108 年 國立高雄大學資訊工程學系碩士班《計算機結構與作業系統》

有三個處理器 $\mathrm{P1}$、$\mathrm{P2}$ 和 $\mathrm{P3}$ 執行相同的指令集，各處理器的時脈速率與 Cycle per Instruction（CPI）如下：

$\mathrm{P1}$ 的時脈速率為 $3\,\mathrm{GHz}$，CPI 為 $1.5$。
$\mathrm{P2}$ 的時脈速率為 $2.5\,\mathrm{GHz}$，CPI 為 $1.0$。
$\mathrm{P3}$ 的時脈速率為 $3.2\,\mathrm{GHz}$，CPI 為 $2$。

哪一個處理器有最高的執行效能？

(A) $\mathrm{P1}$
(B) $\mathrm{P2}$
(C) $\mathrm{P3}$
(D) 一樣快

若以 IEEE 754 單精準度表示法呈現數字 $3$，下列何者正確？

(A) $\mathtt{0\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 011}$
(B) $\mathtt{0\ 0000\ 0001\ 1000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 000}$
(C) $\mathtt{0\ 1000\ 0000\ 1000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 000}$
(D) $\mathtt{0\ 0000\ 0011\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 0000\ 000}$

假設數據通道（Data Path）中的各階段分別有以下延遲：

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

在管道化及非管道化處理器中，時脈週期時間分別為多少？

(A) $200,\ 300$
(B) $1500,\ 1250$
(C) $300,\ 1250$
(D) $250,\ 300$

假設在有充分前饋（Forwarding）能力的管道化 MIPS 處理器中執行以下指令：

如果有危障（Hazard）以停滯（Stall）解決，請評估需要多少時脈週期完成指令執行？

(A) $4$
(B) $8$
(C) $9$
(D) $10$

一筆資料若被存取，可能很快再次被存取，請問以上所描述的是甚麼特性？

(A) Prediction
(B) Speculation
(C) Spatial locality
(D) Temporal locality

將週邊裝置的資料內容直接對映到電腦系統的記憶體位址內，程式以存取記憶體的方式即可存取裝置的資料或暫存器，此技術稱為：

(A) Direct memory access
(B) Memory-mapped file
(C) Memory-mapped I/O
(D) Uniform memory access

可支援 Process 間函數或模組共用，當需要某函數的頁面時才載入該頁面，此技術稱為：

(A) Dynamic linking
(B) Dynamic loading
(C) Copy-on-write
(D) Demand paging

以下那一種排程演算法，可能產生最大的平均反應時間（Response time）？

(A) Earliest-deadline first
(B) First-come first-served
(C) Shortest-job first
(D) Round-robin

在 Critical Section 內持續等待，此稱為：

(A) Deadlock
(B) Spinlock
(C) Starvation
(D) Race condition

假設某系統中有一個 Process 剛開始執行時，依序需存取以下分頁（Page）：

請問可能產生分頁錯誤（Page Fault）的最大值與最小值，相差為多少？

(A) $6$
(B) $7$
(C) $8$
(D) $9$

在記憶體階層架構中，有兩種基本的寫入機制：write-through 與 write-back，請解釋說明這兩種機制。

當要對於同一區塊中的多個各別字組做寫入動作時，哪種機制較佳？請說明原因。

在一晶片中有多個處理器，如果這些處理器共用一個共同的實體位址空間，當透過快取來存取這些共用資料時，將引發快取一致性問題（cache coherence problem）。

請解釋此問題。有甚麼樣的機制能夠解決這種問題？請說明該機制運作。

一個可以容納 $64\,\mathrm{KB}$ 資料的四路集合關聯式（4-way set associative）快取記憶體，以 $32$ 位元定址，且每個快取記憶體區塊（cache block）大小為 $16$ 個字組（word）。

每個快取記憶體區塊中的標籤（Tag）位元數為多少？

為了設計這個快取記憶體，共需要多少位元的硬體（包含 Valid bit、Tag 和 Data）？

（請給予計算過程，否則不予給分。）

如果有一個分支（branch）指令一直重複出現以下的分支結果：

若使用一個兩位元的分支預測器（Branch Predictor Buffer）預測此分支指令的執行，分支預測器的狀態機如下圖，且起始狀態位於圖的右下角。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

當分支指令的結果不斷重複時，預測器的準確度為何？

（請給予計算過程，否則不予給分。）

近年來 AI 人工智慧是熱門的應用，主機可透過加裝繪圖處理器（GPU）來提升 AI 應用的處理效能。

(a) 請闡述說明作業系統的核心（Kernel），主要是進行那三大單元的資源管理。

(b) 以 AI 影像辨識的應用為例，請比較主機硬體有無 GPU，對 Kernel 進行前述三大資源管理的影響。

考量使用者層（User level）與系統核心層（Kernel level）間的多執行緒對應模式（Multi-threading model）。

(a) 請解釋說明 Many-to-1 及 Many-to-Many 模式。

(b) 請比較說明兩種模式在「單核心多處理器（Multiple single-core CPUs）的機器」與「多核心單處理器（Single multi-core CPU）」的執行效能差異。

虛擬記憶體管理（VMM）常會仰賴分頁表（Page table）。假設有一電腦系統支援 $32$ 位元的邏輯位址（Logical address）空間及 $4\,\mathrm{KB}$ 的分頁大小，並已安裝 $2\,\mathrm{GB}$ 的實體記憶體。

(a) 請用圖文分別說明傳統單層式分頁表（Single level）及兩層式分頁表（Two level）的分頁系統之運作原理，其中兩層式分頁表假設每層均為 $10$ 位元。

(b) 若有 $\mathrm{PA}$、$\mathrm{PB}$ 兩個程式，分別佔 $2\,\mathrm{KB}$、$8\,\mathrm{KB}$ 的連續邏輯位址空間，請問在前述兩種分頁表設計中，$\mathrm{PA}$、$\mathrm{PB}$ 最多及最少各需要多少筆分頁記錄（Table entry）？請說明理由。

磁碟機（HDD）、固態硬碟機（SSD）是目前主流的儲存設備，近年也有利用記憶體做為碟機（RAM Disk）的做法。

(a) 請說明三種主要的碟機空間配置方法（Disk space allocation method）類型。

(b) 請說明 HDD 與 RAM Disk 在空間配置時主要的考量差異，並說明採用前述三種配置方法的優劣。