인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요. chltnckd7님!

질문주신 내용을 검토해본결과 제가 과거에 드렸던 답변이 정확하지 않다는 사실을 확인하였습니다. 설명에 앞서서 죄송한 말씀드립니다.

앞으로 설명드릴 내용은 장황하고 복잡한데, 아쉽게도 우리가 이것을 학습하는 데 들이는 노력 만큼의 큰 이익은 없다는 점도 꼭 말씀드리고 싶네요.

바로 본론으로 들어갑니다.

CORTEX-M 의 상수 표현 구조

CORTEX-M 과 전통적인 ARM(ARM7, ARM9, Thumb2 을 사용하지 않는 CORTEX-A 계열)는 상수를 다루는 방식에서 차이가 있습니다.

8비트 값을 짝수비트 회전 제약을 갖고 반시계 방향으로 회전하여 이용한다?. 이것은 ARM방식.

그럼 CORTEX-M 은 어떤 방식을 쓰는가? 입니다.

ARM v7-M Architecture Application Level Reference Manual 271쪽을 인용해보겠습니다.

mov 명령의 인코딩 형식을 보입니다. 3가지 방식(T1, T2, T3)으로 인코딩 될 수 있습니다.

비슷한 명령어라도 사용한 상수값의 크기에 따라 명령어의 인코딩은 다르게 취급됩니다

movs r0, #1 @ T1 방식(thumb16)으로 인코딩(20 01 movs r0, #1)된다

mov r0, #1 @ T2 방식으로 인코딩(f0 4f 00 01 mov.w r0, #1)된다

mov r0, #0x1f @ T2 방식으로 인코딩(f0 4f 00 1f mov.w r0, #0x1f)된다

mov r0, #0x7fff @ T3 방식으로 인코딩(f6 47 70 ff mov.w r0, #0x7fff)된다

분명 코드는 mov r0,#0x7fff 로 작성했지만, 디스어셈블리 에서의 명령어는 movw r0, #32767 로 변경된 것과 머신코드 중 f6 패턴을 통해 T3 인코딩 했다는 것을 확신할 수 있습니다.

또한 흥미로운 것은

movs r0, #1 와 mov r0, #1 가 다르게 처리된다는 것이죠. 하나는 thumb16 으로 또 다른 하나는 thumb32 로 만들어진것을 볼 수 있습니다.

그럼 다음 내용에 답해보시기 바랍니다

mov r0, #0x3ff @ T2 방식으로 인코딩될까요?

mov r0, #0xfff @ T2 방식으로 인코딩될까요?

정답은 다음 그림에서 확인 가능합니다

mov r0, #0x3ff @ T2 방식(머신코드 보면 f2 가 발견됨)

mov r0, #0xfff @ T3 방식(머신코드 보면 f6 가 발견됨)

그럼 이제 이런 걸 한번 시도해보죠. 이런?%^ 컴파일 오류가 나고 맙니다.

왜 안될까요? 그 해답은 여기서 찾을 수 있어요. i 와 imm3 을 이용하여 imm8 을 회전시켜서 표현할 수 있습니다. 그런데 위의 코드를 보시면 3ff 나 fff 는 8비트를 초과한 숫자이죠. 그리고 T3 구조는 T2 구조와 달리 비트를 회전시킬 수 있는 기능이 없어요.

그럼 이 명령어는 처리될까요?

mov r0, #0x3f000000

mov r0, #0xff000000

네, 컴파일도 정상적으로 수행되며, T2 로 인코딩된 것을 확인할 수 있어요.

머신코드내에서 f0 를 참고해보시면 알 수 있죠.

그렇다면 8비트를 회전시키는 원리는 무엇인가요?

수정된 상수(Modified immediate constants)란 무엇인가?

머신코드를 보기 쉽게 다시 정리하면 다음과 같습니다.

mov r0, #0x3f000000 @ f0 4f 50 7c

mov r0, #0xff000000 @ f0 4f 40 7f

DDI0403D_armv7m_arm.pdf 매뉴얼 166쪽을 보겠습니다.

적색부를 먼저 봐주세요

상수를 사용자가 원하는 레지스터내의 새로운 위치로 재배치하는 방법을 보여줍니다.

이 명령을 해독해 보죠. mov r0, #0x3f000000 @ f0 4f 50 7c

i=0, imm3=5, a=0

위 표에 대입하면 아래처럼 만들어집니다

01010 00111111 00000000 00000000 00000000

이게 바로 0x3f000000 아닌가요? 잘 만들어짐을 확인할 수 있어요.

이 명령어도 한번 호기심에 해보실 수 있어요. mov r0, #0xff000000 @ f0 4f 40 7f

CORTEX-M 에서의 상수 표현 중 특징 중 하나

그럼, 이제 재미난 것을 볼까요?

mov r0, #0x3f003f00 @ 컴파일이 될까요?

mov r0, #0x003f003f @ 컴파일이 될까요?

결과보시죠

이 명령어를 전통적인 ARM(ARM7, ARM9, Thumb2 을 사용하지 않는 CORTEX-A 계열)에서 시도했다면 실패했을겁니다.

위 그림에서 녹색으로 테두리 친 부분을 보시면 됩니다.

CORTEX-M 은 이런것을 가능하게 만들어 놓았습니다.

결론

어떤가요? 정말 복잡하죠. 다행스러운 점은 실제 코딩할 때는 이러한 규칙을 몰라도 크게 불편하지 않다는 거에요.

예를 들어볼게요.

mov r0, #0x78f30000 을 코딩해요

컴파일하죠

에러나죠?

그럼, 즉시 이렇게 고치면되요

ldr r0,=0x78f30000

이것은 우리가 원래하려고 했던 것과 동일합니다

앞서 질문 글에서도 밝힌것처럼 RISC 프로세서 환경의 어셈블리 프로그래밍에서 상수 사용은 이처럼 난해합니다.

다행인 점은 우리가 이러한 내용을 들여다 본것은 꼭 손해는 아니라는 거에요. 그만큼 ARM 이나 CORTEX-M 에 대해 더 잘 이해하게 되었다고 생각되시지 않나요? ^^

답변 감사합니다! 제 실수로 잘못 보았던 부분(xPSR 비트)도 예상하고 잘 알려주셔서 감사드립니다. 1번과 4번에 대해 다시 한번 질문 드려봅니다.

1번 질문)

mov r0, #0xFF <--- 이 명령어는 상수 0xFF를 사용하고 회전은 필요하지 않습니다.

mov r0, #0xFF00 <--- 이 명령어는 0xFF 상수를 오른쪽으로 24비트 회전하여 얻을 수 있습니다.

위의 답변해주신 내용에서 mov r0, #0xFF00를 오른쪽으로 24비트가 아니고 8비트 쉬프트를 말씀하신건가요??

8비트 상수와 4비트 회전 필드로 인코딩할 수 없다는 의미를 잘 모르겠습니다.

4번 질문)

< mov r0, #80000000 명령어를 실행 결과 사진 >

CMP 명령어 이후 BLT BHI등으로 부호(signed, unsigned) 여부를 결정한다고 말씀해 주셨는데 mov r0, #80000000 명령어를 실행하고 레지스터 값을 보면 위 사진처럼 Decimal이 음수로 표시가 됩니다. SIGNED로 인식을 한 것 같은데 unsigned로 인식하게 해서 0x7fffffff(양수)값보다 더 큰 양수를 표현하고 싶으면 어떻게 해야할까요?

감사합니다!

1번 질문)

mov r0, #0xFF <--- 이 명령어는 상수 0xFF를 사용하고 회전은 필요하지 않습니다.

mov r0, #0xFF00 <--- 이 명령어는 0xFF 상수를 오른쪽으로 24비트 회전하여 얻을 수 있습니다.

위의 답변해주신 내용에서 mov r0, #0xFF00를 오른쪽으로 24비트가 아니고 8비트 쉬프트를 말씀하신건가요??

8비트 상수와 4비트 회전 필드로 인코딩할 수 없다는 의미를 잘 모르겠습니다.

<ANS>

ARM(CORTEX-M) 의 레지스터는 32비트의 크기를 갖습니다.

때문에 표현은 mov r0, #0xFF00 로 적었더라도 그 의미는 mov r0, #0x0000FF00 로 생각하는 것이 좋겠습니다.

mov에서 직접 사용할 수 있는 상수는 8비트 값을 0, 2, 4,..., 30번 반시계 방향으로 회전(짝수비트 회전만 가능)시켜 만든 값입니다.

#0x0000ff00 이라는 상수를 살펴보면:

8비트 값: 0xFF 이 값을 24비트 반시계 방향으로 회전하면: 0x0000FF00

즉, 0xFF 값을 24비트 반시계 방향으로 회전하면 0x0000FF00가 되기 때문에, 이 상수는 mov r0, #0x0000ff00 명령어에서 직접 사용할 수 있습니다.

예로, #0x0000FF80 은 8비트 값인 0xFF를 반시계 방향으로 짝수 비트만큼을 회전하여 얻을 수 없는 값입니다. 따라서, 이 값을 직접 사용하는 것은 불가능합니다:

아래와 같이 예들을 더 보여드릴 수 있습니다.

MOV R0,#0X23 @ GOOD! 0x23 는 총 8비트 내로 표현

MOV R0,#0X123 @ BAD! 0x123 은 총 9비트로 표현(1비트 초과함)

MOV R0,#0XFF @ GOOD! 0xff 는 총 8비트로 표현

MOV R0,#0XFF000000 @ GOOD! 0xff 을 8비트 반시계 회전으로 표현(8비트는 짝수)

MOV R0,#0X1FF @ BAD! 0x1ff 는 총 9비트로 표현(1비트 초과함)

MOV R0,#0X1FE @ BAD! 0xff 을 31비트 반시계 회전으로 표현(31비트는 홀수)

MOV R0,#0X3FC @ GOOD! 0xff 을 30비트 반시계 회전으로 표현(30비트는 짝수)

MOV R0,#0X001F80000 @ GOOD! 0x7E 을 18비트 반시계 회전으로 표현(18비트는 짝수)

이러한 경우 아래 예시와 같이 mov 명령어 대신 로드(ldr) 명령어를 이용하면 좋습니다.

ldr r0,=0X1FE

상수 표현의 제약 혹은 불편함? 은 32비트의 고정 명령 길이의 특징을 갖는 RISC 계열 프로세서인 ARM(Cortex-M)의 특징(단점)으로 받아들여야 하겠습니다.

4번 질문)

< mov r0, #80000000 명령어를 실행 결과 사진 >

CMP 명령어 이후 BLT BHI등으로 부호(signed, unsigned) 여부를 결정한다고 말씀해 주셨는데 mov r0, #80000000 명령어를 실행하고 레지스터 값을 보면 위 사진처럼 Decimal이 음수로 표시가 됩니다. SIGNED로 인식을 한 것 같은데 unsigned로 인식하게 해서 0x7fffffff(양수)값보다 더 큰 양수를 표현하고 싶으면 어떻게 해야할까요?

<ANS>

아래와 같이 예제를 만들어 보았습니다.

#if 1
	{
		/* actual initialization */
		volatile unsigned int a1=0xffffffff; // -1
		volatile int a2=0xffffffff; // -1

		printf("a1 는 양수인가요? %d\n", (a1 > 0) ? 1 : 0);
		printf("a2 는 양수인가요? %d\n", (a2 > 0) ? 1 : 0);
	}
#endif

위와 같은 테스트 코드를 실행한 결과는 아래와 같습니다.

HELLO, STM32

a1 는 양수인가요? 1

a2 는 양수인가요? 0

각각의 디버깅 중 디스어셈블 내용을 보시면 아래와 같습니다

0xffffffff 가 양수일까요? 음수일까요? 라는 것은 우리가 그 숫자를 바라보는 관점에 따라 결정되는 것을 잘 보여주고 있습니다.

임의의 숫자를 부호가 포함된 것으로 처리하고 싶을 때는 이렇게 하면 될 것이고

int a2=0xffffffff

임의의 숫자를 부호가 포함되지 않은 것으로 처리하고 싶을 때는 이런식으로 하는 것이죠

unsigned int a1=0xffffffff;

앞서의 제가 했던 답변에 부족함이 있어 이해하시는데 조금 어려움이 있으셨던 같습니다.

이번에는 좀 자세히 설명한다고 해보았는데, 이제는 궁금한 점이 해결되셨을까요?

잘 이해가 안되는 부분이 있다면 질문의 창은 항상 열려있습니다. 댓글 남겨주세요. ^^