抽象层次与接口契约¶

动机：复杂性必须被切开¶

数十亿晶体管不可能由应用程序员逐个控制。工程上的办法不是消灭复杂性，而是建立边界：上层只依赖下层承诺的行为，下层可以在不破坏承诺的前提下更换实现。这就是抽象。

常见层次可以写成：

应用与算法
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高级语言、编译器、操作系统
  ↓
指令系统结构 ISA
  ↓
微体系结构：数据通路、控制、流水线、cache
  ↓
数字逻辑：门、组合电路、时序电路
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器件与工艺：晶体管、连线、存储单元

箭头不是单向“翻译”。异常从硬件向操作系统报告，性能计数器向软件暴露微体系结构现象，编译器也会依据流水线和 cache 特性安排代码。

接口说明使用者可依赖什么，实现说明承诺怎样兑现。以加法指令为例，ISA 会规定操作数来自哪些寄存器、结果截断到多少位、程序计数器如何变化；它通常不规定这次加法由一拍完成、分成多级流水，还是与其他指令乱序重叠。

这带来两个好处：

代价是接口一旦广泛部署就很难修改。历史兼容性会让旧指令、旧异常行为和旧地址模式长期存在。

假设 x 和 z 位于内存，编译器生成简化指令：

lw   x5, 0(x10)   # x5 <- Mem[x10]
addi x5, x5, 1
sw   x5, 4(x10)   # Mem[x10 + 4] <- x5

各层分别做什么？

这个例子“麻雀虽小，五脏俱全”：有指令、有状态、有计算、有访存，也有潜在的流水线相关和 cache miss。第 8 章会把它展开成逐周期路径。

程序正确性关注架构状态：通用寄存器、程序计数器、内存和体系结构定义的控制状态。处理器内部还有预测表、流水寄存器、重排序缓冲区等微体系结构状态。发生分支预测错误时，瞬时状态可以被清空，但已经提交的架构状态不能被错误路径污染。

这一区分与数据库事务很像：内部可以投机执行，但“提交”前不能让外界观察到不一致结果。

抽象保证功能语义，不必保证恒定性能。数组按行访问和按列访问在语言层等价，却可能因 cache 局部性产生巨大差别；浮点加法满足 IEEE 754 语义，却不满足实数加法的结合律。安全领域中的侧信道更直接利用了时间、cache 或功耗这些原本未写进功能接口的信号。

因此更准确的直觉是：抽象建立可依赖的最低契约，而不是让下层永远不可见。