이번 글에서는 메모리에 저장된 여러 개의 워드를 한 번에 읽거나 저장할 수 있는 ARM 명령어 LDM과 STM에 대해 알아보겠습니다. 이전 포스팅에서 살펴본 LDR과 STR 명령은 한 번에 하나의 워드만 다룰 수 있었습니다.

하지만 배열이나 구조체처럼 연속된 메모리 영역을 다룰 때, 매번 LDR이나 STR을 반복해서 사용하는 것은 비효율적입니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 ARM은 메모리 블럭 단위로 데이터를 읽고 쓸 수 있는 LDM(Load Multiple)과 STM(Store Multiple) 명령을 제공합니다.

메모리 블럭

ARM 프로그래밍에서는 배열이나 구조체처럼 연속된 데이터를 한꺼번에 다루는 상황이 자주 발생합니다.
메모리 내부에서는 이러한 데이터들이 여러 개의 워드 단위로 연속해서 저장되어 있습니다.
이런 연속된 영역을 메모리 블럭(memory block) 이라고 부릅니다.

연속된 워드로 구성된 메모리 블럭
그림 1. 메모리 블럭은 연속된 워드들로 구성되어 있으며, 각 워드는 순차적으로 증가하는 주소를 가집니다.

메모리는 실제로는 선형 구조이지만, 이해를 돕기 위해 2차원 배열 형태로 표현하면 좀 더 직관적으로 볼 수 있습니다.
각 칸은 1워드(4바이트) 크기의 저장공간을 의미합니다.

이전 포스팅에서 설명드린 것처럼, 메모리는 16진수 주소를 사용해 한 워드 단위로 접근할 수 있습니다.

LDR/STR 사용 시의 비효율성

STR과 LDR 같은 단일 주소 접근 명령은 한 번에 하나의 워드만 읽거나 쓸 수 있습니다.

  mov r0, #0x8000
  mov r1, #0x1
  str r1, [r0]
단일 워드 접근 구조
그림 2. LDR/STR 명령은 메모리와 레지스터 간의 1:1 관계로 데이터를 전송합니다.

즉, Mem[address]와 Register의 관계는 워드 단위의 1:1 관계입니다. 주소를 오프셋(offset) 방식으로 조작할 수는 있지만, 여러 워드를 다루려면 결국 LDR과 STR 명령을 반복해야 합니다. 배열이나 구조체처럼 연속된 데이터를 다룰 때 이런 반복은 비효율적입니다.

LDM과 STM

ARM은 이러한 연속된 메모리 블럭을 효율적으로 다루기 위해 LDM과 STM 명령을 제공합니다.

  • LDM: 메모리 블럭에서 여러 레지스터로 데이터를 불러옵니다.
  • STM: 여러 레지스터의 값을 메모리 블럭에 저장합니다.
  ldm Rn, {registers}
  stm Rn, {registers}

여기서,
Rn은 접근할 메모리의 베이스 주소(base address) 입니다. {registers}는 ,로 구분된 레지스터 목록으로, 연속된 레지스터는 -를 사용해 표현합니다.

Rn을 시작 주소(start address)가 아니라 베이스 주소(base address) 라고 부릅니다. 실제 시작 주소는 이후에 설명드릴 주소 모드(addressing mode) 에 따라 달라집니다.

레지스터 목록 다루기

다음 세 가지 예시를 통해 여러 레지스터 목록을 어떻게 사용하는지 살펴보겠습니다.

아래 예시에서는 LDM만 사용했지만, STM 명령도 동일한 방식으로 동작합니다.
단지 STM은 반대 방향으로, 레지스터의 값을 메모리에 저장합니다.

예시 1) 0x8000 위치의 메모리에서 2개의 워드를 R1, R2에 저장할 때

  mov r0, #0x8000
  ldm r0, {r1, r2}
  • R1 ← Mem[0x8000]
  • R2 ← Mem[0x8004]
LDM 명령의 쉼표 구분 레지스터 목록
그림 3. ldm r0, {r1, r2} 명령은 연속된 두 워드를 각각 R1과 R2에 불러옵니다.

예시 2) 0x8000 위치의 메모리에서 4개의 워드를 R1~R4에 저장할 때

  mov r0, #0x8000
  ldm r0, {r1 - r4}
  • R1 ← Mem[0x8000]
  • R2 ← Mem[0x8004]
  • R3 ← Mem[0x8008]
  • R4 ← Mem[0x800C]
LDM 명령의 연속 레지스터 목록
그림 4. ldm r0, {r1-r4} 명령은 4개의 연속된 워드를 메모리에서 읽어 R1부터 R4까지 순서대로 저장합니다.

예시 3) 0x8000 위치의 메모리에서 R1, R2, R7에 저장할 때

  mov r0, #0x8000
  ldm r0, {r1 - r2, r7}
  • R1 ← Mem[0x8000]
  • R2 ← Mem[0x8004]
  • R7 ← Mem[0x8008]
LDM 명령의 복합 레지스터 목록
그림 5. ldm r0, {r1-r2, r7} 명령은 비연속적인 레지스터 목록을 지정해 사용할 수 있습니다.

메모리 주소 자동 업데이트

  ldm Rn!, {registers}
  stm Rn!, {registers}

베이스 레지스터 Rn 뒤에 !를 붙이면, 명령 실행 후 자동으로 다음 주소로 갱신됩니다.

  mov r0, #0x8000
  mov r1, #0x1
  mov r2, #0x2
  mov r3, #0x3
 
  stm r0!, {r1 - r3}
  @ r0 = r0 + (3 * 4) = 0x8000 + 0xC = 0x800C

즉, 한 번의 명령으로 여러 데이터를 저장하고 다음 메모리 위치로 자동 이동할 수 있습니다.

마무리

이번 글에서는 LDM과 STM의 기본 개념과 사용 방법을 먼저 살펴봤습니다. 다만, LDM과 STM에는 메모리 주소가 어떻게 증가하거나 감소하는지, 그리고 베이스 레지스터를 언제 포함할지 같은 동작을 제어하는 주소 모드(Addressing Mode) 라는 개념이 있습니다.

주소 모드는 스택 메모리와 함께 이해했을 때 훨씬 자연스럽기 때문에, 다음 글에서 스택 구조와 함께 자세히 설명드리겠습니다.
그러면 다음 글에서 스택과 주소 모드를 함께 정리해보겠습니다.