0二、計算機組成原理相關知識

一、計算機組成原理知識地圖

　　圖中將計算機分紅四大部分：計算機的基本組成、計算機的指令和運算、處理器設計、已經存儲器和I/O設備

計算機的基本組成

　　將計算機的組成部分對應的馮諾依曼的系統結構中，也就是運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備這五大基本組件。除此以外還須要瞭解計算機的兩個核心指標：性能和功耗

計算機的指令和運算

　　指令這部分涉及到，所編寫的一行行代碼是怎麼在計算機裏面跑起來的，即程序是怎麼經過編譯器和彙編器，變成一條條機器指令這樣的編譯過程（即編譯原理），還須要知道咱們的操做系統是怎麼連接、裝載、執行這些程序的（即操做系統）。而這一條條的指令執行的控制過程，就是由計算機五大組件之一的控制器來控制的。

　　計算部分是從二進制和編碼開始，理解咱們的數據在計算機中的表示，以及是怎麼從數字短路層面，實現加法、乘法這些基本的運算功能。實現這些運算功能的ALU，也就是算數邏輯單元，就是計算機五大組件之一的運算器。這裏面有一個浮點數是很重要的一個知識點，掌握浮點數會讓咱們對數據的編碼、存儲和計算可以有一個從表到裏的深刻理解。

CPU的設計

CPU時鐘能夠用來構造寄存器和內存的鎖存器和觸發器，所以，CPU時鐘應該是學習CPU的前導知識。搞明白爲何須要CPU時鐘，以及寄存器和內存是用什麼樣的硬件組成的以後，能夠再來看看這個計算機的數據通了是如何構造出來的。

數據通路，其實就是鏈接整個運算器和控制器，並最終組成了CPU。而出於對性能和功耗的考慮，還有進一步理解和掌握面向流水線設計的CPU、數據和控制冒險，以及分支預測的相關技術。

CPU做爲控制器要和輸入輸出設備通訊，那麼咱們就須要知道異常和中斷發生的機制。還有指令的並行執行，看看如何直接在CPU層面，經過SIMD來支持並行計算。

存儲器原理

經過存儲器的層次結構做爲基礎的框架引導，須要掌握從上到下的CPU高速緩存、內存、SSD硬盤和機械硬盤的工做原理，他們之間的性能差別，以及實際應用中利用這些設備會遇到的挑戰。存儲器其實不少時候又扮演了輸入輸出設備的角色，因此須要進一步瞭解CPU和這些存儲器之間是如何進行通訊的，以及咱們最重視的性能問題是怎麼一回事，理解什麼是IO_WAIT，如何經過DMA來提高程序性能。

對於存儲器，不只須要它們能正常工做，還須要確保裏面的數據不能丟失。因而須要掌握是如何經過RAID、Erasure Code、ECC以及分佈式HDFS，這些不一樣的技術，來確保數據的完整性和訪問性能。

二、學習資料

入門書籍：《計算機是怎樣跑起來的》，《程序是怎樣跑起來的》；此外，寄存器、ALU這些電路怎麼回事，能夠看Coursera 上的北京大學免費公開課《Computer Organization》

深刻學習：《計算機組成與設計：硬件 / 軟件接口》和經典的《深刻理解計算機系統》，輔助的有《計算機組成：結構化方法》，《計算機體系結構：量化研究方法》。

三、課外資料

《編碼：隱匿在計算機軟硬件背後的語言》和《程序員的自我修養：連接、裝載和庫》是理解計算機硬件和操做系統層面代碼執行的優秀閱讀材料。