115 中正資工所考古題詳解｜硬體考點分析

題型與配分

全卷 3 頁、7 題、100 分。系所組別為「資訊工程學系」，不再分甲組。全卷沒有選擇題區與填空題區，只有第 2 題是三選一。答案寫在試卷（答案卷）作答區內，限用藍色或黑色筆（含鉛筆），試題須隨試卷繳還。入場後 40 分鐘內不得離場。卷面沒有倒扣規定。

逐題考點

• 第 1 題（30%）｜32 位元、以位元組定址的系統，單一 cache 總容量 4 KB、block 16 bytes，比較三種組態：direct-mapped、4-way set-associative、fully-associative。cache 一開始是空的，兩種相聯式用 LRU，寫入採 write-back 與 write-allocate。依序處理 10 次存取（R 為讀、W 為寫）：(1) R 0x12345678、(2) R 0x1234567C、(3) W 0x12345670、(4) R 0x12346678、(5) R 0x12347678、(6) W 0x12348678、(7) R 0x12345674、(8) R 0x12349678、(9) R 0x1234667C、(10) W 0x1234867C。對每種組態判斷每次存取是 hit 或 miss，並寫出總 hit 數與 miss 數
• 第 2 題（5%）｜承第 1 題，main memory 從 4 GB 增加到 16 GB，系統要正常運作，cache 總容量（4 KB）是否一定要增加（Increase、Decrease 或 No Change Required）
• 第 3 題（5%）｜程式在電腦 A 上執行 10 秒，A 是 5 級 pipeline、平均 CPI 1.0、clock rate 2 GHz。新機器 B 是 10 級 pipeline，目標執行時間 6 秒，更深的 pipeline 使平均 CPI 增加到 1.2，指令數相同，求 B 必須達到的 clock rate
• 第 4 題（10%）｜ARM 的 big.LITTLE 架構：一個 big core 與一個 LITTLE core，同時只有一個 core 運作，LITTLE core 運作時耗電 2 W，big core 8 W，閒置的 core 耗電不計。程式完全在 LITTLE core 上要 10 秒，其中 30% 的執行時間是效能關鍵的程式碼，big core 執行這一部分比 LITTLE 快 4 倍，切換 core 沒有額外負擔。關鍵部分在 big core 執行、其餘在 LITTLE core 執行，求平均功耗（瓦）
• 第 5 題（10%）｜CPU scheduling 與 I/O 效能。(a) 說明為什麼要讓 I/O-bound process 盡早取得 CPU，才能讓 I/O throughput 最大。(b) 以 Multilevel Feedback Queue 為例，說明如何動態辨識 I/O-bound process 並調整 priority
• 第 6 題（10%）｜用 Copy-on-Write 最佳化 fork()。(a) 說明 fork() 剛完成時，parent process 與 child process 的 PTE 應如何設定。(b) child process 寫入共享頁面時會觸發 page fault，kernel 如何分辨這是 Copy-on-Write 造成的，還是非法的記憶體存取
• 第 7 題（30%）｜用 atomic operation 實作的簡單讀寫 spinlock（Simple Reader-Writer Spinlock），已知 atomic_sub(addr, val) atomically 從 *addr 減去 val 並回傳舊值，atomic_add 是 atomic 加法。卷上給 init_spinlock、writer_lock、reader_lock、reader_unlock、writer_unlock 的程式碼，鎖的初始值為 MAXVAL = 0x40000000。(a) 證明寫者與讀者之間的 mutual exclusion。(b) 證明多個讀者可以同時進入 critical section（Concurrency）

作答時要注意的地方

1. 全卷沒有選擇題區與填空題區，卷面沒有倒扣規定。
2. 第 1 題要對三種組態的十次存取逐一判斷 hit 或 miss，並寫出總數。
3. 第 7 題是證明題，要求證明 mutual exclusion 與並行性。
4. 第 2 題的選項寫在題目裡：Increase、Decrease 或 No Change Required。

準備方向

• 同一組位址跑多種 cache 組態（115 第 1 題），107 第 8 題、111 第 6 題、113 第 4 題用兩種 block size。
• CPU 效能方程式（115 第 3 題），109 第 6、8 題、111 第 3 題、113 第 5 題也有。
• 能耗與功率（115 第 4 題，big.LITTLE），其他年度沒有。
• MLFQ 與 I/O-bound process（115 第 5 題），108 第 1(4) 題、109 第 1(9) 題、113 第 1(7) 題也有 MLFQ。
• Copy-on-Write（115 第 6 題），109 第 1(2) 題也有，112 單選第 2 題考 unified virtual memory。
• synchronization primitive 的正確性證明（115 第 7 題），109 第 1(5) 題、110 第 1(7)(8)(9) 題、111 第 1(1) 題、112 多選第 2 題、114 單選第 5 題也有 synchronization 題。
• cache 總容量與 main memory 大小的關係（115 第 2 題），114 填空第 2 題也有 cache 位元數。