107 中央資工所硬體考點分析

題型與配分

所別「資工類」，科目：作業系統與計算機組織，全卷 100 分、7 頁、20 題。本科考試禁用計算器。

75 分落在逐選項倒扣的多選題上，是中央硬體十年來比重最高的一年（次高是 114、115 的全卷 100 分多選，但那兩年每題只有五個選項且題型單純）。一題五個選項全錯就是 −5 分，而且這一年卷面同樣沒有寫倒扣下限。

單選 16–19 四題全是「算出數值再 mod 5」，其中第 17、18 題還先乘上一個係數（×10、×13）才取模——乘上係數是為了讓小數點後的誤差也會反映在答案上，等於完全不容許四捨五入的偏差。

OS 與計組的比重：OS 50%（第 1–10 題）、計組 45%（第 11–15、16、18–20 題）、數位邏輯 5%（第 11 題）、浮點表示 5%（第 19 題）。這一年的切分最乾淨：前十題純 OS、後十題純計組。

作業系統考點（1–10）

• 第 1 題（5%）｜fork 系統呼叫——涵蓋 子程序與父程序位址空間的關係、copy-on-write 的作用、fork() 對父與子各回傳什麼、execl 做什麼。回傳值是 fork 題永遠的第一號陷阱
• 第 2 題（5%）｜atomic transaction：四個敘述考原子交易的定義與實作。其中一項用了「總是」兩個字，要想清楚一個看似單純的運算在機器層級是幾個步驟
• 第 3 題（5%）｜計算機網路——涵蓋 IPv4 位址數是否限制了連網主機數、socket 能不能用在同一台機器的兩個程序、查詢本地裝置硬體位址用的是哪個協定、跨網路時被對應成實體位址的是哪一個 IP。第三項要分清兩個常被混淆的協定；第四項要分清「目的 IP」與「下一跳 IP」
• 第 4 題（5%）｜分頁的控制位元——涵蓋 dirty／modify bit 的用途與它省下的開銷、valid-invalid bit 由誰設定、valid 描述的是哪一個位址空間。最後那一項有一個名詞被偷換
• 第 5 題（5%）｜分頁與自旋鎖——涵蓋 頁面被換出後程序還能不能執行、動態載入需不需要 OS 特別支援、自旋鎖在「鎖只持有很短時間」時划不划算、自旋鎖省下的是什麼開銷。自旋鎖那兩項是同一個取捨的正反面，要一起想
• 第 6 題（5%）｜四種記憶體配置如何支援動態配置：連續配置、純分段、純分頁、分頁式分段各需要什麼機制。考的是「程序要長大時，哪一種需要搬移或重新配置」
• 第 7 題（5%）｜輾轉現象（thrashing）的判讀：CPU 使用率 20%、分頁磁碟使用率 97.7%、其他 I/O 5%，問哪些做法能提升 CPU 使用率。先從三個數字判斷系統處於什麼狀態，再逐一評估選項。這是 Silberschatz 課本的經典題
• 第 8 題（5%）｜哪些寫法對需求分頁友善：stack、binary search、pure code、hashed symbol table、sequential search。判準是存取的區域性——存取集中在少數頁還是打散到很多頁
• 第 9 題（5%）｜分離 policy 與 mechanism 的目的。106 年第 12 題是問「哪些敘述是 policy」，這一年反過來問目的——同一個考點連兩年
• 第 10 題（5%）｜硬體沒有特權模式時如何確保 OS 掌控——與 106 年第 7 題一字不差，只是選項順序換了；108 年第 12 題是第三次

計算機組織考點（11–20）

• 第 11 題（5%）｜布林運算式等價判斷：五組 E1／E2 逐一比對，其中兩組用 Σ（minterm 和）與 Π（maxterm 積）表示。要能在禁用計算器下快速畫卡諾圖化簡，例如 E1 = AC+BC+A'B'C+B'C'D' 與 C+B'D' 的比較。Π 表示法列的是「為 0 的項」，別跟 Σ 混用
• 第 12 題（5%）｜管線時脈與延遲：給五級各自的延遲（IF 300／ID 150／EX 250／MEM 350／WB 200 ps），四個敘述分別宣稱非管線化與管線化的時脈週期與單一 LW 指令的延遲各是多少。「週期」與「單一指令延遲」兩個概念被刻意混在一起出錯選項，要分成四格各自算清楚
• 第 13 題（5%）｜無 forwarding 的 RAW hazard：OR R1,R2,R3 → AND R2,R1,R4 → XOR R1,R1,R2。要數出所有 RAW 相依、需要插入幾個 NOP、以及加上停頓後的總執行時間（週期 300 ps）。暫存器檔是否前半週期寫、後半週期讀會影響 NOP 數，要先確認題目的假設
• 第 14 題（5%）｜管線為何提升效能——考管線改善的是 throughput 還是 latency。這是最常見的觀念錯誤，109 年第 17 題與 112 年第 4 題又各考了一次
• 第 15 題（5%）｜分支預測的定位——四個敘述分別拿「資料危障 vs 控制危障」、「靜態 vs 動態預測各自在什麼時候、用什麼資訊決定」互相對調，另有一個 None of the above。要能一條一條指出每個敘述有沒有名詞被調包，在逐選項倒扣下這題非常危險
• 第 16 題（5%）｜快取標籤位元數＋miss 次數：2-way、128 KB、64 B/block、32-bit 位址 → 求 tag 位元數 A；再對八個十六進位位址跑 LRU 數出 miss 次數 B，回答 (A+B) mod 5。要先把 0x1D34B2BE 這種位址拆成 tag／index／offset 三段，是本卷最花時間的一題
• 第 17 題（5%）｜編譯器與機器的交叉比較：P 機 2.4 GHz、W 機 2 GHz，兩個編譯器產生 17.6 M 與 1.2 M 指令（數量差很多是刻意的），三類指令在兩台機器上的 CPI 與指令組合都不同。要分別算出 TP 與 TW 再取比值，乘上係數之後才取模，小數不能四捨五入
• 第 18 題（5%）｜三層快取的平均存取時間：1000 次存取、L1 miss 100、L2 miss 20、L3 miss 5；hit time 分別為 1／5／10 cycles，L3 的 miss penalty 100 cycles。題目給的是「次數」，要想清楚這些次數對應的是全域還是區域失誤率
• 第 19 題（5%）｜IEEE754 的位元樣式：最大正規化數 K 與最大非正規化數 J，分別數出其中 0 的個數再相加取模。要先寫出兩個數的指數欄位與尾數欄位各長什麼樣，再數 0；符號位元也要算進去
• 第 20 題（5%）｜管線執行時間：40 億道指令、4 級管線、2 GHz、平均每道指令 1.2 個停頓週期，求總執行時間。停頓週期與基本的每指令週期是什麼關係要想清楚。這是全卷唯一沒有 mod 5 的單選題

這份考卷的難點

1. 75 分逐選項倒扣加上大量「五個敘述裡只有一個是假」的設計（第 2、4、5 題），期望值極不友善：五選項答對四個只拿 3 分，若有兩個判斷錯就只剩 1 分。
2. 第 15 題有 None of the above 這個選項。 在逐選項倒扣的規則下，勾不勾它與勾不勾其他選項是互斥的判斷，多勾任何一個都可能從正分變負分，是全卷最容易失血的一題。
3. 第 16 題的計算量是全卷最大的：拆位址、建 2-way 組、跑 LRU、數 miss，八筆位址全部要手動追蹤，而且最後還要 mod 5。
4. 第 12 題的「cycle time」與「total latency」被刻意混淆，四個選項兩兩對照。沒有把非管線化與管線化的週期、單指令延遲四個數字分清楚，很容易四個都勾錯。

準備建議

• 106 與 107 是一組：第 10 題（無特權模式）與 106 第 7 題一字不差、第 9 題（policy/mechanism）與 106 第 12 題同考點、cache 與 CPI 的計算模板也完全一樣。先把 106 練熟，107 有三分之一是複習
• Silberschatz 的 thrashing 判讀題（第 7 題）要能從使用率數字判斷系統狀態，再推出對策。中央在 112 年第 12 題用另一組數字再考一次
• 管線改善的是 throughput 還是 latency（第 14 題）是中央硬體十年反覆出現的觀念，110、115 也各考一次
• 位址拆解要練到反射：給定容量、關聯度、區塊大小、位址長度，能在 30 秒內切出 tag／index／offset。中央十年裡 106、107、109、110、111、113 六年都考
• 逐選項倒扣的下注策略：把握 ≥ 80% 才勾。五選項題若只有三個有把握，勾三個的期望值通常高於全勾——不要為了湊「五個都要表態」而亂勾