109 中興資工所硬體考點分析

題型與配分

科目名稱：資訊概論，學系「資訊科學與工程學系－甲組」，本科目不得使用計算機，全卷 5 頁、10 大題。

109 年的資訊概論是唯一一份全申論的卷子（其餘年度都是選擇題為主），而且計算機組織只佔 25 分（第 1–4 題）——這是中興硬體八年裡計組比重最低的一年。

沒有任何倒扣標示（全申論卷）。

第 1 題：MIPS 記憶體定址的逐步追蹤（6%）

給一段 MIPS 程式與初始記憶體內容，$t1 = 3000、$t2 = 3004：

lw   $s1, 0($t1)
sub  $s2, $s2, $s2
add  $s2, $s2, 100
lw   $s1, 0($s1)
add  $s1, $s1, $s2
lw   $s3, 0($t2)
add  $s3, $s3, $s2
sw   $s3, 4($s1)
sw   $s1, 0($s1)

要逐條寫出每道指令做了什麼，並追蹤暫存器與記憶體的變化。

• sub $s2,$s2,$s2 是一個常見的慣用法，要看出它的效果
• 第四行 lw $s1,0($s1) 用的位址是前面剛載入的值——這是整題的關鍵，要看清楚 $s1 在這一行前後代表的是什麼
• 最後兩道 sw 的目的位址都來自 $s1，要用更新之後的值
• 另外，第三行寫的是 add 搭配立即數，嚴格來說不符合 MIPS 的指令格式，作答時可以註明

這題考的是「暫存器內容隨指令改變」的追蹤能力，特別是「用載入的值當位址」的二次間接。

第 2 題：指令格式與定址範圍（6%）

給 MIPS 的三種指令格式表（R-format、I-format、J-format 的欄位寬度）。

• (a)｜決定三種定址的最大範圍：(i) 立即數（immediate）、(ii) 位移（displacement）、(iii) PC 相對分支。要從格式表上找出各自用的欄位寬度，並注意有號或無號，以及 PC 相對分支的單位是位元組還是字
• (b)｜判斷三道指令的型別：sub $s2,$s2,$s2、lw $s1,100($s1)、beq $s0,$1,Exit。beq 的格式最常被歸錯

第 3 題：三層記憶體的平均存取時間（6%）

快取存取 10 ns；資料在主記憶體但不在快取時，要 30 ns 載入快取，然後重新發起參考；資料不在主記憶體時，要 12 ms 從磁碟取回，再 30 ns 複製到快取，然後重新發起參考。

• (a)（3%）｜快取命中率 0.9、主記憶體命中率 0.6 時的平均存取時間（ns）。三個陷阱：
• 「重新發起參考」代表每一種失誤情況最後都還要再付一次快取存取的時間
• 主記憶體命中率 0.6 是「快取失誤之後」的條件機率，要乘上快取失誤率才是整體比例
• ms 與 ns 差了六個數量級，單位沒統一答案會完全離譜
• (b)（3%）｜OS 如何在等待 12 ms 的磁碟載入期間改善 CPU 使用率？說明這個機制怎麼運作。要講到程序狀態的轉換、排程器的動作，以及磁碟傳輸完成時如何通知 OS

第 4 題：加法溢位與全加器（7%）

• (a)｜$s1 = 0100 0000 ... 0000、$s2 = 0111 1111 ... 1111，分別執行 addu $s3, $s1, $s2 與 add $s4, $s1, $s2，問結果。考 add 與 addu 的差別——要先判斷兩個運算元當成有號數時是正是負、相加會不會溢位，再想清楚兩道指令在溢位時的行為有什麼不同
• (b)｜寫出 1-bit 全加器的 CarryOut 與 Sum 的邏輯函式。可以從真值表推，兩個輸出都有不只一種等價的寫法

這份考卷的難點

1. 第 3(a) 題的數量級差異極大。 快取、主記憶體、磁碟的延遲差了六個數量級，平均時間會被哪一項主導要看得出來。單位換算錯一次答案就完全不對。
2. 第 4(a) 題要分清 add 與 addu。 很多人以為 addu 的「u」代表計算方式不同，實際上兩者的差別在別的地方。
3. 第 1 題的二次間接。 先用 $s1 當位址載入一個值，再把那個值當成新的位址，要逐條追蹤暫存器內容。
4. 第 2(a) 題的 PC 相對範圍。 位移欄位的單位是什麼，決定了實際的位元組範圍要不要再乘一個係數。

準備建議

• 109 年是中興硬體唯一的全申論卷，而且計組只佔 25 分。但這 25 分全部是基本功：指令格式、定址範圍、記憶體階層、加法器邏輯
• add 與 addu 的差別（第 4 題）是 MIPS 最常被誤解的一組指令，要能說清楚兩者計算結果與例外行為各自是否相同
• 三種定址範圍（第 2 題）要能從格式表自己推出來，不要只背數字
• 全加器的兩個邏輯式（第 4b 題）要能從真值表推導
• 含磁碟的多層平均存取時間（第 3 題）：先把每一種情況的「總延遲」算清楚（含重新參考的時間），再用機率加權
• MIPS 程式的逐條追蹤（第 1 題）建議用表格記錄每道指令後各暫存器的值