113 專技高考高等考試 資訊技師 計算機系統 考古題詳解

核心觀念

本題考查 4 位元二補數加法，以及四個旗標的判定方式：

• Carry Flag（CF，進位旗標）：記錄最高位元相加後是否產生進位；CF 是無號運算的進位資訊。
• Overflow Flag（OF，溢位旗標）：記錄有號二補數運算的結果是否超出可表示範圍。4 位元二補數的範圍為 $-8$ 至 $+7$。
• Sign Flag（SF，符號旗標）：通常等於結果的最高位元。
• Even Parity Flag（PF，偶同位旗標）：檢查結果低 8 位元中「1」的個數是否為偶數。4 位元結果會以零補至 8 位元後計算。

解題方法

先將兩個運算元寫成 4 位元二補數：

• $-1$：$1111_2$
• $+1$：$0001_2$

進行二進位加法：

結果只保留低 4 位元，因此結果為 $0000_2$；最左側額外產生的 $1$ 是最高位元的進位。

接著分別依各旗標定義判定：

1. Carry Flag：有最高位元進位，因此 CF = 1。
2. Overflow Flag：$-1+1=0$，結果在 $-8$ 至 $+7$ 的可表示範圍內，且兩個運算元符號不同，有號加法不會因這種情形產生二補數溢位，因此 OF = 0。

核心觀念

本題考查主機虛擬化與虛擬主機經理的角色分工。虛擬化是在同一部實體主機上，藉由軟體將硬體資源抽象化並加以分配，讓多個彼此隔離的虛擬主機各自執行作業系統核心（Kernel）與程序（Process）。

每個 VM 都有自己的 Kernel，因此也各自負責建立與管理該 VM 內的程序；VM Manager 則管理 VM 與底層實體硬體資源。

解題方法

作答時可分成兩層說明：

1. **為什麼要虛擬化：**說明如何抽象、共享實體資源，以及帶來的隔離與彈性。
2. **由誰管理虛擬化：**說明 VM Manager 如何建立、管理 VM，並分配與控制硬體資源。

要特別區分：程序由各 VM 內的作業系統 Kernel 管理；VM Manager 管理的是 VM 及其可使用的實體資源。

（一）主機虛擬化的目的

主機虛擬化的目的，是將一部實體主機的處理器、記憶體、儲存裝置及 I/O 裝置等資源，抽象成多個虛擬主機，讓多個作業系統能在同一套實體硬體上並行執行。

其主要效益如下：

• **提高資源利用率：**讓多個工作負載共享實體硬體，減少硬體閒置。
• **提供隔離：**各 VM 在邏輯上彼此分隔；單一 VM 發生故障或資源使用異常時，較不易直接影響其他 VM。
• **支援不同作業環境：**同一部主機可執行不同作業系統或不同系統設定，方便測試、維運與相容性需求。
• **增加部署彈性：**可依需求建立、複製、移動或移除 VM，降低新增服務對實體設備的依賴。

（二）VM Manager 的主要功能

核心觀念

本題考查如何把佇列緩衝器的文字敘述，轉成具體的條件判斷與計數程式。核心是區分「接收資料數」與「遺失資料數」：

• 資料進入時，接收資料數增加。
• 緩衝器有空間時，資料可以存入。
• 緩衝器已滿時，新資料會覆蓋最後一筆資料，並將遺失資料數增加。

題目沒有指定緩衝器大小或資料的實際儲存方式，因此以固定容量緩衝器表示，並用變數追蹤已使用空間。

解題方法

設緩衝器容量為 BUFFER_SIZE，目前資料筆數為 buffer_count，累計接收筆數為 received_count，累計遺失筆數為 lost_count。每收到一筆資料，就先增加接收筆數，再判斷緩衝器是否仍有空間：

• 若 buffer_count < BUFFER_SIZE，將新資料放入緩衝器，並增加目前資料筆數。
• 若緩衝器已滿，將新資料覆蓋最後一筆資料，並增加遺失筆數。此時緩衝器內的資料筆數不變。

以下假設 input_data 可取得一筆新資料，且 buffer[] 的索引從 0 開始：

核心觀念

本題考查兩項觀念：

1. 實體記憶體容量：Address Bus 有 $n$ bits 時，可指定 $2^n$ 個不同位址。每個位址代表一個記憶體空間；本題每個空間可容納 $8$ bytes，因此容量須再乘以 $8$ bytes。
2. Context-Switching 時間：需將目前 Process 的 PCB 儲存，並載入下一個 Process 的 PCB。每次記憶體存取分為位址指定與資料傳送兩個 Clock Cycle。

解題方法

（一）可直接住址存取的實體記憶體容量

$48$ bits 的 Address Bus 可表示 $2^{48}$ 個位址。每個位址對應 $8$ bytes，因此：

以 $1\text{ T-byte}=2^{40}\text{ bytes}$ 換算：

（二）兩個 Processes 間的 Context-Switching 時間

Context switch 需保存原 Process 的 PCB，並載入下一個 Process 的 PCB，資料總量為：

Data Bus 每次傳送 $64$ bits，也就是 $8$ bytes，因此總共需要：

核心觀念

本題考查多重執行緒（Multi-Threading）中「程序（Process）與執行緒（Thread）的資源分工」，以及多核心系統如何排程執行多個執行緒。

程序通常擁有自己的位址空間與程式資源；同一程序內的執行緒則共享程式碼、全域資料與堆積區（Heap），但各自具有獨立的程式計數器、暫存器狀態與堆疊（Stack）。堆疊保存函式呼叫框架、區域變數、參數及返回位址，因此每個執行緒需要自己的堆疊，才能各自維持獨立的執行流程。

解題方法

先比較單執行緒與多執行緒程序的執行流程數量，再說明多核心的排程單位。單執行緒程序只有一條執行流程，配置一個執行緒堆疊即可；多執行緒程序有多條可獨立執行的流程，因此每個執行緒都必須有自己的堆疊。接著區分「程序提供共享資源」與「執行緒是實際排程執行單位」，即可說明多核心如何併行執行。

（一）Single-Threaded Process 與 Multi-Threaded Process 的 Stack 設計

**單執行緒程序：**程序內只有一個執行緒，只有一條函式呼叫與返回的執行路徑，因此通常在該程序的使用者位址空間配置一個執行緒堆疊。函式呼叫時將呼叫框架推入堆疊，函式返回時再將其移除。

**多執行緒程序：**程序內有多個執行緒，各執行緒可能同時或交錯執行不同的函式呼叫，故每個執行緒都必須配置一個獨立的堆疊。每個堆疊保存該執行緒自己的區域變數、參數、返回位址及呼叫框架，不能讓同一程序的多個執行緒共用同一個執行緒堆疊，否則不同執行流程的呼叫資料會互相覆寫。