[CA] Chapter 4-2: PC Example

⚙ Computer Architecture 공부

Sequential Flow of Program Execution

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컴퓨터에서 프로그램이 어떻게 실행되는지 다시 복습해보자.

1. 컴파일된 프로그램을 실행하면 명령어들이 메모리에 로드된다
2. Program Counter(PC)는 현재 실행 중인 명령어의 주소를 가리킨다
3. CPU는 기본적으로 순차적으로 명령어를 실행
4. 명령어 하나가 실행될 때마다 PC는 4bytes씩 증가
5. branch나 jump 명령어를 만나면 target address로 점프하고 PC는 해당 주소로 업데이트 됨

1. main()은 인자를 $a0, $a1등에 설정
2. jal명령어로 foo1()로 점프
3. caller의 다음 실행 주소가 $ra에 저장됨
4. foo1()(callee)의 명령어들이 실행
5. callee는 결과값을 $v0, $v1에 저장
6. jr $ra명령어로 호출자에게 제어를 반환
7. 호출자는 함수 호출 이후의 명령어부터 계속 실행

A Function to Add Two Numbers

# 메인 프로그램
main:
    li $a0, 5        # 첫 번째 인자(5)를 $a0에 로드
    li $a1, 10       # 두 번째 인자(10)를 $a1에 로드
    jal add_numbers  # add_numbers 함수 호출
                     # 결과는 $v0에 저장됨
    
    move $t0, $v0    # 결과를 $t0에 이동(선택적)
    # 프로그램 계속...
    
    li $v0, 10       # 시스템 콜 코드(종료)
    syscall          # 시스템 콜 실행

# 함수: add_numbers
# 설명: $a0와 $a1에 전달된 두 숫자를 더함
# 반환: 결과를 $v0에 저장
add_numbers:
    add $v0, $a0, $a1  # 인자들을 더하고, $v0에 저장
    jr $ra             # 호출자에게 반환

A Calculator

# 메인 프로그램
main:
    li $a0, 4       # 첫 번째 인자(add_numbers용)
    li $a1, 6       # 두 번째 인자(add_numbers용)
    jal add_numbers # add_numbers 호출
                    # 결과는 $v0에 저장됨
    
    move $t0, $v0   # 덧셈 결과를 $t0에 저장
    
    li $a0, 3       # 첫 번째 인자(multiply_numbers용)
    li $a1, 7       # 두 번째 인자(multiply_numbers용)
    jal multiply_numbers # multiply_numbers 호출
                         # 결과는 $v0에 저장됨
    
    move $t1, $v0   # 곱셈 결과를 $t1에 저장
    
    # 프로그램 종료
    li $v0, 10      # 시스템 콜 코드(종료)
    syscall         # 시스템 콜 실행

# 함수: add_numbers
# $a0와 $a1을 더하고 결과를 $v0에 반환
add_numbers:
    add $v0, $a0, $a1  # $v0 = $a0 + $a1
    jr $ra             # 호출자에게 반환

# 함수: multiply_numbers
# $a0와 $a1을 곱하고 결과를 $v0에 반환
multiply_numbers:
    mul $v0, $a0, $a1  # $v0 = $a0 * $a1
    jr $ra             # 호출자에게 반환

A Nested(중첩) FUNCTION CALL

C 코드:

int square(int x) {
    return x * x;
}

int square_sum(int a, int b) {
    return square(a) + square(b);
}
main() {
    // square_sum(3, 4) 호출
}

어셈블리 코드:

# 메인 프로그램
main:
    li $a0, 3         # 첫 번째 인자
    li $a1, 4         # 두 번째 인자
    jal square_sum    # square_sum(3, 4) 호출
    move $t0, $v0     # 결과 저장

    # 프로그램 종료
    li $v0, 10
    syscall

# square_sum 함수 구현
square_sum:
    # 스택에 공간 할당하고 $ra 저장
    addi $sp, $sp, -4    # 스택에 4바이트 공간 할당
    sw $ra, 0($sp)       # 반환 주소 저장
    
    move $a0, $a0        # square(a) 호출 준비
    jal square           # square(a) 호출
    move $t1, $v0        # square(a)의 결과를 $t1에 저장
    
    move $a0, $a1        # square(b) 호출 준비
    jal square           # square(b) 호출
    move $t2, $v0        # square(b)의 결과를 $t2에 저장
    
    add $v0, $t1, $t2    # 결과 = square(a) + square(b)
    
    # $ra 복원 및 스택 정리
    lw $ra, 0($sp)       # 반환 주소 복원
    addi $sp, $sp, 4     # 스택 공간 해제
    
    jr $ra               # 호출자에게 반환

# square 함수 구현
square:
    mul $v0, $a0, $a0    # $v0 = $a0 * $a0
    jr $ra               # 호출자에게 반환

• 중첩 함수에서 중요한 점:
  • 함수가 다른 함수를 호출할 때는 반환 주소($ra)를 스택에 저장해야 한다
  • 중첩 호출이 끝난 후 원래 반환 주소를 복원해야 함
  • 스택 포인터($sp)를 조정하여 스택에 공간을 할당하고 해제한다