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计算机组成原理，英文叫Computer Organization。这里的Organization是“组织机构”的意思。计算机由很多不同的部件放在一起，组成了一个Organization，这个组织机构最终能够进行各种计算，控制，输入输出，达到各种强大的功能。计算机的基础组成硬件有哪些呢？
1 计算机的基础组成硬件
CPU（Central Processing Unit）：中央处理器。计算机最重要的核心配件，计算机中所有的计算都是由CPU来进行的。
内存（Memory）：你撰写的程序，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，能加载的东西也就越多。
主板（Motherboard）：存放在内存里的程序和数据，需要被CPU读取，CPU计算完之后，还要把数据写回内存。但CPU不能直接插在内存上，反之亦然。于是就有了主板。主板是一个有着各种各样插槽的配件，CPU和内存都插在主板上。
芯片组（Chipset）和总线（Bus）：芯片组控制数据传输的流转，也就是数据从哪里到哪里的问题。总线是实际数据传输的高速公路。总线速度决定了数据能传输得多快。在主板的北面，是北桥芯片组，用来连接着CPU和内存，显卡之间的通信。不过现在主板上北桥芯片的工作已经被移到了CPU内部，在主板上已经看不到北桥芯片组了。
I/O设备：也就是输入输出设备，有了显示器，我们才能看到计算机输出的各种图像、文字，有键盘鼠标，我们才能把信息输入到计算机。它们是通过主板上的南桥芯片组来控制和CPU之间的通信的。南桥芯片组位于主板的南面。
硬盘：有了硬盘，各种数据才能持久的保存下来。
显卡：使用图形界面操作系统，如Windows、Mac OS、Linux，显卡必不可少。一般的主板上都集成了显卡，如果对图像要求高，需要单独的显卡插在主板上。显卡里有一个处理器，叫做GPU（Graphics Processing Unit）图形处理器，GPU一样可以做各种计算的工作。
2 冯诺依曼体系结构
冯诺依曼体系结构说明了一台计算机应该由哪些部分组成，包括：
2.1 CPU
算数逻辑单元（ALU）：用来完成各种算术和逻辑运算的运算器单元。
指令寄存器和程序计数器：用来控制程序的流程的控制器单元。
以上的算术逻辑单元和控制器单元，共同组成了CPU。
2.2 内存 用来存储数据和指令。
2.3 外部存储 容量更大，用来存放永久性数据。
2.4 输入输出设备
冯诺依曼体系结构，也叫存储程序计算机。这其中其实暗含了两个概念，一个是“可编程”计算机，一个是“存储”计算机。
什么是可编程呢？先来看看什么是不可编程。不可编程的计算机，就是在计算机硬件层面写死程序的计算机。再来看存储式计算机，就是程序本身是存储在计算机的内存中，通过加载不同的程序来解决不同的问题。
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。
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。具体来说，就是学习控制器、运算器的工作原理，学习内存的工作原理，学习CPU是怎么和输入输出设备打交道的。
3. 性能
3.1 什么是计算机性能
如何衡量计算机的性能，我们有两个指标：响应时间和吞吐率。
响应时间也叫执行时间，也就是说我们执行一个程序，需要花多少时间。花的时间越少，自然性能就越好。
吞吐率也叫带宽，是指我们在一定时间范围内，到底能处理多少事情。对于计算机来说，就是能处理多少数据或者执行多少程序指令。
3.2 怎么提升计算机性能
提升吞吐率的方式有很多，比如我们可以多找几个人一起来处理事情，这样吞吐率是不是就增大了？所以现在的CPU动辄8核、16核，人多力量大，同时处理数据，在单位时间内就可以处理更多的数据，吞吐率自然也就上去了。响应时间的提升却没有那么容易，因此CPU的性能，我们一般定义为响应时间的倒数。
性能 = 1/响应时间
也就是说，响应时间越短，性能越好。那么怎么衡量响应时间呢？我们计算一个程序运行的时间，使用的是程序运行结束的时间-程序开始运行的时间。这个时间也叫Wall Clock Time。但是，计算机同时运行着好多个程序，CPU实际上不停地在各个程序之间切换，Wall Clock Time中肯定有一部分时间是CPU切换去运行别的程序了。另外，有些程序在运行的时候，可能要从网络，硬盘中读取数据，这部分损耗的时间取决于网络质量，硬盘运行速度等因素。所以我们计算程序运行的准确时间时，需要去掉这些因素。
在Linux中有一个time命令，就是帮我们统计CPU运行某个程序的准确时间的。
运行time命令，会返回三个值：real time、user time、sys time。
real time: Wall Clock Time，运行程序整个过程的时间
user time：CPU在运行你的程序，在用户态运行指令的时间
sys time：CPU在运行你的程序，在操作系统内核里运行指令的时间
实际花费的时间 CPU Time = user time + sys time;
除了CPU外，时间这个性能指标还可能受到主板，内存这些硬件的影响，所以，我们需要对“时间”进行拆解。
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
要搞清楚什么是时钟周期时间，就不得不提到CPU的主频了，什么是CPU的主频呢？看图：
图中这个3.10GHz，就是CPU的主频，我们可以认为是：CPU在1秒时间内，可以执行的简单指令的数量是3.10G条。更准确一点，这个3.10GHz就是CPU的一个“钟表”，能识别出来的最小的时间间隔。
这个最小时间间隔该怎么理解呢？类比我们挂在墙上的时钟，能识别出来的最小时间间隔是秒。在CPU内部，有一个晶体振荡器，简称晶振，晶振就是CPU内部的电子表，晶振带来的每一次滴答，就是时钟周期时间。在这个3.10GHz的CPU上，这个时钟周期就是1/3.10G。
到这里可能还是很难理解，没关系，只需要记住，CPU是按照这个1/3.10G的时钟周期来进行自己的操作。因此主频越高，意味着这个表走得越快，CPU也就被逼着走得越快，CPU性能越高。
知识扩展：超频
既然讲到这里来了，再扩展一点小知识，所谓超频，就是人为的把CPU内部这个时钟给调快来提升CPU性能，但这个快不是没有代价的，CPU跑的越快，散热的压力也就越大，寿命也就越短。
回到上面的公式：
程序的CPU执行时间 = CPU时钟周期数 * 时钟周期时间
提升性能的方案之一，就是提升CPU的时钟周期时间，也就是提升主频。方案之二，减少CPU的时钟周期数。
时钟周期数
对于CPU的时钟周期数，可以再做一个拆解：
CPU时钟周期数 = 指令数 * 每条指令的平均时钟周期数（CPI）
CPI是指一条指令需要多少的CPU Cycle。 加法指令和乘法指令，都是一条CPU指令，乘法指令比加法指令复杂，所以乘法需要的Cycles就比加法的要多。后面会详细讲解到现代CPU通过流水线技术，让一条指令的CPU Cycle尽可能的减少。
总结一下，提升计算机性能需要增大吞吐率和降低响应时间，具体的提高方法：1、多核CPU 2、提高CPU主频 3、降低CPU Cycle.
4 功耗
我想大家应该都思考过这个问题，既然提升CPU主频，就能提升CPU性能，那我们为什么不把CPU主频提升到10GHz甚至更高呢？CPU的主频从1978年8086 CPU的5MHz开始，到2000年的奔腾4 CPU的1.4GHz，提升了300倍。但2000年到2019年，计算机的CPU主频从奔腾4的1.4GHz到intel i9的5GHz，仅仅提升了三倍，这又是为啥呢？
答案就是：功耗问题。
我们的CPU，一般都被叫作，超大规模集成电路，这些电路实际上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。想要计算得快，一方面，我们要在CPU里，同样的面积，多放一些晶体管，也就是增加密度，另一方面，我们要让晶体管“打开”和“关闭”更快，也就是提升主频。这两者都会增加功耗，带来耗电和散热问题。因此，在CPU里面，能够放下的晶体管数量和晶体管的“开关”频率也都是有限的。一个CPU的功率，可以用这样一个公式来表示：
功耗 ~= 1/2 ×负载电容×电压的平方×开关频率×晶体管数量
从上面的公式可以看出来，降低功耗方式有下面几种：
1.增加晶体管的数量，在同样的面积下，要增加晶体管的数量，就必须降低晶体管的体积，要把晶体管造的小一些。也就是我们平时所说的提升“制程”。从28nm->7nm，晶体管的体积变成了原来的1/4。
2.提升主频，让开关的频率变快。
3.降低电压 在整个功耗的公式里面，功耗和电压的平方是成正比的，这就意味着电压下降1/2，功耗下降1/4.事实上，从8086 CPU到intel i9，CPU的电压已经从5V左右下降到了1V左右。
到这里我们已经大致的了解了计算机的基础组成，冯诺依曼结构体系等内容。为后面更深入的学习打好了基础。
