ARM 어셈블리 #8 - 오프셋(Offset)으로 메모리 주소 계산하기

메모리에 저장된 여러 데이터를 효율적으로 읽고 쓰기 위해서는 매번 주소를 계산하지 않아도 되는 방법이 필요합니다.
이번 글에서는 ARM 어셈블리의 오프셋(Offset) 주소 지정 방식을 살펴보며, LDR과 STR 명령어에서 주소 계산을 단 한 줄로 처리하는 방법을 이해해보겠습니다.

오프셋의 필요성

어셈블리에서 ldr r0, [r1]처럼 단순히 하나의 주소만을 참조하는 경우, 항상 동일한 메모리 주소에만 접근합니다.
하지만 배열이나 구조체처럼 연속된 메모리에 접근해야 한다면, 매번 add 명령으로 주소를 계산해야 하죠.

예를 들어 다음과 같은 코드가 있다고 가정해보겠습니다.

ldr r0, [r1]       @ 첫 번째 데이터 읽기
add r1, r1, #4     @ 다음 데이터 주소로 이동
ldr r2, [r1]       @ 두 번째 데이터 읽기

이 방법은 작동하지만, 매번 add 명령을 써야 하므로 번거롭습니다. 이 문제를 해결하기 위해 ARM은 오프셋(offset) 기능을 제공합니다. 즉, 주소 계산을 ldr/str 명령 안에서 함께 수행하는 것이죠.

ldr r0, [r1, #4]   @ r1 + 4 주소의 데이터를 바로 읽음

이렇게 하면 add 없이도 다음 데이터를 바로 읽을 수 있습니다. 명령어 수가 줄고, CPU가 계산하는 사이클도 감소하므로 성능도 개선됩니다.

바이트 주소와 int 배열 배치: base + offset — 바이트 단위 주소에서 `int`(4바이트) 배열은 인덱스가 1 늘 때마다 주소가 4 증가합니다.

오프셋을 활용한 주소 계산 원리

오프셋은 말 그대로 기준 주소(Base Register)로부터 얼마나 떨어져 있는지를 나타내는 값입니다. ARM에서는 이 오프셋을 베이스 레지스터에 더하거나 빼서 실제 메모리 주소를 계산합니다.

주소 = 베이스 레지스터 + 오프셋

오프셋은 다음 두 가지 형태로 지정할 수 있습니다.

즉시값(Immediate) — 상수 형태의 값 (#4, #8 등)
레지스터(Register) — 다른 레지스터의 값 (r2, r3 등)

예를 들어:

ldr r0, [r1, #8]    @ 주소 = r1 + 8
ldr r0, [r1, r2]    @ 주소 = r1 + r2

오프셋은 덧셈(+), 뺄셈(-) 모두 지원하며, 즉시값의 경우 12비트(0~4095) 범위를 가집니다.

세 가지 문법: 즉시값 / 레지스터 / 시프트 레지스터

ARM은 오프셋을 표현하기 위해 다음 세 가지 문법을 제공합니다.

1. 즉시값 오프셋 (Immediate Offset)

주소 계산 시 고정된 상수를 더합니다.

[Rn, #imm]

예시:

ldr r0, [r1, #12]   @ r1 + 12 주소의 데이터를 로드

2. 레지스터 오프셋 (Register Offset)

다른 레지스터의 값을 더합니다.

[Rn, Rm]

예시:

ldr r0, [r1, r2]      @ r1 + r2 주소의 데이터를 로드

3. 시프트 레지스터 오프셋 (Shifted Register Offset)

다른 레지스터를 시프트(shift)한 후 더합니다.

[Rn, Rm, Shift #n]

예시:

ldr r0, [r1, r2, lsl #2]  @ 주소 = r1 + (r2 << 2)

여기서 lsl #2는 ×4와 같은 의미입니다. int 자료형이 4바이트라면, 배열에서 한 요소를 건너뛸 때 정확히 맞는 크기죠.

예제 코드

다음 예제는 오프셋을 사용하여 메모리 주소를 계산하는 방법을 보여줍니다.

  ldr r1, =0x1000       @ 베이스 주소 (배열의 시작 주소라고 가정)
  ldr r2, =3            @ 인덱스 i = 3
  ldr r0, [r1, r2, lsl #2]  @ 주소 = 0x1000 + (3 << 2) = 0x100C
                            @ r0 = arr[3]의 값

이 예제는 배열 arr[i]의 동작과 동일합니다. lsl #2는 i * 4를 의미하며, 각 요소가 4바이트이기 때문에 정확히 다음 주소를 가리킵니다.

lsl #2로 i×4 스케일 — `lsl #2`는 인덱스 `i`를 4배로 스케일링하여 `int` 크기(4바이트)에 맞춥니다.

C언어 → 어셈블리 변환

C 코드에서 배열의 특정 요소를 읽을 때, 주소 계산은 자동으로 이루어집니다. 예를 들어 다음 C 코드를 보겠습니다.

int arr[4] = {10, 20, 30, 40};
int x = arr[2];

이 코드는 컴파일 시 다음과 같은 어셈블리로 변환됩니다.

ldr r1, =arr             @ r1 = &arr[0]
ldr r0, [r1, #8]         @ arr[2] → base + (2 * 4) = +8

또는 인덱스가 변수라면 다음과 같이 변환됩니다.

ldr r1, =arr
mov r2, r0               @ r2 = i
ldr r0, [r1, r2, lsl #2] @ arr[i] = *(base + i*4)

정리하자면:

배열의 각 요소는 4바이트 단위로 저장됩니다.
주소는 항상 “바이트 단위”로 계산되므로, 인덱스가 1 증가하면 주소는 +4 증가합니다.
ARM 어셈블리는 이를 LSL #2로 효율적으로 표현합니다.

마무리

이번 포스팅에서는 LDR과 STR 명령어에서 오프셋을 사용해 메모리 주소를 계산하는 방법을 배웠습니다.

오프셋을 활용하면 단 한 줄로 주소 계산 + 메모리 접근을 처리할 수 있습니다. 이제 배열이나 구조체처럼 연속된 메모리 데이터를 다룰 때 훨씬 효율적으로 코드를 작성할 수 있습니다.

다음 포스팅에서는 pre-index와 post-index 방식을 사용하여 주소를 자동으로 갱신하는 방법을 알아보겠습니다.