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Comparisons ( no results - just set condition codes )

'비교'를 '산술 연산' 다음에서야 다루는 이유는 '비교'에서 절대 빠질 수 없는 CPSR에 대한 개념을 '산술 연산'에서 한번 다루고 그때 배운 CPSR 개념을 사용해서 '비교'를 더 제대로 배우기 위함이다. '산술 연산'에서 CPSR 을 사용할때 어떤 방법을 사용하였는지 기억하는가? 

접미사 (Postfix) 'S' 를 산술 연산에 관련된 Instruction 에 붙여서 '산술 연산'을 진행시킨다음 그 결과로 나온 값에 대한 여러 특징들을 살펴보고, 각각 특정 조건을 갖는가?(1) 갖지 않는가?(0) 등의 조건에 대한 Flag 들을 세팅하고 이렇게 세팅된 Flag 값들은 다음 라인부터 사용 가능했다. 이 정도는 기억할 수 있을꺼라 믿는다!

   1. No postfix 'S' is needed

그런데 Comparison 은 Postfix 'S' 가 필요없다. 그냥 '비교' Instruction 자체가 'S' 를 포함하고 있다고 생각하면 된다. [ CMP = 'CMPS 이렇게 S를 포함하여 쓴거하고 똑같다고 보면 된다.' ] 아래 Operation 들을 보면 '비교'를 진행시킴과 동시에 그 결과로 나온 값을 이용하여, 여러 특징들을 갖는가? 갖지않는가? 등의 조건에 대한 Flag 들을 세팅하고 이렇게 세팅된 Flag 값들은 다음 라인부터 사용 가능하다는 것을 알 수 있다. ( postfix 'S'를 쓰지 않았지만, CPSR 의 조건 Flag 사용법과 완전 똑같다. )

   2. No destination register is required

그리고 우리가 rd 로 사용해 왔던 Destination register 가 이 '비교'에서는 필요가 없다. CMP에 대한 결과값을 Destination register (연산의 결과가 들어갈 목적 레지스터) 에 저장하는것이 아니라, CPSR의 Flag bits 자리에 넣기 때문이다. 그렇기 때문에 이 Instruction 을 사용할 때는 간단하게 비교할 두 대상만 써주면 된다. ( XXX r1, r2 / r1 : 비교될 대상 1, r2 : 비교될 대상 2 )

시스템 프로그래밍 - 4 (3) : Data Processing Instructions - Comparisons 

 - Operations

-    CMP    r0, r1         @ r0 - r1 to set flags

     r0 과 r1 을 비교한다 (비교 방법은 r0에서 r1 값을 뺀다) 그리고 그 결과에 대한 Flag 들을 설정한다.

-    CMN    r0, #9        @ r0 + 9 to set flags

     뒤엣 #9 (또는 레지스터 값이 들어올 수 있다)를 NOT 시킨 결과를 r0 에서 빼준다.

결국엔 #9 를 r0 에서 더해주는 연산과 다를바가 없다. 그리고 그 결과에 대한 Flag 들을 설정한다.

-    TST     r0, #4         @ r0 & 0100(2진수) to set flags

     r0과 #4 (또는 레지스터 값이 들어올 수 있다)를 2 진수 연산인 AND 를 시킨다.

그리고 그 결과에 대한 Flag 들을 설정한다.

-    TEQ     r0, r1         @ r0 ^ r1 to set flags

r0과 r1를 2 진수 연산인 OR 를 시킨다. 그리고 그 결과에 대한 Flag 들을 설정한다.

C 언어에서는 프로그램을 작성할 때 여러 함수들을 main 함수와 분리시켜 놓고, main 함수에서 특정한 기능들이 필요할 때 마다 우리가 만들어 놓았던 여러 함수들을 호출하면, 컴퓨터는 C 언어를 위에서 아래로 쭉 읽어나가다가 호출된 함수로 이동해서 해당 함수의 작업들을 끝내고, 다시 원래 읽어나가고 있던 자리로 돌아온다.

우리가 배우고 있는 이 ARM 프로그래밍 (시스템 프로그래밍)은 알다시피 '어셈블리어'이다. C 언어와 같이 우리가 고수준 언어로 여러 함수들을 호출, 리턴하는 작업들을 간단하게 작성했던것과 달리 우리는 컴퓨터의 작동 원리를 그대로 따라서 (컴퓨터처럼 생각해야한다.) 하나하나 일일이 다 작업해주어야한다.

  - 특정 함수를 호출하면 어느 Line에 그 함수가 있는지 알아내어 그 Line 으로 가라고 명령해야하고,

  - 리턴할때는 어떤 Line 으로 가야지 월래 컴퓨터가 실행하던 라인으로 다시 돌아가는지 알려주어야한다.

마치, 'A칸부터 D칸까지 순서대로 있는 책장'을 가리키며 갑이 을에게 '책장 C칸에 있는 'Hello'이라는 제목을 가진 책좀 가져다 줄래?' 라는 말을 '책장을 보면 오른쪽부터 왼쪽까지 A, B, C, D 칸이 있어, 거기서 오른쪽에서 순서대로 세 칸을 이동하면 거기에 C 칸이 존재하는데, 그 C 칸에서 오른쪽부터 123번째에 있는 책이 'Hello'이라는 제목을 가지고 있을거야. 그 책을 나에게 가져다 줘' 라고 귀찮게 일일이 다 말해주어야하는것과 같다.

Branch는 이 귀찮은 작업들을 조금 더 유용하게 해준다.

Branch Instruction 을 사용하기 위해서는 'Label' 과 'Branch'. 이 두 개를 이용한다.

 - Label

'책장을 보면 오른쪽부터 왼쪽까지 A, B, C, D 칸이 있어.'

'C칸에서 오른쪽부터 123번째에 있는 책이 'Hello'이라는 제목을 가지고 있을꺼야.'

Label 은 함수가 존재하는 Line 을 '2388 번째 Line' 이렇게 일일이 숫자를 붙혀 표현하면 힘들기 때문에 해당 2388번 Line에 말 그대로 Label (이름표)을 달아주는 것이다. 123 번째에는 Hello 라는 이름표를 붙여주어, 나중에 Hello 라는 책을 찾을때 몇 번째에 있는지 일일이 다 세어보지 않고서도 Label (이름표)를 찾기만 하면 된다.

 - Branch (B, BL)

Branch 의 언어적인 뜻은 '나뭇가지'이다. 어셈블리어에서 branch는 C 언어에서의 goto 와 비슷한 것으로 '위에서 아래로'라는 일반적인 컴퓨터의 실행 흐름에서 특정한 장소로 실행 위치를 이동하기 위함이다.

C 언어에서는 권장하지 않는 goto 문의 기능을 왜 어셈블리어에서는 굉장히 중요한 명령어로 취급할까? 그 이유는 바로 어셈블리어의 특징에 있다. 컴퓨터가 읽기 쉬운 형태로 만들어놓은 어셈블리어에는 자동적으로 실행 위치를 바꾸어주는(for while switch 등등) 복잡한 고급언어에 존재하는 명령어들이 없다.

for 이든 while 이든 switch 이든 실행라인 위치를 자동으로 변환시켜주는 이러한 고급언어의 명령어들은 실제로 어셈블리어로 어셈블리 되면, Branch 라는 (goto 와 유사) 명령어를 통해 일일이 '실행라인 이동 명령'들의 집합으로 구성되게 된다. Branch을 필요로 하는 상황들은 아래와 같다.

1. 컴퓨터의 일반적인 실행 방향인 '위에서 아래로'에서 특정한 조건에 따라 실행하기 싫은 Instruction 이 중간에 있다면, 그 Instruction을 뛰어 넘어야 할때 (예를 들어, 어떤 값이 음수이면 어떤 명령어는 실행하지 말아야할 때)

2. 특정한 위치에 내가 사용하고 싶은 특정한 Instruction 을 만들어 놓고, 그 Instruction 을 이용하고 싶을때 마다 그 Instruction의 위치로 이동하여 그것을 실행하고 싶을 때 (마치, C언어에서 함수를 호출하는 방법과 유사하다)

3. 혹은, 위에서 아래로 순서대로 읽어서 실행하는 어셈블리어에 있어서, 반복문 (Loop 문)을 넣고싶을 때, 한번 그 반복문을 돌고나서 반복문의 끝부분에서 다시 반복문의 처음부분으로 넘어가야할 상황. ( C 언어에서는 간단하게 for 나 while 문을 이용해서 { } 로 필드를 구성해주면 알아서 그 안에서 반복하게 되지만, 이 고급언어가 어셈블리어로 변환되면 컴퓨터가 읽기 위한 어셈블리어에는 이렇게 { } 필드 구성이 없게된다. 그래서 반복문의 끝 부분에 Branch를 넣어서 '반복문의 첫 부분으로 이동하라!' 라는 명령을 넣어야지만이 처음으로 돌아가 반복문을 반복 수행하게 된다. )

우리는 이 Branch에 (2)와 (3)의 첫 부분인 Comparison 와 Arithmetics operation 에서 배운 CPSR의 Condition Flag 값들을 이용해 Branch 라인의 전 라인의 Instruction 에서의 연산(혹은 비교) 결과 값이 음수인지 아닌지? (N Flag), 0인지 0이 아닌 값인지? (Z Flag)... 등등의 특징들을 조건으로 부가해줄수 있다. 

N, Z, C, V 이 조건 Flag 들의 조합에 따라 다양한 '조건'들을 만들어 낼 수 있다.

N = 0, Z = 1, C = 1, V = 0        ( = 0110 라고 CPSR의 최상위 비트(MSB)의 4bits 자리에 새겨진다.)

이런 방식으로 0111, 0100, 1010 ... 많은 조건들을 단순하게 인간이 이해할 수 있는 표현언어로 만들었다.

이렇게 만들어진 표현언어는 <cond> (=Condition, 조건) 자리에 '조건'으로 자리잡게된다.

 - Pointer Initialization

Branch 말고도 LABEL 을 이용하는 Instruction 이 하나 또 있다. Pointer Initialization 이라고 하며, 프로그램의 끝 부분에 여러 문자들이나 문장들을 써넣으면 그 문장을 특정 메모리 주소에 저장하고 포인터를 갖게 되는데 그 포인터(주소)를 우리가 원하는 레지스터(예를 들어, r1 과 같은)에 저장하는 것이다.

ADR 은 실제로는 ARM Instruction 가 아니라 ADD 와 같은 다른 Instruction 들의 조합으로 만들어(emulated) pseudo Instruction (수도, 가짜 명령어) 이다.

지금까지 (1), (2), (3) 에 걸쳐서 Data Processing Instruction 들에 대하여 알아보았다. 이 4장을 통해 우리는 이제서야 제대로 된 ARM 프로그래밍을 할 수 있다. 지금까지 배운 명령어들과 1, 2, 3에서 배운 기초적이면서도 매우 basic한 지식들을 기반으로 ARM Assembly Language 를 이용해서 몇 간단한 프로그램을 작성할것이다.

Hello, World 출력 프로그램과  Hello, World 구문의 길이(String Length)를 계산하는 프로그램.

4장을 시작할때 ARM Instruction 은 매우 방대한데, Data Processing Instruction 이 전체 ARM Instruction 의 대부분을 차지한다고 설명하였었다. 다음 장은 4장에서 배운 Data Processing 관련 명령어가 아닌 기타 다른 Basic ARM Instruction 에 대해 알아보고 우리가 작성한 위 2개의 간단한 프로그램보다 조금더 복잡한 (추가로 배울 Basic ARM Instruction 들을 더 추가로 사용하여 작성한) 프로그램들을 살펴볼것이다.

Arithmetic Operations

앞에서는 논리적인 연산들 (Bolean / AND (&), OR (^) 등) 에 대해 알아보았다. 이번에는 논리 연산이 아닌 직접적인 수와 수 사이의 산술에 대한 연산 ( ADD (+), SUB (-)) 들에 대해 알아볼것이다.

시스템 프로그래밍 - 4 (1) : Data Processing Instructions - Logical operations

+ 모든 Data Processing Instructions 은 오직 레지스터에서만 실행된다. 절대로 메모리에서 실행되지 않는다.

 - Basic Arithmetic Operations

Add : 덧셈

-    ADD    r0, r1, r2        @ r0 := memory [r5]

Subtract : 뺄셈

-    SUB     r0, r1, #3       @ r0 := memory [r5]

Reverse Subtract : 역 뺄셈

-    RSB     r0, r1, r2        @ r0 := memory [r5]

Condition 은 굉장히 중요한 부분이면서, ARM 프로그래밍에 있어서 여러 코드들을 프로그래머 마음대로 이용할 수 있게 만들어 주는 유용한 코드이다. Condition 코드는 다른 Instruction set 들과 똑같이 32 bits 레지스터를 할당받는데, Conditon 코드 전체 32 bits 의 각 비트는 산술 및 논리 연산의 결과를 저장하여 조건 분기 명령의 조건을 표시한다. 조건 분기 명령의 조건을 표시한다는 점에서, 조건 분기가 많이 쓰이는 프로그래밍 분야에서 이것이 얼마나 중요하고, 유용한 코드인지 알 수 있다. 

사용자 수준(User Mode)의 프로그램에서는 일반적으로 레지스터가 어떻게 구성되어 있는지 자세히 알 필요는 없다. Condition 코드(PSR = CPSR)는 전체 32 bits의 '방'을 제공받으며, 상태 레지스터(PSR)라고도 불리우며, 32bits 의 '방'은 Flag bits 와 Control bits 로 나누어져있다. PSR(=CPSR) 에서 우리가 공부할 파트인 '사용자 수준(User Mode)의 프로그램'에서 알아야할 것은 Flag bits 뿐이다.

 - CPSR ( Corrent Program Status Register )

CPSR 은 PSR 이라는 상태 레지스터 (Statue register) 이며 월래 본 명칭은 PSR 이지만, CPSR 로도 부른다. PSR 에는 위에서도 말했듯이 Flag bits 부분과 Control bits 부분으로 나누어지지만 여기에서는 우리에게 필요한 Condition Code Flags 만을 알아보자.

CPSR 의 전체 32bits 의 '방'에서 최상위 부분(MSB)에 있는 4 bits 가 Flags bits 이다. ( CPSR의 상위 MSB '4 비트' = N, Z, C, V ) Flag는 말 그대로 깃발이라는 뜻으로, 어떠한 정보를 청기(1) 혹은 백기(0)를 들어서 특정 성질의 유무를 쉽게 알아볼 수 있게 만든것이다. 다음 Flag 들은 특정 정보가 맞으면 '1' 이라는 값을 갖고, 틀리면 '0'이라는 값을 가진다.

N : Negative result - 바로 이전의 Computation 에서 결과 값이 음수인가 아닌가?

Z : Zero result - 바로 이전의 Computaion 에서 결과 값이 제로(영)인가 아닌가?

C : Carried out - 바로 이전의 Computaion 에서 Carry out 이 발생하였는가?

V : oVerflowed - 바로 이전의 Computaion 에서 oVerflow 가 발생하였는가?

어떤 특정한 Computation 의 결과로 발생하는 N, Z, C, V 에 대한 Flag 값들을 읽어내기 위해 그 특정 Computation 을 실행하는 Instruction 에 접미어 S 를 붙이면 그 Computation 이후에 여러 조건들(N, Z, C, V)에 해당하는 Condition flag 에 값들을 1과 0으로 세팅하게 된다. (Postfix "S") 그리고 우리는 그 세팅된 flag 값들을 이용하기만 하면 된다.

ex. ADD    r2, r2, r0 / ADDS    r2, r2, r0 - S 가 붙은 후자의 Instruction 에서만 Flag 값들이 설정된다.

위에서 어떤 Computation 을 하는 Instruction 에 Postfix S 를 붙임으로써 Condition Code Flags 를 이용하였다.

예를 들어, SUBS    r2, r2, r0 ß S 를 붙여서 condition flags 세팅하였다. 다음 라인부터 이 Flags 를 이용가능하다.

이렇게 Flag를 Postfix S 를 이용하여 사용할 수 도 있지만, 아예 Computation 자체 결과에서 (다음 라인까지 갈 필요없이) Flag 를 세팅하여 그 Flag 값을 적용하기 위해서는 따로 S 를 붙일 필요없이 특정 Instruction 을 사용하면된다. ( 단, Carry out 에 관련된 C Flag 에 국한된다. ) 예를 들어, SBC    r3, r3, r1 ß SUB 연산을 하는 동시에 그에 대한 결과를 이용햐 C Flag 를 세팅하고 그렇게 세팅된 C Flag 를 SUB 연산의 결과에 바로 적용시킨다.

ADC r3, r3, r1               / ADC 는 ADD + Carry bit 표현

                                / ADD 의 결과 값이 기본 32bits를 넘어설 경우 발생하는 Carry를 같이 표현해주기 위함.

ADD    r0, r1, r2            @ r0 ß r1 + r2

ADC    r0, r1, r2            @ r0 ß r1 + r2 + C    

SUB    r0, r1, r2            @ r0 ß r1 - r2

SBC    r0, r1, r2            @ r0 ß r1 - r2 + C - 1

RSB    r0, r1, r2            @ r0 ß r2 - r1

RSC    r0, r1, r2            @ r0 ß r2 - r1 + C - 1

이렇게 지금까지 산술 연산 (Arithmetic operation)에 대해 알아보았다.

다음은 Comparisons '비교' Instruction에 대해 알아보자.

Logical Operations

Data Processing Instructions 은 ARM instructions 중에 가장 커다란 집합체로 많은 연산들이 있다. 다 다루지는 않고, 꼭 필요한, 많이 사용하는 명령어들을 간단하게 알아볼것이다. 가장 큰 집합체인 만큼, Data Processing Instructions 에는 몇 개의 Operations 로 나누어진다. 그 중 처음으로 알아볼 것은 Logical operations 이다. 

시스템 프로그래밍 - 4 (1) : Data Processing Instructions - Logical operations

+ 모든 Data Processing Instructions 은 오직 레지스터에서만 실행된다. 절대로 메모리에서 실행되지 않는다.

 - Operation examples ( #5 는 '상수 number' 5 를 뜻한다. )

-    MOV    r0, r1         @ r0 ß r1

r1 에 있는 값을 r0 에 넣는다 

-    MVN    r0, #7        @ r0 ß ~ 7

MOV + NOT = #7 을 NOT 한 결과를 r0 에 넣는다

-    AND    r0, r1, r2     @ r0 ß r1 & r2 

r1 과 r2 를 AND 한 결과를 r0 에 넣는다

-    ORR    r0, r1, #6     @ r0 ß r1 | 6

r1 과 #6 를 OR 한 결과를 r0 에 넣는다

-    EOR   r0, r1, r2       @ r0 ß r1 ^ r2

r1 과 r2 를 XOR(=Exclusive OR) 한 결과를 r0 에 넣는다

-    BIC   r0, r1, #7       @ r0 ß r1 & ~ 7

Bit Clear 라는 개념으로, 7 이 [00000111] 인데, 1이 있는 자리에서는 무조건 0 의 결과가 나오며

0이 있는 자리는 위에 피연산자인 r1 의 결과가 그대로 내려온다. (0이면 0, 1이면 1)

01101001 = r1 값 : Bit Clear 는 필터 개념으로 이해하면 쉽다.

01010101 ( 0인 곳은 위에 값을 아래로 내려보낸다. )

 - Basic Instruction form

위에 나열된 Instructions 를 보면 일반적으로 XXX (연산, 작업의 이름) + r1, r3, r2 이런 형식을 가졌다는 것을 알아볼 수 있다. 얼핏 보기에는 그저 원하는 연산이나 작업에 따라 r0 이나 #3 같은 것들을 나열한 것으로 보일 수도 있으나, 꼭 지켜야만 하는 정형화된 형태가 있다.

컴퓨터는 알다시피 두뇌를 가진 인간처럼 능동적으로 생각할 수 없는 기계에 불과하기에, 항상 정형화된 형태 form 에 맞추어 컴퓨터에게 하나 하나 꼼꼼하게 알려주어야지 그때서야 컴퓨터는 작동을 올바르게 수행한다.

ARM Instruction 을 사용하기 위한 Format 은 각 Instruction 의 종류에 따라 각각 32 bits 의 사용 가능한 '방'이 주어진다. 이 '방'에는 그 Instruction 실행에 대한 여러 옵션들을 추가해줄 수 있다. 예를들어 단순한 '+' 덧셈 (빨강)Instruction 에 '어떠한 조건이 만족되면 + 덧셈', '+ 덧셈 후 맨 첫번째가 0인지 1인지', '꼭 무엇과 무엇을 덧셈 +' 등 Instruction을 실행하는데 필요한 '추가적인 조건(cond)', '피연산자(operand : rm, rn...)', '목적지(destination : rd)' 등등의 요소들이 담길 장소들이 이 32 bits 의 전체 방에 각 자신이 들어가야할 위치를 지니게 된다.

[ 32 비트 구성 그림의 예시 ]

우리는 이에 따라 반드시 각자 할당된 장소에 따라 그 장소에 알맞은 값들 (cond? rm? rn? rd?) 을 넣어야 한다. 

기본적인 instruction form을 단순하게 정리하자면 아래와 같다.

( ARM 에는 정말 많은 instruction set 들이 있으며, 그 중 한 set 이 우리가 이번 4 장에서 배우는

Data Processing set 이다. 아래의 format 은 Data Processing / PSR Transfer 에 대한 포맷일 뿐이다.

다른 set 에 대한 instruction format 을 알고싶다면 인터넷 검색, 서적들을 찾아보길 권장한다.)

[ Formats of ARM Instruction set : http://blog.naver.com/suyguy17?Redirect=Log&logNo=146022731 ]

XXX    rd, rm, op               rd : destination 목적 – 꼭 register 가 들어가야한다 ( ex. r1 )

                                    rn : source register

                                    rm : source register - First operand 피연산자 – 꼭 register

                                    op : Second operand 피연산자 – 무엇이든지 된다. Constant, register 등등

( MOV 와 MVN 은 First operand 가 없고, Second operand 만 있으므로, Constant, register 무엇이든지 사용가능 )

이렇게해서 기초적인 Logical Operations 와 Basic Instruction form 를 알아보았다.

다음 장 4 (2) 에서는 산술 연산들을 알아보자.

우리가 ARM을 배우기 위해서 ARM의 개발과정을 알아야하고, 그 과정속에서 코드를 익히는것이 목적인데, 기본적으로 앞서 말했듯이 ARM 아키텍쳐는 우리가 사용하는 PC regime과 전혀 다르다. ( CISC 가 아닌 RISC 라고 설명하였었다. ) 우리는 ARM 아키텍쳐의 개발을 위해서 PC를 이용해야하지만, ARM은 PC와 다르기 때문에 PC에서 ARM 과 유사한 환경을 '가상적'으로 구축해야지 작업을 할수있게 되는것이다. 

위 qemu-system-arm 명령어는 우리가 'ARM 개발 환경 구축'을 하고싶을때 마다 작성해야할 명령어이다. 보다시피 명령어 길이가 길기때문에 매 시간마다 이 명령어를 치기에는 약간 귀찮을 수 있다. 그래서 이 statement를 shell(.sh) 쉘 파일로 저장해놓아 명령어를 치는 대신에 쉘 파일만 실행시키면 간단하게 환경 구축을 끝낼 수 있다. 

arm.sh 라는 이름의 쉘 파일을 작성한다. 'chmod 755 arm.sh'로 설정하고, 이 파일을 실행하고 싶을때는 이 arm.sh 이 있는 디렉토리로 가서 './arm.sh'만 명령어에 작성해주면 된다. QEMU VM을 끄고싶다면 'shutdown -h now' 명령어를 작성해주면 된다.
 

명령어를 실행하였을때 (arm.sh) 펭귄이 나온다면, 모든 환경 구축이 끝난것이다.

WELCOME!