115 中興資工所考古題詳解｜硬體考點分析

題型與配分

全卷 7 頁，簡章規定不可使用計算機，另有 1 頁考生注意事項。單選與複選畫在答案卡，計算與問答題寫在答案卷，卷面註明未依規定作答不予計分。

第 1–6 題與兩題問答（50 分）是計算機組織，第 7–17 題（50 分）是作業系統。113、114 年作業系統排在前面，115 年計算機組織排在第一大題。第三大題多題的 (E) 選項是 None of the above。第 15–17 題共用同一個前提：32 位元 virtual address space、paging、頁面 4 KB、記憶體以位元組定址。

第一大題：計算機組織（第 1–6 題，每題 5 分，答錯 −3）

• 第 1 題｜pipeline 深度加倍（例如從 5 級變成 10 級），下列哪一項通常不會增加：cycle time、CPI、forwarding path 的數量、branch misprediction penalty
• 第 2 題｜處理器只有單一記憶體埠，每週期只能服務一次記憶體存取，IF 與 MEM 不能在同一週期；五級 pipeline IF、ID、EX、MEM、WB，每道指令在 IF 與 MEM 都用到記憶體埠，沒有其他 hazard，執行 N 道指令需要幾個週期
• 第 3 題｜關於 IPC（Instructions Per Cycle）哪個敘述不正確：cache 效能、增加 pipeline stage 數、同一程式在不同處理器設計上、control hazard
• 第 4 題｜reservation station（RS）如何與 register renaming 配合以支援 out-of-order execution
• 第 5 題｜兩層 cache：L1 hit time 1 個週期、hit rate 90%，L2 hit time 5 個週期、hit rate 95%，L2 miss penalty 50 個週期，求平均記憶體存取時間
• 第 6 題｜某 cache block 在 Shared（S）狀態，Core 0 對它寫入，其他 core 也有副本，依 MESI 協定，寫入後各 core 的狀態轉移

第二大題：複選題（第 7–11 題，每題 4 分，全對才給分）

• 第 7 題｜哪些操作至少涉及一次 system call：讀檔案中的一筆記錄、複製字串、建立新 process、在螢幕上顯示視窗、取得環境變數（例如 getenv("PATH")）
• 第 8 題｜Banker's Algorithm：五個 process P0–P4、三種資源 A、B、C（分別有 10、5、7 個實例），給 T₀ 的 Allocation 與 Max，P1 再要求 1 個 A 與 2 個 C，判斷批准後 P4 要求 (3, 3, 0) 能否批准、P0 再要求 (0, 2, 0) 是否發生 deadlock、三條宣稱的 safe sequence 是否成立
• 第 9 題｜21 個頁面參考、3 個 frame，判斷 LRU、FIFO、Optimal 三種 replacement algorithm 的 page fault 次數，選項分別給出 LRU 18 或 14、FIFO 19 或 17、Optimal 14
• 第 10 題｜virtual memory 的 page table：每個使用者 process 的 address space、Linux process 的 page table 由誰管理、page table entry 是否一定指向 physical memory 的 frame、未使用區域的 page table 開銷、inverted page table 的 inverted 指什麼
• 第 11 題｜選出正確的敘述：valid/invalid bit 的用途、page replacement 時是否要 write-back 磁碟、copy-on-write、TLB、virtual memory 與 process 隔離

第三大題：單選題（第 12–17 題，每題 5 分，答錯 −3）

• 第 12 題｜virtualization 與 file system 的綜合觀念：virtual machine 提供誰一份底層電腦的虛擬副本、Java virtual machine 中直譯器與 bytecode 的關係、virtual file system（VFS）的作用、container 是否包含完整的 guest 作業系統、Hosted Hypervisor 與 Bare-Metal Hypervisor 的 I/O 效能
• 第 13 題｜一段 C 程式在 do-while 迴圈中呼叫 fork()，else 分支再 fork() 一次並呼叫 execlp()，包括最初的 parent process，共建立幾個 process
• 第 14 題｜P1（到達 0、CPU burst 9）、P2（到達 3、CPU 4 → I/O 5 → CPU 3）、P3（到達 6、CPU burst 5），採 time quantum 為 5 的 Round-Robin，三個 process 的 waiting time 總和
• 第 15 題｜32 位元 virtual address space、頁面 4 KB、位元組定址：一個 process 最多有幾個 page、physical memory 最大 32 GB 時 physical address 最多幾個位元、系統最多有幾個 frame
• 第 16 題｜單層 paging，記憶體存取時間 100 ns、TLB 存取時間 20 ns，要讓 effective memory access time 小於 140 ns，TLB hit rate 至少要多少
• 第 17 題｜demand paging，沒有 page fault 時的 effective memory access time 為 80 ns，page fault 的服務時間為 10 ms，page fault rate 為 0.004，求 demand paging 下的 effective access time（四捨五入到小數點後一位）

第四大題：計算與問答題（每題 10 分，寫在答案卷）

• 問答 1（10%）｜cache 寫入操作：(a) 列出寫入 hit 時的兩種標準政策；(b) 列出寫入 miss 時的兩種標準政策；(c) 哪個政策組合提供較強的資料一致性
• 問答 2（10%）｜4-issue superscalar CPU 執行 300 道指令：30% 的指令相依於前面的指令、各造成 1 個週期的 stall；10% 是 load 指令、各造成 2 個週期的記憶體 stall；20% 是分支指令、各有 3 個週期的罰則；其餘指令獨立，可以用滿發射寬度，求這個程式的平均 IPC

作答時要注意的地方

1. 第一、三大題答錯倒扣 3 分，第三大題是五個選項，第二大題複選要全對才給分。
2. 第三大題多題的 (E) 是 None of the above。
3. 第 8 題兩個選項寫了 If the request granted，三條 safe sequence 沒有寫，判斷時是以批准之後的狀態，還是以 T₀ 的原始狀態，有兩種讀法，作答時可在答案卷上註明假設。
4. 第 12 題的五個選項分屬 virtual machine、Java virtual machine、VFS、container、Hypervisor 五個不同主題，要逐項判斷。
5. 第 15 題同時問頁數、physical address 位元數與 frame 數三件事，選項只對應其中一個數字。
6. 第 17 題的單位同時出現 ns 與 ms。
7. 問答 2 沒有明確說明各類 stall 是否可以重疊，作答時可以寫出式子的結構並註明假設。

準備方向

• pipeline 深度、IPC 與 structural hazard：115 第 1–3 題，110 第 4-A 題、111 第 7-II 題、112 第 18 題、113 第 13 題也有 pipeline。
• reservation station 與 register renaming：115 第 4 題，108 第 (6) 題、110 第 4-B 題、111 第 5-II 題、114 第 20 題也有。
• 兩層 cache 的平均存取時間：115 第 5 題，111 第 8-I 題也有。
• MESI：115 第 6 題，114 問答第 4 題也有。
• system call：115 第 7 題，112 第 3 題也有 system call 與 API。
• Banker's Algorithm：115 第 8 題，113 第 6 題也有。
• page replacement：115 第 9 題，112 第 1、2 題、113 第 5、7 題、114 第 12、14 題與問答第 2 題也有。
• page table 與 valid、dirty 位元：115 第 10、11 題，110 第 3-A 題、111 第 6-I 題、112 第 5、6 題也有。
• virtualization 與 container：115 第 12 題，114 第 6 題有 micro-kernel。
• fork 與 exec：115 第 13 題，110 第 2-A 題、112 第 13、21–23 題、113 第 4 題也有。
• Round-Robin scheduling：115 第 14 題，110 第 1 題、113 第 3 題、114 第 15、16 題也有 scheduling。
• TLB 與 effective access time：115 第 16、17 題，110 第 3-B 題、112 第 5 題也有。
• cache 寫入政策：115 問答第 1 題，108 第 (9) 題、112 第 24 題也有。
• superscalar 與 IPC：115 問答第 2 題、第 3 題。