111 成大資工所硬體考點分析｜國立成功大學

第 4 題一題 50 分、十個小問全部在問 I/O 子系統，是十年來最集中的一次。第 3 題同一組位址要跑三種快取。

題型與配分

科目：計算機組織與系統，系所「電機資訊學院－資訊聯招」，日期 0219、節次 1，全卷 100 分、4 頁、4 大題。不可使用計算機、於本試題紙上作答者不予計分。

題號	配分	主題
1	20%	十個是非題（效能、浮點、快取、GPU、roofline）
2	15%	管線完成週期（有／無 forwarding）
3	15%	同一組位址跑三種快取
4	50%	I/O 子系統（十個小問）

第 4 題一題就佔 50 分，而且十個小問全部圍繞 I/O 子系統——這是成大硬體十年裡單一主題配分最高的一次。I/O 這一章沒讀就直接失去一半分數。

OS 與計組的比重：計組 50%（第 1、2、3 題）、OS 50%（第 4 題）。

第 1 題：十個是非題（20%）

a｜「電腦使用率低時耗電也少」——考能源比例性（energy proportionality）
b｜給 A 機（100 億指令、4 GHz、CPI 1.0）與 B 機（80 億指令、4 GHz、CPI 1.2），判斷「A 的 MIPS 較高但 B 較快」是否成立。要分別算出兩機的執行時間與 MIPS 再比較，這是 MIPS 指標侷限性的經典例子
c｜PC 在 0x00000600，能否用一道 beq 跳到 0x00020000。考 beq 位移欄位的寬度與範圍，要算清楚位移是以什麼為單位、相對於哪一個 PC
d｜IEEE754 單精度最小正正規化數的位元樣式是否為 0000_0001_0000..._0000。考正規化數的指數欄位範圍
e｜−0.75₁₀ 的 IEEE754 表示是否為 1_01111110_1000...0。自己轉一次再比對
f｜「相較於 PIPT，VIPT 的主要優點是失誤率較低」——考 VIPT 到底改善的是 AMAT 的哪一個因子
g｜「全關聯快取沒有衝突失誤」——考衝突失誤的定義
h｜「GPU 靠深管線架構隱藏 DRAM 的長延遲」——考 GPU 隱藏延遲的機制
i｜看 roofline 圖判斷 Kernel 1 是否受記憶體頻寬限制。要會讀 roofline 圖的斜線與水平線各代表什麼
j｜「TLB 失誤但不發生頁錯誤是可能的」——考 TLB 失誤與頁錯誤的關係

第 2 題：管線完成週期（15%）

給一段含兩個分支的 MIPS 程式與實際執行順序（第一次 not taken、之後 taken），採用 predict-taken 預測器、分支結果在 EX 級決定、無延遲槽。第一道指令在第 5 週期完成。

a. 5%｜無 forwarding 時，填出後五道指令各在第幾個週期完成
b. 10%｜完整 forwarding 時，同樣填出五個週期數

要同時處理三件事：資料危障的停頓（有無 forwarding 差很多，load-use 要特別看）、暫存器檔讀寫時序的假設、predict-taken 在實際不跳時的誤判罰則。分支誤判與資料危障的停頓會互相疊加，要畫完整的時序圖才不會算錯。

第 3 題：同一組位址跑三種快取（15%）

字位址序列：3, 180, 2, 43, 191, 88, 190, 14, 181, 88（10 個）。

a. 5%｜直接對映、1-word 區塊、總容量 8 words：標出每次存取的命中或失誤並算命中率
b. 5%｜2-way、2-word 區塊、總容量 8 words，用 LRU
c. 5%｜全關聯、2-word 區塊、總容量 8 words，用 LRU

三種組態的區塊數、set 數都不同，要分別重算。2-word 區塊時要先把字位址換成區塊號再取 index。這是 108 年第 1 題的延伸版（那年是兩種快取，111 年變成三種）。

第 4 題：I/O 子系統（50%）

a. 5%｜裝置驅動程式能對裝置控制器下哪些種類的命令與資料（提示：透過特殊或標準 I/O 指令）。要講到控制器上有哪幾類暫存器，以及兩種下命令的方式
b. 5%｜小量資料、延遲導向的 I/O 該用 CPU 還是 DMA、為什麼。判準是 DMA 的固定設定成本與傳輸量的比值
c. 5%｜DMA 需要實體位址，但虛擬到實體的轉換很耗時，什麼硬體裝置可以協助這個轉換
d. 6%｜依描述寫出三個 I/O 服務的名稱：
i. 2%｜「資料從應用程式傳往裝置期間暫存資料的記憶體區」
ii. 2%｜「存放資料副本的快速記憶體區，存取副本比存取原始資料更有效率」。與上一小題的差別在「暫存原始資料」與「存放副本」
iii. 2%｜「為無法接受交錯資料流的 I/O 裝置保存輸出的記憶體區」（提示：一次只能服務一個工作）
e. 4%｜非同步 I/O 可以用上述三種技術中的哪一種來實作、為什麼。關鍵是「哪一種機制能讓應用程式交出資料後立刻繼續執行」
f. 5%｜swap 空間用「檔案系統內的檔案」還是「獨立磁碟分割區」，哪種實作效率較好、為什麼。要從有沒有經過檔案系統的資料結構去比較
g. 5%｜固定 swap 空間下不斷增加多工度會發生什麼現象
h. 5%｜用工作集模型防止上述現象：三個程序的工作集大小為 WSS(a)、WSS(b)、WSS(c)，可用頁框為 d。要用數學式寫出「OS 該暫停某個程序」的條件
i. 5%｜多工並行 I/O 環境下，FCFS、SCAN、LOOK 哪一族表現較好、為什麼
j. 5%｜當磁碟佇列長度固定為 1 時，哪一族表現較好、為什麼。要想清楚佇列長度對排程演算法的意義

這份考卷的難點

第 4 題一題 50 分、十個小問全在 I/O 子系統。 這一章在很多人的複習清單裡排在最後，但成大在 111 年給了它一半的分數。buffering／caching／spooling 的定義區分、DMA 的位址轉換、swap 空間的兩種實作、工作集的數學式這些細節都要能寫出來。
第 4(j) 題要想到佇列長度的影響。 一旦看出關鍵，比較就變得很單純，但很多人不敢寫出看起來「太簡單」的結論。
第 1(b) 題要真的算兩次才敢確定。 兩個指標的結論可能相反。
第 2 題要畫兩張不同的管線時序圖，而且 predict-taken 預測器在第一次 not taken 時會誤判。分支誤判的罰則與資料危障的停頓會互相疊加。

準備建議

I/O 子系統這一章絕對不能跳過。111 年給了 50 分，而且問得非常細。要準備的清單：
buffering／caching／spooling 三者的定義差異
programmed I/O、interrupt-driven I/O、DMA 各自適用的場景
DMA 與虛擬記憶體的配合
swap 空間的兩種實作與效率差異
磁碟排程各族在不同負載下的表現
工作集模型（第 4(h) 題）要能寫成數學式
快取追蹤要練到能同時處理三種組態（第 3 題）：直接對映、組相聯、全關聯。每種的區塊數與 set 數都不同，先算清楚結構再追蹤
十個是非題（第 1 題，20 分）幾乎全是課本正文等級，其中幾個是跨校高頻陷阱：MIPS 指標的侷限、VIPT 改善的是哪個因子、GPU 怎麼隱藏延遲
IEEE754 的位元樣式（第 1(d)(e) 題）要能直接寫出來，不用查表
成大硬體從 110 年起都是「少題大分」，一題 15–50 分。沒有選擇題可以猜，準備時要求完整而非廣泛

111 成大資工所硬體考點分析