115 中央資工所硬體考點分析

題型與配分

系所「資工類」，科目：作業系統與計算機組織，全卷 100 分、8 頁、20 題——與 111 年並列為中央硬體十年頁數最多的一份。本科考試禁用計算器。

計分規則與 114 年完全相同（100 分逐選項倒扣、有 0 分下限），但內容是十年來變動最劇烈的一年。

傳統計算題完全消失。十年來每年都有的快取位址拆解、CPI／MIPS 計算、Amdahl's Law、頁面置換模擬、fork 程序數，115 年一題都沒有。取而代之的是大量現代架構與系統的敘述判斷。

OS 與計組的比重：計組 50%（第 1–10 題）、OS 50%（第 11–20 題），結構與 113、114 一致。

這一年沒有任何一題是原題重出——與 112（四題）、113（五題）、114（四題）形成強烈對比。如果 116 年延續 115 的路線，「背考古題」的策略會失效。

計算機組織考點（1–10）

• 第 1 題（5%）｜RISC 與指令集架構——涵蓋 MIPS 的算術指令能不能直接對記憶體運算（load-store 架構的定義）、固定指令長度的好處、RISC 與 CISC 的通用暫存器數量比較、定址模式多寡對控制邏輯的影響、暫存器不夠時程序呼叫怎麼辦
• 第 2 題（5%）｜單週期對多週期——涵蓋 單週期的時脈週期由什麼決定、功能單元能不能在一道指令內重複使用、兩者的 CPI 高低、控制單元是組合邏輯還是狀態機、延遲不一的浮點運算適合哪一種。CPI 那一項是全題最容易反過來記的
• 第 3 題（5%）｜full forwarding 下的 RAW（一道 add 緊接一道讀它結果的 sub）——涵蓋 有完整 forwarding 時還需不需要停頓、結果是從哪一個管線暫存器轉送出去的、若沒有 forwarding 要停幾個週期、forwarding 能不能消除「所有」資料危障（選項特別寫了包括 load-use）、這裡偵測到的是哪一種危障。load-use 那半句是關鍵，看漏就會判斷錯
• 第 4 題（5%）｜分支預測——涵蓋 靜態預測的依據、1-bit 預測器在迴圈出口會誤判幾次、2-bit 飽和計數器要連錯幾次才改變預測、BTB 的用途、延遲分支算硬體技術還是編譯器技術。最後一項的敘述前後要對照著讀
• 第 5 題（5%）｜管線中的例外處理——涵蓋 精確例外的定義、發生例外時要怎麼處理後續指令、管線與單週期處理例外的難易比較、EPC 存的是什麼、外部中斷是同步還是非同步事件
• 第 6 題（5%）｜虛擬記憶體與 TLB（含虛擬化）——涵蓋 TLB 失誤與頁錯誤的關係、大頁如何藉由提高 TLB reach 降低失誤率、巢狀分頁（EPT）環境下 TLB 失誤的代價、VIPT 快取讓哪兩件事得以平行。第一項在第 18 題又問一次，同一份卷子考兩次。十年唯一一次考巢狀分頁與 VIPT
• 第 7 題（5%）｜多層快取的包含性與寫入政策——涵蓋 inclusive 對一致性檢查的簡化、exclusive 對有效總容量的貢獻、VIPT 讓哪兩件事平行、write-allocate 的標準搭配對象、NUCA 的延遲取決於什麼。寫入政策與配置政策的標準組合要背熟。111 年第 11 題考過 inclusive，這一年擴充到 exclusive 與 NUCA
• 第 8 題（5%）｜GPU 的 SIMT 與分歧——涵蓋 control divergence（同一 Warp 走不同分支時硬體怎麼處理）、記憶體合併的條件與效益、GPU 靠什麼隱藏記憶體延遲、共享記憶體 bank conflict 的成因、GPU 對上下文切換的態度。要從 GPU 的設計哲學（跟 CPU 相反的取捨）去判斷
• 第 9 題（5%）｜區域性原則——涵蓋 時間區域性與空間區域性各自的定義、快取以區塊為單位載入利用的是哪一種、預取器利用的是哪一種、指令快取為何空間區域性高。十年第三次考區域性（109 第 19、110 第 2），這一年換成「誰利用哪一種」的新角度
• 第 10 題（5%）｜GPU 記憶體子系統對 CPU——涵蓋 兩者的記憶體控制器各為什麼目標最佳化、記憶體合併在哪一邊比較關鍵、晶片面積分配給快取還是 ALU、GDDR 與標準 DDR 的相容性。這些合起來就是一張 CPU／GPU 設計哲學對照表，值得整理成筆記

作業系統考點（11–20）

• 第 11 題（5%）｜開機流程——涵蓋 BIOS／UEFI 存放在哪一種記憶體、Bootloader 的職責、Secure Boot 檢查什麼、核心初始化做哪幾件事、大容量開機碟該用 MBR 還是 GPT。要記住 MBR 的容量上限。十年唯一一次考開機流程
• 第 12 題（5%）｜五狀態程序模型——五個敘述各描述一條狀態轉換，要對照狀態圖確認每一條線是否存在。「I/O 完成後回到哪個狀態」在 109 年第 10 題、112 年第 14 題都考過，這是第三次
• 第 13 題（5%）｜AI／機器學習工作負載需要的 OS 特性——涵蓋 大頁對 TLB 失誤率的作用、NUMA 感知排程、GPUDirect／RDMA 繞過了誰、AI 工作負載偏好粗粒度還是細粒度的切換、容器與 VM 哪一個更適合 AI 部署。判準是 AI 訓練工作負載的特性（長時間、計算密集）。十年唯一一次考 AI 工作負載
• 第 14 題（5%）｜SSD 與 HDD 的 OS 設計差異——涵蓋 快閃記憶體能不能原地覆寫、FTL 的職責、TRIM 的作用、寫入放大的定義、均勻磨損由誰實作。全題的主軸是「哪些事在 SSD 控制器裡、哪些事在 OS 裡」。十年唯一一次考 SSD 內部機制
• 第 15 題（5%）｜I/O 子系統——涵蓋 DMA 的作用、中斷驅動 I/O 與輪詢（polling）的差別、阻塞式 I/O 的定義、雙緩衝的用途、核心 I/O 子系統管哪些事。中斷驅動與輪詢的描述要能分辨。阻塞式 I/O 那一項與 110 年第 20 題同一個考點
• 第 16 題（5%）｜執行緒、上下文切換與共享記憶體——涵蓋 核心層執行緒阻塞時會不會拖垮整個程序、同程序兩條執行緒切換時要不要更新頁表基底暫存器、兩個程序共享同一實體頁時虛擬位址必不必須相同、共享頁的修改可見性。前兩項分別與 110 年第 12 題、114 年第 12 題是同一個考點
• 第 17 題（5%）｜資訊安全——涵蓋 機密性與完整性是否連動、用私鑰加密提供的是認證還是機密性（數位簽章的原理）、傳輸層加密擋不擋得住流量分析、旁通道攻擊的本質。旁通道攻擊的定義要與「密碼分析」區分開來
• 第 18 題（5%）｜TLB 的行為——涵蓋 切換程序時既有 TLB 條目的處理、TLB 失誤與「該頁不在實體記憶體」的關係、降低失誤頻率的效益、同一實體頁的不同虛擬位址要不要各佔一個條目。第二項與第 6 題是同一個觀念，兩題的判斷必須一致
• 第 19 題（5%）｜自旋鎖與號誌——涵蓋 自旋鎖是不是「通常」比號誌有效率、中斷處理常式裡為何只能用自旋鎖、持有自旋鎖時為何要關中斷、最佳自旋時間該以什麼為基準。全題的主軸是同一個取捨：自旋與睡眠各自的成本
• 第 20 題（5%）｜OS 與 GPU 的互動——涵蓋 GPU 內部的執行緒排程由誰管、GPU 透過 DMA 存取系統記憶體時 CPU 的角色、GPU 完成運算後如何通知 CPU、OS 靠什麼對 GPU 做存取控制。判準是「哪一層的事歸哪一層管」

這份考卷的難點

1. 內容跳出了 Patterson & Hennessy 與 Silberschatz 的正文範圍。 GPU 的 Warp divergence 與 memory coalescing、HBM／GDDR、NUCA、EPT 二維頁表走訪、SSD 的 FTL／TRIM／寫入放大、GPUDirect RDMA——這些在傳統教科書裡不是沒有就是只有一兩句。只讀課本會在第 6、7、8、10、13、14 題連續失血，合計 30 分。
2. 第 7 題的寫入政策搭配是全卷最容易誤判的一項。 選項給的理由本身沒問題，讀起來非常順，要檢查的是搭配對象。
3. 第 3 題的 load-use：選項把「including those caused by Load-Use dependencies」直接寫進去，看漏那半句就會判斷錯。
4. 第 17 題的旁通道攻擊定義：選項的描述其實更接近另一個概念的定義，要能分清兩者。

準備建議

• 115 是中央硬體十年的分水嶺，準備策略必須改變。 112–114 靠「做過考古題」就能拿二三十分（原題重出四到五題），115 年一題原題都沒有。116 年若延續這個方向，新主題的補強比背舊題重要
• 必須補齊的六個現代主題（115 年合計約 30 分，而且十年來都是第一次出現）：
• GPU 架構：SIMT、Warp、control divergence、memory coalescing、shared memory bank conflict、latency hiding（第 8、10、20 題）
• 現代記憶體：GDDR 與 HBM、記憶體 bank／channel／interleaving、NUCA（第 7、10 題；114 第 3 題已經先考過 bank 與交錯）
• 虛擬化下的分頁：EPT／nested paging 的二維頁表走訪、VIPT 快取（第 6、7 題）
• SSD 內部機制：FTL、TRIM、寫入放大、均勻磨損（第 14 題）
• 開機流程：BIOS/UEFI、Secure Boot、GRUB、MBR 與 GPT、init/systemd（第 11 題）
• AI 工作負載的系統支援：大頁、NUMA 感知、GPUDirect／RDMA、容器對 VM（第 13 題）
• 傳統計算題雖然這一年沒考，但不能放棄。 106–114 每年都有，115 只有一年沒考不足以判定趨勢；保險作法是「傳統計算題維持基本盤 + 現代主題全面補強」
• 同一份卷子內的重複考點要留意：第 6 題與第 18 題各有一個選項在問同一件事，兩題的判斷必須一致
• 十年不變的核心觀念仍然有效：load-use 危障（第 3 題）、2-bit 預測器（第 4 題）、程序狀態圖（第 12 題）、中斷與輪詢（第 15 題）、機密性與完整性（第 17 題）。這些在 115 年仍然佔了約 25 分