Зачем нам нужно «нет», т. Е. Нет инструкции по эксплуатации в микропроцессоре 8085?

В инструкции микропроцессора 8085 есть операция управления машиной "nop" (без операции). Мой вопрос: зачем нам операция? Я имею в виду, что если нам нужно завершить программу, мы будем использовать HLT или RST 3. Или, если мы хотим перейти к следующей инструкции, мы дадим следующие инструкции. Но почему нет операции? Какая в этом необходимость?

Одно из применений инструкций NOP (или NOOP без операций) в процессорах и микроконтроллерах заключается в вставке небольшой, предсказуемой задержки в ваш код. Несмотря на то, что NOP не выполняют никаких операций, их обработка занимает некоторое время (ЦП должен извлечь и декодировать код операции, поэтому для этого требуется немного времени). Всего 1 цикл ЦП «теряется» для выполнения инструкции NOP (точное число может быть выведено из таблицы данных CPU / MCU, как правило), поэтому размещение N NOP в последовательности - это простой способ вставить предсказуемую задержку:

$t_{delay} = N \cdot T_{clock} \cdot K$

где K - количество циклов (чаще всего 1), необходимое для обработки инструкции NOP, а - тактовый период.$T_{clock}$

Почему ты бы так поступил? Может быть полезно заставить ЦП немного подождать, пока внешние (возможно, более медленные) устройства завершат свою работу и сообщат данные ЦП, т.е. NOP полезен для целей синхронизации.

Смотрите также соответствующую страницу Википедии на NOP .

Другое использование - выравнивание кода по определенным адресам в памяти и другим «приемам сборки», как объяснено также в этом потоке на Programmers.SE и в этом другом потоке на StackOverflow .

Еще одна интересная статья на эту тему .

Эта ссылка на страницу книги Google особенно относится к 8085 CPU. Выдержка:

Каждая инструкция NOP использует четыре такта для выборки, декодирования и выполнения.

РЕДАКТИРОВАТЬ (для решения проблемы, выраженной в комментарии)

Если вы беспокоитесь о скорости, помните, что (время) эффективность - это только один параметр, который следует учитывать. Все зависит от приложения: если вы хотите вычислить 10-миллиардную цифру , возможно, вашей единственной заботой может быть скорость. С другой стороны, если вы хотите регистрировать данные от датчиков температуры , подключенных к MCU через АЦП, скорость обычно не столь важна, но в ожидании нужного количества времени , чтобы позволить АЦП правильно выполнить каждое чтение имеет важное значение . В этом случае, если MCU не ждет достаточно, он рискует получить совершенно ненадежные данные (я допускаю, что он получит эти данные быстрее , однако: o).$\pi$

Другие ответы касаются только NOP, который на самом деле выполняется в какой-то момент - он используется довольно часто, но это не единственное использование NOP.

Неисполнение NOP также очень полезно при написании кода , который может быть исправлен - в основном, вы будете подушечка функция с несколько НОПОМ после на RET(или аналогичной инструкции). Когда вам нужно пропатчить исполняемый файл, вы можете легко добавить больше кода в функцию, начиная с оригинала RETи используя столько NOP, сколько вам нужно (например, для длинных переходов или даже встроенного кода) и заканчивая другим RET.

В этом случае использования noöne никогда не ожидает NOPвыполнения. Единственное, что нужно, это разрешить исправление исполняемого файла - в теоретическом незаполненном исполняемом файле вам фактически нужно изменить код самой функции (иногда она может соответствовать исходным границам, но довольно часто вам все равно потребуется переход ) - это намного сложнее, особенно если учесть написанную вручную сборку или оптимизирующий компилятор; Вы должны уважать переходы и подобные конструкции, которые могли указывать на какой-то важный фрагмент кода. В общем, довольно сложно.

Конечно, это было гораздо интенсивнее использовать в старые времена, когда было полезно делать такие патчи, как эти маленькие и онлайн . Сегодня вы просто раздадите перекомпилированный бинарный файл и покончите с этим. Есть еще некоторые, кто использует исправления NOP (выполняются или нет, и не всегда буквальные NOPs - например, Windows использует MOV EDI, EDIдля оперативного исправления - это тот тип, где вы можете обновлять системную библиотеку, пока система фактически работает, без необходимости перезапусков).

Итак, последний вопрос: почему есть специальная инструкция для чего-то, что на самом деле ничего не делает?

• Это актуальная инструкция, важная при отладке или сборке кода вручную. Инструкции вроде MOV AX, AXбудут делать то же самое, но не так ясно обозначают намерение.
• Заполнение - это «код», предназначенный только для улучшения общей производительности кода, который зависит от выравнивания. Это никогда не предназначалось для выполнения. Некоторые отладчики просто скрывают дополнительные NOP при их разборке.
• Это дает больше места для оптимизации компиляторов - по-прежнему используется шаблон, состоящий в том, что у вас есть два этапа компиляции, первый из которых довольно прост и производит много ненужного ассемблерного кода, а второй очищает, перезаписывает адресные ссылки и удаляет посторонние инструкции. Это часто встречается и в JIT-скомпилированных языках - как в .NET IL, так и в JVM-байт-коде NOPдостаточно много; у фактического скомпилированного ассемблерного кода таких больше нет. Следует отметить, что это не x86- NOPе.
• Это облегчает онлайн-отладку как для чтения (предварительно обнуленная память будет всем NOP, что облегчает чтение разборки), так и для оперативного исправления (хотя я на самом деле предпочитаю Edit и Continue в Visual Studio: P).

Для выполнения NOP, конечно, есть еще несколько моментов:

• Конечно, производительность - это не то, почему это было в 8085 году, но даже у 80486 уже было конвейерное выполнение команд, что делает «бездействие» немного хитрее.
• Как видно MOV EDI, EDI, есть и другие эффективные NOP, чем буквальные NOP. MOV EDI, EDIимеет лучшую производительность как 2-байтовый NOP на x86. Если вы использовали два NOPs, это будет две инструкции для выполнения.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

На самом деле, обсуждение с @DmitryGrigoryev заставило меня задуматься об этом немного больше, и я думаю, что это ценное дополнение к этому вопросу / ответу, поэтому позвольте мне добавить несколько дополнительных моментов:

Во-первых, очевидно, зачем нужна инструкция, которая делает что-то подобное mov ax, ax? Например, давайте рассмотрим случай машинного кода 8086 (старше, чем даже машинный код 386):

• Там есть специальная инструкция NOP с кодом операции 0x90. Это все еще время, когда многие люди писали на ассамблее. Таким образом, даже если бы не было специальной NOPинструкции, NOPключевое слово (псевдоним / мнемоника) все равно было бы полезно и соответствовало бы этому.
• Такие инструкции, как на MOVсамом деле, отображаются на множество различных кодов операций, потому что это экономит время и пространство - например, mov al, 42«переместить непосредственный байт в alрегистр», что означает 0xB02A( 0xB0код операции, 0x2Aявляющийся «немедленным» аргументом). Так что это занимает два байта.
• Там нет быстрого кода операции mov al, al(поскольку это глупо, в принципе), поэтому вам придется использовать mov al, rmbперегрузку (rmb - «регистр или память»). Это на самом деле занимает три байта. (хотя, вероятно, mov rb, rmbвместо этого он использовал бы менее конкретный , который должен занимать только два байта mov al, al- байт аргумента используется для указания как исходного, так и целевого регистра; теперь вы знаете, почему у 8086 было только 8 регистров: D). Сравните с NOP, который является однобайтовой инструкцией! Это экономит память и время, поскольку чтение памяти в 8086 все еще было довольно дорогим - не говоря уже о загрузке этой программы с ленты, с дискеты или чего-то другого, конечно.

Так откуда же xchg ax, axвзяться? Вам просто нужно посмотреть коды операций других xhcgинструкций. Вы увидите 0x86, 0x87и , наконец, 0x91- 0x97. Таким образом, nopэто 0x90выглядит довольно неплохо xchg ax, ax(что, опять же, не является xchg«перегрузкой» - вам придется использовать xchg rb, rmbдва байта). И на самом деле, я почти уверен, что это был хороший побочный эффект 0x90-0x97микроархитектуры того времени - если я правильно помню, было легко сопоставить весь диапазон с «xchg, действующим над регистрами axи ax- di» ( операнд был симметричным, это дало вам полный диапазон, включая nop xchg ax, ax; обратите внимание, что порядок ax, cx, dx, bx, sp, bp, si, di- bxпосле dx,ax; помните, что имена регистров являются мнемониками, а не упорядоченными именами - аккумулятор, счетчик, данные, база, указатель стека, указатель базы, указатель источника, указатель назначения). Тот же подход использовался и для других операндов, например, для mov someRegister, immediateмножества. В некотором смысле, вы можете думать об этом, как будто код операции на самом деле не был полным байтом - последние несколько битов являются «аргументом» для «настоящего» операнда.

Все это говорит о том, что на x86 nopможно считать настоящей инструкцией или нет. Оригинальная микроархитектура действительно рассматривала его как вариант, xchgесли я правильно помню, но на самом деле это было названо nopв спецификации. И поскольку в xchg ax, axдействительности это не имеет смысла в качестве инструкции, вы можете увидеть, как разработчики 8086 сэкономили на транзисторах и путях при декодировании команд, используя тот факт, что он 0x90естественным образом отображается на что-то, что является полностью «неопрятным».

С другой стороны, i8051 имеет полностью встроенный код операции для nop- 0x00. Вроде практично. Конструкция команды в основном использует высокий полубайт для операции и низкий полубайт для выбора операндов - например, add aесть 0x2Y, и 0xX8означает «прямой регистр 0», то 0x28есть add a, r0. Экономит много на силиконе :)

Я все еще мог бы продолжить, так как дизайн процессора (не говоря уже о дизайне компилятора и дизайне языка) является довольно широкой темой, но я думаю, что я показал много разных точек зрения, которые вошли в дизайн довольно хорошо, как есть.

Еще в конце 70-х у нас (тогда я был молодым студентом-исследователем) была небольшая система разработки (8080, если память служит), которая выполнялась в 1024 байтах кода (т. Е. В одном UVEPROM) - она ​​имела только четыре команды для загрузки (L ), сохранить (S), распечатать (P) и что-то еще, что я не могу вспомнить. Это было приведено в действие с настоящим телетайпом и лентой удара. Это было жестко закодировано!

Одним из примеров использования NOOP была процедура обработки прерываний (ISR), которые были разделены интервалами в 8 байт. Эта процедура оказалась длиной 9 байтов и закончилась (длинным) переходом к адресу чуть дальше по адресному пространству. Это означало, что с учетом порядка байтов с прямым порядком байтов старший байт адреса был 00h и вставлен в первый байт следующего ISR, что означало, что он (следующий ISR) начинался с NOOP, так что «мы» могли соответствовать код в ограниченном пространстве!

Так что NOOP полезен. Кроме того, я подозреваю, что для Intel было проще всего так его кодировать - у них, вероятно, был список инструкций, которые они хотели реализовать, и он начинался с «1», как и все списки (это были дни FORTRAN), поэтому ноль Код NOOP стал выпадать. (Я никогда не видел статью, в которой утверждается, что NOOP является неотъемлемой частью теории вычислительной науки (тот же вопрос, что и: есть ли у математиков ноль операций, в отличие от нуля теории групп?)

На некоторых архитектурах NOPиспользуется, чтобы занять неиспользуемые интервалы задержки . Например, если инструкция перехода не очищает конвейер, в любом случае выполняется несколько инструкций после него:

 JMP     .label
 MOV     R2, 1    ; these instructions start execution before the jump
 MOV     R2, 2    ; takes place so they still get executed

Но что, если у вас нет никаких полезных инструкций, чтобы соответствовать после JMP? В этом случае вам придется использовать NOPs.

Слоты задержки не ограничиваются прыжками. На некоторых архитектурах опасности данных в конвейере ЦП не разрешаются автоматически. Это означает, что после каждой инструкции, которая изменяет регистр, есть слот, в котором новое значение регистра еще не доступно. Если следующей инструкции нужно это значение, слот должен быть занят NOP:

 ADD     R1, R1
 NOP               ; The new value of R1 is not ready yet
 ADD     R1, R3

Кроме того, некоторые инструкции условного выполнения ( If-True-False и аналогичные) используют слоты для каждого условия, и когда конкретное условие не имеет действий, связанных с ним, его слот должен быть занят NOP:

CMP     R0, R1       ; Compare R0 and R1, setting flags
ITF     GT           ; If-True-False on GT flag 
MOV     R3, R2       ; If 'greater than', move R2 to R3
NOP                  ; Else, do nothing

Еще один пример использования двухбайтовой NOP: http://blogs.msdn.com/b/oldnewthing/archive/2011/09/21/10214405.aspx

Инструкция MOV EDI, EDI представляет собой двухбайтовую NOP, которой достаточно для вставки инструкции перехода, чтобы функция могла быть обновлена ​​на лету. Предполагается, что инструкция MOV EDI, EDI будет заменена двухбайтовой инструкцией JMP $ -5, чтобы перенаправить управление на пять байтов пространства исправлений, которое происходит непосредственно перед запуском функции. Для полной инструкции перехода достаточно пяти байтов, которые могут отправить управление функции замены, установленной где-то еще в адресном пространстве.