[CS230] 2. 어셈블리와 기계어 기초 - Machine Basics & Control

KAIST CS230 시스템프로그래밍 (2022 Fall) 수업 내용을 정리한 시리즈입니다. 교재: Computer Systems: A Programmer’s Perspective (CS:APP 3rd Edition)

1. 코드의 변환 과정

C 코드 → Assembly 코드 → Machine 코드 (Object Code)

• Assembly language: 기계어와 1:1 대응되는 human readable programming language
• Machine code: CPU가 직접 해석하는 binary (ISA에 의해 정의된다)
• 컴파일러가 C 코드를 어셈블리로 변환하고, 어셈블러가 기계어로 변환한다

ISA (Instruction Set Architecture)

ISA는 software와 hardware 사이의 인터페이스(약속)이다.

• ISA에 따라 어떤 instruction이 존재하고, 어떤 레지스터를 사용하는지 등이 결정된다
• 같은 CPU라도 다른 ISA를 쓸 수 있고, 같은 ISA라도 다른 CPU에서 돌릴 수 있다
• CISC (Complex Instruction Set Computer): 많은 수의 복잡한 명령어 — x86, x86-64
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): 적은 수의 간단한 명령어 — ARM, MIPS, RISC-V

2. 어셈블리 데이터 타입

• 어셈블리에서는 Array, Structure 같은 aggregate type은 연속된 바이트의 묶음으로 취급

3. CPU 구조와 레지스터

CPU의 기본 구성:

CPU: [Registers] ←→ [ALU]
         ↕
    Address Bus / Data Bus
         ↕
      Memory (Code, Data, Stack)

x86-64 범용 레지스터 (64-bit)

• 64-bit 레지스터 (%rax)의 하위 32/16/8 비트도 접근 가능: %eax, %ax, %al
• %rsp와 %rbp는 특수 용도 (스택 관리)로 쓰이므로 일반 연산에 사용하지 않는다
• Program Counter (%rip): 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장

4. 데이터 이동 (mov)

mov 명령어

mov  S, D      # Source의 값을 Destination에 복사

• movb, movw, movl, movq — 크기별 접미사
• operand 유형: immediate / register / memory

memory → memory는 한 번에 불가능. register를 거쳐야 한다.

movz와 movs (확장 이동)

작은 크기 → 큰 크기로 이동할 때:

• movz (zero-extending): 상위 비트를 0으로 채움 → unsigned
• movs (sign-extending): 상위 비트를 부호 비트로 채움 → signed

movzbl %al, %edx     # 1 byte → 4 bytes, zero extension
movslq %eax, %rdx    # 4 bytes → 8 bytes, sign extension

특이사항: movl로 32-bit 레지스터에 쓰면 상위 32비트가 자동으로 0이 된다.

5. leaq와 산술 연산

leaq (Load Effective Address)

leaq S, D     # S의 address mode expression 결과를 D에 저장

• S: address mode expression
• D: register only (memory 불가)
• 실제로 메모리에 접근하지 않음 — 주소 계산만 수행
• 곱셈/덧셈 조합을 한 번에 할 수 있어서 산술 연산에도 자주 사용

Addressing Mode

D(Rb, Ri, S) = Rb + S·Ri + D

• Rb: base register
• Ri: index register
• S: scale factor (1, 2, 4, 8 중 하나만 가능)
• D: displacement (상수)

예시:

leaq (%rdi, %rdi, 2), %rax    # rax = rdi + 2*rdi = 3*rdi
leaq 7(%rdx, %rdx, 4), %rax   # rax = 5*rdx + 7

산술/논리 연산 명령어

6. Condition Codes

산술/논리 연산 실행 시 CPU가 자동으로 설정하는 1-bit 플래그:

Implicitly Set

• 대부분의 산술/논리 연산이 condition code를 암묵적으로 설정
• leaq는 condition code를 설정하지 않는다

Explicitly Set

cmp (compare):

cmpq S₂, S₁     # S₁ - S₂ 를 계산하고 결과는 버림, condition code만 설정

test:

testq S₂, S₁    # S₁ & S₂ 를 계산하고 결과는 버림, condition code만 설정

set 명령어

condition code 조합에 따라 destination의 하위 1 byte를 0 또는 1로 설정:

7. 분기 (Jump)

무조건 점프

jmp Label      # 무조건 해당 Label로 이동
jmp *Operand   # indirect jump — 레지스터/메모리의 값을 주소로 사용

조건 점프

condition code에 따라 분기:

조건부 이동 (cmov)

분기 대신 조건에 따라 값을 이동하는 명령어:

cmovle %rdx, %rax    # if (SF^OF)|ZF then rax ← rdx

장점: 분기 예측(branch prediction) 실패로 인한 파이프라인 페널티를 피할 수 있다.

주의: 양쪽 operand가 모두 계산되므로, side effect가 있는 경우에는 사용 불가.

C의 조건식과 어셈블리

val = Test ? Then_Expr : Else_Expr;

어셈블리 (goto 스타일):

result = Then_Expr;
eval = Else_Expr;
nt = !Test;
if (nt) result = eval;
return result;

8. 반복문

do-while

do {
    Body;
} while (Test);

어셈블리 패턴:

loop:
    Body
    if (Test) goto loop

while

Jump-to-middle 변환:

    goto test
loop:
    Body
test:
    if (Test) goto loop

Do-while 변환 (GCC -O1):

    if (!Test) goto done
loop:
    Body
    if (Test) goto loop
done:

for

for (Init; Test; Update) {
    Body;
}

while로 변환 후 동일한 패턴 적용:

Init;
while (Test) {
    Body;
    Update;
}

switch

switch (x) {
    case 1: Body1; break;
    case 2: Body2; break;
    default: BodyD;
}

컴파일러는 jump table을 생성하여 O(1)로 분기:

    goto *jmptable[x];    # 간접 점프

• case 값의 범위가 작고 밀집되어 있으면 jump table이 효율적
• 범위 밖의 값은 default로 분기

정리

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