(cache) セグメント・call・ret

■　セグメント・call・ret　■

前回はスタック領域とその動作について説明しました。

スタック領域というのはメモリ上にあり、「積み重ねるように
して」データを格納する場所の事を言うのでした。
「スタック領域の１番上」の事を「スタックポインタ」と呼び、
「スタックポインタ」は「ESP」レジスタに格納されている事
も説明しました。
また「ESP」レジスタの値（スタックポインタ）は、スタック
領域にデータを格納する命令「push」やスタック領域からデー
タを取り出す命令「pop」を使用する事により、自動的に加減
算される事も説明しました。

「pop」命令と「push」命令の動作イメージをもう１度見てみ
ましょう。

◆ｐｏｐ　ｅｂｘの動作イメージ

　１．スタック領域からデータを取り出す

　　　　　　　　　　　　　レジスタEBX
　　　　　　　　　　　　┌──────┐
　　　ｐｏｐ　ｅｂｘ┌→│　　５　　　│
　　　　　　　　　　│　└──────┘
　　　　　　　　　　│
　スタック領域│　　│　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　５　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　４　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　３　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　２　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　１　　　│
　　　　　　　└──────┘

　２．ESP（スタックポインタ）レジスタに４加算

　　　　　　　　レジスタESP
　　　　　　　┌──────┐
　　　　　　　│　　　　　　│←──「＋４」
　　　　　　　└──────┘

「pop ebx」という命令を使用する事により、スタック領域か
らデータを取り出した後に自動的に「ESP」レジスタが４加算
されています。
「EBX」レジスタは４バイトの大きさがあるので４加算される
のでした。

今度は「push」命令の例を見てみましょう。

◆ｐｕｓｈ　５の動作イメージ

　１．ESP（スタックポインタ）レジスタから４減算

　　　　　　　　レジスタESP
　　　　　　　┌──────┐
　　　　　　　│　　　　　　│←──「－４」
　　　　　　　└──────┘

　２．スタック領域にデータを格納

　　ｐｕｓｈ　５─┐
　　　　　　　　　│
　　　　　　　　　│
　スタック領域│　↓　　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　５　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　４　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　３　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　２　　　│
　　　　　　　├──────┤
　　　　　　　│　　１　　　│
　　　　　　　└──────┘

「push」命令ではスタック領域にデータを格納する前に「ESP」
レジスタが減算されています。

これらの動作が行なわれる事により「ESP」レジスタは常にス
タック領域の１番上を示す事が出来るのでした。

前回の説明で関数にパラメータを渡す事が出来るようになった
ので、今回は関数を「呼出す」事について説明したいと思いま
す。

いきなり答えから言うと、インテルプロセッサで関数を呼出す
為には「call」という命令を使用します。

例えば、「sub」という関数を呼出すには

call near ptr sub

と書きます。

間に「near ptr」という記述があります。

call near ptr sub
　　 ~~~~ ~~~
　　　↑
　　ニア・ポインタと読みます。

これが付いていると、「subという関数は近くにありますよ。」
という意味になります。

「近くってどこ？」という事になると思うので説明します。

皆さんが使用しているパソコンの中には１２８メガ、２５６メ
ガ、５１２メガ等、環境によりさまざまだと思いますが、必ず
メモリが搭載されているはずです。

このメモリの中で、例えばここからここまではプログラムの実
行コードを格納する場所。ここからここまではデータを格納す
る場所、等と「領域」が決められています。

以下にメモリイメージの例を示します。

　　　　　　　　　　　メモリ
　　　　　┌　┌──────────┐
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　├──────────┤
　　　　　│　│プログラム実行コード│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　├──────────┤
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
２５６メガ│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　├──────────┤
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　データ　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　├──────────┤
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　│　│　　　　　　　　　　│
　　　　　└　└──────────┘

上の例は全メモリサイズが２５６メガバイトですが、あくまで
１例です。環境によっては１２８メガだったり５１２メガだっ
たりする場合もあると思います。

また、プログラム実行コードが格納されている領域だけを見て
みても、ここからここまではアプリケーションＡのプログラム
実行コードを格納する場所。ここからここまではアプリケーシ
ョンＢのプログラム実行コードを格納する場所。等と領域が分
けられています。

以下にプログラム実行コード部が更にいくつかの領域に分かれ
ているイメージを示します。

　　　　　　プログラム実行コード格納領域
　　　　　　　┌──────────┐
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│アプリケーションＡ　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　├──────────┤
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│アプリケーションＢ　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　├──────────┤
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　└──────────┘

このようにメモリは複数の「領域」に分けられているのですが、
この「領域」の事を「セグメント」と言います。

インテルプロセッサは「セグメント単位に」保護をかけます。

例えば、アプリケーションＡのプログラム実行コードから、ア
プリケーションＢの関数を呼出す事は基本的に出来ません。

　　　　　　プログラム実行コード格納領域
　　　　　　　┌──────────┐
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│アプリケーションＡ　├──┐
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│　　│
　　　　　　　├──────────┤　　×CALL NG
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│　　│
　　　　　　　│アプリケーションＢ　│←─┘
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　├──────────┤
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　└──────────┘

何故かというと、「セグメント」単位にインテルプロセッサに
より保護がかけられているからです。

同一セグメントの関数を呼出す事はいつでも好きな時に出来ま
す。

　　　　　　プログラム実行コード格納領域
　　　　　　　┌──────────┐
　　　　　　　│　　　　　　　　　　├──┐
　　　　　　　│アプリケーションＡ　│　　│CALL OK
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│←─┘
　　　　　　　├──────────┤
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│アプリケーションＢ　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　├──────────┤
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　│　　　　　　　　　　│
　　　　　　　└──────────┘

そしてこの「同一セグメント」内の関数呼出しを行う時に「近
くにありますよ。」という意味の「near ptr」という記述をし
てあげます。

call near ptr sub
　　 ~~~~ ~~~

このようにsubという関数は近く（同一セグメント）にありま
すよ、というのをプロセッサに教えてあげているのです。

少し分かりにくいかもしれませんが、メモリというのは複数の
領域（セグメント）に分けられており、プロセッサはセグメン
ト単位に保護をかけているのだという事だけ覚えておきましょ
う。

以下に「call」命令を使用して関数を呼出しているイメージを
示します。

┌──────────────────────────┐
│　　　　　　アプリケーションソフトウェア　　　　　　│
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└───┬──────────────────────┘
　　　　│　呼出し
　　　　│call near ptr sub ┌────────┐
　　　　├────────→│　ｓｕｂ関数　　│
　　　　│　　　　　　　　　│　　　　　　　　│
　　　　│　　　　　　　　　└────────┘

上のイメージでは「ｓｕｂ」という関数を呼出しています。

この「ｓｕｂ」関数ですが、処理が終わった後に元の場所に戻
らなければなりません。

以下にｓｕｂ関数が処理を終わって、元の場所に戻っているイ
メージを示します。

┌──────────────────────────┐
│　　　　　　アプリケーションソフトウェア　　　　　　│
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└───┬──────────────────────┘
　　　　│　呼出し
　　　　│call near ptr sub ┌────────┐
　　　　├────────→│　ｓｕｂ関数　　│
　　　　│←──┐　　　　　│　　　　　　　　│
　　　　│　　　│　　　　　└───┬────┘
　　　　│　　　│　　　　　　　　　│
　　続きの処理　│　　　　　　┌──┴──┐
　　　　・　　　│　　　　　　│　処理　　│
　　　　・　　　│　　　　　　└──┬──┘
　　　　・　　　│　呼出し元へ戻る　│
　　　　　　　　└─────────┘

上のイメージで、「呼出し元へ戻る」というのがありますが、
これもアセンブラ言語の命令です。

この「呼出し元へ戻る」というのをアセンブラ言語で表すと、
「ret」となります。
「ret」とは、return（戻る）の略です。

ここで皆さん注目して頂きたいのですが、「呼出し元へ戻る」
の「呼出し元」ってどこなのでしょうか？

ｓｕｂという関数は、さまざまな場所から呼出される可能性が
あります。

例えばアプリケーションソフトウェアの１番最初にｓｕｂ関数
が呼出されたとすると、「ret」命令により、１番最初の方に
処理が戻ります。
また、例えばアプリケーションソフトウェアの１番「最後」に
ｓｕｂ関数が呼出されたとすると、「ret」命令により、１番
「最後」の方に処理が戻ります。

この様に１口に「呼出し元」と言っても、その時々によってさ
まざまな場所を示すのです。

以下にアプリケーションソフトウェアの１番最初の処理でｓｕ
ｂ関数を呼出しているイメージを示します。

┌──────────────────────────┐
│　　　　　　アプリケーションソフトウェア　　　　　　│
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└───┬──────────────────────┘
　　　　│　呼出し
１番最初│call near ptr sub ┌────────┐
　　　　├────────→│　ｓｕｂ関数　　│
　　　　│←──┐　　　　　│　　　　　　　　│
　　　　│　　　│　　　　　└───┬────┘
　　　　│　　　│　　　　　　　　　│
　　続きの処理　│　　　　　　┌──┴──┐
　　　　・　　　│　　　　　　│　処理　　│
　　　　・　　　│　　　　　　└──┬──┘
　　　　・　　　│　１番最初に戻る　│ret命令
　　　　　　　　└─────────┘

「呼出し元」が１番最初の方にあるのでｓｕｂ関数の処理が
終了したら１番最初に戻っています。
この「１番最初に戻る」というのをアセンブラ言語で書くと

ret

という、たったこれだけの記述になります。

今度は、アプリケーションソフトウェアの１番最後の方でｓｕ
ｂ関数を呼出しているイメージを示します。

┌──────────────────────────┐
│　　　　　　アプリケーションソフトウェア　　　　　　│
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└───┬──────────────────────┘
　　　　│
　　　　│　　　　　　　　　┌────────┐
　　　　│　　　　　　┌─→│　ｓｕｂ関数　　│
　　　　│　　　　　　│　　│　　　　　　　　│
　　　　│　　　　　　│　　└───┬────┘
　　　　│　　　　　　│　　　　　　│
　　　　│　　　　　　└──┐┌──┴──┐
　　　　│　　　　　　　　　││　処理　　│
　　　　│　　　　　　　　　│└──┬──┘
　　　　│　　　　　　　　　│　　　│ret命令
　　　　│　　　　　　　　　│　　　│
　　　　│　　　　　　　　　│　　　│
　　　　│　　　　　　　　　│　　　│
　　　　│　　　　　　　　　│　　　│
　　　　│　呼出し　　　　　│　　　│
１番最後│call near ptr sub │　　　│
　　　　├─────────┘　　　│
　　　　│←────────────┘
　　処理終了　　　　１番最後に戻る

「呼出し元」が１番最後の方にあるのでｓｕｂ関数の処理が
終了したら１番最後に戻っています。
この「１番最後に戻る」というのをアセンブラ言語で書くと

ret

という、たったこれだけの記述になります。

さて、「１番最初」に戻るのも、「１番最後」に戻るのも、ア
センブラ言語で書くと

ret

という、たったこれだけの記述になってしまいました。

何故、全く同じ命令なのに戻る場所が異なるのでしょうか？

それは、関数を呼出す時にどこに戻れば良いかの情報をスタッ
ク領域に格納しているからです。

誰がスタック領域に格納してくれるのかと言うと、インテルプ
ロセッサが自動的に行なってくれます。

つまり関数を呼出す時には、同時にスタック領域に「どこに戻
れば良いか」の情報も「ハード的に」格納してくれるのです。

以下に「call」命令の動作イメージを示します。
先ほど見て頂いたイメージとは、「call」命令実行時と「ret」
命令実行時の記述にインテルプロセッサ（ハード）が行なう処
理の記述が追加されています。

┌──────────────────────────┐
│　　　　　　アプリケーションソフトウェア　　　　　　│
│　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　│
└───┬──────────────────────┘
　　　　│　呼出し　　　　　　　　　　　　　　　　　　スタック領域
１番最初│call near ptr sub　　　　　　　　　　　　　 ┌─────┐
　　　　├─────────────────────→│１番最初　│
　　　　│　　　　　　　　　┌────────┐　　　└─────┘
　　　　├────────→│　ｓｕｂ関数　　│
　　　　│←──┐　　　　　│　　　　　　　　│
　　　　│　　　│　　　　　└───┬────┘
　　　　│　　　│　　　　　　　　　│
　　続きの処理　│　　　　　　┌──┴──┐
　　　　・　　　│　　　　　　│　処理　　│
　　　　・　　　│　　　　　　└──┬──┘
　　　　・　　　│　　　　　　　　　│ret命令　　　　　スタック領域
　　　　・　　　│　　　　　　　　　│どこへ戻るか参照┌─────┐
　　　　　　　　│　１番最初に戻る　│←───────┤１番最初　│
　　　　　　　　└─────────┘　　　　　　　　└─────┘

call命令によりｓｕｂ関数が呼出される前に、スタック領域に
「どこに戻れば良いか」の情報が格納されています。
スタック領域への格納完了後にｓｕｂ関数に処理が移行されて
います。

「call」というたった１つの命令で、インテルプロセッサはこ
れらの事をハード的に行なってくれるのです。

そしてｓｕｂ関数の処理が完了したら「ret」命令によりスタ
ック領域が参照されています。
スタック領域から「どこへ戻れば良いか」の情報を参照後に、
呼出し元に処理が移行されています。

「ret」というたった１つの命令で、インテルプロセッサはこ
れらの事をハード的に行なってくれるのです。

今回は関数を呼出す時や元の処理に戻る時に何が行なわれるの
か説明しました。

次回は実際に関数を作ってみて、関数がどのように使われるの
か見てみようと思います。