113 交大資工所硬體考點分析

題型與配分

科目：計算機系統（含作業系統及計算機組織）（8103），系所班別「資訊聯招」，考試日期 113 年 2 月 2 日第 3 節，全卷 100 分、13 頁、30 題。不可使用計算機、請用答案卡作答。

113 年起科目名稱與代號都變了：從「計算機系統（1103）」改成「計算機系統（含作業系統及計算機組織）（8103）」。科目內容沒變。

這一年的題組小題數變少了（A、B 各兩小題，C、D 各三小題，共 10 小題），比 111 年的 15 小題輕鬆，但仍是全對才給分。

OS 與計組的比重：OS 50%（第 1–10 題與題組 A、B）、計組 50%（第 11–20 題與題組 C、D）。

複選題（1–20，80 分）

作業系統（1–10）

• 第 1 題（4%）｜哪些 x86 指令不能在 Ring 3 執行：選項是 MOV CR0, EAX、HLT、LGDT、LIDT。要知道每道指令在做什麼，再判斷使用者程式執行它會不會危害系統。十年唯一一次直接考 x86 特權等級
• 第 2 題（4%）｜哪些 x86 指令是位置無關的：選項是 MOV EAX,1、XOR EBX,EBX、INT 0x80、ADD EAX,1。判準是指令裡有沒有用到絕對位址
• 第 3 題（4%）｜aligned_alloc + mprotect 的行為：程式配置一頁、設成 RWX、寫入字串、再呼叫 mprotect 改權限、然後 printf 印出。四個選項問 程式會不會正常印出、buffer 與區域變數各配置在哪一塊記憶體區、aligned_alloc 回傳值的對齊性質。第一項要仔細看 mprotect 的第三個參數是什麼
• 第 4 題（4%）｜EDF 排程的定義——兩個要點：它依什麼決定優先權、它是不是可搶占的。選項就是拿其他排程演算法的判準來混淆
• 第 5 題（4%）｜x86-64 Linux 的 syscall 慣例——四個選項問 write 的各個引數該放進哪個暫存器、實際寫入的位元組數會不會少於要求、syscall 能不能呼叫核心中的任何函式。要背熟 x86-64 Linux 系統呼叫的暫存器分配，特別是呼叫編號與第一個參數各放哪裡
• 第 6 題（4%）｜程序——四個選項涵蓋 fork() 產生的新程序與原程序的關係、同程序的執行緒共享哪些段、不共享哪些、標準 C 函式庫能不能繞過 OS 讀寫檔案、上下文切換時脈絡存到哪裡。第二項的判斷點是「堆疊」
• 第 7 題（4%）｜I/O 系統——四個選項涵蓋 磨損平衡由 SSD 控制器還是 OS 負責、CPU 收到中斷請求後的動作、哪些裝置會產生中斷、Linux 的 swap 空間現在服務哪一類記憶體頁
• 第 8 題（4%）｜記憶體管理——四個選項涵蓋 產生頁錯誤的是哪一個硬體單元、分頁系統把頁面載入哪一個頁框、slab 配置器服務的對象、多個程序能不能共用一張頁表。第一項要分清 MMU 與記憶體控制器的職責
• 第 9 題（4%）｜虛擬記憶體——四個選項涵蓋 使用者模式的程式能不能自行選擇用實體位址、頁錯誤的處理流程、copy-on-write 的共享範圍與觸發時機、TLB 失誤時的頁表走訪需不需要 OS 介入。最後一項要知道現代硬體的 page walk 能力
• 第 10 題（4%）｜檔案系統——四個選項涵蓋 FCB／inode 裡存了什麼、UNIX 靠不靠副檔名決定開啟方式、多個程序映射同一檔案時的可見性、每個分割區是不是「必須」含檔案系統。最後一項的絕對字眼要檢查

計算機結構（11–20）

• 第 11 題（4%）｜MIPS 的定址模式——四個選項涵蓋 哪幾種定址模式用 I-type、MIPS 總共有幾種定址模式（要能把它們都背出來）、偽直接定址的立即值以什麼為單位、32 位元常數能不能用一道指令載入
• 第 12 題（4%）｜有 bug 的管線處理器：圖上的五級管線沒有 forwarding，在 decode 級偵測資料危障後會停頓。程式為 add $4,$1,$2 → or $0,$1,$1 → addi $2,$2,3 → add $3,$4,$3 → add $1,$4,$0。要判斷第四道指令 writeback 完成後各暫存器的值。題目說這是「有 bug」的設計，先找出 bug 在哪，再追蹤數值。提示：看看程式裡有沒有寫入某個特殊暫存器的指令
• 第 13 題（4%）｜分支與預測——四個選項涵蓋 load 後緊接一個依賴它的條件分支、而分支又提前到 decode 級判斷時要停幾拍（要比較「資料在哪一級才有」與「哪一級需要它」）、分支目標位址的計算式、BTB 的實作形式、同時使用局部與全域歷史的預測器叫什麼
• 第 14 題（4%）｜兩個微架構的 CPI 與執行時間：P1 時脈 1 ns、四類 CPI 為 1/1/4/3；P2 時脈 0.8 ns、四類全是 2，指令組合 30%/25%/20%/25%。先用指令組合加權算出兩者的平均 CPI，再乘上各自的時脈週期才是執行時間——兩個指標的排序可能不一致。其餘選項問 兩者跑相同時脈時 CPI 會不會變、只改善單一類指令能不能追上
• 第 15 題（4%）｜MIPS ISA 設計——四個選項涵蓋 是不是所有 I-type 都對立即值做符號延伸、j 是相對跳躍還是絕對跳躍、分支用 I-type 體現了哪一條設計原則、加入更多 R-type 指令後程式大小的變化。後兩個選項都用了「總是」這種絕對字眼
• 第 16 題（4%）｜AI 加速器與 GPU——四個選項涵蓋 AI 加速器的設計挑戰在哪、邊緣推論與資訊安全的關係、高效能設計下功耗最佳化還重不重要、GPU 受不受功耗限制。後兩項都在測試功耗牆的觀念
• 第 17 題（4%）｜效能與指令數——四個選項涵蓋 演算法複雜度與指令數的關係、同一演算法用不同語言寫的指令數差異、MIPS 這個指標為何不公平、倉儲級資料中心的實際伺服器使用率。最後一項與產業實況有關，憑直覺會判斷錯（115 年第 11 題又考一次）
• 第 18 題（4%）｜乘法器與進位預看加法器：卷上給 3-bit×3-bit 乘法器、32-bit 乘法器與 16-bit 兩層 CLA 三張圖。要判斷 前兩張圖的接線是否正確、多層 CLA 緩解了什麼問題、各訊號線轉為正確值的時序先後關係
• 第 19 題（4%）｜乘除法硬體與浮點——四個選項涵蓋 乘除法共用硬體的位移方向與控制單元該看哪一個位元（選項給的位元編號要逐一核對）、浮點加法對齊小數點時該移動哪一個運算元、加法對整數與浮點是否都滿足結合律、在指定的捨入模式與 guard/round/sticky 下算出 ulp（要實際算）
• 第 20 題（4%）｜(7,4) 漢明碼：位元索引 1–7，同位位元在第 1、2、4 位。要 判斷三個收到的字是否正確、錯在哪一位，並回答 加上整體同位 p4 之後漢明距離變成多少、「p4 偶同位成立但 syndrome 非零」代表哪一種錯誤。與 109 年題組 D 是同一個考點

題組（21–30，20 分）

• 題組 A（21–22，5%）｜緩衝區溢位：char buffer[50] 配 strcpy(buffer, argv[1])。
• 第 21 題｜哪種 argv[1] 會破壞堆疊——判準只有一條：長度有沒有超過緩衝區大小，選項會拿字元的內容來誤導
• 第 22 題｜堆疊被破壞時最不可能受影響的是什麼——要想各個東西存在哪一塊記憶體區、那一塊的權限是什麼
• 題組 B（23–24，5%）｜行主序陣列的走訪順序與頁錯誤：頁面 512 bytes、int 2 bytes。256×256 陣列、只給 128 個頁框、LRU。
• 第 23 題｜Program 1（外層 y、內層 x）的頁錯誤數
• 第 24 題｜兩支程式的頁錯誤數比較
• 先算出「一頁裝得下幾個 int、剛好是幾列」，再判斷兩支程式哪一支是沿列走、哪一支是跨列跳。頁框數只有頁數的一半，這決定了跳著走的那一支能不能重用
• 題組 C（25–27，5%）｜無 forwarding、無分支預測的五級管線停頓數：暫存器在 decode 後半週期讀、writeback 前半週期寫，分支在 EX 級決定且分支後的取指會停到決定為止。程式是一個跑兩次的迴圈。
• 第 25 題｜整個程式總共插入幾個停頓週期
• 第 26 題｜其中幾個是控制危障造成的
• 第 27 題｜只加上「EX/MEM → ALU 輸入」這一條轉送路徑能消除幾個停頓。要想清楚這一條路徑能救的是哪一個距離的相依
• 題組 D（28–30，5%）｜16-bit 電腦的兩層快取與虛擬記憶體：主記憶體 2¹⁶ bytes、主快取 2⁸ bytes 直接對映、每區塊 16 words、虛擬位址 16-bit、頁面 0.5 KB = 512 bytes。
• 第 28 題｜哪個組態敘述正確——要算出 頁內偏移與虛擬頁號各佔幾位元、快取的 index 位元數，再判斷 VIPT 是否可行
• 第 29 題｜虛擬定址快取的五次存取（0x8A78、0x8A64、0x8876、0x8FF8、0x8DE7）哪些命中、哪些替換了誰
• 第 30 題｜有無 L2 時的有效 CPI：base CPI 1、5 GHz、lw/sw 佔 25%、主快取每 lw/sw 失誤率 2%、L2 存取 6 ns、全域失誤率 0.2%、失誤罰則 240 ns。ns 要換算成週期數，並注意 0.2% 是全域失誤率

這份考卷的難點

1. 題組 B 是全卷 CP 值最高但也最容易算錯的一組。 關鍵是先算出「一頁剛好裝幾列」。算出這件事之後，兩個答案就很直接；沒算出來就只能猜。
2. 第 12 題的 bug 要自己找出來。 要看出「設計錯在哪」而不只是追蹤數值，找不到 bug 就會把數值算成正常處理器的結果。
3. 第 5 題的 syscall 暫存器分配：呼叫編號與第一個參數放在不同的暫存器，很多人只記得「RAX 是第一個」就直接勾。
4. 第 3 題的 mprotect：程式看起來很正常，關鍵只在那個權限參數。

準備建議

• 113 年起科目改名為「計算機系統（含作業系統及計算機組織）」、代號 8103
• 行主序與頁錯誤的對照（題組 B）是跨校高頻考點。先算「一頁裝得下幾個元素、剛好幾列」
• 無 forwarding 的停頓數計算（題組 C）要分清三件事：不同距離的 RAW 各停幾拍、分支在哪一級解析罰幾拍，以及「decode 後半讀、writeback 前半寫」這個條件的影響
• x86 的特權指令與 Ring 等級（第 1、2 題）是 113 年新增的方向，114、115 年可能延續。要認得 MOV CR0、HLT、LGDT、LIDT、IN/OUT 這些指令在做什麼
• x86-64 的 syscall 慣例（第 5 題）：呼叫編號、六個參數、回傳值各放在哪個暫存器
• 漢明碼（第 20 題）與 109 年題組 D 是同一個考點，兩年一起練
• MIPS 的定址模式（第 11 題）要能各舉一例
• 答錯 −1、扣至整科 0 分：把握超過 50% 就值得勾