2.6 Abstraksjonsnivåer

Å beskrive noe uten å ta med detaljene i laget under.

En instruksjon som STA 04 beskriver hva som skal skje, uten å si noe om hvilke porter som slår inn eller hvilke spenninger som endres.

Gevinsten er at hvert lag kan tenkes på for seg: den som skriver et program, trenger ikke kunne transistorfysikk, og den som konstruerer en transistor, trenger ikke kjenne programmet.

Den faste feilslutningen: å tro at abstraksjon betyr at det underliggende laget ikke finnes eller ikke betyr noe. Det finnes, og det er derfor et program kan gå tregere enn ventet — for eksempel når mellomlageret bommer, slik du så i kap. 2.5.

Ett bestemt lag i beskrivelsen av maskinen, med sitt eget sett begreper.

Høyt nivå betyr fjernt fra fysikken og nær måten en oppgave beskrives på i ord. Lavt nivå betyr nær fysikken — nær ledninger, spenninger og elektroner.

Testen for å plassere et nytt begrep: spør hva det er bygd av. Er svaret et annet begrep i listen, ligger begrepet du vurderer, over det.

- Et register er bygd av porter → registeret ligger over portene.
- En port er bygd av transistorer → porten ligger over transistoren.

Den faste feilslutningen: å rangere etter hvor komplisert noe virker. Transistorfysikk er vanskelig, men transistoren er likevel et lavt nivå — den ligger nær det fysiske.

En logisk verdi er en avtale om hvordan en spenning skal leses: er spenningen over en gitt terskel, kaller vi det 1; er den under, kaller vi det 0.

Spenningen finnes uten avtalen. Verdien gjør det ikke.

Derfor ligger logiske verdier over volt i abstraksjonsstigen, selv om volt kan virke som det «større» og mer omfattende begrepet.

Dette er samme mønster som du så i kap. 1.3: bitmønsteret 10101100 er 172 eller −84 avhengig av tolkningen, og tolkningen ligger over mønsteret.

Den faste feilslutningen: å plassere volt over logiske verdier fordi «det fysiske er grunnlaget». Grunnlaget ligger nederst, ikke øverst.

Pipeline handler om hvordan instruksjoner organiseres i tid — at trinnene i flere instruksjoner overlapper.

Registeret er en komponent som denne organiseringen flytter verdier gjennom.

Spørsmålet «hva bruker hva?» avgjør: pipelinen bruker registrene, ikke motsatt. Det som bruker, ligger over det som brukes.

Dette er den plasseringen flest bommer på, fordi et register føles mer «håndfast» enn en organiseringsmåte — og håndfast forveksles lett med høyt nivå. Testen er ikke hvor konkret noe er, men hva som er bygd på hva.

Fra høyest til lavest:

1. instruksjon
2. pipeline
3. register
4. logiske porter / invertere
5. transistor
6. logiske verdier
7. volt

Dette er hele pensum i kapitlet. Skriv den opp i margen med én gang du ser en rangeringsoppgave — det tar femten sekunder og avgjør hele oppgaven.

Motsatt vei: volt, logiske verdier, transistor, porter, register, pipeline, instruksjon.

Er A bygd av B, ligger A over B i abstraksjonsstigen.

- Registeret er bygd av porter → registeret over portene.
- Porten er bygd av transistorer → porten over transistoren.
- Fulladderen er bygd av porter → fulladderen over portene.

Dette er den første av de to reglene som bestemmer hele rekkefølgen, og den avgjør nivå 1 til 5.

Er A en tolkning av B, ligger A over B.

En logisk verdi er en tolkning av en spenning: «over terskelen kaller vi det 1». Derfor ligger logiske verdier over volt.

Samme mønster som i kap. 1.3, der tallverdien 172 eller −84 er en tolkning av bitmønsteret 10101100 — og tolkningen ligger over mønsteret.

Dette er den andre av de to reglene, og den avgjør de to nederste nivåene.

Det høyeste nivået i stigen: en ordre til maskinen, som STA 04 eller BRZ 09.

Instruksjonen sier hva som skal skje, og ingenting om hvordan. Den nevner ikke porter, ikke transistorer, ikke spenninger.

Det er nettopp derfor den ligger øverst: den er den beskrivelsen som er lengst fra fysikken.

Nivå 2: hvordan instruksjonene organiseres i tid, med overlappende trinn.

Pipeline er en implementasjonsdetalj under instruksjonsnivået — den forteller hvordan ordrene faktisk gjennomføres — men den ligger over alle komponentene den bruker.

Dette er den plasseringen flest bommer på, fordi en organiseringsmåte føles mindre «virkelig» enn et register.

Nivå 3: de komponentene som holder tallene mens de behandles.

Programtelleren og instruksjonsregisteret hører hjemme her — de er registre.

Registeret er bygd av porter og ligger derfor over portnivået, men det brukes av pipelinen og ligger derfor under den.

Nivå 4: AND, OR, XOR, NAND, NOR, XNOR og NOT — byggeklossene alt regneverk er laget av.

Portene er bygd av transistorer og ligger derfor over transistornivået.

Sammensatte kretser som halvadder, fulladder og ALU er bygd av porter og ligger dermed over portnivået, men under registeret og pipelinen.

Nivå 5: den elektroniske bryteren som slipper strøm gjennom eller stenger, styrt av et tredje signal.

Transistoren er den fysiske komponenten portene bygges av. En moderne prosessor inneholder titalls milliarder av dem.

Den faste feilslutningen: å plassere transistoren høyt fordi transistorfysikk er vanskelig. Vanskelighetsgrad har ingenting med abstraksjonsnivå å gjøre.

Nivå 6: 0 og 1, altså «usant» og «sant» — navnene vi gir spenningsnivåene.

De ligger over volt fordi de er en tolkning, og under transistoren fordi transistoren er den fysiske komponenten som styres av dem.

At de ligger så lavt, overrasker mange: 0 og 1 føles som noe abstrakt. Men de er bare ett skritt fra spenningen, og alt annet i maskinen er bygd oppå dem.

Nivå 7, det laveste: den fysiske spenningen i ledningen, uten noen tolkning.

Her finnes ingen 0 og 1 — bare et måletall. Det er først når vi legger en terskel på det, at verdiene oppstår.

Volt ligger nederst fordi grunnlaget alltid ligger nederst i en abstraksjonsstige. Å plassere det øverst fordi «fysikken kommer først», er å forveksle grunnlag med toppnivå.

To spørsmål avgjør plasseringen av et begrep som ikke står i sjuerlisten:

1. Hva er dette bygd av? Er svaret et nivå i listen, ligger begrepet over det.
2. Hva bruker dette? Er svaret et nivå i listen, ligger begrepet over det.

Eksempler: en fulladder er bygd av porter → over nivå 4. En ALU er bygd av adderkretser → like under pipelinelaget. En kontrollenhet organiserer instruksjonstrinn → høyt, nær pipelinenivået.

En rangeringsoppgave bruker sjelden alle sju nivåene. Har settet fem elementer, skal svaret ha fem — ikke sju.

Arbeidsmåten: plasser hvert gitte element i sjuerlisten, hopp over de nivåene som ikke er representert, og les av rekkefølgen.

Den faste feilen er å legge til de manglende nivåene «for fullstendighetens skyld». Det er ikke det oppgaven ber om, og under negativ poenggiving koster hver ekstra plassering.

Rangeringsoppgaver ber enten om «høyest til lavest» eller «lavest til høyest». Listen er den samme; retningen er ikke.

Et helt snudd svar gir null poeng, selv om innholdet er riktig — og det er den vanligste måten å tape en ellers sikker oppgave på.

Regelen: les oppgaveteksten to ganger, og skriv retningen ned ved siden av listen din før du begynner å sortere.

Et lavere lag påvirker fortsatt det som skjer, selv om det er skjult.

Et program som hopper tilfeldig rundt i minnet, går tregere enn ett som leser i rekkefølge — og programmereren ser aldri mellomlageret som forklarer det. Regningen i kap. 2.5 viser hvor mye det utgjør.

Påstanden «abstraksjon betyr at det underliggende laget ikke påvirker ytelsen» er derfor usann, selv om den beskriver et ideal som høres riktig ut.

Hvor krevende et nivå er å forstå, sier ingenting om hvor det ligger i stigen.

Transistorfysikk er blant det vanskeligste i faget, og transistoren ligger likevel på nivå 5 av 7. Instruksjonen STA 04 er det letteste å forstå, og den ligger øverst.

De to reglene som faktisk bestemmer rekkefølgen, er byggeregelen og tolkningsregelen. Ingen annen intuisjon skal brukes.

Nesten alle feil i sjangeren skjer i ett av disse to nabo-parene: