运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
核心指标 性能和 功耗
通过存储器的层次结构作为基础的框架引导，你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，所以你需要进一步了解，CPU和这些存储器之间是如何进行通信的，以及我们最重视的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。
CPU时钟可以用来构造寄存器和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，我们可以再来看看，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。而出于对于性能和功耗的考虑，你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，我会讲一讲指令的并行执行，看看如何直接在CPU层面，通过SIMD来支持并行计算。
在计算机指令部分，你需要搞明白，我们每天撰写的一行行C、Java、PHP程序，是怎么在计算机里面跑起来的。这里面，你既需要了解我们的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（如果把编译过程展开的话，可以变成一门完整的编译原理课程），还需要知道我们的操作系统是怎么链接、装载、执行这些程序的（这部分知识如果再深入学习，又可以变成一门操作系统课程）。而这一条条指令执行的控制过程，就是由计算机五大组件之一的控制器来控制的。在计算机的计算部分，你要从二进制和编码开始，理解我们的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ALU（Arithmetic LogicUnit/ALU），也就是算术逻辑单元，其实就是我们计算机五大组件之一的运算器。这里面有一个在今天看起来特别重要的知识点，就是浮点数（Floating Point）。浮点数是我们在日常运用中非常容易用错的一种数据表示形式。掌握浮点数能让你对数据的编码、存储和计算能够有一个从表到里的深入理解。尤其在AI火热的今天，浮点数是机器学习中重度使用的数据表示形式，掌握它更是非常有必要。