计算机组成原理-知识体系以及基础知识介绍
女神镇楼
1、计算机的基本硬件组成===CPU、内存和主板
（1）CPU
计算机最重要的核心配件，叫做中央处理器。计算机的所有“计算”都是由 CPU 来进行的。CPU 也是整台计算机中造价最昂贵的部分之一。CPU，一般都被叫作超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）。这些电路，实际上都是一个个晶体管组合而成的。CPU 在计算，其实就是让晶体管里面的“开关”不断地去“打开”和“关闭”，来组合完成各种运算和功能。
（2）内存
程序、打开的浏览器、运行的游戏，都要加载到内存里才能运行。程序读取的数据、计算得到的结果，也都要放在内存里。内存越大，能加载的东西自然也就越多。存放在内存里的程序和数据，需要被 CPU 读取，CPU 计算完之后，还要把数据写回到内存。然而 CPU 不能直接插到内存上，反之亦然。
（3）主板
主板是一个有着各种各样，有时候多达数十乃至上百个插槽的配件。CPU 要插在主板上，内存也要插在主板上。主板的芯片组（Chipset）和总线（Bus）解决了 CPU 和内存之间如何通信的问题。芯片组控制了数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。总线则是实际数据传输的高速公路。因此，总线速度（Bus Speed）决定了数据能传输得多快。
（4）其他非必要组件
电源、输入（Input）/ 输出（Output）设备，也就是 I/O 设备、机箱、风扇、硬盘、显卡（GPU）等
2、冯·诺依曼体系结构
（1）包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和处理器寄存器（Processor Register）的处理器单元（Processing Unit），用来完成各种算术和逻辑运算
（2）包含指令寄存器（Instruction Register）和程序计数器（Program Counter）的控制器单元（Control Unit/CU），用来控制程序的流程，通常就是不同条件下的分支和跳转。
（3）用来存储数据（Data）和指令（Instruction）的内存。以及更大容量的外部存储（通常指硬盘）；
（4）输入输出设备。个人电脑的鼠标键盘是输入设备，显示器是输出设备。智能手机，触摸屏既是输入设备，又是输出设备。而跑在各种云上的服务器，则是通过网络来进行输入和输出。
任何一台计算机的任何一个部件都可以归到运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备中，而所有的现代计算机也都是基于这个基础架构来设计开发的。
而所有的计算机程序，也都可以抽象为从输入设备读取输入信息，通过运算器和控制器来执行存储在存储器里的程序，最终把结果输出到输出设备中。而我们所有撰写的无论高级还是低级语言的程序，也都是基于这样一个抽象框架来进行运作的。
学习计算机组成原理，其实就是学习和拆解冯·诺依曼体系结构。
学习控制器、运算器的工作原理，也就是 CPU 是怎么工作的，以及为何这样设计；学习内存的工作原理，从最基本的电路，到上层抽象给到 CPU 乃至应用程序的接口是怎样的；学习 CPU 是怎么和输入设备、输出设备打交道的。
理解从控制器、运算器、存储器、输入设备以及输出设备，从电路这样的硬件，到最终开放给软件的接口，是怎么运作的，为什么要设计成这样，以及在软件开发层面怎么尽可能用好它。
3、计算机组成原理知识地图
4、“性能”介绍：性能可以看做时间的倒数
计算机性能中，有两个重要的指标：、吞吐率
（1）响应时间指的就是，我们执行一个程序，到底需要花多少时间。花的时间越少，自然性能就越好。
（2）吞吐率是指在一定的时间范围内，到底能处理多少事情。这里的“事情”，在计算机里就是处理的数据或者执行的程序指令。
5、CPU指针：计算机的计时单位
虽然时间是一个很自然的用来衡量性能的指标，但是用时间来衡量时，有两个问题。
（1）时间不准：计算机可能同时运行着好多个程序，CPU 实际上不停地在各个程序之间进行切换。在这些走掉的时间里面，很可能 CPU 切换去运行别的程序了。而且，有些程序在运行的时候，可能要从网络、硬盘去读取数据，要等网络和硬盘把数据读出来，给到内存和 CPU。所以说，要想准确统计某个程序运行时间，进而去比较两个程序的实际性能，我们得把这些时间给刨除掉。
（2）即使已经拿到了 CPU 时间，也不一定可以直接“比较”出两个程序的性能差异。即使在同一台计算机上，CPU 可能满载运行也可能降频运行，降频运行的时候自然花的时间会多一些。
除了 CPU 之外，时间这个性能指标还会受到主板、内存这些其他相关硬件的影响。所以，需要对“时间”这个可以感知的指标进行拆解，把程序的 CPU 执行时间变成 CPU 时钟周期数（CPU Cycles）和 时钟周期时间（Clock Cycle）的乘积。
程序的 CPU 执行时间 =CPU 时钟周期数×时钟周期时间
时钟周期时间：CPU内部有一个叫做晶体振荡器（Oscillator Crystal）的东西，简称为晶振。我们把晶振当成 CPU 内部的电子表来使用。晶振带来的每一次“滴答”，就是时钟周期时间。
最简单的提升性能方案，自然缩短时钟周期时间，也就是提升主频。换句话说，就是换一块好一点的 CPU。如果能够减少程序需要的 CPU 时钟周期数量，一样能够提升程序性能。
对于 CPU 时钟周期数，可以再做一个分解，把它变成“指令数×每条指令的平均时钟周期数（Cycles Per Instruction，简称 CPI）”。不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。在这样拆分了之后，我们的程序的 CPU 执行时间就可以变成这样三个部分的乘积。
程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time
提升性能需要优化的3个方面：
（1）时钟周期时间，就是计算机主频，这个取决于计算机硬件。
（2）每条指令的平均时钟周期数 CPI，就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。
（3）指令数，代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。
6、从哪些方面提升“性能”
CPU性能里面有一个公式：
程序的 CPU 执行时间 = 指令数×CPI×Clock Cycle Time
提升计算机的性能，我们可以从指令数、CPI 以及 CPU 主频这三个地方入手。
（1）在 CPU 上多放一点晶体管，不断提升 CPU 的时钟频率，这样就能让 CPU 变得更快，程序的执行时间就会缩短。但是这样会有一个极限，导致功耗增加太多，就会导致 CPU 散热跟不上。
（2）并行提高性能，提升吞吐率，现在用的 2 核、4 核，乃至 8 核的 CPU就是这种方式。
并不是所有问题，都可以通过并行提高性能来解决。如果想要使用这种思想，需要满足这样几个条件。
第一，需要进行的计算，本身可以分解成几个可以并行的任务。好比上面的乘法和加法计算，几个人可以同时进行，不会影响最后的结果。
第二，需要能够分解好问题，并确保几个人的结果能够汇总到一起。
第三，在“汇总”这个阶段，是没有办法并行进行的，还是得顺序执行，一步一步来。
这就引出了我们在进行性能优化中，常常用到的一个经验定律，阿姆达尔定律（Amdahl’s Law）。这个定律说的就是，对于一个程序进行优化之后，处理器并行运算之后效率提升的情况。具体可以用这样一个公式来表示：
优化后的执行时间 = 受优化影响的执行时间 / 加速倍数 + 不受影响的执行时间
现在无论是简单地通过提升主频，还是增加更多的 CPU 核心数量，通过并行来提升性能，都会遇到相应的瓶颈。仅仅简单地通过“堆硬件”的方式，在今天已经不能很好地满足我们对于程序性能的期望了。
