[시스템 프로그래밍] Assembly Language

Some more Arithmetic Operations

 

2024.09.28 - [학교 수업/시스템 프로그래밍] - [시스템 프로그래밍] Race Condition

[시스템 프로그래밍] Race Condition

에서 봤었던 Assembly operations 이외의 명령어들은 다음과 같습니다.

 

some more operations

 

Address Computation Instruction

 

leaq Src, Dest

• Load Effective Address (LEA)
• Src is address mode expression
• Set Dest to address denoted by expression (Dest is a register)

Uses

• Computing addresses without a memory reference(e.g., translation of p = &x[i];)
• Computing arithmetic expressions of the form x + k*y(* k = 1,2,4 or 8)

예를 들어 다음과 같은 코드가 있다면, 이에 해당하는 Assembly code는 다음과 같습니다.

/* C code */
long m12(long x)
{
    return x*12;
}

/* Assembly code */
m12:
    leaq (%rdi, %rdi, 2), %rax /* t <- x + x*2 */
    salq $2, %rax              /* return t<<2 */

 

Arithmetic Expression Example

 

/* C Code */
long arith(long x, long y, long z)
{
    long t1 = x + y;
    long t2 = z + t1;
    long t3 = x + 4;
    long t4 = y * 48;
    long t5 = t3 + t4;
    long rval = t2 * t5;
    return rval;
}

/* Assembly Code */
arith:
    leaq (%rdi,%rsi), %rax
    addq %rdx, &rax
    leaq (%rsi,%rsi,2), %rdx
    salq $4, %rdx
    leaq 4(%rdi,%rdx), %rcx
    imulq %rcx, %rax
    ret

registers

 

* interesting things:

• C code의 순서와 Assembly code의 명령어 순서가 일치하지 않습니다. 이는 C code를 Assembly code로 바꾸는 최적화 과정에서 순서가 변경될 수 있기 때문입니다.
• imulq는 오직 한 번만 사용되었습니다. imulq는 leaq에 비해 연산의 속도가 매우 느리기 때문에 최적화 과정에서 왠만한 곱셈 연산은 lea연산으로 최적화됩니다.
• 사용되는 register의 개수가 6개입니다. 변수의 개수는 9개이지만, 변수의 개수만큼 register를 사용한다면 비효율이 너무 크기에, 최적화 과정에서 사용하는 레지스터를 겹치게 사용합니다.

 

Process State (x86-64, Partial)

registers

 

Information about currently executing program

• Temporary data (e.g., %rax, ....)
• Location of runtime (%rsp)
• Location of current code control point (= PC) (e.g., %rip, ...)
• Status of recent tests (e.g., CF, ZF, SF, OF)

Condition Codes

 

Condition codes들은 가장 최근의 연산에 따라 ON/OFF가 되는 one bit register값 입니다. (= Single bit register)

예를 들어, 가장 최근의 연산이 다음과 같다면 ..

addq Src, Dest => t = a+b

• CF: Carry Flag (for unsigned) → if carry out from most significant bit (unsigned overflow)
• SF: Sign Flag (for signed) → if t < 0
• ZF: Zero Flag → t == 0 (as signed)
• OF: Overflow Flag (for signed) → if tow's complement (signed) overflow (= (a>0 && b>0 && t<0) || (a<0 && b<0 && t>0))

이때 leq연산을 통해서는 condition code들이 변하지 않습니다.

 

이를 직접 setting해주는 방식이 있습니다.

cmpq Src2, Src1

 

cmpq b,a like computing a-b without setting destination

이 연산은 Dest가 없기 때문에 a-b를 한 결과를 어디에 저장하지는 않습니다. 단지 condition code를 바꾸기 위함입니다. 이때 주의해야하는 점은 Src들의 순서입니다. Src2 - Src1 이 아니라 Src1 - Scr2 입니다.

• CF set: if carry out from most significant n=bit (used for unsigned comparisons)
• ZF set: if a==b
• SF set: if (a-b) < 0 (as signed)
• OF set: if two's-complement (signed) overflow

 

Reading Condition Codes

 

SetX Instructions

• Set low-order byte of destination to 0 or 1 based on combinations of condition codes → 최하위 byte에 대해서만 0 또는 1로 변경합니다.
• Does not alter remaining 7 bytes → 나머지 7bytes에 대해서는 건들이지 않습니다.

setX

 

일반적으로 movzbl을 통해 작업을 끝냅니다.

/* C Code */
int gt(long x, long y)
{
    return x > y;
}

/* Assembly Code */
gt:
    cmpq %rsi, %rdi  # Compare x:y
    setg %al         # Set when >
    movzbl %al, %eax # Zero rest of %rax

 

* movzbl은 "mov명령어를 수행하는데, Zero로 나머지 값들을 맞추고, b (1byte)에서 l (4byte)로 데이터를 바꿔서 해라"라는 의미입니다. 추가적으로 b는 1byte, w는 2byte, l은 4byte, q는 8byte입니다.

int가 4byte이기 때문에 %eax (4byte단위 주소명)에 return값을 저장해서 return해줍니다.

 

Jumping (=jX instructions)

 

Jump to different part of code depending on condition codes

jX instructions

 

Conditional Expression

 

C allows goto statement. Jump to position designated by label

* you can make that assembly code to write

gcc -Og -s -fno-if-conversion control.c

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

# same

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

# Assembly Code

absdiff_j:
    cmpq %rsi, rdi # x:y
    jle .L4
    movq %rdi, %rax
    subq %rsi, %rax
    ret
.L4: # x <= y
    movq %rsi, %rax
    subq %rdi, %rax
    ret

 

Another Conditional Expression

 

C code

val = Test ? Then_Expr : Else_Expr;

 

Goto Version

    ntest = !Test;
    if (ntest) goto Else;
    val = Then_Expr;
    goto Done;
Else:
    val = Else_Expr;
Done:
    ...

 

Do-while Loop

 

# C Code
long pcount_do(unsigned long x)
{
    long result = 0;
    do {
    	result += x & 0x1;
        x >>= 1;
    } while(x);
    return result;
}

# Goto Version
long pcount_goto(unsigned long x)
{
    long result = 0;
loop:
    result += x & 0x1;
    x >>= 1;
    if (x) goto loop;
    return result;
}

# Assembly Code
pcount_goto:
    movl $0, %eax       # result = 0
.L2:
    movq %rdi, %rdx
    andl $1, %edx       # t = x & 0x1
    addq %rdx, %rax     # result += t
    shrq $1, %rdi       # r >>= 1
    jne .L2             # if (x) goto loop
    rep; ret

 

* interesting thing: x가 unsigned이기 때문에 shift연산이 자동적으로 shrq로 최적화 되었음을 알 수 있습니다.

 

General "Do-While" Translation