深入浅出计算机组成原理
徐文浩
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入门篇 (5讲)
开篇词 | 为什么你需要学习计算机组成原理?
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01 | 冯·诺依曼体系结构:计算机组成的金字塔
02 | 给你一张知识地图,计算机组成原理应该这么学
03 | 通过你的CPU主频,我们来谈谈“性能”究竟是什么?
04 | 穿越功耗墙,我们该从哪些方面提升“性能”?
原理篇:指令和运算 (12讲)
05 | 计算机指令:让我们试试用纸带编程
06 | 指令跳转:原来if...else就是goto
07 | 函数调用:为什么会发生stack overflow?
08 | ELF和静态链接:为什么程序无法同时在Linux和Windows下运行?
09 | 程序装载:“640K内存”真的不够用么?
10 | 动态链接:程序内部的“共享单车”
11 | 二进制编码:“手持两把锟斤拷,口中疾呼烫烫烫”?
12 | 理解电路:从电报机到门电路,我们如何做到“千里传信”?
13 | 加法器:如何像搭乐高一样搭电路(上)?
14 | 乘法器:如何像搭乐高一样搭电路(下)?
15 | 浮点数和定点数(上):怎么用有限的Bit表示尽可能多的信息?
16 | 浮点数和定点数(下):深入理解浮点数到底有什么用?
原理篇:处理器 (18讲)
17 | 建立数据通路(上):指令+运算=CPU
18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU
19 | 建立数据通路(下):指令+运算=CPU
20 | 面向流水线的指令设计(上):一心多用的现代CPU
21 | 面向流水线的指令设计(下):奔腾4是怎么失败的?
22 | 冒险和预测(一):hazard是“危”也是“机”
23 | 冒险和预测(二):流水线里的接力赛
24 | 冒险和预测(三):CPU里的“线程池”
25 | 冒险和预测(四):今天下雨了,明天还会下雨么?
26 | Superscalar和VLIW:如何让CPU的吞吐率超过1?
27 | SIMD:如何加速矩阵乘法?
28 | 异常和中断:程序出错了怎么办?
29 | CISC和RISC:为什么手机芯片都是ARM?
30 | GPU(上):为什么玩游戏需要使用GPU?
31 | GPU(下):为什么深度学习需要使用GPU?
32 | FPGA和ASIC:计算机体系结构的黄金时代
33 | 解读TPU:设计和拆解一块ASIC芯片
34 | 理解虚拟机:你在云上拿到的计算机是什么样的?
原理篇:存储与I/O系统 (17讲)
35 | 存储器层次结构全景:数据存储的大金字塔长什么样?
36 | 局部性原理:数据库性能跟不上,加个缓存就好了?
37 | 高速缓存(上):“4毫秒”究竟值多少钱?
38 | 高速缓存(下):你确定你的数据更新了么?
39 | MESI协议:如何让多核CPU的高速缓存保持一致?
40 | 理解内存(上):虚拟内存和内存保护是什么?
41 | 理解内存(下):解析TLB和内存保护
42 | 总线:计算机内部的高速公路
43 | 输入输出设备:我们并不是只能用灯泡显示“0”和“1”
44 | 理解IO_WAIT:I/O性能到底是怎么回事儿?
45 | 机械硬盘:Google早期用过的“黑科技”
46 | SSD硬盘(上):如何完成性能优化的KPI?
47 | SSD硬盘(下):如何完成性能优化的KPI?
48 | DMA:为什么Kafka这么快?
49 | 数据完整性(上):硬件坏了怎么办?
50 | 数据完整性(下):如何还原犯罪现场?
51 | 分布式计算:如果所有人的大脑都联网会怎样?
应用篇 (5讲)
52 | 设计大型DMP系统(上):MongoDB并不是什么灵丹妙药
53 | 设计大型DMP系统(下):SSD拯救了所有的DBA
54 | 理解Disruptor(上):带你体会CPU高速缓存的风驰电掣
55 | 理解Disruptor(下):不需要换挡和踩刹车的CPU,有多快?
结束语 | 知也无涯,愿你也享受发现的乐趣
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答疑与加餐 (5讲)
特别加餐 | 我在2019年F8大会的两日见闻录
FAQ第一期 | 学与不学,知识就在那里,不如就先学好了
用户故事 | 赵文海:怕什么真理无穷,进一寸有一寸的欢喜
FAQ第二期 | 世界上第一个编程语言是怎么来的?
特别加餐 | 我的一天怎么过?
深入浅出计算机组成原理
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02 | 给你一张知识地图,计算机组成原理应该这么学

徐文浩 2019-04-26
了解了现代计算机的基本硬件组成和背后最基本的冯·诺依曼体系结构,我们就可以正式进入计算机组成原理的学习了。在学习一个一个零散的知识点之前,我整理了一份学习地图,好让你对将要学习的内容有一个总纲层面的了解。
建议保存后查看大图
从这张图可以看出来,整个计算机组成原理,就是围绕着计算机是如何组织运作展开的

计算机组成原理知识地图

计算机组成原理的英文叫 Computer Organization。这里的 Organization 是“组织机构”的意思。计算机由很多个不同的部件放在一起,变成了一个“组织机构”。这个组织机构最终能够进行各种计算、控制、读取输入,进行输出,达成各种强大的功能。
在这张图里面,我们把整个计算机组成原理的知识点拆分成了四大部分,分别是计算机的基本组成、计算机的指令和计算、处理器设计,以及存储器和 I/O 设备。
首先,我们来看计算机的基本组成
这一部分,你需要学习计算机是由哪些硬件组成的。这些硬件,又是怎么对应到经典的冯·诺依曼体系结构中的,也就是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五大基本组件。除此之外,你还需要了解计算机的两个核心指标,性能和功耗。性能和功耗也是我们在应用和设计五大基本组件中需要重点考虑的因素。
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精选留言(91)

  • 须臾即 置顶
    按老师说的方法,学到的知识用代码的形式写下来,同时附上配套readme.md,做些说明,作为一个git库,形成一个带源码的个人笔记。
    只是这需要老师带带路,看过一些资料,但是怎么通过代码来利用这些知识还是有一层隔膜。

    作者回复: 须臾即 同学你好,在后面的具体内容里面,我会给出一些代码示例,大家也可以想一想,怎么通过写点代码,用软件模拟的方式去理解计算机内部的硬件实现机制。

    比如全家器和半加器,我们完全可以通过只使用bit数组的与、或、非、异或来实现一遍,更方便我们理解全加器和半加器的硬件电路实现。

    2019-04-26
    18
  • Sola 置顶
    把地图背下来,然后去补充阅读推荐书目,自己复述整理,自测理解度。再找朋友,看能不能给他解释清楚计算机组成的一些概念。

    作者回复: 👍“教别人”是一种非常高效的学习方式,自己有没有弄清楚,在教别人的过程中,会体会得明明白白的。

    2019-04-26
    12
  • 二星球 置顶
    徐老师好,请教一个困扰自己很久的问题:线程切换是如何触发的,就是这个触发时间点是怎么产生的(也即触发线程调度的时间点),是通过中断么?如果是中断,那么这个中断又是怎么发生的?

    作者回复: 杨怀同学你好,这个问题还真是一两句话讲不清楚。线程切换更多是 操作系统 层面实现的问题。我推荐你可以去看 刘超 老师在极客时间的专栏《趣谈Linux操作系统》。

    我这里简单讲一下,线程切换不是由中断触发的,而是由操作系统控制在用户态触发进行切换的。切换并没有确定的时间。

    而我们在组成原理里面说的中断,一般指的是硬件的中断,是硬件设备会向我们的CPU发出信号,这个是直接通过硬件电路层面来触发。就好像一个电路引脚的信号从高电平变成了低电平,导致CPU收到的电信号就发生了变化,通常是改变了特定寄存器里面的值(中断寄存器),再触发一系列的处理逻辑。

    2019-04-26
    9
  • hifly
    学习不是短时间的冲刺,而是有节制的坚持 说的好 给老师点赞
    2019-04-26
    17
  • KR®
    老师好细心 默默照顾到我们这些非计算机科班出身的同学!! 暖暖的!

    作者回复: 希望这个专栏能对大家有所帮助!

    2019-04-26
    16
  • 朱成亮
    之前花在应用层面的时间太长,天天搬砖,学习各种应用框架,用不同的方式在搬砖。时间越久感觉自己的技术能力越废,因为都只是浮于表面的。很多东西还是需要深入理解,对于程序员来说,我的前进目标是:从键盘敲hello world,到最终显示在显示器上,这中间的每一个过程,都要心中有数。

    作者回复: 👍加油

    2019-04-26
    14
  • 悲秋病酒
    南京大学袁春风老师的《计算机系统基础》一书也很不错,主干内容和csapp一脉相承,在中国大学mooc上也有公开课,不喜欢翻译版的同学可以学习这个本土教程,和老师讲的内容也非常贴切

    作者回复: 👍,感谢分享给大家。

    2019-05-03
    10
  • 小智e
    大三了,做了几个项目后,深知计算机底层的重要性。有啃过《深入理解计算机系统》,继续跟老师一起学习,把基础打牢。
    2019-04-26
    10
  • n0thing
    工作多年,作为一名运维人员,经常与底层打交道,越来越觉得这些基础知识的重要性,os内核,组成原理,网络等,起初学习只是为了快速定位故障原因,后来发现潜移默化的帮助太大了,在学习新开源软件,了解设计原理,优化参数等方面帮助非常大。以前学习的比较零散,30岁了重新梳理知识点,可以带着工作问题更有针对性的学习,希望坚持下去

    作者回复: 👍加油,坚持到底就是胜利

    2019-04-26
    9
  • 喜欢吃鱼
    已经研一了,越到后面觉得基础越重要。深刻的理解到了计算机科学的道和术,基础知识是道,而那些高大上的技术是术,术是不断更新变化的,而道层面的东西是基本不变的、,道与术的顺序不可颠倒。接下来好好学习这个专栏。

    作者回复: 👍加油

    2019-04-26
    9
  • Only now
    编码多年,这些知识本科是掌握很扎实的,甚至初参加工作还能说的头头是道,但是现在几乎都模糊了,不知道老师是怎么一直保护知识清晰的?

    作者回复: 其实并没有什么特别好的方法。一方面,是遇到了更多的疑难问题,更复杂的系统,在实践中需要去用更底层更本质的理解计算机运作的方式去处理问题,自然要回头把这些基础知识捡起来;另一方面,是不是抽点时间回头看看一些“大部头”的教科书也会很有自我满足感。

    2019-04-26
    8
  • 古夜
    我是一个码农,可好奇底层的代码运行原理了

    作者回复: 👍好奇心是一个优秀程序员必然会有的特质

    2019-04-26
    7
  • TomShine
    相对计算机基本组成有个大概的概念,然后看自己对哪一方面感兴趣从这个为入口,然后顺着这条先走,如果中途牵扯到其他知识可以再去学习其他知识,主要目的把知识形成一个网,而不是单一的线。

    作者回复: 👍这也是一个好方法,先了解知识面,再寻找自己有兴趣点的深入,学习也是个反复迭代的过程

    2019-04-26
    5
  • Change
    通过老师的实战经验课程然后翻看书本的理论知识,再通过实例实践分析总结,变成自己的知识。

    作者回复: 👍加油

    2019-04-26
    5
  • 大熊
    结合目前资料说一下自己的计划。
    1. 对于不懂的名词首先想到查阅维基百科的解释,解释中有相关的其他词条可以一起查阅,如果深入到自己完全没触及到的地方可以先放一放;
    2. 我有一本《深入理解计算机系统》,看到第一课的时候,我便对照着书上的章节进行阅读,做到能够看着书上的结构图说出hello.c文件是怎么打印出来hello world的,就是所谓的看图说话;
    3. 今天从专栏上看到给出的配合这本书的视频,有余力的情况下会把视频教程配合书本进行观看;
    4. 循序渐进,坚持学习;

    作者回复: 👍维基百科是个好材料,特别是英文版的内容和对应的引用也可以算得上是一份好教材了

    2019-04-26
    5
  • 吧唧吧唧
    立学习目标前先点赞👍,层次分明,条理清晰,内容干货。我是非科班出身偏业务java程序员,通过自己翻阅资料对java运行原理也就是jvm相关学习十分吃力,所以才来补补基础课程。希望通过学习这门基础课为以后了解jvm奠定基础。谢谢老师分享

    作者回复: 👍加油

    2019-05-07
    4
  • Sentry
    感谢老师的分享,如果只推荐一本经典的书籍,老师会选择哪本?

    作者回复: 当然是人称csapp的《深入理解计算机系统》

    2019-04-26
    4
  • Dcoder🇨🇳
    按图索骥,以点带面,茅塞顿开。相信这次可以真正好好理解和认识计算机的组成原理。
    2019-04-26
    4
  • Amanda
    太对了,坚持可持续发展才是硬道理。
    关于文中学习方法第二点:“写一些示例程序来验证知识点”,颇为疑惑,组成原理也有相应的程序?高级语言编写的吗?

    作者回复: Amanda,可以用高级语言写啊,比如验证高速缓存和内存的性能差异,可以用高级语言写。比如实现电路层面的整数加法,也可以用bit数组,用与、或、非、异或,通过代码层面来写一个程序实现半加器和全加器来帮助理解加法的电路实现。
    当然,你也可以用vhdl这样的硬件描述语言来干这件事。

    2019-04-27
    3
  • 静静的拼搏
    结合专栏的讲解,推荐的资料,循序渐进的去学习,不能一时热度,就是坚持去学习,学习的时候多带着疑问,然后通过学习去解答疑问

    作者回复: 👍带着问题去学习是最快的成长方式之一

    2019-04-26
    3
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