115 交大資工所考古題詳解｜硬體考點分析

題型與配分

全卷 12 頁、35 題、100 分，不可使用計算機，請用答案卡作答。

計分規則改回 106–109 年的版本：答錯一個選項倒扣 2 分，下限回到該題 0 分。110–114 年是答錯 −1、扣至整科 0 分。

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。

計組段有 AI 加速器相關的題目：第 11 題（tokens/sec、NVLink、Infinity Fabric）、第 20 題（roofline 比較兩台機器）、題組 C 四小題（GPU 與 TPU 的系統層設計）。

複選題（1–20，80 分）

作業系統（1–10）

• 第 1 題（4%）｜dynamic loading：四個選項涵蓋常式在被呼叫前放在哪裡、以什麼格式、它相對靜態載入在記憶體利用率上的優勢從何而來、實作它需不需要 kernel 支援、兩者在大型應用的啟動速度比較
• 第 2 題（4%）｜software trap 與硬體 interrupt 的差異：四個選項涵蓋兩者各在什麼時機被處理、能不能用 interrupt 旗標遮蔽、synchronization 與 asynchronous 的歸屬、system call 是用什麼機制實作的
• 第 3 題（4%）｜multi-level page table：四個選項涵蓋單層 page table 要求的記憶體是連續還是不連續、多層是不是不論稀疏或密集都比較省、它省記憶體的機制、它在 TLB miss 時的效能代價
• 第 4 題（4%）｜multithreading process 中的 fork() 與 exec()：四個選項涵蓋 fork() 會複製 parent process 的所有 thread 還是只複製呼叫者那一條、fork 當下別的 thread 持有鎖會造成什麼後果、fork 與 exec 之間為何不能亂呼叫函式、exec() 對記憶體空間與 thread context 的處理
• 第 5 題（4%）｜thrashing、working set、replacement 與 COW：四個選項涵蓋 thrashing 的症狀為何會誤導 scheduler 使情況惡化、Belady's anomaly 在 FIFO 與 LRU 上的可能性、COW 下共享頁初始被標記成可讀寫還是唯讀、working set 總和超過可用 frame 時 OS 會怎麼做
• 第 6 題（4%）｜CPU scheduling：四個選項涵蓋 non-preemptive SJF 的 turnaround time 會不會隨到達率變化、同時到達時 SJF 與 FIFO 的比較、RR 與 preemptive SJF 在平均 response time 上的比較、MLFQ 的 starvation 問題怎麼緩解
• 第 7 題（4%）｜atomicity violation 的程式碼模式：給四段程式，要挑出哪些真的有 atomicity violation
• 第 8 題（4%）｜spinlock 的實作：要判斷四段程式碼是否正確，分別是 TestAndSet、CompareAndSwap、用 LoadLinked 與 StoreConditional 寫的 lock()、以及 FetchAndAdd
• 第 9 題（4%）｜用 strace 判讀 cat 的 system call：四個選項分別問第一個 open 的回傳值、第一個 read 讀到幾個位元組、write 的第一個參數是什麼、值是多少、第二個 read 的回傳值
• 第 10 題（4%）｜磁碟效能：四個選項涵蓋由 RPM 換算每轉幾毫秒、由 transfer rate 換算傳一定量資料要多久、SCAN scheduler 發明的目的、SCAN 能不能解決 SSTF 的 starvation 問題

計算機結構（11–20）

• 第 11 題（4%）｜AI 加速器的效能指標與互連：四個選項涵蓋 ops/sec 適不適合當 AI 加速器的絕對指標、MIPS 為何不公平、NVLink 與 Infinity Fabric 這類互連存在的理由、資料中心的實際運算資源使用率（113 年第 17 題也考過）
• 第 12 題（4%）｜設計原則、basic block 與延遲連結：四個選項涵蓋一道 MIPS 指令體現了哪幾條設計原則、basic block 的定義與用途、multicycle 指令能不能在不延長 clock cycle 的前提下加入 instruction set、lazy linking 那張間接表的內容如何隨時間改變
• 第 13 題（4%）｜32-bit ALU 的 control signal（控制群組為 AInvert、BInvert、Operation[1:0]）：四個選項分別要由一組 control signal 反推它執行哪一種運算、檢查一段偵測無號加法 overflow 的程式碼是否正確、Set 訊號的用途與它接到哪一位元、另一組 control signal 對應的運算
• 第 14 題（4%）｜乘除法硬體的逐步追蹤：給 5-bit 的乘除法共用硬體，要追蹤乘法做三次迭代後的 register 值、restoring division 做四次迭代後的值、non-restoring division 需要幾次迭代、Booth 演算法各需幾次加法與減法。這個版本的移位放在每次迭代的最後
• 第 15 題（4%）｜自訂的 16-bit floating point 格式（1 符號、4-bit 指數、11-bit 尾數）：要算最大正數、最小正 denormalized number，並判斷這個指數寬度對應的 bias 應該是多少、floating point 加法該移動哪一個運算元
• 第 16 題（4%）｜三組 pipeline 設計差異會不會產生不同的架構層結果：interlock 與 full bypassing、stall 與預測不跳並 flush、單一記憶體埠與無 structural hazard
• 第 17 題（4%）｜改變單一 cache 參數的影響：四個選項各固定兩個參數、變動第三個，問對每次存取要比較的 tag 數、tag entry 總數、conflict miss、compulsory miss、miss penalty 的影響
• 第 18 題（4%）｜VIPT 的免轉換條件：36-bit 虛擬、30-bit 實體、block 64 bytes。四個選項分別給頁面大小與 associativity 求最大 cache 容量、一個關於 block offset 落在 page offset 範圍內的敘述、給頁面大小與 cache 容量反解最小 associativity、給 direct-mapped 的 cache 容量反解最小頁面大小
• 第 19 題（4%）｜branch prediction 與條件執行：四個選項涵蓋 BTB 在哪一級被存取、間接分支與條件分支誰比較難預測、2-bit predictor 用的是局部歷史還是全域歷史、ARMv8 的 CSEL 如何用條件資料選擇取代控制流
• 第 20 題（4%）｜用 roofline 比較兩台機器：機器 A 每週期 3 個乘法、bandwidth 0.1 字/週期；機器 B 每週期 1 個乘法、bandwidth 0.5 字/週期。四個選項分別問矩陣—向量與矩陣—矩陣乘法的運算強度各隨 N 怎麼成長、N 夠大時矩陣—向量在兩台機器上各落在 roofline 的哪一段、哪一台勝出、N 夠大時矩陣—矩陣會不會變成計算受限、roofline 模型夠不夠用來比較這兩台機器

題組（21–35，20 分）

• 題組 A（21–25，5%）｜segmentation with paging 的完整 address translation：13-bit logical address、physical memory 4 KiB、頁面 64 bytes。logical address 0x16A4，卷上給 segment table（segment base address）與 page table（frame 號）
• 第 21 題｜段索引
• 第 22 題｜從 segment table 取得的 segment base address
• 第 23 題｜線性位址
• 第 24 題｜用來查 page table 的 virtual page number
• 第 25 題｜最終 physical address
• 題組 B（26–28，5%）｜TFS file system 的 inode 配置：32 個 4 KB block，最後 24 塊是資料區、5 塊是 inode 表、superblock 與兩個 bitmap 各 1 塊，每個 inode 256 bytes
• 第 26 題｜最多能管理幾個檔案
• 第 27 題｜索引 16 的 inode 在哪個 i-block
• 第 28 題｜要讀磁碟的哪個 sector
• 題組 C（29–32，5%）｜GPU、TPU 加速器的系統層設計（全組四小題都是單選觀念題）
• 第 29 題｜多加速器系統做頻繁的 all-reduce 時，哪個互連特性最關鍵
• 第 30 題｜相同總運算資源下，chiplet 設計必然引入什麼取捨
• 第 31 題｜給尖峰算力、記憶體 bandwidth 與 kernel 的運算強度，判斷它卡在哪一邊
• 第 32 題｜固定功耗與面積預算下，為大模型推論設計時哪項投資最直接提升端到端 throughput
• 題組 D（33–35，5%）｜Fibonacci sequence 遞迴的 MIPS assembly 填空與 machine code：給 fib 的 C 程式、MIPS register 編號表與 opcode 對照表，assembly 中有若干行被挖空（第 13–18 行）。要填出缺少的指令並算出 machine code。與 110 年第 12 題是同一個 fib 程式

作答時要注意的地方

1. 複選題答對 +1、答錯 −2，下限是該題 0 分，整題未作答不給分。
2. 題組 A 五個小題是一條完整的 address translation 鏈，組內全對才給 5 分。
3. 第 14 題的乘除法硬體，移位放在每次迭代的最後。
4. 第 20 題兩台機器的乘法速率與 bandwidth 都不同。

準備方向

• AI 加速器相關：第 11、20 題與題組 C 合計 13 分，涉及 roofline 與運算強度、加速器互連、chiplet、LLM 推論的效能指標。
• VIPT 的免轉換條件（115 第 18 題）。
• segmentation with paging 的完整轉換（115 題組 A）。
• inode 表的容量與 sector 換算（115 題組 B）。
• synchronization primitive 的實作（115 第 8 題）：TestAndSet、CompareAndSwap、LL/SC、FetchAndAdd。
• microarchitecture 層與架構層的差異（115 第 16 題）。