3. 첫번째 프로그램 만들기

3.1. Entering in the Program

간단한 프로그램을 만드는 것부터 시작해 보도록 하자. 처음으로 만들 프로그램은 아무런 하는일이 없는 -실행 후 바로 종료해 버리는- 어이 없는 프로그램이지만 어셈블리어와 리눅스 프로그래밍에 대한 기본적인 방법을 보여준다. 여러분이 좋아하는 에디터로 아래의 예제를 편집한 다음 exit.s 이름을 가지는 파일로 저장하도록 한다. 지금 당장 아래의 예제 코드가 이해되지 않는다고 해서 걱정할 필요는 없다. 우선은 아래의 코드를 만들고 컴파일 해서 실행 시키는데에만 신경쓰도록 한다. 실제 코드에 대한 상세한 설명은 4절에서 다룰 것이다.

# 시작 후 바로 종료하는 간단한 프로그램으로 종료 할때
# 프로그램의 리턴값을 리눅스 커널에 전달한다.
#

# 입력 : 없음
#

# 출력 : 코드의 종료값을 리턴한다.
# 프로그램의 종료값은 쉘에서 다음과 같이 확인 가능하다.
# echo $?
#

# 변수 :
# %eax는 시스템 호출(system call)번호를 저장한다.
# %ebx는 종료값을 저장한다.

.section .data
.section .text
.global _start

_start:
movl $1, %eax    # 리눅스 커널에 exit(2)시스템 콜을 요청한다.
                 # exit(2)의 시스템 콜 번호는 1번이다.

movl $0, %ebx    # 프로그램이 종료하면서 운영체제에 넘겨줄
                 # 종료값이다.
                 # 프로그램 종료후 쉘상에서
                 # echo $? 로 확인 할 수 있다.
                 # 값을 바꾸어 가면서 테스트 해보도록 하자.

int $0x80        # exit 시스템콜을 실행한다.
			

먼저 assemble를 이용해서 소스코드를 기계를 위한 명령으로 변경해야 한다. 이러한 변경(혹은 번역) 과정을 Assembling라고 한다. 이러한 어셈블링을 위해서 as가 제공된다.

# as exit.s -o exit.o
			

# ld exit.o -o exit
			

# ./exit
			

# echo $?
			

3.2. 어셈블리 프로그램의 개요

exit.s를 보면 많은 줄이 #처리 되어 있는걸 볼 수 있다. 이것은 주석이라고 불리운다. 주석은 어셈블러에 의해서 해석 되지 않는 부분으로 주로 프로그래머에게 프로그램 코드에 대한 설명, 힌트등을 명시해서 프로그래머가 좀더 쉽게 코드를 파악할 수 있도록 하기 위해서 사용된다. 잘 작성된 주석은 프로그램을 만들어낸 당사자 뿐만 아니라 프로그램을 읽어야 하는 다른 (팀동료등과 같은)프로그래머에게 많은 도움을 준다. 잘 작성된 주석은 다음과 같은 요소들을 가진다.

• 코드가 하는일

• 코드의 대략적인 흐름

• 주의를 기울여야 할만한 여러가지 특이사항들 [2]

몇 개의 주석후에 다음과 같은 줄이 등장한다.

.section .data
			

.section .text
			

.globl _start
			

_start:

이제 실제적인 커퓨터 명령이 등장한다. 처음 등장한 명령은 다음과 같다.

movl $1, %eax
			

명령에 따라서 오퍼랜드의 형식이 달라지긴 하지만, 대부분의 명령은 2개의 오퍼랜드를 가진다. 첫번째로 등장하는 오퍼랜드를 source 오퍼랜드, 두번째로 등장하는 오퍼랜드를 destination 오퍼랜드 라고 한다. 이런류의 명령으로는 addl, subl, imul등이 있다. 이들 명령은 각각 "더하기","빼기","곱하기" 연산을 하며 source 오퍼랜드로 부터 destination 오퍼랜드로 연산을 하고 결과는 destination 오퍼랜드에 저장된다.

x86프로세스는 movl명령에 이용할수 있는 여러개의 general-purpose 레지시트럴 가지있다.

• %eax

• %ebx

• %ecx

• %edi

• %esi

• %ebp

• %esp

• %eip

이제 movl명령은 숫자 1을 %eax레지스터로 옮기는 작업을 수행함을 이해했을 것이다. 1앞에 보면 달러표시가 있는데, 이는 immediate mode addressing을 이용할 것을 명시하기 위해서 사용한다. 달러표시가 없다면 direct addressing을 이용하게 되고 주소 1에 있는 어떤 값을 읽어 들이게 된다. 우리는 실제 숫자 1을 읽어들이기를 원하므로 immeiate mode를 사용했다.

우리가 숫자 1을 %eax에 옮긴 이유는 특정작업을 위해서 Linux 커널을 준비시키기 위함이다. 숫자 1은 시스템 콜(system call) 번호 1번인 exit를 가리킨다. 시스템콜은 운영체제에 어떤 도움을 요청하기 위해서 사용되는 것이다. 시스템콜에 대해서는 조만간 자세히 다루게 될 것이다. 파일을 열거나 메모리 할당을 요청하거나 하기 위해서는 해당 시스템 콜에 매핑되는 번호를 %eax에 써주면 된다. 이들 시스템 콜 번호는 운영체제마다 약간씩 다르다.

운영체제에 어떤 일을 요청하기 위해서 시스템 콜을 사용한다고 했는데, 시스템콜 번호 만으로 할 수 있는 일은 존재하지 않는다. 어떤 요청을 수행하도록 하기 위해서는 커널에 좀더 많은 정보를 알려줘야 한다. 파일을 여는 것을 예로 들어보면 "파일을 열어라"라는 요청 외에도 파일이름이 무언지, 어떤 상태로 열건지 등을 커널에게 알려주어야만 한다. 이러한 부가적인 정보를 parameters(인자)라고 부르며 이들 값 역시 레지스터를 통해서 커널에 전달된다. exit 시스템콜의 경우 컨널은 인자로 종료값을 요구한다. 이 값은 %ebx에서 읽혀 진다. 이 종료 값은 시스템에 리턴되어질 것이고 여러분은 echo $?를 통해서 리턴값을 읽을 수 있게 된다. %ebx에 0을 올리기 위해서는 다음과 같은 코드가 필요하다.

movl %0, %ebx
			

다음으로 아래와 같은 상당히 수상한 명령이 내려진다.

int $0x80
			

이제 남은 일은 코드를 assemble시키고, 링크 시키고 실행하는 일이다. 테스트를 위해서 어셈블리 코드의 %ebx를 다른 값으로 바꾼후 echo $?의 출력값이 변하는걸 확인해 보기 바란다. 당연하지만 %ebx값을 변경한다음에는 assemble->링크->실행 과정을 거쳐야 변경된 내용이 적용된다.

3.3. Planning the Program

이번 프로그램은 좀더 복잡한 일을 하게된다. 여러개의 숫자가 주어지고 이중 가장 큰 숫자를 찾는 일을 하는 프로그램이다. 컴퓨터는 프로그래머가 필요한 모든것을 세밀하게 지정해줘야 하는 기계다. 그러므로 원하는데로 작동하는 프로그램을 작성하기 원하다면 작성전에 프로그램에 대한 명세서를 만들어 주어야 한다. 우리가 만들고자 하는 프로그램은 다음과 같은 명세에 대한 정의가 있어야 할 것이다.

1. 숫자의 목록을 어디에 저장할 것인가.

2. 가장 큰 숫자를 찾기 위해서 어떠한 프로시져를 필요로 하는가.

3. 프로시져를 수행하기 위해서 어느정도의 공간을 필요로 하는가

4. 공간은 레지스터에서 확보할 것인가 아니면 메모리를 이용할 것인가.

컴퓨터의 경우 이러한 과정을 단계별로 알려주어야 한다. 이러한 단계를 명확히 정의 하기 위해서 약간의 계획이 필요하게 된다. 우선 가장 큰 숫자를 고르기 위해서 사용될 숫자의 목록이 있을 것이며 이들 숫자의 목록은 메모리 공간에 저장되어야 할 것이다. 이들은 data_items가 가리키는 메모리에 저장하도록 계획하겠다. 우리는 또한 숫자목록에서 현재 위치를 읽어 올 수 있어야 한다. 그래야 검토해야할 숫자를 읽어 올 수 있기 때문이다. 그리고 가장큰 숫자를 저장하기 위한 공간도 마련되어야 한다. 이들 숫자 정보를 저장하기 위해서 다음과 같은 레지스터를 사용하도록 계획했다.

• %edi 는 목록에서 현재의 위치를 저장한다.

• %ebx 는 현재 목록에서 가장 큰 숫자를 저장한다.

• %eax 는 검토할 숫자를 저장하기 위해서 사용한다.

1. 목록의 처음 숫자가 0인지 확인한다.

2. 만약 0이라면 종료(exit)한다.

3. 현재 위치를 1증가 시킨다(%edi)

4. 다음 값을 읽어 와서 %eax 레지스터에 값을 저장한다.

5. 현재 값 %eax와 가장 큰 값 %ebx를 비교한다.

6. 만약 현재 값이 최근의 가장 큰 값 보다 크다면 현재 값을 %ebx에 저장한다.

7. 반복한다.

if 의 흐름을 분기한다는 특성 때문에 흐름제어(flow control)명령이라고 부른다. 이전에 다루었던 첫번째 어셈블리 프로그램은 어떠한 흐름제어 명령도 포함하고 있지 않았다. 단지 하나의 흐름만이 존재했었기 때문이다. 그러나 이 프로그램은 좀더 다양한 방법으로 데이터를 다루어야 하기 때문에 흐름제어 명령이 필요해 지게 된다.

흐름제어 명령 외에도 이프로그램이 완성되기 위해 2개의 다른 새로운 명령들이 사용될 것이다. conditional jump와 unconditional jump가 그것인데, conditional jump는 조건 점프로 조건을 만족하는지를 판단해서 특정 루틴으로 이동하기 위해서 사용한다. uncoditional jump는 무조건 점프로 조건의 만족과 관계없이 지정한 루틴으로 이동시킨다. 이들 jump에 대한 자세한 내용은 다음 장에서 다루게 될 것이다.

흐름제어를 위해 사용되는 또다른 장치는 루프(loop)이다. 루프는 반복적으로 실행되는 코드의 조각을 말한다. 예를 들어 우리가 작성할 프로그램은 처음에 0과 목록의 첫번째 값을 비교해서 가장 큰값으로 목록의 첫번째 값을 최고값으로 등록시키고 그 다음에는 목록의 두번째 값과 현재 최고값을 비교하는 식으로 동일한 일을 계속(목록의 마지막 숫자인 0에 도달할 때까지) 반복할 것이다. 이러한 반복작업의 처리를 위해서 루프를 사용하게 된다. 루프의 반복을 위해서 여기에서는 unconditional jump를 사용하고 있다. 루프 코드 영역의 마지막에 도달하면 무조건 루프 코드의 처음으로 돌아간다. 루프코드의 처음에서는 목록에서 숫자를 가져오고 0인지 아닌지를 판단한다음 0이라면 루프를 빠져나가기 위해서 jump를 시도할 것이다. 이때의 jump는 조건의 판단후에 이루어 지므로 conditional jump가 필요하게 된다.

다음장에서는 지금까지의 계획을 실제 프로그램의 작성에 적용할 것이다. 이 프로그램은 간단하지만 프로그램으로써 가져야할 대부분의 기본요건을 가지고 있으므로 제대로 이해한다면 앞으로 이 문서를 읽는데 큰 도움이 될것이다.

3.4. 최대 숫자 찾기

코드의 이름은 maximum.s로 한다.

# data_items에 있는 숫자의 목록중 가장 큰
# 데이터를 얻어와서 리턴한다.
#

# 변수들 : 프로그램의 작동을 위해서 사용되는 레지스터들
# %edi - 데이타 목록에서 조사할 숫자의 인덱스 저장용
# %ebx - 가장 큰 숫자 저장용
# %eax - 현재 비교할 숫자 저장용
#

# The following memory locations are used:
#
# data_items - 비교할 숫자데이터들 0은 마지막을 나타낸다.
#

.section .data

data_items:                         # 숫자 데이터들
    .long 3,67,34,222,45,75,54,34,44,33,22,11,66,0 
    .section .text
    .globl _start

_start:
    movl $0, %edi                   # move 0 into the index register
    movl data_items(,%edi,4), %eax  # load the first byte of data
    movl %eax, %ebx                 # since this is the first item, %eax is
                                    # the biggest

start_loop:                         # start loop
    cmpl $0, %eax                   # check to see if we ve hit the end
    je loop_exit
    incl %edi                       # load next value
    movl data_items(,%edi,4), %eax
    cmpl %ebx, %eax                 # compare values
    jle start_loop                  # jump to loop beginning if the new
                                    # one isn t bigger
    movl %eax, %ebx                 # move the value as the largest
    jmp start_loop                  # jump to loop beginning
loop_exit:                          # %ebx is the return value,
                                    # and it already has the number

    movl $1, %eax                   #1 is the exit() syscall
    int $0x80
			

이제 어셈블과 링크를 이용해서 실행파일을 생성하자.

# as maximum.s -o maximum.o
# ld maximum.o -o maximum
			

# ./maximum
# echo $?
			

data_items:                         # 숫자 데이터들
    .long 3,67,34,222,45,75,54,34,44,33,22,11,66,0 
			

숫자의 목록을 저장하는데 있어서 마지막에 0을 사용했다는 것을 주목하기 바란다. 이 프로그램에서는 숫자 목록의 마지막이라는 것을 알려주기 위해서 0을 사용하고 있다. 숫자 목록의 갯수를 명확히 하기 위해서 이밖에도 숫자 목록의 처음에 전체 숫자의 갯수를 적어준다거나 프로그램내에 전체 숫자의 갯수를 직접 넣는 방법이 있을 수 있다. 이 외에도 여러가지 방법을 통해서 숫자의 갯수를 명시할 수 있을 것이다. 이 처럼 목록의 끝을 나타내기 위해서 여러가지 방법들이 동원되는 이유는 컴퓨터의 경우 우리가 명확하게 끝을 지정해 주기 전에는 목록의 끝이 어딘지 측정 할 수 없기 때문이다.

이제.globl에 대해 알아보도록 하자. 이것은 어떠한 데이터도 가지지 않으며 단지 프로그램이 시작되는 실행 위치를 알려주기 위한 목적으로 사용된다. Linux는 프로그램을 시작하기 위해서 어디부터가 실행영역인지를 알고 있어야 하며 _start 부터 실행한다. .globl은 _start를 참조시킨다. .globl을 생략할 경우 링크시 다음과 같은 에러가 발생할 것이다.

# ld maximum.o -o maximum
ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 08048074
			

이 걸로 해서 우리가 사용할 모든 데이터의 준비를 마쳤으니, 이제 본격적으로 데이터를 이용해서 필요한 작업(가장 큰 숫자를 가려내는)을 해야 한다. 위 코드를 보면 # 변수들라고 되어 있는 주석을 볼 수 있을 것이다. 이들 변수는 작업을 위해서 사용되는 데이터들을 저장하기 위한 용기로 사용한다. 이 프로그램은 다음과 같은 변수들이 사용된다.

1. 최근의 최대값을 저장하기 위한 변수

2. 숫자 목록에서 가져와야할 숫자의 위치를 저장하기 위한 변수

3. 숫자 목록에서 가져온 숫자를 저장하기 위한 변수

이 프로그램에서 가장 큰 숫자를 저장하기 위해서 %ebx를 사용했다. %edi는 현재 가져와야할 숫자의 위치(index)를 저장하기 위해서 사용한다. %edi를 이용해서 우리는 data_items로 부터 몇 번째 숫자를 읽어와야 할지를 결정할 수 있게 된다. 프로그램이 막 시작했을 때는 data_items의 첫번째 숫자를 가져와야 되므로 %edi는 0이 입력된다. 첫번째 숫자를 가져왔다면 %edi에는 1이 들어가고, 다음 숫자를 가져올 때는 data_items의 두번째 숫자를 가져오게 된다.

movl  $0, $edi
			

movl data_items(,%edi,4), %eax
			

1. data_items는 우리가 계산에 사용할 숫자 목록의 첫번째 숫자를 가르킨다.

2. 숫자목록의 숫자들은 .long 형이므로 4byte의 크기를 차지한다.

3. 각 숫자가 차지하는 공간이 4byte인 것을 이용해서 다음 숫자를 가져올 수 있다.

4. 우리는 지금 숫자와 다음 숫자를 비교해서 최고 큰 숫자를 알아낼 수 있다.

5. 가장 큰 숫자는 우리가 준비한 레지스터에 복사한다.

6. 다시 처음으로 되돌아 간다.

cmpl  $0, %eax 
je    end_loop
			

만약 숫자목록에서 가져온 숫자가 0이 아니라면 다음 명령이 실행된다.

incl  %edi 
movl  data_item(,%edi,4),   %eax
			

cmpl %ebx, %eax
jle  start_loop
			

movl %eax, %ebx
jmp  start_loop
			

movl $1, %eax
int  0x80 
			

이것으로 우리가 작성한 프로그램에 대한 모든 설명을 마쳤다. 매우 간단한 프로그램이였지만 상당히 많은 것을 배울수 있었다. 간단한 프로그램 이므로 이해에는 큰 어려움이 없었을 것이다. 이해가 되지 않는 부분이 있다면 주석과 함께 프로그램을 주의 깊게 읽어 보기 바란다. 좀더 완벽하게 이해하고 싶다면 프로그램의 각 스텝별로 레지스터의 값의 변화를 기록해가면서 코드를 확인해 보기 바란다.

3.5. Addressing mode

우리는 2장에서 어셈블리어가 2가지 종류의 데이터 접근 방법 (Data Accessing Methods)를 가진다는 것을 배웠다. 이번 장에서는 이러한 어셈블리어에서 제공하는 어드레스 기반의 데이터 접근 방법에 대해서 알아보도록 하겠다.

메모리 주소를 참조하는 일반적인 형식은 다음과 같다.

ADDRESS_OR_OFFSET(%BASE_OR_OFFSET, %INDEX, MULTIPLIER)
			

FINAL ADDRESS = ADDRESS_OR_OFFSET + %BASE_OR_OFFSET + MULTIPLIER * %INDEX
			

Addressing mode는 2장의 Data Accessing Method에서 이미 언급한적이 있지만 복습차원에서 간단히 설명하도록 하겠다.

각각의 모드들을 이용해서 메모리 복사와 같은 일을 하다 보면.. 다양한 크기의 데이터를 복사해야 하는 경우가 생길 것이다. 어셈블리는 이러한 경우를 대비하여서 자주 사용하는 데이터 크기에 대해서 사용가능한 명령들을 준비하고 잇다. 워드 단위의 데이터 복사를 원한다면 movl를 사용하고, 바이트 단위로의 복사를 원하다면 movb를 사용할 수 있다. 그러나 앞에서 다루었다 시피 데이터를 저장하기 위한 최소단위로 레지스터를 사용하는데 크기가 워드단위이다. 그러므로 바이트단위로 다루고자 할경우 레지스터의 일정영역만을 사용할 수 있게된다(어떻게 보면 나머지 공간을 낭비하는 결과를 가져온다고 볼 수 있다).

%eax를 예로 들어보도록 하자. 만약 2바이트의 크기를 복사하고자 할때 %ax를 사용한다. %ax는 least-significant halt 간단히 말해서 4바이트 크기의 워드(즉 %eax으)에서의 하위 2바이트의 영역을 가리킨다. %ax는 다시 1바이트씩 2개로 나뉠 수 있다. %al과 %ah가 그것으로 %al은 %ax의 마지막 바이트 %ah는 %ax의 처음 바이트를 가리킨다.