ARM 어셈블리 #10 - 스택 메모리(Stack Memory) 이해하기

오늘은 CPU가 임시 데이터를 다루기 위해 활용하는 스택 메모리(Stack Memory) 에 대해 알아보겠습니다. 앞선 포스팅들에서 살펴본 메모리 접근 명령의 응용법을 기반으로, 다음 포스팅에서 다룰 블록 단위 메모리 접근 명령(LDM, STM)을 이해하기 위한 기초 개념을 다집니다.

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임시데이터란?

프로그램 실행 중 일시적으로 생성되고 사라지는 데이터를 말합니다. 대표적으로 함수의 지역 변수(local variable), 매개변수(parameter), 그리고 함수 호출 시의 반환 주소(return address) 등이 이에 해당합니다. 이러한 데이터들은 프로그램 실행 내내 유지될 필요가 없기 때문에, 일정한 메모리 영역을 계속 차지하지 않아도 됩니다.

ARM 메모리 영역

임시 데이터도 결국 CPU가 연산하기 전에 메모리에 저장되어야 합니다.

일반적으로 메모리는 역할에 따라 여러 영역으로 구분됩니다.

코드 영역 (Code Segment): 실행 명령어가 저장되는 영역
데이터 영역 (Data Segment): 전역변수와 정적변수가 저장되는 영역
힙 영역 (Heap Segment): 동적으로 생성되는 데이터가 저장되는 영역
스택 영역 (Stack Segment): 함수 호출과 지역 변수가 저장되는 영역

이 중 코드 영역과 스택 영역은 필수적으로 정의되어야 하며, 이번 글에서는 스택 영역에 집중해 보겠습니다.

[AAPCS32] ARM 메모리 유형 — 그림 1. [AAPCS32] 6.2 Processes, Memory and the Stack의 메모리 영역 분류

스택이란?

스택(Stack)은 말 그대로 무언가를 “쌓는” 구조입니다. 데이터 구조의 일종으로, 컴퓨터 과학의 여러 분야에서 널리 활용됩니다.

스택 기본 동작: PUSH & POP

스택에는 데이터를 쌓는 동작(PUSH)과 꺼내는 동작(POP)이 있습니다.
PUSH는 데이터를 스택 위에 올리는 것이고, POP은 쌓인 데이터 중 가장 위의 데이터를 꺼내는 동작입니다.

스택 vs 큐

스택(Stack)은 쌓는 구조, 큐(Queue)는 줄 서는 구조로 비유할 수 있습니다.
두 구조 모두 선형 데이터 구조이지만, 데이터의 입출력 순서가 다릅니다.

스택(Stack): LIFO (Last In, First Out) — 나중에 들어온 데이터가 먼저 나옵니다.
큐(Queue): FIFO (First In, First Out) — 먼저 들어온 데이터가 먼저 나옵니다.

스택의 핵심은 가장 최근의 데이터부터 처리한다는 점입니다.
이 특성이 함수 호출과 지역 변수 관리에서 매우 유용하게 활용됩니다.

ARM 스택 메모리

스택 메모리는 메모리 공간 중 스택의 형태로 동작하는 영역을 말합니다.
ARM의 스택 메모리 영역은 지역 변수나 함수 인자 등 임시 데이터를 저장하기 위한 연속된 메모리 공간입니다.

ARM 스택 메모리 구조

ARM 아키텍처는 기본적으로 FD(Full Descending) 구조를 사용합니다.
즉, 스택이 주소가 감소하는 방향으로 확장되며, 스택 포인터(SP)는 마지막으로 저장된 데이터의 주소를 가리킵니다.

스택 메모리의 확장 방향과 SP 값 — 그림 2. FD 구조 스택의 확장 방향

참고: 스택 구조의 네 가지 유형

Full Stack: SP가 마지막으로 입력된 데이터의 주소를 가리킴

Empty Stack: SP가 비어 있는 영역의 주소를 가리킴

Descending Stack: 스택이 주소가 감소하는 방향으로 확장됨

Ascending Stack: 스택이 주소가 증가하는 방향으로 확장됨

따라서 FD 구조는 “주소가 감소하면서 데이터가 쌓이고, SP는 가장 최근 데이터(Full)를 가리키는” 형태입니다.

스택 포인터(SP)

스택 메모리도 결국 메모리이기 때문에 주소로 접근해야 합니다.
FD 구조에서는 마지막으로 PUSH된 데이터의 주소를 항상 추적해야 하므로, 이를 담당하는 전용 레지스터가 필요합니다.
이를 스택 포인터(Stack Pointer, SP) 라고 합니다.

ARMv4 아키텍처에서는 R13 레지스터가 SP로 사용됩니다.

LDR/STR을 활용한 PUSH & POP 구현

STR로 구현한 PUSH

PUSH 동작은 데이터를 스택에 추가하는 것입니다. 다음 두 단계로 이루어집니다.

SP 값을 4만큼 감소시킵니다.
현재 SP 위치에 값을 저장합니다.

  mov sp, #0x80000
  str r1, [sp, #-4]!

데이터가 스택의 상단에 쌓이므로, SP는 감소해야 합니다. ARM의 스택은 FD 구조를 사용하며, 워드(4바이트) 단위로 동작하기 때문에 4를 감소시킵니다.

LDR로 구현한 POP

POP은 스택의 최상단 데이터를 꺼내는 동작입니다. 다음 두 단계로 구성됩니다.

현재 SP가 가리키는 값을 불러옵니다.
SP 값을 4만큼 증가시킵니다.

  mov sp, #0x80000
  ldr r1, [sp], #4

FD 구조에서는 SP가 마지막 데이터의 주소를 가리키므로, 먼저 그 값을 읽은 뒤 SP를 증가시켜 다음 데이터로 이동합니다.

예제 코드와 디버깅

stack-push-pop.s

  .text
  .global _start
_start:
  mov sp, #0x80000
  mov r1, #0x1
  mov r2, #0x2
  mov r3, #0x3
  
  str r1, [sp, #-4]!
  str r2, [sp, #-4]!
  str r3, [sp, #-4]!
  
  ldr r0, [sp], #4
  ldr r0, [sp], #4
  ldr r0, [sp], #4
  
  b .

이 예제에서는 단순히 스택의 시작 주소를 0x80000으로 지정했습니다. 실제 시스템에서는 링커 스크립트 또는 커널 초기화 과정에서 SP의 초기값이 설정됩니다.

컴파일 & QEMU 실행

$ arm-none-eabi-gcc -nostdlib -Ttext=0x10000 -o stack-push-pop.elf stack-push-pop.s
$ qemu-system-arm -nographic -machine versatilepb -S -s -kernel stack-push-pop.elf

GDB 디버깅

$ gdb-multiarch stack-push-pop.elf

(gdb) target remote :1234    # GDB 서버 접속

# 스택 PUSH 상태 확인
(gdb) x/3w $sp
(gdb) i r r1 r2 r3
(gdb) i r sp                 # STR 실행 후 SP 확인

# 스택 POP 상태 확인
(gdb) i r r0
(gdb) x/3w $sp
(gdb) i r sp                 # LDR 실행 후 SP 확인

GDB 디스어셈블리에서 STR과 LDR 명령이 PUSH와 POP 명령으로 표시되는 모습 — 그림 3. GDB에서 `str`과 `ldr`명령이 자동으로 `push`와 `pop`으로 표시됨

마무리

이번 글에서는 스택의 개념과 ARM의 스택 메모리 구조 및 동작 방식을 함께 살펴보았습니다. 스택은 함수 호출과 지역 변수 관리에 핵심적인 역할을 담당합니다.

하지만 여러 데이터를 한 번에 저장하거나 복원해야 할 때, LDR과 STR만 사용하면 다음과 같이 비효율적인 코드가 됩니다.

  mov r1, #0x1
  mov r2, #0x2
  mov r3, #0x3
  
  str r1, [sp, #-4]!
  str r2, [sp, #-4]!
  str r3, [sp, #-4]!
  @ ...
  @ 저장하는 데이터의 개수만큼 str 명령을 반복해야 함

명령어가 많아질수록 CPU 파이프라인 효율이 떨어지게 됩니다. 이러한 비효율을 해결하기 위한 명령어가 바로 LDM(Load Multiple) 과 STM(Store Multiple) 입니다. 다음 포스팅에서는 이 두 명령어를 통해 블록 단위 메모리 접근을 효율적으로 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.