러가 MIPS의 실제 명령어로 자동으로 바꿔줌
- move, blt 명령어는 실제 MIPS 명령어에는 존재하지 않지만 어셈블러에서는 사용 가능
- $at이라는 어셈블러만 사용할 수 있는 명령어를 사용해 실제 명령어로 바꿔줌
1. Producing an Object Module
- 어셈블러가 프로그램을 machine instructions으로 변환해주는 것
- 변환할 때 object module은 아래 정보를 가지고 있음
- Header: object module에 대한 내용
- Text segment: 변환된 명령어
- Static data segment: 전역 변수등이 저장
- Relocation info: 프로그램이 로딩될 때 의존하는 절대적인 주소에 대한 contents
- Symbol table: 코드에서 사용하는 global variable, 함수에 대한 정보
- Debug info: 디버깅을 위한 소스코드 정보가 포함
2. Linking Object Module
- 실행 파일로 만들기 위한 과정
- segments 병합
- 서로 다른 object module에서 사용한 labels를 해결
- location-dependent 정보와 함수를 위치에 맞춰줌
- 가상 메모리는 같은 공간을 사용하기 때문에 location dependencies 정보는 필요 없게 됨. 가상 메모리에 존재하는 절대 주소를 사용
3. Loading a Program
- 실행 파일을 디스크에서 메모리로 load
- 실행 과정
- header를 읽어 segment의 크기를 결정
- 가상 주소 공간(virtual address space) 생성
- text와 data를 생성한 공간에 올림
- stack을 위한 argument를 세팅
- 레지스터 초기화
- 시작 루트로 jump (C언어의 경우 main). 끝나면 exit를 호출
4. Dynamic Linking
- library를 link/load하는 과정을 library가 호출된 경우에만 수행
- Static Linking의 경우 호출 여부 상관없이 모든 library를 link/load함
- 실제 사용되는 library의 정보만 가져오기 때문에 실행 파일의 크기가 커지는 것을 방지할 수 있음
- 함수 관련 코드가 실행 파일에 저장되는 것이 아니라 dynamic linking 파일에 별도로 존재하기 때문에 새로운 버전의 library가 나올 경우 실행 파일을 새롤 만들 필요없이 dynamic linking 파일을 업데이트만 해주면 됨
- 장점: 실행 파일의 크기가 커지는 것을 막을 수 있음. 새로운 버전의 라이브러리를 생성하더라도 실행 파일을 다시 컴파일하지 않아도 됨
- 단점: static linking에 비해 성능이 떨어질 수 있음
4주차 끝!!!
게시물에 사용된 사진은 강의 내용을 캡쳐한 것입니다.
예비 백엔드 개발자