在前面两篇博客中，我们了解了现代计算机的基本硬件组成和冯·诺依曼体系结构。在学习零散知识点之前，有必要先建立一个整体的了解。
1. 计算机组成原理知识地图
计算机组成原理的英文名为 Computer Organization。顾名思义，Organization 就是“组织机构”的意思。计算机就是由不同部件组合而成的组织机构。这个组织机构可以读取输入，进行控制和运算并将结果输出。
计算机组成原理知识地图
上图将计算机组成原理拆分为四大部分，即计算机基本组成、计算机的指令和运算、处理器设计、存储器和 I/O 系统。
1.1 计算机的基本组成
这部分主要讲述计算机是由哪些硬件组成的，这些硬件又是如何对应到冯·诺依曼体系结构（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）中的。
此外，还要了解计算机的两个核心指标——性能和功耗。这两个指标也是应用和设计五大组件时重点考虑的因素。
1.2 计算机的指令和运算
指令部分主要讲述，我们写的代码是如何在计算机里面跑起来的。要解答这个问题，首先需要了解编译过程——程序是如何通过编译器和汇编器变成机器指令的（这部分拓展开就是编译原理）。其次还要了解操作系统是怎么链接、装载、执行这些程序的（这部分拓展开就是操作系统）。这些指令执行的控制过程，就是由五大组件中的控制器来控制的。
运算部分要从二进制和编码开始，理解数据在计算机里的表示，以及我们是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逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），其实就是五大组件中的运算器。
1.3 处理器设计
CPU 时钟可以用来构造寄存器以及内存的锁存器和触发器，因此，CPU 时钟应该是我们学习 CPU 的前导知识。
搞明白我们为什么需要 CPU 时钟（CPU Clock），以及寄存器和内存是用什么样的硬件组成的之后，就可以学习整个计算机的数据通路是如何构造出来的。数据通路连接了运算器和控制器，并最终组成了 CPU。处于对性能和功耗的考虑，我们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。
CPU 作为控制器，需要和输入输出设备通信，因此我们就要知道异常和中断发生的机制。
在 CPU 设计部分的最后，我们要讨论指令的并行执行，看看如何直接在 CPU 层面，通过 SIMD 来支持并行计算。
1.4 存储器和 I/O 系统
通过存储器的层次结构作为基础的框架引导，我们要掌握从上到下的 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。
存储器很多时候又扮演了输入输出设备的角色，所以要进一步了解，CPU 和这些存储器之间是如何进行通信的，以及我们最重视的性能问题是怎么一回事。要理解什么是 IO_WAIT，如何通过 DMA 来提升程序性能。
存储器不仅要能正常工作，还要确保数据不丢失。于是我们要了解，如何通过 RAID、Erasure Code、ECC 以及分布式 HDFS 等技术来确保数据的完整性和访问性能。
2. 学习计算机组成原理的方法
在上一节中，我们大概列举了计算机组成原理的知识点。不难看出，这门课程知识点广泛，是计算机科学中串联全局的纲要。其中的任何一个知识点扩展开来都是计算机科学中的一门核心课程。针对这种特点，我们在学习中要注意三点。
2.1 自问自答，串联知识点
程序的编译、链接、装载和执行，计算时用到的逻辑电路、ALU，乃至 CPU 自发为你做的流水线、指令级并行和分支预测，还有对应访问到的硬盘、内存，以及加载到高速缓存中的数据，这些都对应着一个个知识点。我们可以在脑子里过一遍这些问题，最好将答案口头或书面表述出来。譬如以下问题：
- 我写的程序，是怎样从输入的代码，变成运行的程序，并得到最终结果的？
- 整个过程中，计算器层面到底经历了哪些步骤，有哪些地方是可以优化的？
2.2 写 demo 程序验证知识点
计算机科学是一门实践的学科，把对应的知识点，变成一个个性能对比的示例代码程序记录下来，是把这些知识点融汇贯通的好方法。
2.3 和计算机硬件发展的历史做对照
现代计算机技术，在实际应用中遇到挑战，一个个洗练出来的。其中不仅有学术观点的碰撞，更有商业层面的交锋。了解计算机发展史，会更容易理解计算机组成中各种原理的由来。
3. 资料推荐
3.1 入门资料
书籍方面，推荐《计算机是怎样跑起来的》和《程序是怎样跑起来的》。这两本小册子适合入门，尤其是后者，可以说是精简版的计算机组成原理。
视频方面，推荐 Coursera 上北京大学的公开课《Computer Organization》。这个视频教程时长十几小时，主要讲解计算机组成中，硬件层面的基础实现，譬如寄存器、ALU 这些电路是怎么回事。
3.2 进阶资料
如果想深入学习计算机组成原理，需要啃下《计算机组成与设计：硬件 / 软件接口》和《深入理解计算机系统》这两本书。后者被称为 CSAPP 的经典教材，配套视频教程请戳。
此外，《计算机组成：结构化方法》这本书可以作为辅助的参考书。
如果想进一步了解计算机体系结构，可以阅读《计算机体系结构：量化研究方法》。
3.3 延伸阅读
《What Every Programmer Should Know About Memory》。
LMAX 开源的 Disruptor，是理解计算机组成原理知识点最好的实际应用程序范例。参考资料有 LMAX BLOG、白皮书。