[시스템 프로그래밍] 어셈블리어[2] - 조건문

 

 

 

 

🧐 제어 명령

여러 조건문들을 사용하기 위해 제어 명령이 필요합니다.

 

일반적으로 CPU 내부에 상태를 저장할 수 없기 때문에, 레지스터에 상태를 저장하게 됩니다.

 

%rax 레지스터는 임시 데이터, 연산의 결과 등을 저장하며

%rsp 레지스터는 런타임 스택의 위치를,

%rip 레지스터는 현재 실행코드의 위치를 저장합니다.

 

그리고 최근 진행한 연산의 결과에 따라 상태가 변경되는 4종류의 (1비트) 플래그 레지스터가 존재합니다.

 

이름은 CF, ZF, SF, OF이며, 이들을 통해 조건문 등의 제어를 진행합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 Conditional Codes (조건 코드)

플래그 레지스터는 조건코드 레지스터라고도 불립니다.

 

이들은 산술 연산의 결과에 따라 값이 바뀌는 레지스터들입니다.

 

주의하여야 할 점은 movq 혹은 leaq등의 데이터 이동 명령어로는 값이 바뀌지 않는다는 점인데,

그중에서도 특히 leaq의 Source 부분에는 주소 지정 식이 들어가 산술연산이 진행되는 것처럼 보이지만,

플레그 레지스터의 값은 바뀌지 않는다는 것에 주의하여야 합니다.

 

 

 

 

 

 

⭐️ CF - Carry Flag (for unsigned)

가장 중요한 비트(MSB)에서 캐리가 발생한 경우 1로 세팅됩니다.

1100.... + 0100...  등의 연산이 한가지 예시가 될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

⭐️ ZF - Zero Flag

연산의 결과가 0인 경우 1로 세팅됩니다.

 

 

 

 

 

⭐️ SF - Sing Flag (for signed)

연산의 결과  $<$  0 인 경우 1로 세팅됩니다.

unsigned끼리의 연산이여도, signed로 판단하기 때문에 연산의 결과 MSB가 1인 경우 1로 세팅됩니다.

 

 

 

 

 

 

⭐️ OF - Overflow Flag (for signed)

연산이 진행된 두 수를 2의 보수로 판단하였을 때, 오버플로우가 발생하였다면 1로 세팅됩니다,

만약 $a + b$ 가 진행된 경우  $a> 0 \;$ && $\;b>0 \;$ && $\; a+b <0$ 이거나, 

$a< 0 \;$ && $ \;b<0 \;$ && $\; a+b >0$ 인 경우가 해당될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조건 코드의 세팅

 

⭐️ 간접 세팅

산술 연산의 결과를 통해 조건 코드의 값을 간접적으로 세팅해줄 수 있습니다.

 

예시는 아래와 같습니다.

addq Src, Dest    
(t = a  + b)

 

CF : 가장 중요한 비트(MSB)에서 캐리가 발생한 경우 1로 세팅. (unsigned overflow)

 

ZF : t가 0인 경우 1로 세팅.

 

SF : t가 0보다 작은 경우 1로 세팅. (as signed)

 

OF : 2의 보수라 가정하고, 연산의 결과 오버플로우가 발생하였다면 1로 세팅

 

OF 가 1이 세팅되는 경우는 addq 명령어 기준으로 아래 두가지 상황이 나올 수 있습니다.

Case 1	$a > 0$	$b > 0$	$t < 0$
Case 2	$a < 0$	$b < 0$	$t > 0$

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 직접 세팅 - 비교명령어 (cmp)

cmpq Src2, Src1

위 명령어는 Src1 - Src2의 결과에 따라 Flag Register의 값을 변경합니다.

 

그러나 일반적인 빼기 명령어와는 달리, 연산의 결과는 따로 저장되지 않습니다.

 

 

 

⭐️ 직접 세팅 - Test 명령어 (test)

testq Src2, Src1

위 명령어는 Src1 & Src2의 결과에 따라 Flag Register의 값을 변경합니다.

 

이 역시도 계산의 결과는 따로 저장되지 않습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조건 코드의 값 불러오기 - SetX

setX 명령어는 보통 cmp 명령어 실행 후, 플래그 레지스터에 세팅된 값을 불러오기 위해 사용합니다.

 

 

 

제일 복잡한 setg를 보도록 하겠습니다.

 

cmp a, b 명령어 이후 setg를 실행하였다 생각하고, 위와같은 조건이 나온 이유를 살펴보겠습니다.

 

cmp a, b를 수행하면, b - a의 결과에 따라 플래그 레지스터의 값이 세팅됩니다.

 

setg는 b가 a보다 크다면 1로 세팅하라는 명령어이므로, b가 a보다 크다고 판단하기 위한 조건을 따져보아야 합니다.

 

 

먼저 b - a의 결과가 0이면 안되므로, ZF이면 안됩니다.

b - a 가 Overflow가 발생하지 않았다면, SF는 0이어야 합니다. (OF = 0 인 경우 SF = 0이어야 함)

( 0011(3) - 0001(1) = 0010(2) )
( 0011(3) - 1011(-5) = 1000(8) )
( 1111(-1) - 1100(-4) = 0011(3) )

b - a 가 Overflow가 발생하였다면, SF는 1이어야 합니다. (OF = 1 인 경우 SF = 1이어야 함)
( 0001(1) - 1000(-8) = 1001(-7) -> 양수 - 음수 = 음수인 경우 )

 

 

따라서 이를 종합하면

OF ^ SF의 결과가 0이어야 하고,

ZF의 결과는 0이 아닌 경우에만 1이므로,

~(OF ^ SF) [OF ^ SF 가 0인 경우 1]  &  ~ZF [ZF가 0인 경우 1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조건 코드의 값에 따른 분기 명령어 - jX

jX Label

X 에는 조건식이,
Label은 조건을 만족시키는 경우 이동할 주소를 의미합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 무조건 분기 명렁어 - jmp (점프)

jmp Label

Label로 무조건 분기합니다.

 

 

점프 목적지가 인스트럭션의 일부로 인코딩되는 경우에는 직접 점프를,

점프 대상이 레지스터나 메모리 위치로부터 읽어와야 하는 경우에는 간접 점프를 사용합니다.

 

간접 점프의 경우에는 *와, 메모리 주소 지정식을 사용하여 이동합니다.

 

예를 들어 다음과 같습니다.

jum *%rax // rax 레지스터에 들어있는 값에 해당하는 주소로 이동한다
 
jum *(%rax) // rax 레지스터가 가리키는 메모리 주소에 들어있는 값에 해당하는 주소로 이동한다

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조건부 분기 번역(if문 분기)

C에서 조건부 수식과 문장을 번역하는 가장 일반적인 방법은 조건부 및 무조건 점프를 함께 사용하는 것입니다.

(일부 조건문은 제어의 이동 대신 데이터의 이동을 통해 구현하는 것이 더 효과적이며, 이는 뒤에서 살펴보도록 하겠습니다.)

 

 

 

기존 C 코드

long absdiff (long x, long y)
{
    long result;
    if (x > y) {
        result = x-y;
    }
    else {
        result = y-x;
    }
    return result;
}

 

위 조건문은 Goto를 통해 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

goto문으로 번역한 C 코드

long absdiff (long x, long y)
{
    long result;
    
    int ntest = x <= y;
    
    if (ntest) goto Else;
    
    result = x-y;
    
    goto Done;
    
Else:
    result = y-x;
    
Done:
    return result;
}

 

이를 어셈블리어로 번역하면 다음과 같습니다.

 

 

 

 

 

 

어셈블리어로 C 코드

absdiff:
    cmpq %rsi, %rdi    # rdi(x) - rsi(y)를 수행합니다.
    
    jle .L4 # rdi(x) <= rsi(y) 인 경우 L4로 이동
    
    movq %rdi, %rax # result = rdi(x)
    
    subq %rsi, %rax # result = result - rsi(y)
    
    ret # return
    
.L4: # x <= y 인 경우 실행
    movq %rsi, %rax # result = rsi(y)
    
    subq %rdi, %rax # result = result - rdi(x)
    
    ret # return

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 조건부 데이터 이동 명령 - comvX

cmovX S, D

X 조건을 만족하는 경우 D에 S의 값을 저장하는 명령어입니다.

 

위에서 살펴보았듯이 조건부 동작을 구현하는 전형적인 방법은

조건을 만족하는 경우 프로그램의 한가지 실행경로를 따르고,

아닌 경우에는 다른 경로를 따라가도록 하는 제어의 조건부 전환을 사용하는 것입니다.

 

이러한 방법은 간단하지만, 최신 프로세서들에서는 매우 비효율적으로 동작할 수 있습니다.

(이유는 아래에서 살펴보도록 하겠습니다.)

 

 

 

좀 더 효율적인 방법으로는 제어의 조건부 전환이 아닌 데이터의 조건부 이동을 이용하는 것입니다.

 

 

 

 

⭐️ 데이터의 조건부 이동

조건부 동작의 결과를 모두 계산한 뒤, 조건에 따라 계산된 결과들 중 하나만을 선택하는 방식입니다.

 

이 전략은 제한적인 경우에만 사용할 수 있으나, 최신 프로세서의 성능특성과 잘 일치하는 간단한 조건부 데이터 이동 인스트럭션으로 구현될 수 있습니다.

 

 

예시 형태는 다음과 같습니다.

result = Test ? Then_Expr : Else_Expr;

간단한 3항 연산자의 형태입니다.

 

이를 조건부 데이터 이동을 사용한 goto문으로 번역하면 다음과 같습니다.

result = Then_Expr;

eval = Else_Expr;

nt = !Test;

if (nt) result = eval; // 아닌 경우 결과 데이터 변경!

return result;

 

 

 

 

 

 

 

위에서 살펴본 C코드를 데이터의 조건부 이동을 사용하여 번역해 보도록 하겠습니다.

기존 C 코드

long absdiff (long x, long y)
{
    long result;
    if (x > y) {
        result = x-y;
    }
    else {
        result = y-x;
    }
    return result;
}

 

 

 

goto문으로 번역한 C 코드

(위에서 살펴보았던 형태로, 단순 비교를 위해 다시 작성하였습니다.)

long absdiff (long x, long y)
{
    long result;
    
    int ntest = x <= y;
    
    if (ntest) goto Else;
    
    result = x-y;
    
    goto Done;
    
Else:
    result = y-x;
    
Done:
    return result;
}

 

 

 

조건부 데이터 이동 명령을 사용한 C코드

x = rid
y = rsi

movq %rdi, %rax   #  result = rdi(x)
subq %rsi, %rax   #  result = result - rsi(y)

movq %rsi, %rdx   #  eval = rsi(y)
subq %rsi, %rdx   #  eval = eval - rdi(x)

cmpq %rsi, %rdi   # rsi(y)와 rdi(x)를 비교 (x <= y이어야 결과가 바뀐다!)
cmovle %rdx, %rax # rdi(x) <= rsi(y) 라면 result = eval
ret

 

위 어셈블리어를 보시면 아시겠지만, 제어의 분기가 이루어지지 않습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 제어의 이동은 왜 성능이 나쁠까?

해당 이유를 알기 위해서는 최신 프로세서들이 어떻게 동작하는지 이해해야 합니다.

 

프로세서들은 각 인스트럭션을 일련의 단계로 처리하며,

해당 단계들은 각각 요구된 동작의 작은 부분만을 실행하는 파이프라인을 통해 높은 성능을 얻습니다.

 

이 방식은 이전 인스트럭션의 산술연산을 수행하는 동안 다른 인스트럭션을 인출(fetch)하는 것처럼 연속되는 인스트럭션들의 단계들을 중첩시켜서 고성능을 얻습니다.

 

이를 위해서는 파이프라인을 실행할 인스트럭션들로 미리 채우기 위해 실행할 인스트럭션들의 순서를 훨씬 일찍 결정할 수 있어야 합니다.

 

프로세서가 조건부 점프 명령어를 만나게 되면, 분기 조건에 대한 계산이 완료될 때까지는 어디로 분기할지 결정할 수 없습니다.

 

이와 같은 이유로 제어의 이동은 성능이 나뻐지게 되는 것입니다.

 

 

 

그러나 조건부 이동을 사용한다고 해서 항상 성능이 좋은 것은 아닙니다.

예를 들어 미리 계산해두어야 할 것들이 많다면, 오히려 조건부 분기에 비해 성능이 느려질 수 있습니다.

 

대부분의 경우 하나의 add 인스트럭션과 같이 수식이 매우 간단히 계산될 수 있는 경우에만 조건부 이동을 사용합니다.