111 成大資工所考古題詳解｜硬體考點分析

題型與配分

全卷 4 頁、4 大題、100 分，不可使用計算機，於本試題紙上作答者不予計分。

第 1 題：十個是非題（20%）

• 第 1(a) 題｜「電腦使用率低時耗電也少」
• 第 1(b) 題｜給 A 機（100 億指令、4 GHz、CPI 1.0）與 B 機（80 億指令、4 GHz、CPI 1.2），判斷「A 的 MIPS 較高但 B 較快」是否成立
• 第 1(c) 題｜PC 在 0x00000600，能否用一道 beq 跳到 0x00020000
• 第 1(d) 題｜IEEE754 single precision 最小正 normalized number 的位元樣式是否為 0000_0001_0000..._0000
• 第 1(e) 題｜−0.75₁₀ 的 IEEE754 表示是否為 1_01111110_1000...0
• 第 1(f) 題｜「相較於 PIPT，VIPT 的主要優點是 miss rate 較低」
• 第 1(g) 題｜「fully associative 快取沒有衝突 miss」
• 第 1(h) 題｜「GPU 靠深 pipeline 架構隱藏 DRAM 的長延遲」
• 第 1(i) 題｜看 roofline 圖判斷 Kernel 1 是否受記憶體 bandwidth 限制
• 第 1(j) 題｜「TLB miss 但不發生 page fault 是可能的」

第 2 題：pipeline 完成週期（15%）

給一段含兩個分支的 MIPS 程式與實際執行順序（第一次 not taken、之後 taken），採用 predict-taken predictor、分支結果在 EX 級決定、無 delay slot。第一道指令在第 5 週期完成。

• 第 2(a) 題（5%）｜無 forwarding 時，填出後五道指令各在第幾個週期完成
• 第 2(b) 題（10%）｜完整 forwarding 時，同樣填出五個週期數

第 3 題：同一組位址跑三種快取（15%）

字位址序列：3, 180, 2, 43, 191, 88, 190, 14, 181, 88（10 個）。

• 第 3(a) 題（5%）｜direct-mapped、1-word block、總容量 8 words，標出每次存取的 hit 或 miss 並算 hit rate
• 第 3(b) 題（5%）｜2-way、2-word block、總容量 8 words，用 LRU
• 第 3(c) 題（5%）｜fully associative、2-word block、總容量 8 words，用 LRU

與 108 第 1 題同型，108 年是兩種 cache，這一年是三種。

第 4 題：I/O 子系統（50%）

• 第 4(a) 題（5%）｜device driver 能對 device controller 下哪些種類的命令與資料（提示：透過特殊或標準 I/O 指令）
• 第 4(b) 題（5%）｜小量資料、延遲導向的 I/O 該用 CPU 還是 DMA，為什麼
• 第 4(c) 題（5%）｜DMA 需要 physical address，但虛擬到實體的轉換很耗時，什麼硬體裝置可以協助這個轉換
• 第 4(d) 題（6%）｜依描述寫出三個 I/O 服務的名稱，各 2%
• 第 4(d)(i) 題｜資料從應用程式傳往裝置期間暫存資料的記憶體區
• 第 4(d)(ii) 題｜存放資料副本的快速記憶體區，存取副本比存取原始資料更有效率
• 第 4(d)(iii) 題｜為無法接受交錯資料流的 I/O 裝置保存輸出的記憶體區（提示：一次只能服務一個工作）
• 第 4(e) 題（4%）｜asynchronous I/O 可以用上述三種技術中的哪一種來實作，為什麼
• 第 4(f) 題（5%）｜swap space 用 file system 內的檔案還是獨立磁碟 partition，哪種實作效率較好，為什麼
• 第 4(g) 題（5%）｜固定 swap space 下不斷增加多工度會發生什麼現象
• 第 4(h) 題（5%）｜用 working set 模型防止上述現象：三個 process 的 working set 大小為 WSS(a)、WSS(b)、WSS(c)，可用 frame 為 d，用數學式寫出 OS 該暫停某個 process 的條件
• 第 4(i) 題（5%）｜多工並行 I/O 環境下，FCFS、SCAN、LOOK 哪一族表現較好，為什麼
• 第 4(j) 題（5%）｜當磁碟 queue 長度固定為 1 時，哪一族表現較好，為什麼

作答時要注意的地方

1. 於試題紙上作答不予計分。
2. 第 4 題 50 分，十個小問全在 I/O 子系統。
3. 第 4(h) 題要求用數學式表達。
4. 第 2 題的分支採 predict-taken，實際執行順序在題目中指定。
5. 第 3 題三種組態的總容量相同，block size 與 associativity 不同。

準備方向

• I/O 子系統：I/O 服務的名稱與定義，programmed I/O、interrupt-driven I/O 與 DMA，DMA 與 virtual memory，swap space，disk scheduling（111 第 4 題）。
• working set 模型（111 第 4(h) 題）。
• direct-mapped、set associative 與 fully associative 的 cache 追蹤：108 第 1 題、111 第 3 題。
• MIPS 指標、VIPT、GPU 隱藏延遲等是非題（111 第 1 題）。
• IEEE754 的位元樣式（111 第 1(d)(e) 題）。
• 有無 forwarding 的 pipeline 時序與 branch prediction（111 第 2 題）。