109 中正資工所硬體考點分析｜國立中正大學

十年唯一一次考數位邏輯——第 10、11 題要畫 flip-flop 時序圖並設計 4-bit 移位暫存器算最高操作頻率。

題型與配分

科目名稱：計算機系統，系所組別「資訊工程學系－甲組」，第 3 節，全卷 100 分、5 頁、11 大題。

題號	配分	主題
1	20%	十個單選
2	5%	inode 的最大檔案大小
3	13%	SSD 的 FTL、垃圾回收、磨損平衡、over-provisioning
4	6%	銀行家演算法（兩組 Available）
5	6%	輾轉現象的三種改善方法
6	5%	兩台同 ISA 機器的效能比較
7	5%	五級管線執行 N 道指令的最短時間
8	5%	含快取失誤的實際 CPI
9	10%	CNN 卷積 + IEEE754 單精度運算
10	15%	flip-flop 的時序參數與最小時脈週期
11	10%	4-bit 移位暫存器設計與最高操作頻率

109 年是中正硬體十年裡唯一考數位邏輯的一年（第 10、11 題合計 25 分）。要畫 flip-flop 的時序圖、推出最小時脈週期的公式、設計移位暫存器並算最高頻率。

入場後 40 分鐘內不得離場，卷面無倒扣標示。

OS 與計組的比重：OS 50%（第 1–5 題）、計組 25%（第 6–9 題）、數位邏輯 25%（第 10、11 題）。

第 1 題：十個單選（20%）

十個小題的考點：

(1)｜日誌結構檔案系統崩潰後必然發生什麼。考 journaling 的回復程序
(2)｜「___ 讓父子程序初期共享相同頁面，任一方修改時才建立副本」。名詞填空
(3)｜safe、unsafe、deadlock 之間的轉換，五個敘述選一個正確的。每個敘述都是在考這三種狀態能不能互相轉移，要逐一判斷方向
(4)｜FAT 是哪一種配置方式的例子
(5)｜臨界區問題的解法「不需要」滿足哪個要求。課本列的必要條件要背得一字不差，選項裡混了一個聽起來很合理的
(6)｜使用者模式下應用程式可以「直接」做哪件事。四個具體操作加一個「以上皆不可」，要逐一判斷每個操作是不是特權操作
(7)｜程序產生超出合法位址範圍的位址時，立即結果是什麼
(8)｜Linux 的工作通常用什麼系統呼叫啟動另一份自己
(9)｜MLFQ 下 CPU 時間如何分配。與 108 年第 1(4) 題一字不差
(10)｜分頁硬體中的 valid 位元，在虛擬記憶體實作後意義變成什麼

作業系統考點

第 2 題（5%）｜inode 的最大檔案大小：磁碟區塊 8 KB、指標 4 bytes，12 個直接 + 單層 + 雙層 + 三層間接。先算出一個間接區塊能放幾個指標，再逐層累加。區塊大小跟成大 107 那題不同，別套用記憶中的數字
第 3 題（13%）｜SSD 與 FTL：
(1) 4%｜NAND 快閃記憶體的兩個固有限制
(2) 6%｜垃圾回收器與磨損平衡器的功能。兩者要分開講，各自解決的是 (1) 小題裡的哪一個限制
(3) 3%｜什麼是 over-provisioning space、它如何改善垃圾回收或磨損平衡的效能。後半題要講出機制，不能只說「比較快」
這題與成大 112 年第 3 題、115 年選擇題 12 是同一條線
第 4 題（6%）｜銀行家演算法：五個程序 P0–P4、四種資源 A–D，給 Allocation 與 Max。分別對 Available = (1,4,1,2) 與 (2,1,1,3) 判斷是否 unsafe；若 safe 要寫出完成順序、若 unsafe 要說明為什麼。同一組狀態換兩個 Available，要跑兩次安全性演算法，Need 矩陣可以共用
第 5 題（6%）｜輾轉現象的改善：CPU 使用率 20%、分頁磁碟 97.7%、其他 I/O 5%。提出三種改善 CPU 使用率的方法並簡述。要先從數字判斷系統處於什麼狀態，提出的方法必須對症。與中央 107 年第 7 題是同一組數字

計算機組織考點

第 6 題（5%）｜兩台同 ISA 機器的效能比較：P 的 CPI = 2.0、時脈週期 250 ps；Q 的 CPI = 1.0、時脈率 2.0 GHz。一台給週期、一台給頻率，要先換成同一種單位再比；同 ISA 代表指令數相同，這個條件要用上
第 7 題（5%）｜五級管線執行 N 道指令的最短時間：各級關鍵路徑 5、4、6、10、5 ns，答案以 N 表示。要先決定時脈週期，再想清楚第一道指令與後續指令各要幾個週期
第 8 題（5%）｜含快取失誤的實際 CPI：2.5 GHz、分離式 I/D 快取、全命中時 CPI = 2、失誤罰則 20 ns、20% 是記憶體存取指令、I-cache 失誤率 2%、D-cache 失誤率 5%。罰則給的是 ns，要先換成 cycles；資料快取的失誤只發生在記憶體存取指令上
第 9 題（10%）｜CNN 卷積 + IEEE754：3×4 輸入圖、2×2 核，所有輸入 a–l 的值都是 0xC0800000、核參數 w/x/y/z 都是 0x40000000，求 2×3 輸出特徵圖（以 IEEE754 單精度表示）。三個步驟：解碼兩個十六進位數、做卷積運算、再把結果編碼回十六進位，任一步錯全錯。與 108 年第 6 題是同一張卷積圖，但 108 問延遲、109 問數值

數位邏輯考點（第 10、11 題，25%）

第 10 題（15%）：
(1)｜用時序圖說明 flip-flop 的 (a) 建立時間 T_setup、(b) 時脈到輸出延遲 T_clk-to-q、(c) 保持時間 T_hold。時序圖要標出時脈邊緣，三個參數各是相對於邊緣的哪一段
(2)｜用 T_setup、T_clk-to-q、T_hold 與資料路徑的關鍵路徑延遲 T_CP 表示同步電路的最小時脈週期。題目把四個參數都列出來，但不代表每一個都要出現在式子裡
(3)｜用 Amdahl's Law 解釋為什麼把資料路徑切成 N 級無法達到理想的 N 倍加速。要找出「切割之後不會跟著變小」的那一部分，把它對應到 Amdahl 定律裡不可平行化的部分
第 11 題（10%）｜設計 4-bit 移位暫存器，用最少的 flip-flop（T_setup = 10 ps、T_clk-to-q = 10 ps、T_hold = 30 ps）與反相器（閘延遲 T_inv = 50 ps）。要畫出邏輯圖、標出關鍵路徑、算出最高操作頻率。
題目給了反相器，而且 T_hold 比 T_clk-to-q 大——這兩個條件放在一起不是巧合
只檢查 setup 限制是不夠的，hold time 的限制也要檢查，並據此調整設計
這個 hold time 的檢查是本題真正的難點

這份考卷的難點

第 11 題的 hold time 是全卷最深的陷阱。 題目給的三個 flip-flop 參數裡，有一組大小關係會讓最直覺的設計出問題。只算 setup 不檢查 hold 就會得到錯誤的設計。
第 9 題要做完整的 IEEE754 編碼與解碼。 解碼、運算、再編碼三個步驟都不能錯。
第 6 題的兩台機器一台給週期、一台給頻率。 單位換算完再比，很多人算到一半就下結論。
第 10(3) 題要用 Amdahl's Law 解釋管線的加速上限。 關鍵是找出管線化之後不可平行化的那一部分是什麼。這個連結不是每個人都想得到。

準備建議

109 年的數位邏輯（25 分）是中正硬體十年唯一一次，但既然考過就有可能再考。要會：flip-flop 的三個時序參數、最小時脈週期的公式、hold time 的檢查條件
SSD 與 FTL（第 3 題）是中正與成大共同的近年考點。要能講出 NAND 的限制，以及垃圾回收、磨損平衡、over-provisioning 各自解決什麼問題
IEEE754 的編碼與解碼（第 9 題）要練到能雙向轉換，指數偏移與隱含的前導 1 是兩個最常出錯的地方
safe／unsafe／deadlock 的關係（第 1(3) 題）是這個考點的另一種問法（中央問兩者關係、中正 108 問「有沒有既非死結也非安全的狀態」、109 問「狀態之間能不能轉換」）
臨界區的必要條件（第 1(5) 題）要背得一字不差
含快取失誤的 CPI（第 8 題）：要先把 ns 的罰則換算成 cycles，並分清楚指令快取與資料快取的失誤各自乘上什麼比例
中正十年無倒扣，每一題都要作答

109 中正資工所硬體考點分析