スタックと割り込み ―― プログラムが動く仕組みを知ろう

大山将城

tag: 組み込み

技術解説 2008年7月23日

ここでは,C言語で開発したプログラムがシステム上で動く際に必要な,「スタック」と「割り込み」と呼ばれる仕組みについて説明する.「スタック」は関数の作業領域としてメモリの一部を利用する仕組みである.「割り込み」は実行の流れを切り替えるための仕組みである.どちらもC言語の文法ではないが,プログラムが動く仕組みを知っておくと,特にデバッグで役に立つ. (筆者)

 本稿では,スタックと割り込みの概念や動作原理について説明します.スタックと割り込みは,Cプログラムの文法上は見えないにもかかわらず,プログラム実行の上で重要な役割を果たしています.

1.プログラムの実行の流れを知ろう

 ここでは,順次実行,分岐,関数呼び出しという3種類のC言語プログラムを例に,プログラムの実行の流れを見ていきます.まずは,順次実行と分岐について,C言語ソース・レベル,およびメモリ上の動作レベルで見ていきましょう.

● 順次実行

 リスト1にmain関数のみで作成したプログラムを示します.内容は,処理Aと処理Bで構成されています.このプログラムを実行したとき,実行の流れは,処理A→処理Bです.



void main()
{
    /* 処理A */
    /* 処理B */
}

リスト1 main関数のみのプログラム

● 分岐

 リスト2にif文を含むプログラムを示します.ここでは,引き数chの値によってローカル変数resultに代入する値を変え,最後はresultを戻り値として関数を終了します.このプログラムを実行したとき,実行の流れは以下のようになります.

  • if文の条件「ch=='A'」が真なら,"result = 1;" →"return result;"
  • if文の条件「ch=='A'」が偽なら,"result = 2;" →"return result;"

 for文,while文,do~while文は,繰り返しが加わる以外はif文と同じです.switch文も,if~elseの組み合わせと考えれば,if文と同じです.



int FuncA( char ch )
{
    int result;
    if(ch == 'A'){
      result = 1;
    }
    else{
      result = 2;
    }
return result;
}

リスト2 if文を含むプログラム

● 実行の鍵を握るプログラム・カウンタ

 以上が,C言語のソース・レベルでのプログラム実行の流れです.では,CPUはこれをどのように実行するのでしょうか.
 C言語で記述したプログラムは,コンパイラによってCPUが理解できる機械語に翻訳されます(リスト3).機械語をもう少し人間に分かりやすく表現したものがアセンブリ言語です(リスト4)



Address 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
0x0000 :                                    40 0E 00 00 21 2E 00 00
0x0010 : 40 0E 00 01 21 26 0C 61 C5 21 40 0E 00 01 21 1E
0x0020 : 0C E3 40 0E 00 01 21 F6 00 E0 20 A6 FF 00 40 0E
0x0030 : 01 00 21 AE FF FF 40 0E 00 01 21 6E 0C E1 40 0E
0x0040 : 00 01 21 66 0C E1 EC 69 E9 05 6D 07 01 00 44 6A
0x0050 : EC 69 C1 FD 40 0E 00 01 21 6E 0C E1 40 0E 00 01
0x0060 : 21 66 0C E3 EC 69 E9 05 6D 07 01 00 44 6A EC 69
0x0070 : C1 FD 44 0E FF FF 21 37 F5 7F 44 0E FF FF 21 3E
0x0080 : F8 7F 80 FF 4A 00 E0 07 20 01 00 00 C5 1D 63 37
0x0090 : 09 00 03 57 08 00 20 0E 41 00 E1 51 DA 05 01 5A
0x00a0 : 63 5F 01 00 C5 05 02 62 63 67 01 00 23 6F 01 00
0x00b0 : 63 6F 05 00 95 05 23 57 05 00 23 FF 0D 00 03 1E
0x00c0 : 10 00 7F 00 50 1A 63 FF 0D 00 A5 E5 95 0D 20 36
0x00d0 : 41 00 BF FF BA FF 23 FF 01 00 44 1A 7F 00 5C 1A
0x00e0 : 63 FF 01 00 D5 F5

リスト3 リスト2をコンパイルした結果の機械語プログラム



_FuncA:
  add -.S2, sp
  st.w lp, -4+.F2[sp]
  st.w r6, .R2[sp]
  ld.b .R2[sp], r10
  cmp 65, r10
  jne .L12
  mov 1, r11
  st.w r11, -8+.A2[sp]
  jbr .L17
.L12:
  mov 2, r12
  st.w r12, -8+.A2[sp]
.L17:
  ld.w -8+.A2[sp], r13
  st.w r13, -4+.A2[sp]
  ld.w -4+.A2[sp], r10
  ld.w -4+.F2[sp], lp
  add .S2, sp
  

リスト4 リスト3と等価のアセンブリ言語(V850の例)

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