[CA] Chapter 4-1: Program Counter(Stack)

⚙ Computer Architecture 공부

Flow of Program Execution

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📚프로그램 기본 실행 흐름:

• 컴파일된 프로그램이 실행되면, 그 명령어들은 메모리에 로드된다.
• 각 명령어는 고유한 메모리 주소로 식별된다
• 프로그램의 각 label은 그 다음에 오는 명령어의 메모리 주소를 나타낸다
• 기본적으로 CPU는 명령어를 처음부터 순차적으로 실행함
• 하지만 분기 명령어(bne, beq, j등)를 만나면 프로그램의 흐름이 바뀐다
  • 조건 만족O: CPU는 지정된 lable로 jump -> 그 위치의 명령어 실행
  • 조건 만족X: 다음 명령어 계속 실행

Supporting Procedures in Hardware

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📚Procedures(함수): 프로그램을 이해하기 쉽게 만들고 코드 재사용을 가능하게 한다

• Caller와 Callee 관계 존재:
  • Caller: 프로시저를 호출하는 프로그램
  • Callee: 명령어를 포함하는 프로시저
  • callee도 다른 프로시저를 호출하면 caller가 된다

✅Procedure 실행 단계:

1. caller가 파라미터를 callee가 접근할 수 있는 위치에 배치
2. 제어권이 callee에게 이전
3. callee는 지정된 위치에서 파라미터 값을 가져옴
4. callee가 원하는 작업을 수행
5. callee는 결과를 caller가 접근할 수 있는 위치에 배치
6. 제어권이 caller의 실행 지점으로 반환

SUPPORTING PROCEDURES IN MIPS INSTRUCTION SET

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MIPS에서는 Procedures 호출과 반환을 위한 특별한 레지스터와 명령어가 존재

• $a0-$a3: 파라미터를 전달하기 위한 4개의 인자 레지스터
• $v0-$v1: 결과를 반환하기 위한 2개의 값 레지스터

• $ra: 원래 지점으로 돌아가기 위한 주소 반환 레지스터

• jal procedureaddress: Jump-and-link 명령어
  • 호출자가 피호출자에게 제어권을 이전할 때 사용
  • 특정 주소(함수의 첫 번째 명령어)로 점프
  • 반환 주소(함수 호출 다음 명령어의 주소)를 $ra에 저장
• jr register: Jump register 명령어
  • 레지스터에 지정된 주소로 무조건 점프
  • 피호출자가 호출자에게 제어권을 돌려줄 때 사용 - jr $ra

Program Counter

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📚Program Counter: CPU가 현재 실행 중인 명령어의 주소를 추적하는 데 사용됨

• 명령어는 메모리에 저장됨
• 각 명령어는 4bytes(a word)를 차지
• CPU는 Program Counter라는 레지스터를 사용해서 현재 실행 중인 명령어의 주소를 저장함
• PC는 명령어가 실행될 때마다 4씩 증가
• branch 또는 jump명령어는 프로그램 흐름을 제어하기 위해 PC에 target address를 설정
• Procedure가 완료되면 jr $ra는 $ra의 값을 사용하여 호출자에게 제어권을 반환

Using Stack for Procedure Call

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프로시저 호출 시 레지스터 값을 보존하기 위해 Stack이 사용됨

만약 caller가 사용 중인 레지스터 $a0-$a3, $v0-$v1을 callee도 사용하게 되면?

❌값이 의도치 않게 덮여쓰여짐!

-> procedure 호출 전 레지스터 값을 저장하고, 반환 시 복원해야 함

• 이를 위해 특별한 메모리 영역을 Stack을 사용

• stack은 High address에서 Low address로 더해짐
• LIFO(후입선출) 구조
  • Push: stack에 데이터 저장
  • Pop: stack에서 데이터 제거
• Stack pointer는 가장 최근에 할당된 주소를 가리킴
• MIPS에서는 $sp(register 29)를 stack pointer로 사용
• 레지스터를 push할 때 $sp는 4씩 감소
• 레지스터를 pop할 때 $sp는 4씩 증가

Stack 예시:

int leaf_example(int g, int h, int i, int j){
    int f;

    f = (g+h) - (i+j);
    return f;
}

• caller가 jal leaf_example한 경우

leaf_example:

add $t0, $a0, $a1   # register $t0 contains g+h
add $t1, $a2, $a3   # register $t1 contains i+j
sub $s0, $t0, $t1   # f = $t0-$t1

add $v0, $s0, $zero # returns f

jr $ra              # jump back to caller

• $ra = PC+4
• PC = leaf_example

Stack pointer $sp를 12바이트 감소시켜 3개 레지스터 저장 공간 확보

Saved vs Temporary Registers

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모든 register를 stack에 저장하는 것은 비효율적! -> MIPS는 register를 두 그룹으로 나눔

1. Temporary registers ($t0-$t9)
   • procedure call에서 callee에 의해 보존되지 않는다
2. Saved registers ($s0-$s7)
   • procedure call에서 반드시 보존되어야 함