113 交大資工所考古題詳解｜硬體考點分析

題型與配分

全卷 13 頁、30 題、100 分，不可使用計算機，請用答案卡作答。

題組共 10 小題（A、B 各兩小題，C、D 各三小題），111 年為 15 小題。

OS 出現在第 1–10 題與題組 A、B，計組出現在第 11–20 題與題組 C、D。

複選題（1–20，80 分）

作業系統（1–10）

• 第 1 題（4%）｜哪些 x86 指令不能在 Ring 3 執行：選項是 MOV CR0, EAX、HLT、LGDT、LIDT
• 第 2 題（4%）｜哪些 x86 指令是位置無關的：選項是 MOV EAX,1、XOR EBX,EBX、INT 0x80、ADD EAX,1
• 第 3 題（4%）｜aligned_alloc 與 mprotect 的行為：程式配置一頁、設成 RWX、寫入字串、再呼叫 mprotect 改權限、然後 printf 印出。四個選項問程式會不會正常印出、buffer 與區域變數各配置在哪一塊記憶體區、aligned_alloc 回傳值的對齊性質
• 第 4 題（4%）｜EDF scheduling 的定義：依什麼決定 priority、是不是 preemptive
• 第 5 題（4%）｜x86-64 Linux 的 syscall 慣例：四個選項問 write 的各個引數該放進哪個 register、實際寫入的位元組數會不會少於要求、syscall 能不能呼叫 kernel 中的任何函式
• 第 6 題（4%）｜process：四個選項涵蓋 fork() 產生的新 process 與原 process 的關係、同 process 的 thread 共享哪些段、標準 C 函式庫能不能繞過 OS 讀寫檔案、context switch 時脈絡存到哪裡
• 第 7 題（4%）｜I/O 系統：四個選項涵蓋 wear leveling 由 SSD 控制器還是 OS 負責、CPU 收到 interrupt 請求後的動作、哪些裝置會產生 interrupt、Linux 的 swap space 現在服務哪一類記憶體頁
• 第 8 題（4%）｜記憶體管理：四個選項涵蓋產生 page fault 的是哪一個硬體單元、paging 系統把頁面載入哪一個 frame、slab allocator 服務的對象、多個 process 能不能共用一張 page table
• 第 9 題（4%）｜virtual memory：四個選項涵蓋使用者模式的程式能不能自行選擇用 physical address、page fault 的處理流程、copy-on-write 的共享範圍與觸發時機、TLB miss 時的 page table traversal 需不需要 OS 介入
• 第 10 題（4%）｜file system：四個選項涵蓋 FCB 與 inode 裡存了什麼、UNIX 靠不靠副檔名決定開啟方式、多個 process 映射同一檔案時的可見性、每個 partition 是不是必須含 file system

計算機結構（11–20）

• 第 11 題（4%）｜MIPS 的 addressing mode：四個選項涵蓋哪幾種 addressing mode 用 I-type、MIPS 總共有幾種 addressing mode、pseudo-direct addressing 的 immediate 以什麼為單位、32 位元常數能不能用一道指令載入
• 第 12 題（4%）｜有 bug 的 pipeline 處理器：圖上的五級 pipeline 沒有 forwarding，在 decode 級偵測 data hazard 後會 stall。程式為 add $4,$1,$2 → or $0,$1,$1 → addi $2,$2,3 → add $3,$4,$3 → add $1,$4,$0。要判斷第四道指令 writeback 完成後各 register 的值
• 第 13 題（4%）｜分支與預測：四個選項涵蓋 load 後緊接一個依賴它的條件分支、而分支又提前到 decode 級判斷時要停幾拍、分支目標位址的計算式、BTB 的實作形式、同時使用局部與全域歷史的 predictor 叫什麼
• 第 14 題（4%）｜兩個 microarchitecture 的 CPI 與執行時間：P1 clock 1 ns、四類 CPI 為 1/1/4/3；P2 clock 0.8 ns、四類全是 2，指令組合 30%/25%/20%/25%。其餘選項問兩者跑相同 clock 時 CPI 會不會變、只改善單一類指令能不能追上
• 第 15 題（4%）｜MIPS ISA 設計：四個選項涵蓋是不是所有 I-type 都對 immediate 做 sign extension、j 是相對跳躍還是絕對跳躍、分支用 I-type 體現了哪一條設計原則、加入更多 R-type 指令後程式大小的變化
• 第 16 題（4%）｜AI 加速器與 GPU：四個選項涵蓋 AI 加速器的設計挑戰在哪、邊緣推論與資訊安全的關係、高效能設計下功耗最佳化還重不重要、GPU 受不受功耗限制
• 第 17 題（4%）｜效能與指令數：四個選項涵蓋演算法複雜度與指令數的關係、同一演算法用不同語言寫的指令數差異、MIPS 這個指標為何不公平、倉儲級資料中心的實際伺服器使用率（115 年第 11 題又考一次）
• 第 18 題（4%）｜multiplier 與 carry lookahead adder：卷上給 3-bit×3-bit multiplier、32-bit multiplier 與 16-bit 兩層 CLA 三張圖。要判斷前兩張圖的接線是否正確、多層 CLA 緩解了什麼問題、各訊號線轉為正確值的時序先後關係
• 第 19 題（4%）｜乘除法硬體與 floating point：四個選項涵蓋乘除法共用硬體的位移方向與 control unit 該看哪一個位元、floating point 加法對齊小數點時該移動哪一個運算元、加法對整數與 floating point 是否都滿足結合律、在指定的捨入模式與 guard、round、sticky 下算出 ulp
• 第 20 題（4%）｜(7,4) Hamming code：位元索引 1–7，同位位元在第 1、2、4 位。要判斷三個收到的字是否正確、錯在哪一位，並回答加上整體同位 p4 之後漢明距離變成多少、「p4 偶同位成立但 syndrome 非零」代表哪一種錯誤。與 109 年題組 D 同一個考點

題組（21–30，20 分）

• 題組 A（21–22，5%）｜buffer overflow：char buffer[50] 配 strcpy(buffer, argv[1])
• 第 21 題｜哪種 argv[1] 會破壞 stack
• 第 22 題｜stack 被破壞時最不可能受影響的是什麼
• 題組 B（23–24，5%）｜行主序 array 的 traversal order 與 page fault：頁面 512 bytes、int 2 bytes。256×256 array、只給 128 個 frame、LRU
• 第 23 題｜Program 1（外層 y、內層 x）的 page fault 數
• 第 24 題｜兩支程式的 page fault 數比較
• 題組 C（25–27，5%）｜無 forwarding、無 branch prediction 的五級 pipeline stall 數：register 在 decode 後半週期讀、writeback 前半週期寫，分支在 EX 級決定且分支後的取指會停到決定為止。程式是一個跑兩次的迴圈
• 第 25 題｜整個程式總共插入幾個 stall 週期
• 第 26 題｜其中幾個是 control hazard 造成的
• 第 27 題｜只加上「EX/MEM → ALU 輸入」這一條 forwarding 路徑能消除幾個 stall
• 題組 D（28–30，5%）｜16-bit 電腦的兩層 cache 與 virtual memory：main memory 2¹⁶ bytes、primary cache 2⁸ bytes direct-mapped、每 block 16 words、virtual address 16-bit、頁面 0.5 KB = 512 bytes
• 第 28 題｜哪個組態敘述正確，涉及 page offset 與 virtual page number 各佔幾位元、cache 的 index 位元數、VIPT 是否可行
• 第 29 題｜virtually addressed cache 的五次存取（0x8A78、0x8A64、0x8876、0x8FF8、0x8DE7）哪些 hit、哪些替換了誰
• 第 30 題｜有無 L2 時的有效 CPI：base CPI 1、5 GHz、lw/sw 佔 25%、primary cache 每 lw/sw miss rate 2%、L2 存取 6 ns、global miss rate 0.2%、miss penalty 240 ns

作答時要注意的地方

1. 複選題答錯 −1，下限是整科 0 分，一題可以扣成負分。
2. 題組各小題為單選，組內全對才給 5 分。
3. 第 12 題題目說明這是有 bug 的設計，要追蹤的是 writeback 完成後的 register 值。
4. 題組 D 第 30 題給的是 global miss rate 0.2%。

準備方向

• 行主序與 page fault 的對照（113 題組 B）。
• 無 forwarding 的 stall 數計算（113 題組 C）。
• x86 的 privileged instruction 與 Ring 等級（113 第 1、2 題）。
• x86-64 的 syscall 慣例（113 第 5 題）。
• Hamming code：113 第 20 題與 109 年題組 D 同一個考點。
• MIPS 的 addressing mode（113 第 11 題）。