04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F

– 16 – 07 13 17 09 – 19 – 11 0D 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1

4 5 6 7 8 9 A B C D E F

32 0D – 16 24 2D 2D – 12 16 33 14

1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 23 46 – 12 23 – 43 – 76 A3 2D – 34 67 – 54 62 – 62 – 83 F4 4A – C2 23 – 65 12 – 23 – 21 23 45 – 2A 3D – DC 3A – C3 – 35 11 55 – (b) 部分页表：（开始16项） (c) L1 data cache：直接映射，共16行，块大小为4B

请回答下列问题： （1）虚拟地址中哪几位表示虚拟页号？哪几位表示页内偏移量？虚拟页号中哪几位表示TLB标记？

哪几位表示TLB索引？

（2）物理地址中哪几位表示物理页号？哪几位表示页内偏移量？

（3）主存（物理）地址如何划分成标记字段、行索引字段和块内地址字段？

（4）CPU从地址067AH中取出的值为多少？说明CPU读取地址067AH中内容的过程。 参考答案：

（1）16位虚拟地址中低7位为页内偏移量，高9位为虚页号；虚页号中高7位为TLB标记，低2

位为TLB组索引。

（2）12位物理地址中低7位为页内偏移量，高5位为物理页号。

（3）12位物理（主存）地址中，低2位为块内地址，中间4位为cache行索引，高6位为标记。 （4）地址067AH=0000 0110 0111 1010B，所以，虚页号为0000011 00B，映射到TLB的第00组，

将0000011B=03H与TLB第0组的四个标记比较，虽然和其中一个相等，但对应的有效位为0，其余都不等，所以TLB缺失，需要访问主存中的慢表。直接查看0000011 00B =00CH处的页表项，有效位为1，取出物理页号19H=11001B，和页内偏移111 1010B拼接成物理地址：11001 111 1010B。根据中间4位1110直接找到cache第14行(即：第E行)，有效位为1，且标记为33H=110011B，正好等于物理地址高6位，故命中。根据物理地址最低两位10，取出字节2中的内容4AH=01001010B。

25. 缓冲区溢出是指分配的某个内存区域（缓冲区）的大小比存放内容所需空间小。例如，在栈(stack)

中分配了一块空间用于存放某个过程中的一个字符串，结果字符串长度超过了分配空间的大小。黑客往往会利用缓冲区溢出来植入入侵代码。请说明可以采用什么措施来防止缓冲区溢出漏洞。

第 5 章 习 题 答 案

3． 假定某计算机中有一条转移指令，采用相对寻址方式，共占两个字节，第一字节是操作码，第二字节

是相对位移量（用补码表示），CPU每次从内存只能取一个字节。假设执行到某转移指令时PC的内容为200，执行该转移指令后要求转移到100开始的一段程序执行，则该转移指令第二字节的内容应该是多少？ 参考答案：

因为执行到该转移指令时PC为200，所以说明该转移指令存放在200单元开始的两个字节中。因为CPU每次从内存只能取一个字节，所以每次取一个字节后PC应该加1。

该转移指令的执行过程为：取200单元中的指令操作码并译码→PC+1→取201单元的相对位移量→PC+1→计算转移目标地址。假设该转移指令第二字节为Offset，则100=200+2+Offset，即Offset = 100–202 = –102 = 10011010B

（注：没有说定长指令字，所以不一定是每条指令占2个字节。）

4． 假设地址为1200H的内存单元中的内容为12FCH，地址为12FCH的内存单元的内容为38B8H，而

38B8H单元的内容为88F9H。说明以下各情况下操作数的有效地址和操作数各是多少？ （1）操作数采用变址寻址，变址寄存器的内容为12，指令中给出的形式地址为1200H。 （2）操作数采用一次间接寻址，指令中给出的地址码为1200H。

（3） 操作数采用寄存器间接寻址，指令中给出的寄存器编号为8，8号寄存器的内容为1200H。 参考答案：

（1） 有效地址EA=000CH+1200H=120CH，操作数未知。 （2） 有效地址EA=(1200H)=12FCH，操作数为38B8H。 （3） 有效地址EA=1200H，操作数为12FCH。

5． 通过查资料了解Intel 80x86微处理器和MIPS处理器中各自提供了哪些加法指令，说明每条加法指令

的汇编形式、指令格式和功能，并比较加、减运算指令在这两种指令系统中不同的设计方式，包括不同的溢出处理方式。 参考答案（详细信息略）： MIPS:

Intel 80x86:

6． 某计算机指令系统采用定长指令字格式，指令字长16位，每个操作数的地址码长6位。指令分二地

址、单地址和零地址三类。若二地址指令有k2条，无地址指令有k0条，则单地址指令最多有多少条？ 参考答案：

设单地址指令有k1条，则 ((16 – k2) ×26 – k1) ×26 = k0，所以 k1= (16 – k2) ×26 – k0/26

7． 某计算机字长16位，每次存储器访问宽度16位，CPU中有8个16位通用寄存器。现为该机设计指

令系统，要求指令长度为字长的整数倍，至多支持64种不同操作，每个操作数都支持4种寻址方式：立即（I）、寄存器直接（R）、寄存器间接（S）和变址（X），存储器地址位数和立即数均为16位，任何一个通用寄存器都可作变址寄存器，支持以下7种二地址指令格式（R、I、S、X代表上述四种寻址方式）：RR型、RI型、RS型、RX型、XI型、SI型、SS型。请设计该指令系统的7种指令格式，给出每种格式的指令长度、各字段所占位数和含义，并说明每种格式指令需要几次存储器访问？ 参考答案：

指令格式可以有很多种，只要满足以下的要求即可。

操作码字段：6位；寄存器编号：3位；直接地址和立即数：16位；变址寄存器编号：3位；总位数是8的倍数。

指令格式例1：

RR型 RI型 RS型 RX型

0000 0010 OP (6位) OP (6位) OP (6位) OP (6位) R t (3位) Rs (3位) Rt (3位) 000 Imm16 (16位) 0100 0110 R t (3位) Rs (3位) Rt (3位) Rx (3位) Offset16 (16位) XI型 SI型 SS型

1000 OP (6位) OP (6位) OP (6位) Rx (3位) 000 Offset16 (16位) Imm16 (16位) Imm16 (16位) 1010 1100 R t (3位) 000 Rt (3位) Rs (3位)

指令格式例2：

RR型 OP (6位) RI型 RS型

01 R t (3位) Rt (3位) 01 00 Rs (3位) Imm16 (16位) 000 OP (6位) 01 OP (6位) 01 R t (3位) 01 R t (3位) 10 11 Rs (3位) Rx (3位) Offset16 (16位) RX型 OP (6位) XI型 SI型

OP (6位) 11 Rx (3位) Offset16 (16位) 00 10 00 Imm16 (16位) 000 000 OP (6位) 10 10 R t (3位) Rt (3位) Imm16 (16位) Rs (3位) SS型 OP (6位)

寻址方式字段(2位)----00：立即；01：寄直；10：寄间；11-变址

8． 有些计算机提供了专门的指令，能从32位寄存器中抽取其中任意一个位串置于一个寄存器的低位有

效位上，并高位补0，如下图所示。MIPS指令系统中没有这样的指令，请写出最短的一个MIPS指令序列来实现这个功能，要求i=5, j=22, 操作前后的寄存器分别为$s0和$s2。

31 j

i 0

(31–j)位 31 0 (32–(j–i) )位

(j–i)位 (i+1)位 0 000 (j–i)位

参考答案：

可以先左移9位，然后右移15位，即：

sll $s2, $s0, 9

srl $s2, $s2, 15

思考：(1) 第二条用算术右移指令sra 行不行？

不行，因为不能保证高位补0！

(2) 若第一条指令中的$s2改成其他寄存器R，则会带来什么问题？ 所用寄存器R的值被破坏！

9． 以下程序段是某个过程对应的指令序列。入口参数int a和int b分别置于$a0和$a1中，返回参数是该

过程的结果，置于$v0中。要求为以下MIPS指令序列加注释，并简单说明该过程的功能。

add $t0, $zero, $zero loop: beq $a1, $zero, finish add $t0, $t0, $a0 sub $a1, $a1, 1 j loop

finish: addi $t0, $t0, 100 add $v0, $t0, $zero

参考答案：

1: 将t0寄存器置零

2: 如果a1的值等于零则程序转移到finish处 3: 将t0和a0的内容相加，结果存放于t0 4: 将a1的值减1

5: 无条件转移到loop处

6: 将t0的内容加上100，结果存放于t0 7: 将t0的值存放在v0

该程序的功能是计算“100+a×b” 10． 下列指令序列用来对两个数组进行处理，并产生结果存放在$v0中。假定每个数组有2500 个字，

其数组下标为0到2499。两个数组的基地址分别存放在$a0和$a1中，数组长度分别存放在$a2和$a3中。要求为以下MIPS指令序列加注释，并简单说明该过程的功能。假定该指令序列运行在一个时钟频率为2GHz的处理器上，add、addi和sll指令的CPI为1；lw和bne指令的CPI为2，则最坏情况下运行所需时间是多少秒？

sll $a2, $a2, 2 sll $a3, $a3, 2

add $v0, $zero, $zero

add $t0, $zero, $zero

outer: add $t4, $a0, $t0 lw $t4, 0($t4) add $t1, $zero, $zero inner: add $t3, $a1, $t1 lw $t3, 0($t3) bne $t3, $t4, skip

addi $v0, $v0, 1

skip: addi $t1, $t1, 4

bne $t1, $a3, inner addi $t0, $t0, 4 bne $t0, $a2, outer

参考答案：

1: 将a2的内容左移2位，即乘4 2: 将a3的内容左移2位，即乘4 3: 将v0置零 4: 将t0置零

5: 将第一个数组的首地址存放在t4 6: 取第一个数组的第一个元素存放在t4 7: 将t1置零

8: 将第二个数组的首地址存放在t3 9: 取第二个数组的第一个元素存放在t3 10: 如果t3和t4不相等，则跳转到skip 11: 将v0的值加1，结果存于v0 12: 将t1的值加4，结果存于t1

13: 如果t1不等于a3，即还未取完数组中所有元素，则转移到inner 14: 将t0的值加4

15: 如果t0不等于a2，即还未取完数组中所有元素，则转移到outer 该程序的功能是统计两个数组中相同元素的个数。

程序最坏的情况是：两个数组所有元素都相等，这样每次循环都不会执行skip。因此，指令总条数为：5+2500×(3+2500×6+2)=37512505，

其中：add,addi和sll的指令条数为：4+2500×(2+2500×3+1)=18757504 lw和bne的指令条数为： 1+2500×(1+2500×3+1)=18755001 所以：程序执行的时间为：(2GHzclock的clock time=1/2G=0.5ns) (18757504×1+18755001×2) × 0.5ns = 28133753ns≈0.028s 11． 用一条MIPS指令或最短的指令序列实现以下C语言语句：b=25|a。假定编译器将a和b分别分配到

$t0和$t1中。如果把25换成65536，即b=65536|a，则用MIPS指令或指令序列如何实现？ 参考答案：

只要用一条指令ori $t1, $t0, 25就可实现。 如果把25换成65536，则不能用一条指令ori $t1, $t0, 65536来实现，因为65536 （1 0000 0000 0000 0000B）不能用16位立即数表示。可用以下两条指令实现。

lui $t1, 1

or $t1, $t0, $t1