X86NOP和FNOP指令有什么区别？

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  •  20-12-2019
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题

我在读 英特尔说明书 并且注意到有一个'NOP'指令在主CPU上什么都不做，还有一个'FNOP'指令在FPU上什么都不做。为什么有两个单独的指令什么都不做？

我看到的唯一不同的是他们抛出不同的异常，所以你可能会观察FNOP的异常来检测是否有可用的FPU。但是没有像CPUID这样的其他机制来检测这个吗？有什么实际的原因有两个单独的NOP指令？

有帮助吗？

解决方案

根据Raymond Chen和Hans Passant的评论，有两个单独的指令的历史原因，以及为什么它们不具有相同的效果。

两个指令都没有, NOP 和 FNOP, ，最初被设计为一个明确的无操作指令。该 NOP 指令实际上只是指令的别名 XCHG AX,AX.（或在32位模式下 XCHG EAX, EAX.）在早期的英特尔处理器上，它实际上并没有做任何事情。虽然它没有外部可见的效果，但在内部它就像一个 XCHG 指令，采取尽可能多的周期来执行。486年是第一个专门处理它的英特尔CPU，它可以执行一个 NOP 在1个周期，而它花了3个周期来执行任何其他寄存器到寄存器 XCHG 指示。

治疗方法 XCHG AX,AX 指令在现代英特尔处理器中特别变得非常重要。如果它实际上仍然与自己交换相同的寄存器，它可能会引入流水线摊位，如果附近的指令也使用 AX 登记。通过特别对待它，CPU最终不会想到 NOP 需要等待设置的前一条指令 AX 或者下面的指令需要等待 NOP.

这带来了这样一个事实，即有很多不同的指令什么也不做 XCHG AX,AX 是唯一一个是单个字节（作为 交换寄存器与累加器单字节 XCHG 编码).通常这些指令被用作连续的单个指令的替代品 NOP 指令，例如出于性能原因对齐循环的开始时。例如，如果你想要一个6字节的NOP，你可以使用 LEA EAX,[EAX + 00000000].英特尔最终添加了一个显式的多字节NOP指令。（好吧，与其说是正式记录了从奔腾专业版开始就在那里的指令，不如说是增加了多少。）但是只有单字节形式被特殊处理;如果附近的指令使用相同的寄存器，则多字节Nop将产生摊位。

当AMD为他们的Cpu添加64位支持时，他们甚至走得更远。 NOP 不再等同于 XCHG EAX,EAX 在64位模式下。英特尔指令集的一个问题是有很多指令只修改寄存器的一部分。例如 MOV BX,AX 只修改低16位的 EBX 留下上层16位未修改。这些部分修改使CPU很难避免停滞，因此AMD决定在64位模式下使用32位指令时防止这种情况发生。每当一个32位操作的结果存储在一个（64位）寄存器, 该值为零扩展到64位，以便整个寄存器被修改.这意味着 XCHG EAX,EAX 不再是一个NOP，因为它清除了 EAX （因此，如果你明确地写 XCHG EAX,EAX, ，它不能组装到0x90，必须使用 87 C0 编码）。在64位模式下 NOP 现在是一个明确的NOP，没有其他解释。

至于 FNOP 指令，在原来的8087上，它并不完全清楚FPU如何处理这个指令，但我很确定它也没有作为一个明确的无操作处理。至少有一本旧的英特尔手册， ASM86语言再读手册 does document as doing something with no effect（"将堆栈顶部存储到堆栈顶部"）。从它在操作码映射中的位置，它看起来像它可能是一个别名 FST ST 或 FLD ST, ，两者都会将堆栈的顶部复制到堆栈的顶部。然而，它确实得到了一些特殊的处理，它平均在13个周期内执行，而不是堆栈堆叠的平均18或20个周期 FST 或 FLD 分别进行指令。如果它被视为无操作指令，我希望它会更快，因为有许多8087指令可以在一半的时间内执行。

更重要的是 FNOP 指令的行为不同于 NOP 因为FPU指令过去是如何在英特尔处理器上实现的。CPU本身不支持浮点算术，而是将这些任务卸载到可选的浮点协处理器上，最初是8087。协处理器的一个优点是它与CPU并行执行指令。但是，这意味着CPU有时需要等待FPU完成操作。在给它另一条指令之前，CPU会自动等待它完成前一条指令的执行，但是程序需要显式等待（使用 WAIT 指令）之前，它可以读取协处理器写入内存的结果。

因为协处理器是并行工作的，这也意味着如果一个FPU指令产生了一个浮点异常，当它检测到这个异常时，CPU就已经开始执行下一个指令了。通常，当一条指令在CPU上产生异常时，它在该指令仍在执行时被处理，但是当一条FPU指令产生异常时，CPU已经通过将该指令交给FPU来完成执行该指令。CPU只在显式或隐式等待协处理器时收到通知，而不是中断CPU并异步传递浮点异常。

在现代处理器中，FPU不再是协处理器，而是CPU的一个组成部分。这意味着程序不再需要等待FPU将值写入内存。但是FPU异常的处理方式没有改变。（事实证明，立即提供异常很难在现代Cpu上实现，所以他们利用了一个不必这样做的情况。）所以，如果以前的FPU指令产生了一个未传递的浮点异常，一个 NOP 离开异常未送达，而 FNOP, ，因为它是一个FPU指令，会做一个隐式的"等待"，导致浮点异常被传递。

此示例演示了差异:

FLD1       ; push 1.0 onto the FPU stack
FLDZ       ; push 0.0
FDIV       ; divide 1.0 by 0.0
NOP        ; does nothing
NOP        ; does nothing
FNOP       ; signals a FP zero-divide exception and then does nothing
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