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調查局三等申論題 110年 [電子科學組] 計算機概論

第 一 題

📖 題組:
請回答下列問題:
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

計算機中最常見的四種中斷類別,除了程式(program)外,還有那三種?(6 分)

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本題考查計算機結構中的基礎概念「中斷(Interrupt)的來源分類」。解題時,可從計算機系統的四大運作面向來聯想:CPU執行指令異常(程式)、作業系統排程需求(計時器)、周邊設備通訊(I/O)、以及系統實體故障(硬體失效)。作答時除列出名稱外,務必補充簡要定義與實例以確保拿滿 6 分。

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【破題】計算機系統中,中斷(Interrupt)是用來改變處理器執行指令順序的機制。根據硬體架構的經典分類(如 Stallings 所著之計算機組織),除了「程式(Program)中斷」外,另外三種最常見的中斷類別為:計時器中斷、輸出/入中斷,以及硬體失效中斷。 【論述】 一、計時器中斷(Timer Interrupt)

小題 (二)

在計算機的記憶體階層結構有那兩種形式的局部性(locality)?(4 分)

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看到「記憶體局部性」,應立即聯想到快取(Cache)設計的兩大理論基石:時間局部性與空間局部性。作答時除了精準寫出中英文專有名詞,務必配上經典實例(如迴圈、陣列存取),以展現對基礎理論的實務理解。

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在計算機的記憶體階層(Memory Hierarchy)架構中,主要依賴以下兩種形式的局部性(Locality)原理來提升存取效能: 一、時間局部性(Temporal Locality)

  1. 定義:指一個記憶體位址若在目前被參考(存取),則在不久的將來,該位址有極高的機率會被再次存取。其核心概念為「最近被存取過的資料,很快會再被用到」。

小題 (三)

假設作業系統(operating system)以 10 毫秒(millisecond)為單位來分配時間片段(time slices),並且忽略上下文切換(context switch)所需的時間,請問 1 秒鐘內有多少個程序(processes)可以獲得一個時間片段?如果一半的程序僅用一半的時間,請問 1 秒鐘內有多少個程序可以獲得一個時間片段?(6 分)

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看到此題,首先應聯想到時間單位的換算(1秒=1000毫秒)。接著,將 CPU 可用的總時間視為固定資源,利用簡單的代數方程式(總時間 = 總程序數量 × 加權平均消耗時間)來精準求出程序數量。

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【解題關鍵】釐清「秒」與「毫秒」之單位換算(1 秒 = 1000 毫秒),並運用代數方程式分配 CPU 總時間。 【解答】 計算:

小題 (四)

在計算機的輸入和輸出介面中,當處理器對 I/O 模組進行定址(addressed)時,可以接收控制(control)I/O 命令外,還有那三種類型的 I/O 命令?(6 分)

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看到這題應立刻聯想計算機組織架構中,CPU 與 I/O 模組互動的「四種基本 I/O 指令(I/O Commands)」。除了題目已給定負責動作控制的指令(Control)外,還須包含狀態確認、資料輸入與資料輸出的三大核心動作,即測試(Test)、讀取(Read)與寫入(Write)。答題時搭配簡要定義與實例可穩拿滿分。

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【破題】 當處理器對 I/O 模組進行定址以執行輸入/輸出操作時,除了控制(Control)命令外,還會發出另外三種基本 I/O 命令,以完成設備狀態確認與雙向資料傳輸。 【論述】

小題 (五)

⑴八進制數值 2047.16 等於二進制數值?⑵16 進制數值 9F.36C 等於二進制數值?(6 分)

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面對基底互轉題型,若基底為2的次方(如八進位 $2^3$、十六進位 $2^4$),切忌先轉十進位再轉二進位,應直接使用「位元分組對應法」。八進位每一位數展開為3個二進位位元,十六進位每一位數展開為4個二進位位元,小數點位置維持不變,最後去除首尾無意義的0即可快速得分。

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【解題關鍵】八進位與二進位之間採「一對三」位元轉換($2^3=8$);十六進位與二進位之間採「一對四」位元轉換($2^4=16$)。 【解答】 計算 ⑴:八進制數值 $2047.16_8$ 轉換為二進制

小題 (六)

請利用卡諾圖(Karnaugh map)對邏輯函數 F = \sum_{X,Y,Z}(0,1,4,5,6) 進行最小積之和(sum of products)化簡。⑴請畫出卡諾圖化簡過程。⑵請寫出最簡積之和布林代數。(8 分)

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面對卡諾圖化簡題,首要步驟是正確建立變數的葛雷碼(Gray Code)排列(00, 01, 11, 10),並將最小項(Minterm)準確填入對應儲存格。接著把握『圈選最大相鄰2的冪次方(如4、2)』原則,留意卡諾圖左右邊緣可相接的幾何拓樸特性,即可推導出最簡的布林代數式。

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【解題思路】利用三變數卡諾圖(Karnaugh Map)找出能覆蓋所有為邏輯 '1' 的最小項(Minterm)之最大相鄰群組,以消去產生變化的變數,得出最簡積之和(Sum of Products, SOP)。 【詳解】 已知邏輯函數 $F(X,Y,Z) = \sum(0,1,4,5,6)$,變數為 $X, Y, Z$。

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