114 中山資工所硬體考點分析｜國立中山大學

第 3 題把 109 年的分支題再考一次並加上「信心估計器」的第四小問，第 6 題完整比較 VLIW、超純量與陣列處理器。

題型與配分

科目名稱：計算機結構【資工系碩士班甲組、乙組】，題號 434001，考試時間 100 分鐘。不可以使用計算機（問答申論題）。試題請隨卷繳回。

題號	配分	主題
1	18%	DRAM 更新的命令匯流排使用率
2	14%	虛擬記憶體的位元拆解與頁表條目數
3	18%	七級管線的分支誤判與信心估計器
4	14%	forwarding 硬體的成本效益分析
5	18%	多執行緒的最少執行緒數（兩種切換策略）
6	18%	VLIW、超純量、陣列處理器的三方比較

114 年有兩題是舊題重出：第 3.1–3.3 題與 109 年第 5 題一字不差（七級管線、分支在第六級解析、20% 是分支），114 年多加了第 3.4 小問的信心估計器；第 1 題與 112 年第 2 題是同一個 DRAM refresh 的題型。

全卷純計算機結構，不考作業系統。

第 1 題：DRAM 更新的匯流排使用率（18%）

8 個 bank、每個 bank 有 2¹⁴ 列（OCR 顯示為 21，依上下文應為 2 的某次方），每次更新命令佔用命令匯流排 5 ns。

1.1（6%）｜更新間隔 64 ms 時的命令匯流排使用率，題目要求逐步寫出過程。考點是 refresh 開銷的基本定義：一個更新週期內，所有列各要被更新一次
1.2（12%）｜若 70% 的列可以承受 256 ms 的更新間隔，使用率如何改變？並算出使用率的降幅 (1 − 新/舊)。考的是依列的保留能力分級更新（現代 DRAM 研究中 RAIDR 的概念）。陷阱是兩群列的更新頻率不同，要分開算再合併，不能直接拿 70% 去乘

第 2 題：虛擬記憶體的位元拆解（14%）

實體位址空間 256 MiB、虛擬位址空間 4 GiB、頁面 1 KiB、TLB 有 4 個 set、8-way 組相聯、LRU。

2.1（10%）｜求頁內偏移、VPN、PPN、TLB index、TLB tag 各幾位元。標準的位址欄位拆解題。最常見的錯是把 8-way 的「路數」當成 set 數去算 index，以及 tag 忘了是從 VPN 切、不是從整個虛擬位址切
2.2（4%）｜這個頁表有幾個條目。考單層頁表條目數由什麼決定，別跟實體頁框數搞混

第 3 題：七級管線的分支（18%）

七級管線、分支在第六級解析、20% 的指令是分支。

3.1（4%）｜每次分支誤判浪費幾道指令。關鍵是「分支在第幾級才解析出來」
3.2（4%）｜正確路徑上有 N 道指令、預測準確率為 A 時，總共擷取幾道指令（用 N、A 表示）
3.3（4%）｜改用雙路徑執行（dual-path execution）時擷取幾道指令
3.4（6%）｜結合分支預測與雙路徑執行：用信心估計器（confidence estimator）判斷預測的可信度，高信心時用預測器、低信心時用雙路徑。設高信心的比例為 C、高信心估計出錯的機率為 M，求擷取的指令數（用 N、A、C、M 表示）
這一小問是把前三小問統一成一個通式。寫完之後可以自己把極端值代回去，看會不會退化回 3.2、3.3 的結果，這是檢查有沒有推錯的好方法

第 4 題：forwarding 硬體的成本效益（14%）

典型的 n 道指令程式需要額外的 NOP 來處理資料危障。無 forwarding 時週期 250 ps、需要 0.4n 個 NOP；加上 forwarding 後 NOP 降到 0.05n，但週期變成 300 ps。

4.1（4%）｜求加上 forwarding 的加速比。考「總時間 = 週期數 × 週期時間」，NOP 也要算進週期數
4.2（4%）｜只有 0.075n 個 NOP 的程式，在有 forwarding 的管線上會不會跑得比較快？為什麼。題目沒有明講這支程式加上 forwarding 後 NOP 剩多少，答題時要自己寫清楚假設
4.3（6%）｜程式至少要有多少比例的 NOP，才「可能」在有 forwarding 的管線上跑得比較快。反求損益兩平點，重點在「可能」兩個字對應的是最理想的情況

第 5 題：多執行緒的最少執行緒數（18%）

單發射循序多執行緒處理器，各操作延遲：load/store 13 週期（完全管線化）、整數加 1 週期、浮點加 6 週期（完全管線化）、分支 1 週期。沒有快取、完美分支預測。

每條執行緒跑的 RISC-V 程式：

loop: LD    f2, 0(x1)      # 載入資料到 f2
      ADDI  x1, x1, 4      # 移動指標
      FADD  f3, f3, f2     # f3 = f3 + f2
      BNE   f2, f4, loop   # f2 != f4 就繼續

5.1（8%）｜兩種切換策略（固定週期輪替、遇到資料相依才切換）下，要完全利用處理器各需要最少幾條執行緒？說明理由。先找出程式裡最長、最卡的相依鏈，再看兩種策略各自能把多少延遲藏起來
5.2（10%）｜把 load/store 延遲改成 1 週期（浮點加仍是 6 週期），兩種策略各需最少幾條執行緒。陷阱是瓶頸會換人：load 變快之後，要重新檢查哪一條相依（包含跨迭代的相依）變成最長的

第 6 題：VLIW、超純量、陣列處理器（18%）

五小問都是論述題，每一問要求比較兩種架構的某一面：

6.1（3%）｜三者的共同點
6.2（6%）｜為什麼 VLIW 的微架構比「同寬度」的超純量簡單？給兩個理由
6.3（3%）｜為什麼超純量可能比「同寬度」的 VLIW 效能更高
6.4（3%）｜為什麼 VLIW 比陣列處理器更有彈性
6.5（3%）｜為什麼陣列處理器比「同寬度」的 VLIW 簡單

考點集中在「靜態排程 vs 動態排程」與「MIMD 式的指令束 vs SIMD」這兩條軸線。每一問都有「同寬度」的前提，比較時要扣緊這個條件。

這份考卷的難點

第 3.4 題要把前三小問統一成一個通式。 式子裡有 A、C、M 三個機率，哪一個機率套在哪一群分支上很容易搞混，而且沒做邊界驗算很難確定自己推對了。
第 5 題要先找出「最長的相依鏈」。 5.1 與 5.2 的瓶頸不是同一條，5.2 還牽涉到跨迭代的相依，找錯瓶頸就整題錯。
第 4.3 題要反求「損益兩平點」。 這種「反求條件」的題型在中山很常見（112 年第 1.4 題也是）。
第 1.2 題的「分級更新」要分成兩群計算。 有一種錯誤算法碰巧得到相同的降幅數字，但推導是錯的，閱卷時仍會扣分。

準備建議

114 年第 3.1–3.3 題與 109 年第 5 題一字不差，第 1 題與 112 年第 2 題同型。中山硬體的舊題重出率不低，109 與 112 兩份一定要練
分支誤判的擷取指令數（第 3 題）要能自己用 N、A 推出通式，並延伸到雙路徑與信心估計器
多執行緒要幾條執行緒才能把延遲藏起來（第 5 題）是 Hennessy & Patterson 多執行緒章節的標準題型，固定切換與相依切換兩種策略都要會
forwarding 的損益兩平點（第 4.3 題）：練習「加硬體讓 CPI 下降、但時脈變慢」這類取捨題
VLIW／超純量／陣列處理器的三方比較（第 6 題）是計算機結構最經典的對照題，三者各靠什麼開發平行性、代價在哪要能用自己的話講清楚
DRAM refresh 的開銷（第 1 題）112、114 年連兩次考
100 分鐘六大題，第 5、6 題偏論述可以快速寫完，第 1、3、4 題的計算要留足時間

114 中山資工所硬體考點分析