111 中央資工所硬體考點分析

題型與配分

所別「資工類」，科目：作業系統與計算機組織，全卷 100 分、8 頁、20 題——是中央硬體十年來頁數最多的一份。本科考試禁用計算器。

兩個倒扣池互不相通：單選扣到 0 就停、多選扣到 0 就停。換句話說最壞情況是 0 分而不是負分，這在中央硬體十年裡是比較寬鬆的設計（106、107 沒有寫下限）。

這一年沒有任何一題「mod 5」，但單選 1、3、5、6 全是要算出數值的題目，而且選項之間差距極小（第 3 題五個選項只差零點幾）。禁用計算器下，四則運算的手算功力直接決定這 40 分。

OS 與計組的比重：計組 50%（第 1–3、9–15 題）、OS 45%（第 4–8、16、17、19、20 題）、計算機網路 5%（第 18 題）。

單選題（1–8）

• 第 1 題（5%）｜Amdahl's Law：模組佔計算時間 40%、加速 10 倍，求整體加速比。注意題目給的是時間比例（不是指令比例）——這與 110 年第 8 題的陷阱正好互補
• 第 2 題（5%）｜2-way 組相聯的標籤位元數：16 KB、block 4 bytes、2-way、32-bit 位址。先算 set 數再切 index。與 109 年第 2 題是同一題換參數（那年是直接對映）
• 第 3 題（5%）｜管線化加速比：未管線化時脈 8 ns、ALU 4 cycles 30%、branch 5 cycles 30%、memory 5 cycles 40%、管線化多 1 ns。兩步驟：先用指令組合加權算出未管線化的平均 CPI，再拿兩種設計的「CPI × 週期」相比。與 109 年第 1 題是同一題換數字
• 第 4 題（5%）｜fork 迴圈：for (i=0;i<4;i++) fork();。題目特別註明「including the original process」——「總程序數」與「新增程序數」差一，看清楚問的是哪一個。106 年第 19 題問的是另一種——中央很愛在這裡設陷阱
• 第 5 題（5%）｜Round Robin 的平均等待時間：四個程序有各自的到達時間與 CPU 分發時間，時間量子 = 5、上下文切換 ≈ 0。要畫出完整的甘特圖再算平均等待時間，是全卷最耗時的一題。新到達的程序與剛用完量子的程序誰先排進佇列，是 RR 甘特圖最常出錯的地方
• 第 6 題（5%）｜三種置換演算法的頁錯誤數：參考串 1 5 4 6 4 1 5 4 1 6 2 3 1 6、三個頁框。要跑 FIFO、stack-based LRU、Optimal 三次，另有一個選項涉及現代 OS 會不會採用 Optimal
• 第 7 題（5%）｜虛擬化，問「哪一個不成立」——五個選項涵蓋 Docker 虛擬化的是硬體層還是作業系統層、K8s 的定義、半虛擬化的定義、JVM 的垃圾回收。核心分界是「容器」與「虛擬機」各自虛擬化到哪一層。與 110 年第 14 題（容器對 VM）是同一個考點連兩年
• 第 8 題（5%）｜生產者—消費者的號誌順序：已給生產者的完整程式（wait(empty) → wait(mutex) → … → signal(mutex) → signal(full)），要補出消費者缺的兩個 signal（V1、V2）。消費者的結構與生產者對稱，想清楚消費者取出一個項目之後要通知誰，以及兩個 signal 的先後順序

計算機組織考點（9–15，多選）

• 第 9 題（5%）｜看著單週期資料路徑圖回答（卷上直接印出電路圖）——四個敘述分別問 PC 送進加法器是在算什麼、對 Instruction[15-0] 做符號延伸的結果、ALU 的 Zero 訊號送進 AND 閘是在判斷什麼、「Write register」前那個 Mux 到底決定什麼。要能分清「資料路徑上的元件」與「控制單元送出的控制線」各自負責的事。這是十年裡唯一一題直接考電路圖判讀
• 第 10 題（5%）｜自訂浮點格式：標準 binary16 是 1/5/10、bias 15，新格式改成 1/8/7、bias 127。前兩個敘述是定性題（指數位元變多、尾數位元變少各會怎樣），後兩個要把同一串 16 位元分別用兩種格式解碼再比較。要牢記位元分配的取捨：指數與尾數各自管的是什麼
• 第 11 題（5%）｜inclusive cache——涵蓋 inclusive 的定義（誰是誰的子集）、從哪一層逐出會強制另一層也逐出、它對空間利用率的影響、它換來的好處是什麼。逐出的方向是全題核心，很容易反過來記。十年唯一一次考 inclusive／exclusive cache
• 第 12 題（5%）｜分離式 I-cache 與 D-cache——前兩個敘述問「合併成統一快取後失誤率會往哪個方向變」，要分別跟 I-cache、D-cache 的原始值比較；後兩個問能不能同時存取指令與資料、分離減少的是哪一種危障。最後這一項在 109 年第 15 題、111 年第 14 題也考過，中央考三次
• 第 13 題（5%）｜指令集設計，問「哪些不成立」——涵蓋 動態排程的優點、單週期時脈由什麼決定、Reg-Reg 架構的 CPI 變異、RISC 是否已成主流產品、單週期與多週期誰更適合管線化。Reg-Reg 那一項與 106 年第 5 題 (A) 是同一組敘述。反問句要特別小心勾選方向
• 第 14 題（5%）｜管線危障——涵蓋 編譯器排程能避開哪些危障、分離 I/D cache 減少的是哪一種危障、WAR 與 RAW 哪一種能用暫存器重新命名解決。這組敘述在 109 第 14 題、110 第 9 題已經出現過，111 是第三次
• 第 15 題（5%）｜綜合判斷——涵蓋 提高關聯度對失誤率與命中時間的影響、MIPS 分支位移以什麼為單位（以及它對範圍的影響）、加大快取是不是「總是」能提高命中率、管線級間暫存器的必要性、MIPS 指令長度。「總是」這種絕對用語要特別檢查

作業系統考點（16–20，多選）

• 第 16 題（5%）｜競爭範圍（contention scope）——涵蓋 PCS 與 SCS 各自描述的是哪一層的競爭、Linux 支援哪一種 PTHREAD_SCOPE_*、one-to-one 模型對應哪一種。要把 PTHREAD_SCOPE_PROCESS／PTHREAD_SCOPE_SYSTEM 與 PCS／SCS 的對應記牢，選項就是拿這組對應互換
• 第 17 題（5%）｜處理器親和性（processor affinity）——涵蓋 Linux 支援硬親和性還是軟親和性、負載平衡與親和性的衝突、NUMA 架構對親和性的影響、soft affinity 的定義
• 第 18 題（5%）｜網路協定——涵蓋 BGP 是 inter-AS 還是 intra-AS 的路由協定、HTTPS 靠什麼加密、ARP request 是單播還是廣播、ARP 欺騙的原理
• 第 19 題（5%）｜執行緒與輾轉現象（thrashing）——涵蓋 同程序的執行緒共不共享堆疊、能不能共用 TLB 條目、thrashing 的定義、區域置換演算法能不能完全解決 thrashing。thrashing 的定義要看清楚比較的是哪兩種時間
• 第 20 題（5%）｜程序遷移與合作——涵蓋 程序遷移的動機、標準 UNIX pipe 支不支援程序遷移、程序合作的理由、IPC 的兩種模型

這份考卷的難點

1. 第 9 題要真的看懂單週期資料路徑圖。 四個選項全部在問「某條線／某個元件的功能是什麼」，而且刻意把不同元件的職責互換。只背過方塊圖名稱、沒理解訊號流向就答不出來。
2. 第 5 題的 RR 甘特圖在四個程序、不同到達時間、時間量子 5 的設定下，要追蹤十幾次切換才能算出平均等待時間，在禁用計算器又只有 5 分的情況下投報率很低，建議最後再做。
3. 第 6 題一題要跑三個置換演算法（FIFO、LRU、Optimal），而且是單選題——三個都算完才知道哪個選項對，算錯一個就選錯。
4. 第 11 題的 inclusive cache 方向性：要從「誰是誰的子集」推出逐出的強制方向，選項會把方向寫反來測試你。

準備建議

• 111 有四題是前幾年的原題換數字：第 2 題 = 109 第 2 題（快取 tag）、第 3 題 = 109 第 1 題（管線加速比）、第 4 題 = 106 第 19 題（fork，但改問另一種數法）、第 13 題的 Reg-Reg 敘述 = 106 第 5 題 (A)。109 與 111 一起練，等於做了一年半
• fork 題一定要看清楚問的是「新增」還是「總共」。中央在 106 與 111 兩年各考一種
• Amdahl's Law 的兩種問法要分清：111 第 1 題給的是時間比例、110 第 8 題給的是指令比例。看到百分比先問自己「這是時間還是指令」
• 生產者—消費者的號誌順序（第 8 題）：wait 與 signal 各自的先後順序要能說出理由，順序錯了會造成死結
• 單週期資料路徑圖（第 9 題）要能指著圖說出每條控制線（RegDst、ALUSrc、MemtoReg、RegWrite、MemRead、MemWrite、Branch）接到哪個 Mux、由誰產生。108 年第 11 題考的是同一張圖的使用率統計，兩題一起看最有效率
• 兩個倒扣池互不相通，所以單選扣到 0 之後再猜就沒有額外損失——如果單選已經有三題以上沒把握，剩下的反而可以放手猜