计算机组成原理知识地图

计算机的基本组成

• 五大基本组件：
  • 运算器
  • 控制器
  • 存储器
  • 输入设备
  • 输出设备
• 计算机的两个核心指标：性能和功耗。

计算机的指令和计算

• 控制器
  • 一条条指令执行的控制过程由控制器控制。
  • 程序是怎么通过编译器和汇编器，变成一条条机器指令这样的编译过程？
  • 操作系统是怎么链接、装载、执行程序的？
• 运算器
  • 从二进制和编码开始，理解数据在计算机里的表示，以及怎么从数字电路层面，实现加法、乘法这些基本的运算功能的。
  • 实现这些运算功能的ALU（Arithmetic Logic Unit/ALU），也就是算术逻辑单元。

CPU 的设计

• CPU 时钟可以用来构造寄存器和内存的锁存器和触发器。
  • 为什么需要 CPU 时钟（CPU Clock）？
  • 寄存器和内存是用什么样的硬件组成?
  • 整个计算机的数据通路是如何构造出来的？
• 数据通路，其实就是连接了整个运算器和控制器，并最终组成了 CPU。
  • 出于对于性能和功耗的考虑，要进一步理解和掌握面向流水线设计的 CPU、数据和控制冒险，以及分支预测的相关技术。
  • 既然 CPU 作为控制器要和输入输出设备通信，那么就要知道异常和中断发生的机制。
  • 如何直接在 CPU 层面，通过 SIMD 来支持并行计算?

存储器的原理

• 通过存储器的层次结构作为基础的框架引导，需要掌握从上到下的 CPU 高速缓存、内存、SSD 硬盘和机械硬盘的工作原理，它们之间的性能差异，以及实际应用中利用这些设备会遇到的挑战。
• 存储器其实很多时候又扮演了输入输出设备的角色，所以需要进一步了解，CPU 和这些存储器之间是如何进行通信的，以及性能问题是怎么一回事？
• 理解什么是 IO_WAIT，如何通过 DMA 来提升程序性能？
• 对于存储器，不仅需要它们能够正常工作，还要确保里面的数据不能丢失。于是要掌握如何通过 RAID、Erasure Code、ECC 以及分布式 HDFS，这些不同的技术，来确保数据的完整性和访问性能。