如果您的答案与我不同，并有个人的理解，欢迎在评论区讨论。
一、复习题
Q5-1 计算机由哪三个子系统组成？
A：中央处理单元CPU，主储存器，输入/输出子系统。
Q5-2 CPU由哪几个部分组成？
A：算数逻辑单元ALU，控制单元，寄存器组。
Q5-3 ALU的功能是什么？
A：对数据进行逻辑、位移、算术运算。
Q5-4 控制单元的功能是什么？
A：控制各个子系统的操作。
Q5-5 主存的功能是什么？
A：储存数据。
Q5-6 定义RAM、ROM、SRAM、DRAM、PROM、EPROM、EEPROM。
A：
- RAM：随机存取存储器，可以使用存储单元地址来随机存取一个数据项，而不需要存取位于它前面的所有数据项。用户可读写。断电后信息丢失。
- ROM：只读存储器，内部的信息由制造商写入。用户只读不写。断电后信息不丢失。
- SRAM：静态RAM，用触发器门电路保存数据。断电后信息部丢失。速度快，价格贵。
- DRAM：动态RAM，是同电容器，充电为1、放电为0，由于电容器会随时间漏掉一部分电，故内存单元需要周期性刷新。速度较慢，价格便宜。
- PROM：可编程ROM，出场状态为空白，用户借助特殊设备可在PROM上存储程序，一旦存储不能重写。可以用来存储一些特定程序。
- EPROM：可擦除可编程ROM。用户可编程，特殊紫外光仪器进行擦写。擦除时需要拆卸后重新安装。
- EEPROM：电可擦除可编程ROM。编程、擦除用电子脉冲信号即可，擦除时不需要拆卸。
Q5-7 高速缓冲存储器的作用是什么？
A：提高运算的速度。
Q5-8 描述一下磁盘的物理组成。
A：磁盘是由一张张磁片叠加而成。这些磁片由薄磁膜封装起来。
Q5-9 磁盘和磁带表面是怎样组织的？
A：
- 磁盘表面被划分为磁道，每个磁道又分成若干扇区。磁道之间通过磁道间的间隔隔开，扇区之间通过扇区间的间隔隔开。
- 磁带表面的宽度分为9个磁道，磁道上上的每个点可以存储1位信息。垂直切面的9个点可以存储8位（1字节）信息，还有一位用作村务检测。
Q5-10 比较分析CD-R、CD-RW、DVD。
A：
- CD-R，可刻录光盘。
- CD-RW，可重写光盘。
- DVD，数字多功能光盘。
具体工艺上的差别很大，书上都有。光盘这种东西，除了一些特殊的情景（特殊工作单位、收藏爱好者等）需要用到光盘存储，已经离一般用户挺远了。加上篇幅挺长的，不抄书了。
Q5-11 比较分析SCSI、火线和USB控制器。
A：
- SCSI，小型计算机系统接口，1984年为Macintosh计算机设计的接口。8、16或32线的并行接口。提供菊花链连接，连接链两端需有终结器，每个设备目标ID唯一。
- 火线，IEEE标准1394规定的高速串行接口。数据包形式数据传送。可在一条菊花链或树形连接上连接63个设备。不需要终结器。
- USB，通用串行总线。数据包形式数据传送，每个包含有：地址部分（设备标识）、控制部分、数据部分（需要传送到其他设备的）。所有设备接收相同的包，但只有数据包中所定义的地址的设备接受数据包。
Q5-12 比较分析两种I/O设备寻址的方法。
A：
- I/O独立寻址：用来读写内存的指令与用来读写I/O设备的指令不相同，有专门的指令完成对I/O设备的测试、控制、读写。每个I/O设备有自己的地址。因指令不同，I/O设备地址可以和内存地址重叠而不混淆。
- I/O存储器映射寻址：CPU将I/O控制器中的每一个寄存器看作内存中的某个存储字，CPU没有单独的指令用来表示是从内存还是从I/O设备传送数据。优点是指令集小巧，内存和I/O设备公用指令。缺点是I/O设备占用部分内存地址。
Q5-13 比较分析三种同步CPU和I/O设备的方法。
A：
- 程序控制I/O：CPU等待I/O设备。CPU和I/O设备间的数据传输同故宫程序中的指令实现。当CPU遇到一条I/O设备时，它就停止工作直到数据传输完毕。CPU不时查询I/O设备状态：如果设备做好了传输准备，则数据将被传送到CPU；如果设备没有做好传输准备，则CPU将继续查询I/O设备的状态直到I/O设备准备好。缺点在于，每一个单元数据被传输时，CPU都要浪费时间去查询I/O设备状态。另，数据在输入操作后被传送到内存，在输出操作前是从内存中取出。
- 中断控制I/O：首先CPU告知I/O设备即将开始传输，但是CPU不需要不停查询I/O设备状态。当I/O设备准备好时，它通知（中断）CPU。CPU时间没有浪费，慢速I/O设备正在完成一项任务时，CPU可做其他工作。另，数据在输入操作后被传送到内存，在输出操作前是从内存中取出。
- DMA，直线存储器存取：用于高速I/O设备间传输大量的数据块，如磁盘、内存（不需要通过CPU的数据传输）。需要一个DMA控制器承担部分CPU功能。DMA控制器中有寄存器，可在内存传输前后保存数据块。进行I/O操作时，CPU发送消息给DMA，消息包括：传输类型（输入/输出）、内存单元的起始地址、传输字节数。之后CPU就可做其他工作。当准备好传输数据时，DMA控制器通知CPU获得总线的使用权，这时CPU停止使用总线。内存和DMA间数据传输完成后，CPU继续工作。这种方法中，CPU仅在DMA和内存间传输数据时才有一小段时间空闲，而不是在设备为传输数据做准备时。
Q5-14 比较分析CISC体系结构和RISC体系结构
A：
CISC，复杂指令集计算机complex instruction set computer：设计策略是使用大量的指令，包括复杂指令。编程容易。但CPU和控制单元的电路非常复杂，解决方法是，CPU不直接执行机器语言命令，只执行“微操作”。复杂指令转化为一系列简单操作后由CPU执行。需要“微内存”，保存指令集中每个复杂指令的一系列操作。缺点：微程序设计和存取微内存的开销。优点：机器层上的程序更简洁。（英特尔奔腾系列）
RISC，精简指令集计算机reduce instruction set computer：少量的指令集完成最少的简单操作。复杂指令用简单指令子集模拟。缺点：程序设计及更难更费时。
这里放一个简介最新开源RISC-V架构境况的视频。大家兼听则明。
详见：20231115-RISC_V境况简介-差评君
Q5-15 描述流水线及其作用。
A：控制单元同时执行两个或三个阶段，使得下一条指令在前一条指令完成前开始。
作用是改善吞吐量，即单位时间内完成的指令总数。
Q5-16 描述并行处理及其作用。
A：多个控制单元，多个算术逻辑单元，多个内存单元的计算机，在同一时间同时处理多个指令。
作用是改善吞吐量。
二、练习题
P5-1 一台计算机有64MB（兆字节）的内存，每个字长为4字节。那么在存储器中对每个字寻址需要多少位。
A：
内存：\(64 MB=2^6×2^{10}×2^{10}×2^3=2^{28} BIT\)
单字占用内存：\(4 B=2^2×2^3=2^5 BIT\)
内存中可存储单字个数：\(2^{28}÷2^5=2^{23}\)
寻址位数：\(log_{2}23=23 位\)
稍微学习了点Mathjax语法，输入公式方便多了。
P5-2 如果屏幕有25行，每行80字符，则需要多少字节的内存用于存储全屏的数据？如果系统使用ASCII码，每个ASCII码字符占1字节。
A：
单个扩展ASCII字符占用内存：1B
一屏扩展ASCII单字占用内存：\(25×80=2000B\)
ASCII码有两种，一种使用7BIT表示128个字符的标准ASCII，另一种是扩展后用8BIT表示256个字符的扩展ASCII，这里应该说的是扩展ASCII。
P5-3 假如一台计算机有16个数据寄存器（R0~R15），1024个字的存储空间以及16种不同的指令（如add、subtract等），那么下面这条指令最少需要占多少位空间？
指令：add M R2
A：
指令意义不明，M到底是一个字符，还是指代内存？是字符的话又怎么能相加？add的意思到底是相加，还是“添加、存放”之类的意思？这个指令到底是指把寄存器里的东西放进内存（或者反过来），还是把内存和寄存器里的数据相加？
我姑且把这条指令理解为“操作码+内存地址+寄存器地址”的模式，不管意义。
指令add，占用空间：\(log_{2}16=4BIT\)
内存地址M，占用空间：\(log_{2}1024=10BIT\)
寄存器寻址占用空间：\(log_{2}16=4BIT\)
指令add M R2占用空间：\(4+10+4=18BIT\)
P5-4 在P5-3题中，如果数据和指令使用相同的字长，那么每个数据寄存器大小是多少？
A：数据寄存器大小=数据字长=指令字长=4BIT
P5-5 在P5-3题中，计算机中的指令寄存器大小是多少？
A：指令寄存器大小为单个指令字长，4BIT
P5-6 在P5-3题中，计算机中的程序计数器大小是多少？
A：我查到的说法是，程序计数器存放的是指令的地址，大小就是内存的寻址位数
程序计数器大小为，10BIT
P5-7 在P5-3题中，数据总线为多少位？
A：数据总线位数=计算机数据字长，4BIT
P5-8 在P5-3题中，地址总线为多少位？
A：地址总线位数=存储空间寻址位数，10BIT
P5-9 在P5-3题中，控制总线最少需要多少位？
A：控制总线位数=指令集位数，4BIT
P5-10 计算机使用I/O独立寻址。内存为1024个字。如果每个控制器包括16个寄存器，那么计算机可以存取多少个控制器？
A：1024÷16=64
P5-11 计算机使用I/O存储器映射寻址。地址总线为10条（10位）。如果内存为1000个字，那么计算机可以存取多少个四位寄存器控制器？
A：地址总线位数=存储空间寻址位数=10BIT
10×1000÷4=2500
P5-12 使用5.8节中的简单计算机指令集，编写执行下列计算的程序代码：D←A+B+C。A、B、C、D是二进制补码格式的整数，用户输入A、B、C的值，D的值显示在监视器上。
A：
//将ABC放入内存
STORE M0 A
STORE M1 B
STORE M2 C
//将ABC载入寄存
LOAD R0 M0
LOAD R1 M1
LOAD R2 M2
//加法运算
ADDI R3 R0 R1
ADDI R4 R2 R3
//运算结果存入内存，停机
STORE M3 R4
HALT
P5-13 使用5.8节中的简单计算机指令集，编写执行下列计算的程序代码：B←A+3。A和3是二进制补码格式的整数，用户输入A的值，B的值显示在监视器上。（提示：使用加1指令）
A：
//将A放入内存，接着载入寄存
STORE M0 A
LOAD R0 M0
//3次自加运算
INC R0
INC R0
INC R0
//运算结果放入内存，停机
STORE M1 RO
HALT
P5-14 使用5.8节中的简单计算机指令集，编写执行下列计算的程序代码：B←A-2。A和2是二进制补码格式的整数，用户输入A的值，B的值显示在监视器上。（提示：使用减1指令）
A：
//将A放入内存，接着载入寄存
STORE M0 A
LOAD R0 M0
//2次自减运算
DEC R0
DEC R0
//运算结果放入内存，停机
STORE M1 R0
HALT
P5-15 使用5.8节中的简单计算机指令集，为程序编写代码，该程序完成n个从键盘输入的整数的相加，并显示它们的和。你首先需要输入n的值。（提示：使用减1指令和跳转指令，重复n次加运算）
A：又是个语义混乱的题目，前面说n个整数求和，后面又只说输入一次n的值，用自减指令和n次重复加法。
我的理解是输入n，累加n次n。相当于n乘以n，这个程序也许是在模拟平方运算。
用一个乱七八糟的指令集来编程实在蛋疼，我直接用Java写for循环吧……
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);//创建scanner实例以获取用户输入
int n = scanner.nextInt();//声明n为用户输入值
int result = 0;//声明一个运算结果result，初始值为0
for(int i = n; i>0; i--) {//for循环，执行n次，每次+n
result = result + n;
}
System.out.println(result);//输出结果result
scanner.close();//关闭scanner流
}
}
P5-16 使用5.8节中的简单计算机指令集，为程序编写代码，该程序接收从键盘来的两个整数，如果第一个整数为0，程序把第二个整数加1；如果第一个整数是1，程序把第二个整数减1。第一个整数必须是0或1，否则程序失败。程序显示加1或减1的结果。
A：还是用Java写吧
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);//创建scanner实例以获取第一个数字
System.out.println("请输入第一个数字（只能输入0或1）：");
int a = scanner.nextInt();
if(a == 0 || a == 1) {//因为判断比较简单，直接写了一个if选择
scanner = new Scanner(System.in);//判定成功，重置scanner获取第二个数字
System.out.println("请输入第二个数字：");
int b = scanner.nextInt();
switch(a) {//switch选择分别处理第一个数字是0或者1的情况
case 0:
b = b + 1;
System.out.println(b);
break;
case 1:
b = b - 1;
System.out.println(b);
break;
}
} else {//判断失败，一个简单的非法输入提示
System.out.println("非法输入，程序失败。");
}
scanner.close();
}
}
简单写写，没有考虑题目中没有提及的其他异常。