108 成大資工所硬體考點分析
第 1 題要對 12 個字位址在直接對映與 4-way 兩種快取上各追蹤一次。第 4 題用 TLB reach 與磁碟傳輸率比較兩種頁面大小。
題型與配分
考試科目：計算機組織與系統，系所「電機資訊學院－資訊聯招」，考試日期 0223、節次 1，全卷 100 分、3 頁、5 大題。本試題不可使用計算機。
| 題號 | 配分 | 主題 |
|---|---|---|
| 1 | 20% | 快取追蹤（直接對映 vs 4-way）與 AMAT |
| 2 | 15% | 多核與 SIMD 的加速比比較 |
| 3 | 15% | 五個是非題（GPU、快取階層、浮點結合律） |
| 4 | 20% | TLB reach、磁碟傳輸率與頁面大小 |
| 5 | 30% | 即時系統的事件延遲與排程 |
與 106、107 相同的作答規定：答案必須填進卷首指定的表格，於試題紙上作答者不予計分。108 年是這個格式的最後一年——109 年起改成純申論。
OS 與計組的比重：計組 50%（第 1、2、3 題）、OS 50%（第 4、5 題）。
計算機組織考點
- 第 1 題（20%）｜同一組位址在兩種快取上的完整追蹤：字位址序列為
35, 149, 43, 90, 191, 91, 148, 14, 42, 190, 69, 15（12 個）。 - (1) 8%｜直接對映、two-word blocks、總容量 16 words。對每個位址算出 tag 與 index 並標記命中或失誤（快取初始為空）。給的是「字位址」不是位元組位址，拆欄位前要先確認單位
- (2) 8%｜四路組相聯、two-word blocks、總容量 16 words。同樣要標出 tag、index 與命中失誤，用 LRU 置換。先算出 set 數，這個數字比直接對映的區塊數小很多
- (3) 4%｜算兩種快取的 AMAT：直接對映命中時間 1 cycle、四路命中時間 2 cycles，主記憶體都是 200 cycles，要用 (1)(2) 算出的失誤率代入。這題的設計精髓是「失誤率與命中時間往相反方向變」，結論要靠算出來，不能憑直覺
- 第 2 題（15%）｜多核與 SIMD 的加速比：程式分成 T1（2 ms，初始化）、T2（8 ms，雙層迴圈
Y[i][j] = Y[i-1][j-1] + 2）、T3（16 ms，雙層迴圈X[i][j] = Y[i][j] * 5）、T4（2 ms，收尾）。總共 28 ms。 - (1) 6%｜四核處理器的加速比
- (2) 6%｜單核 + 8 寬 SIMD 的加速比
- (3) 3%｜哪個處理器較快、為什麼
- 這題的關鍵是逐段判斷 T1–T4 能不能平行、能不能向量化。T2 與 T3 的迴圈結構看起來很像，要仔細看等號右邊用到了哪些索引，判斷有沒有迴圈間相依（loop-carried dependence），以及相依的方向
- 第 3 題（15%，五個是非題，要說明理由）：
- (1) 3%｜「圖形應用效能較高，是因為 GPU 卡上的 DRAM 減少了記憶體延遲」。考 GPU 記憶體系統的設計目標，以及 GPU 如何處理延遲
- (2) 3%｜「可以為電腦叢集建立共享記憶體來交換資料」。考分散式系統上的共享記憶體抽象
- (3) 3%｜「GPU 總是比 CPU 快，代價是功耗較高」。「總是」兩個字要特別注意
- (4) 3%｜「兩層快取下，第一層著重失誤率、第二層著重命中時間」。考多層快取中各層的設計目標，這是跨校高頻的對調陷阱
- (5) 3%｜「加法的結合律對整數與浮點數都成立」。考浮點運算的捨入特性
作業系統考點
- 第 4 題（20%）｜TLB reach、磁碟效能與頁面大小：64 個 TLB 條目、硬碟 5400 RPM、每軌 40 個磁區、磁區 512 bytes、存取延遲 10 ms、尋道時間 30 ms。
- (1) 4%｜1 KB 頁與 4 KB 頁的 TLB reach
- (2) 4%｜磁碟傳輸率。要先由 RPM 推出每轉時間，再搭配每軌容量
- (3) 4%｜兩種頁面大小下，一次頁錯誤的 I/O 時間。要把尋道、存取延遲、傳輸三段都算進去
- (4) 8%｜傳輸同樣 4 KB 資料時兩種頁面大小的 I/O 時間。關鍵是兩種頁面大小要發生幾次頁錯誤，以及每次頁錯誤的固定成本與傳輸時間相比有多大
- 四小問是一條完整的推理鏈，最後要能說出「為什麼」，而不只是比數字
- 第 5 題（30%）｜即時系統的事件延遲：
- (1) 10%｜影響事件延遲的兩種延遲是什麼
- (2) 5%｜可搶占或非搶占排程哪一種延遲較低
- (3) 10%｜四個程序全部在時間 0 到達，burst 分別為 53、17、68、24。依 (2) 的答案在 FCFS 與 RR（量子 20 ms）之間選一個，算平均等待時間與平均周轉時間。(2)(3) 是刻意設計的連動，選錯演算法就算對數字也不給分
- (4) 5%｜若用 FCFS 排程這四個程序，可能有幾種不同的排程。四個程序同時到達，要想清楚 FCFS 在「同時到達」時的順序有沒有被題目固定
這份考卷的難點
- 第 1 題要對 12 個位址做兩次完整追蹤。 直接對映與四路組相聯的 set 數差很多，兩者的衝突行為完全不同，而且第 (3) 小問還要用各自的失誤率算 AMAT。20 分，但手工工作量是全卷最大的。
- 第 2 題的 T2 與 T3 長得很像。 兩個都是雙層迴圈，差別只在等號右邊的索引。看不出其中一個有迴圈間相依，兩個加速比就會算錯。
- 第 3(4) 題考多層快取的設計目標。 這是跨校高頻的對調陷阱，要能說出每一層為什麼那樣設計。
- 第 4(4) 題的結論要靠算的。 一般印象裡小頁有小頁的好處，但這一題給的磁碟參數讓某一項成本特別大，結論要從數字推出來。
準備建議
- 快取追蹤要練到能同時處理直接對映與組相聯（第 1 題）。關鍵步驟是先把位址換成區塊號，再取 index，字位址與位元組位址的換算不要搞混
- AMAT 的取捨比較（第 1(3) 題）：「兩個方向相反的效應」是成大偏好的問法
- 多層快取各層的設計目標（第 3(4) 題）要能用自己的話講出理由
- TLB reach（第 4(1) 題）是一個定義就能拿分的送分題
- 磁碟傳輸率與一次 I/O 的時間組成（第 4(2)(3) 題）：尋道、旋轉、傳輸三段要能分別算出
- 即時系統的兩種延遲（第 5(1) 題）是 Silberschatz 即時排程一節的定義題
- 108 年是「填表格作答」的最後一年，109 年起成大硬體改成純申論。兩種格式都要練