[컴퓨터구조] 서브루틴 명령어

 💝 서브루틴이란?

서브루틴은 프로그램에서 반복적으로 사용되는 코드 블록을 하나로 묶어 정의한 후, 필요할 때마다 호출할 수 있게 만든 구조이다. 이를 통해 프로그램의 구조를 효율적으로 관리하고 유지보수를 쉽게 할 수 있다. 서브루틴은 함수, 프로시저, 메서드와 유사한 개념으로 생각할 수 있다.

 

서브루틴의 특징

1. 재사용 가능성: 서브루틴은 여러 곳에서 호출되어 동일한 기능을 수행한다. 예를 들어, 복잡한 수학적 연산이나 입출력 처리를 한 번 정의해 두고 각기 다른 장소에서 사용할 수 있다.

2. 캡슐화: 서브루틴은 독립적인 코드 블록으로 다른 프로그램 부분과는 독립적으로 동작한다. 이렇게 하면 특정 부분의 코드를 수정해도 다른 부분에 영향을 미치지 않는다.

3. 입출력 매개변수: 서브루틴은 외부로부터 데이터를 전달받고 결과를 반환한다. 함수형 서브루틴에서는 호출 시 필요한 데이터를 매개변수로 넘기고 결과를 리턴받는 방식으로 작동한다.

4. 프로그램 흐름 제어 : 서브루틴을 호출하면 프로그램의 제어가 해당 서브루틴으로 넘어갔다가, 서브루틴이 끝나면 원래 호출한 위치로 돌아온다. 이때 CALL 명령어로 서브루틴을 호출하고, RET 명령어로 복귀한다.

5. 스택과 레지스터 사용: 서브루틴 호출 시, 호출한 위치를 기억하거나 호출 과정에서 사용한 데이터를 저장하기 위해 스택을 사용한다. 특히 어셈블리어에서는 서브루틴 호출 시 레지스터의 값을 스택에 저장하고, 복귀 시 이 값을 복원하는 작업이 필요하다.

 

 🥁 서브루틴 명령어

x86-32 컴퓨터에서의 서브루틴

- CALL 명령어 (서브루틴 호출)

CALL 명령어는 현재 실행 중인 프로그램의 흐름을 서브루틴으로 이동시키는 명령어다. 현재 실행 중인 명령어의 다음 주소(복귀 주소)를 스택에 저장한다.

동작 과정:
- 복귀 주소를 스택에 저장
- 서브루틴의 시작 주소로 점프
- 서브루틴이 끝날 때까지 해당 코드 블록 실행

 

- RET 명령어 (서브루틴 복귀)

RET 명령어는 서브루틴의 실행이 종료된 후 원래 호출된 위치로 돌아가는 명령어이다. 스택에 저장된 복귀 주소를 꺼내 프로그램의 실행 흐름을 그 주소로 되돌린다.

동작 과정:
- 스택에서 복귀 주소를 꺼내어 PC에 저장
- PC에 저장된 주소로 이동하여 원래 프로그램의 흐름을 계속 실행

 

 ⛈️ 서브루틴 동작 과정

1. 서브루틴 호출: 프로그램이 CALL 명령어를 만나면 복귀 주소를 스택에 저장한다. 스택 포인터가 감소하면서 복귀 주소 위치를 나타낸다. 이후 PC를 서브루틴의 시작 주소로 설정하고 서브루틴으로 점프한다.

2. 서브루틴 실행: 서브루틴 내의 지역 변수와 매개변수는 스택으로 관리되며, 서브루틴은 주어진 작업을 수행한 후 복귀 준비를 한다.

3. 서브루틴 복귀: 서브루틴이 완료된 후 RET 명령어를 만나면, 스택에서 복귀 주소를 꺼내 PC에 저장한다. PC는 복귀 주소로 이동하여 원래 프로그램의 실행 흐름을 재개한다.

 

스택 사용: 

- 서브루틴 호출 시 스택 포인터가 감소하고,
- 복귀 시 스택 포인터가 증가하여 서브루틴 중첩 호출이 가능하다.

 

🔖 서브루틴 관련 레지스터

IP (Instruction Pointer)

현재 실행 중인 명령어의 주소를 가리킨다. 프로그램이 명령어를 실행할 때마다 자동으로 갱신된다. CALL 명령어 실행 시 IP의 값이 스택에 저장되고, RET 명령어 실행 시 스택에서 복귀 주소를 꺼내 IP에 복원한다.

 

SP (Stack Pointer)

스택의 최상단을 가리킨다. 스택에 데이터를 푸시(push)할 때 SP는 감소하고, 팝(pop)할 때 SP는 증가한다. 서브루틴 호출 시 CALL 명령어는 IP의 값을 스택에 저장하고 SP를 감소시킨다.

 

 BP (Base Pointer)

서브루틴 내에서 함수 호출 프레임의 기준점 역할을 한다. 서브루틴 시작 시 BP는 SP의 값을 저장하고, 함수 종료 시 이전의 SP 값을 복원하여 스택을 쉽게 복구한다.

 

📏 스택 사용과 메모리 주소

메모리 구조에서 스택은 역방향으로 자라며, 높은 주소에서 낮은 주소로 데이터를 저장한다.

 

예시

스택의 초기 상태를 가정해 보자:
- SP = 0x1000
- IP = 0x2000

CALL subroutine 실행 시 IP의 복귀 주소를 스택에 푸시한다. 이로 인해 SP는 감소하고, 서브루틴으로 점프하게 된다.

 

 

🖼️ 스택 프레임 활용

서브루틴이 호출될 때, 호출한 함수와 호출된 함수 간의 데이터 관리를 위해 스택에 할당되는 메모리 영역을 스택 프레임이라고 한다. 이 영역은 매개변수, 지역 변수, 복귀 주소, 저장된 레지스터 값을 저장하는 데 사용된다.

 

스택 프레임 구조

- 매개변수: 호출된 서브루틴에 전달된 값
- 복귀 주소: 서브루틴 종료 후 돌아갈 주소
- 이전 BP: 이전 함수 호출 시의 BP 값
- 지역 변수: 함수 내에서 사용되는 임시 변수

 

역할

- 함수 호출 시 데이터 저장: 함수 호출 후 이전 함수의 상태(복귀 주소, 레지스터 값)를 저장하고, 호출된 함수에서 사용할 매개변수와 지역 변수를 위한 공간을 할당한다.
- 복귀 주소 저장: 함수가 호출된 위치로 돌아가기 위한 주소를 저장한다.
- 매개변수 및 지역 변수 관리: 함수의 매개변수와 지역 변수를 저장하여 함수가 끝나기 전까지 필요한 데이터를 관리한다.

 

예시 코드

int add(int a, int b) {
    int result = a + b;
    return result;
}

int main() {
    int sum = add(3, 4);
    return 0;
}

 

이 코드를 보고 직접 그려보며 공부하시라...