Perché le maschere di bit sono chiamate "maschere" e quale scopo servono?

Perché le "maschere di bit" si chiamano così?

So che sono principalmente usati per operazioni bit per bit e l'uso di maschere di bit è più efficiente dell'uso di variabili separate.

Tuttavia la mia domanda è: perché e quando sono state inventate le maschere? Sono stati usati sin dai primi tempi dell'informatica? Esistono altri tipi di "maschere" oltre alle maschere di bit nel dominio IT?

Una maschera (della varietà facciale) è qualcosa che copre alcune parti del tuo viso e lascia trasparire altre parti. La terminologia viene utilizzata per analogia nell'informatica: una maschera di bit copre (filtra) alcuni bit in un set di bit e consente ad altri di passare.

Esistono altri tipi di "maschere" oltre alle maschere di bit nel dominio IT?

Appena al di sopra della mia testa, le maschere vengono utilizzate frequentemente nell'elaborazione delle immagini. È un concetto simile: si crea un'immagine in bianco e nero che mostra la forma di cosa mascherare e cosa lasciar passare.

Una maschera bit viene utilizzata per mascherare alcuni bit di un campo bit mentre ne espone altri:

initial value: 011011001
bit mask.....: 111110000
result value.: 011010000

Questo è stato usato prima dell'elaborazione in elettronica con porte logiche (AND, OR ...) o transistor o in elettromeccanica con relè.

Le maschere di bit sono terribilmente vecchie. Non sono stato in grado di trovare un riferimento al primo, ma erano sicuramente popolari con l'avvento dei processori a 8 bit e probabilmente sono stati utilizzati anche nei processori a 4 bit.

L'idea alla base delle maschere di bit è sfruttare il parallelismo bit a bit. Un computer a 8 bit può eseguire la stessa operazione bit per bit a 8 bit contemporaneamente se sono impacchettati in una singola parola nativa (il che significa che si adatta a un registro).

Il nome deriva dal mascheramento, che è un approccio generale per coprire le aree con cui non si desidera interagire. Ad esempio, considera questo stencil per mascherare le aree di un muro (lo stencil è stato spostato dopo la pittura per mostrare il motivo)

Le maschere vengono utilizzate anche in fotografia, dove vanno con il termine "schivare" anziché "stencil". È possibile utilizzare una maschera per oscurare parte della luce durante la stampa per schiarire un'area.

Il termine è anche usato direttamente nella fotolitografia, che è la tecnica utilizzata per realizzare circuiti integrati. La maschera impedisce alla luce di raggiungere il fotoresist dipinto sul chip, il che crea motivi che in seguito conducono ai motivi di rivestimento sul chip. (L'immagine sotto è una delle maschere per il processore Intel 8080A , se sei curioso)

Allo stesso modo, nel bit masking, stai selezionando le parti della parola su cui vuoi operare, mascherando tutto il resto dei bit. Nell'esempio seguente, utilizzo l'operazione "e" per mascherare l'ingresso in modo tale che solo il 3 °, 4 ° e 8 ° bit vengano visualizzati. Il resto è "mascherato" in modo che siano 0. La maschera che uso è 00110001. Lo mostro di seguito con #rappresentare 0 e .rappresentare 1 perché ciò rende l'aspetto visivo della maschera di bit simile a quello delle maschere fisiche sopra e mostra una riga di "bit selezionati" che mostra i bit dell'output che non sono stati mascherati ( "bit selezionati" non è in realtà un'operazione logica che si verifica ... il processore passa proprio dall'input AND maschera all'output in un solo passaggio, ma penso che chiarisca l'immagine visiva)

Input          10010111
Mask           ##..###.  (aka 00110001)
-----------------------
(selected)       01   1
Input AND Mask 00010001

Come ho già detto, il bitmasking è terribilmente vecchio perché aumenta notevolmente la produttività del processore. Su un processore a 4 bit, può rendere il processore 4x più veloce. Su un processo a 8 bit, oppure può renderlo 8 volte più veloce (ovviamente solo sulle operazioni bit a bit).

Un uso affascinante per questo sono i motori di scacchi. La scacchiera ha 64 quadrati. I motori moderni hanno numeri interi a 64 bit. Questo è un po 'di fortuna terribilmente conveniente, quindi i motori di scacchi spesso lo sfruttano. Hanno i cosiddetti " bitboard " che contengono le posizioni dei pezzi. Ciò ti consente di eseguire tutti i tipi di ottimizzazioni, come la ricerca di tutte le mosse del pedone in un unico passaggio.

Nel suo uso più generale in inglese, una maschera è un dispositivo che nasconde qualcosa. La serigrafia è citata in un'altra risposta. Il nastro adesivo 'maschera' qualcosa per evitare di dipingerlo, ecc. La Maschera per saldatura su una scheda PC 'maschera' l'area da saldare dall'area da non saldare.

Nel caso del "mascheramento dei bit", alcuni bit vengono "nascosti" o ignorati in modo che altri più interessanti possano essere più facilmente manipolati o semplicemente visualizzati.

Il mascheramento dei bit non è semplicemente una tecnica "vecchia", è un'operazione primitiva nella maggior parte, se non in tutte le istruzioni della macchina, per quanto ne so dai primi processori. In genere questo è nella forma di "usa il modello di bit in questo registro per mascherare i bit in qualche altro registro".

Una maschera bit è simile alla stampa serigrafica . Si seleziona una determinata posizione di bit da assumere nel risultato:

source value = 42 -> 00101010b
mask = 51 -> 00110011b
result 42&51 = 00100010b -> 34

Un altro significato di maschera è una pagina in un'interfaccia utente grafica in cui l'utente può inserire dati.

Le maschere di bit sono state inventate per un paio di motivi:

• I registri hardware sono stati mappati su un insieme contiguo di bit
• Lo spazio di memoria era molto limitato in un passato non troppo lontano

Quando vedi come vedi il modello di bit che stai ORing per attivare un bit o ANDing per disattivare i bit, sembra una maschera.

La maschera più comune (basata su maschere di bit) è una maschera di immagine (vedere il link che ho incluso all'inizio).

Un altro tipo di maschera fisica nell'IT è il photomask litografico usato per incidere solo una parte di un wafer di silicio. Non era utilizzato per fabbricare i primi computer, ma chiunque lavorasse nel settore negli ultimi cinquant'anni ne sarebbe stato al corrente.

Non so quando è apparso il termine esatto "maschera di bit", ma l'operazione stessa è solo un bit per bit, che è un'istruzione di base di ogni computer binario.