[CS] Assembly: Introduction

'컴퓨터 시스템 개론' 시리즈

1. [CS] Data Representation
2. [CS] Assembly: Introduction
3. [CS] Assembly: Control Instruction
4. [CS] Assembly: Function
5. [CS] Assembly: Array and Struct
6. [CS] Buffer Overflow
7. [CS] Intermission
8. [CS] Cache Memory

✦ Basic concepts of CPU, memory and Assembly

◆ Overview

• 우리는 왜 Assembly 를 배우는가?
  • CPU 가 이해할 수 있는 코드의 형태
  • 컴퓨터가 내부적으로 어떻게 동작하는지 알 수 있다.

◆ CPU 의 작동 방식

• Program Counter (PC) : 다음 실행할 명령어를 저장하는 register
• Instruction 과 data 는 모두 memory 에 저장된다
  • instruction 은 약속된 의미를 지닌 bit sequence

1. CPU 는 memory 로부터 명령어를 가져온다
   • 이때 가져온 명령어의 주소를 PC 에 저장한다
2. 저장된 명령어가 CPU 가 무엇을 해야할 지 알려준다
   • Machine instruction : CPU 가 무얼 해야할지 알려주는 0, 1 로 이루어진 명령어 ex) 0x48 0x01 0xd8
   • Assembly insturction : Machine instruction 을 사람이 읽을 수 있도록 한 것 ex) add $rax $rbx → 내용 자체는 동일. 이해 주체의 차이
3. 실행 후, PC 가 자동적으로 다음 명령어를 가리킨다 → CPU 는 1 ~ 3 을 반복하여 동작

◆ C Source → Machine code

• 최종 output 인 p.bin → executable file (binary)
• Compile
  • 좁은 의미 : .c → .s 변환 과정
  • 넓은 의미 : .c → .s → .o → .bin 변환 전체 과정

✦ Introduction of x86-64 architecture

◆ Architecture 의 정의

• Instruction Set Architecture (ISA) → 이번 수업에서의 내용
  • CPU 가 따라야하는 명령어의 집합
  • 어떤 명령어가 가능한가? 어떤 register 이름이 있는가?
  • high level & abstract level
• Microarchitecture
  • ISA 가 hardware level 에서 구현 & 최적화 되어 있는 방법
  • low level / hardware level

◆ Intel x86

• CPU 의 계열
• Intel 에서 만든 CPU 가 공통적으로 사용하는 ISA

→ 이 수업에선 x86-64 사용 (일종의 language)

• Intel x86 의 역사

◆ Abstraction 의 level

• C language model : 가장 높은 단계의 추상화
  • C 프로그래머가 알아야 할 언어

int main() {
	int i, n;
	for (i = 1; i <= n; ++i) {
		...
	}
}

• ISA : 중간 단계의 추상화
  • compiler 개발자가 알아야할 언어
• microarchitecture : 가장 낮은 단계의 추상화
  • Hardware-level 의 최적화

◆ Registers in x86-64

• %rip : instruction pointer (program counter, PC)

• %rsp : stack pointer

• register 의 부분 이름
  • 끝 4 byte → %e__
  • 끝 2 byte → 앞에 r 빼고 %__
    • 앞 1 byte → 앞에 r 빼고 %_h
    • 뒤 1 byte → 앞에 r 빼고 %_l → 호환성 위해 register 이름 남겨줌

◆ x86-64 Assembly 모습

• C code

int sum(long x, long y, long *dst) {
	*dst = x + y;
	return 1;
}

• Assembly code

sum:
	add   %rsi, %rdi
	mov   %rdi, (%rdx)
	mov   $0x1, %eax
	ret

• Convention
  • 함수의 인수
    • 첫 번째 → %rdi
    • 두 번째 → %rsi
    • 세 번째 → %rdx
  • 함수의 결과 값 → %rax

✦ Various x86-64 assembly instructions

◆ Data Move Instruction : mov

• 형태 : mov Source, Destination
  • source → destination 으로 데이터 복사
  • 접두사 (Suffix) 로 이동 data 양 결정 가능
    • b = 1 byte
    • w = 2 byte
    • l = 4 byte
    • q = 8 byte → 명확할 때에는 (ex. mov rax rdi ) 접두사 생략 가능
  • source & destination 에는 다양한 operand type 이 올 수 있다
    • register
    • immediate : 접두사 $ 사용
    • memory : 특정 주소의 내용 (접두사 X)
      • ex) mov 0x1000, %rbx : 0x1000 에 위치한 메모리 주소 load
      • ex) mov (%rax), %rbx : %rax 가 point 하고 있는 주소 load
• destination 이 Imm 불가능 / Mem → Mem 불가능
• register 에 부분적으로 접근 가능

💡 %eax 는 위쪽 4 byte 를 0으로 바꿈

◆ Byte Extension : movz / movs

• 접미사로 extend 할 byte 표시 가능
• movz : zero extension
  • ex) movzbw : zero extension (byte 1→ word 2)
• movs : sign extension
  • ex)** **movslq : sign extension (long 4 → quad 8)

◆ Memory Access

• movl $0x4142, (%rax)
  • (%rax) 메모리 주소에서 4 byte 만큼 상수 0x41, 0x42 가리키도록 (little endian)
  • 이때 접미사 l 생략 불가 → 4 byte 만 update 명시적 알림
  • 다른 suffix 도 사용 가능

• mov 0x20(%rbx, %rcx, 4), %rax %rax = 0x20 + %rbx + (%rcx * 4)

  • 이때 4 는 scale factor (1, 2, 4, 8 가능)
  • array access 할 때 유용
  • 요소 생략 가능

◆ Arithmetic Instruction

• signed, unsigned 차이 X
• 여러 operand 사용 가능
  • ex) addq $1, (%rax)
• %e__ 가 destination 으로 사용 → 앞쪽 4 byte 는 0으로 초기화 (mov 처럼)
• CPU 에선 그냥 bit level manipulation

◆ Logical Instructions

• shl %rax → source 생략, 1만큼 left shift

◆ lea Instruction

• mov 랑 형태 비슷, 행동 다름
• lea 0x20(%rbx, %rcx, 4), %rax
  • %rax = 0x20 + %rbx + (%rcx * 4)
  • %rbx = 0x3000, %rcx = 0x100 이면 %rax = 0x3420
• pointer 계산을 위한 instruction
  • 그러나 더 빠르기에 정수 산술 연산에서 사용되기도 함
• mov 와 파이점
  • mov : 주소 계산 & 메모리 접근
  • lea : 주소 계산만, 메모리 접근 X → 속도 빠름 → arithmetic 명령어에 가까움