114 交大資工所硬體考點分析

題型與配分

科目：計算機系統（含作業系統及計算機組織）（8103），系所班別「資訊聯招」，考試日期 114 年 2 月 6 日第 3 節，全卷 100 分、10 頁、34 題。不可使用計算機、請使用答案卡作答。

這一年的重複出題是十年最明顯的：第 19 題與 107 年第 9 題一字不差（分支預測失敗的額外 CPI）、第 17 題與 107 年第 8 題幾乎相同（IEEE754 的四個敘述）、第 7 題與 109 年題組 B 同樣是判讀 cat 的記憶體映射。

OS 與計組的比重：OS 50%（第 1–10 題與題組 A、B）、計組 50%（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%）｜分頁的特徵——四個選項涵蓋 分頁是不是為了「增加實體記憶體」、它如何切分程序的位址空間、它對 CPU 時脈有沒有影響、它在程序隔離上的作用
• 第 2 題（4%）｜記憶體管理——四個選項涵蓋 slab 配置器對兩種碎裂的處理、頁表本身是不是存在 PCB 裡、x86-64 的虛擬位址寬度與支援的頁面大小、啟用 MMU 後使用者程式能用哪一種位址。第二項的判斷點：PCB 裡存的是「指向頁表的指標」還是「頁表本體」
• 第 3 題（4%）｜虛擬記憶體——四個選項涵蓋 頁錯誤的處理流程、copy-on-write 的共享與複製時機、Linux swap 服務哪一類記憶體、x86 上的頁表走訪由硬體還是 OS 執行。最後一項是 x86 與 MIPS 的重要差異
• 第 4 題（4%）｜程序——四個選項涵蓋 PCB 裡到底放了哪些東西、中斷發生時為何必須先保存脈絡、傳統 UNIX 的程序樹根是誰、哪些操作必須經過系統呼叫、哪些不必。第一項的判斷點：區域變數住在哪一塊記憶體區
• 第 5 題（4%）｜銀行家演算法判斷 P2 的請求 (1,0,1)：五個程序、三種資源，Available = (3,3,2)。四個選項分別問 可用資源夠不夠、核准之後還在不在安全狀態（要跑一次安全性演算法）、unsafe 與死結的關係、目前狀態安不安全。要把「資源夠不夠」與「核准後安不安全」兩件事分開判斷
• 第 6 題（4%）｜中斷處理——四個選項涵蓋 中斷的定義、中斷是不是「只能」由硬體產生、中斷發生時的控制轉移、中斷有沒有優先權。第二項的絕對字眼要檢查
• 第 7 題（4%）｜判讀 /usr/bin/cat 的記憶體映射表——四個選項要從表裡讀出 CPU 架構是 32 還是 64 位元、程式含不含 C 函式庫、放進 malloc() 緩衝區的 shellcode 能不能執行（看 [heap] 那一列的權限字串）、能不能從映射表看出子程序數量。要會讀 /proc/.../maps 的每一欄。與 109 年題組 B 是同一種題型
• 第 8 題（4%）｜Round Robin——四個選項涵蓋 RR 會不會造成飢餓、它能不能讓「所有」程序更快完成、縮小時間量子對周轉時間的影響、它保證的是什麼公平性。要分清 RR 最佳化的是哪一個指標
• 第 9 題（4%）｜排程器與執行緒——四個選項涵蓋 執行緒切換較快的真正原因（共享的是哪些東西、不共享哪些）、Linux CFS 如何分配時間量子、dispatcher 在哪一個模式下執行、新建執行緒與父程序共享什麼。「使用者堆疊」是全題的判斷點
• 第 10 題（4%）｜I/O 系統——四個選項涵蓋 bootstrap 存放在哪一種記憶體、開檔時目錄結構可能在哪裡、page cache 用的 DRAM 在斷電後會怎樣、VFS 層的作用

計算機結構（11–20）

• 第 11 題（4%）｜新快取架構帶來 1.25 倍加速：load 佔執行時間 20%、store 佔 10%，新快取讓 load 快 4 倍、store 快 2 倍。先用 Amdahl 式的加權算出新執行時間並驗證那個加速比，再判斷 這個改善是透過時脈、CPI 還是指令數發生的、以及 它降低的是失誤率還是失誤罰則
• 第 12 題（4%）｜直接對映快取的高失誤率屬於哪一種（tag 26／index 4／offset 2）。先把程式讀的那幾個位址各自的 index 算出來，看它們彼此撞不撞，就能判斷失誤屬於三種失誤裡的哪一種
• 第 13 題（4%）｜加大快取區塊的影響——四個選項涵蓋 它利用的是哪一種區域性、失誤罰則往哪個方向走、tag 的額外開銷怎麼變、失誤率怎麼變。時間區域性與空間區域性的對調是跨校高頻陷阱
• 第 14 題（4%）｜改成 2-way 之後的失誤率。先檢查程式讀的兩個位址在直接對映下的 index，再判斷改成 2-way 後會怎樣，算出失誤數 ÷ 總存取數。其餘選項再問 改用更小的直接對映、或改用全關聯之後，失誤率各往哪個方向走
• 第 15 題（4%）｜AMAT 與 IPC：4 GHz、無停頓 CPI 1.4、load/store 佔 30%、hit time 1 cycle、I-cache 失誤率 3%、D-cache 失誤率 5%、失誤罰則 50 ns。選項問失誤罰則換算成幾個週期、指令存取的 AMAT、每道指令的停頓週期、IPC。I-cache 與 D-cache 的停頓各要乘上什麼比例是關鍵，最後求的是 IPC 而不是 CPI
• 第 16 題（4%）｜數值表示——四個選項涵蓋 二補數與 IEEE754 各有幾種 0 的表示、兩個異號的二補數相加會不會溢位、某個 32 位元常數在大小端下存出來的位元組序列是否相同。最後一項要把四個位元組實際寫出來比較
• 第 17 題（4%）｜IEEE754 的四個敘述——與 107 年第 8 題幾乎完全相同，只換了其中一個數字。涵蓋 某個指數極小的數能不能正規化表示、最小正正規化數、最小正非正規化數。兩個「最小正」要分清楚各自怎麼推出來
• 第 18 題（4%）｜第 8 個週期時兩個 ALU 輸入從哪來：程式為 add x28,x31,x29 → ld x31,32(x29) → and x30,x29,x31 → sd x5,20(x30) → sub x5,x5,x30 → or x29,x29,x30。要先畫出管線時序（注意有沒有需要停頓的相依），找出第 8 週期在 EX 級的是哪道指令，再判斷它的兩個來源各走哪條轉送路徑
• 第 19 題（4%）｜分支預測失敗造成的額外 CPI——與 107 年第 9 題一字不差：R-type 50%、beq 25%、lw/sw 25%、預測準確率 20%。問在不同管線級修正分支時的額外 CPI。誤判罰則由分支在哪一級解析決定
• 第 20 題（4%）｜2-bit 預測器從「強烈預測 taken」開始：分支結果序列 N, T, N, N, T。要逐步追蹤狀態機並算出準確率，再判斷模式重複兩次、三次、一萬次時的整體準確率。重複多次後狀態會進入穩定的循環，一萬次的情況要從那個循環去算

題組（21–34，20 分）

• 題組 A（21–24，5%）｜四顆 1 TB 磁碟的 RAID 5（讀寫吞吐量各 100 MB/s）：
• 第 21 題｜可儲存的容量
• 第 22 題｜最大讀取吞吐量——要想清楚 RAID 5 的同位區塊怎麼分佈，讀取時有幾顆碟能參與
• 第 23 題｜最多容忍幾顆故障
• 第 24 題｜寫入時最少要動幾顆碟
• 與 112 年題組 A 是同一組 RAID 5 題目的擴充版
• 題組 B（25–27，5%）｜多層頁表的最少層數：頁面 32 KB、虛擬位址空間 2⁶⁴、頁表條目 16 B。
• 第 25 題｜最少層數
• 第 26 題｜最底層最多有幾頁
• 第 27 題｜多層頁表的最上層佔幾頁
• 先算「一頁放得下幾個條目」，由此決定每層能解析幾個位元。題目說只有一個暫存器存最上層的實體位址，這個條件限制了最上層的大小
• 題組 C（28–30，5%）｜64 KB、4-way、64-byte 區塊的 L1：32-bit 位址、實體記憶體 4 GB。
• 第 28 題｜區塊數
• 第 29 題｜tag 位元數
• 第 30 題｜位址從 32-bit 增加到 64-bit 時哪個欄位會變大。要想清楚 index 與 offset 由什麼決定
• 題組 D（31–34，5%）｜五級管線的第 5 個週期狀態：程式為 ld x31,32(x5) → sub x30,x31,x5 → ld x31,20(x30) → add x29,x29,x30 → or x5,x5,x30。
• 第 31 題｜第 5 週期時 EXE 級是哪道指令
• 第 32 題｜第 5 週期時 MEM 級是哪道指令
• 第 33 題｜第 5 週期時 WB 級是哪道指令
• 第 34 題｜第 5 週期時 ALUsrc 與 MemToReg 的值
• 四小題共用同一張時序圖，畫對就全拿、畫錯就全失。先檢查前兩道指令之間的相依需不需要停頓

這份考卷的難點

1. 題組 B 的多層頁表要三步推導。 三個小題環環相扣，第 25 題算錯後面全錯。
2. 第 14 題要真的把 index 算出來。 位址看起來不像，算出來才知道撞不撞，而另一個選項把 index 位元數改掉之後結果可能一樣也可能不一樣，都要驗算。
3. 第 7 題的 NX 位元判讀：要從權限字串直接讀出這個安全機制。
4. 題組 D 的四小題共用一張時序圖，少畫或多畫一個 bubble，四個答案全錯。

準備建議

• 114 年是交大十年重複出題最明顯的一年：第 19 題 = 107 年第 9 題（一字不差）、第 17 題 ≈ 107 年第 8 題、第 7 題 ≈ 109 年題組 B、題組 A ≈ 112 年題組 A。107、109、112 三年練熟，114 年開場就有近 20 分
• 分支預測失敗的額外 CPI：分支比例、誤判率、罰則三者的關係，以及罰則與解析級數的對應
• IEEE754 的四個邊界值：最大正規化、最小正正規化、最大非正規化、最小正非正規化。交大在 107、114 兩年各考一次
• 多層頁表的層數推導（題組 B）：練習「一頁條目數 → 每層位元數 → 層數」的推導
• 快取欄位與位址長度的關係（題組 C 第 30 題）
• 從 /proc/.../maps 判讀安全機制（第 7 題）：各區段的權限字串代表什麼
• 答錯 −1、扣至整科 0 分：把握超過 50% 就值得勾