1.计算机基础知识

一、计算机导论

1. 计算机发展历程

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代际	时间段	代表机型/技术	核心技术	特点	重大进展
第一代	1946-1957	ENIAC	电子管	- 体积庞大（占地170㎡） - 功耗极高（150kW） - 运算速度低（5000次/秒）	人类首次实现通用电子计算机
第二代	1958-1964	IBM 7090	晶体管	- 体积缩小（房间大小） - 可靠性提升 - 支持高级语言（FORTRAN）	晶体管替代电子管，开启编程语言时代
第三代	1965-1971	IBM System/360	集成电路（IC）	- 操作系统出现 - 多任务处理 - 兼容性提升	计算机标准化与商业化进程加速
第四代	1972-至今	Intel 4004、IBM PC	超大规模集成电路（VLSI）	- 微处理器诞生 - 个人计算机普及 - 互联网技术爆发	计算机进入千家万户，信息革命开启
新一代（未来方向）	2010s-未来	IBM Q System、光子芯片	量子/生物/光子技术	- 量子计算（指数级算力） - 生物计算（DNA存储） - 光子计算（超高速）	突破传统计算极限，推动AI与科学革命

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其他说明

(1). 技术演进对比：

• 体积：电子管计算机（房间大小）→ 晶体管（柜式）→ 集成电路（桌面）→ 微处理器（便携）。
• 速度：从每秒千次（ENIAC）到每秒万亿次（现代超算）。
• 应用：军事计算 → 商业与科研 → 个人与全球化互联。

(2). 代际技术突破示意图：

电子管 → 晶体管 → 集成电路 → 微处理器 → 量子计算
（1940s）  （1950s）  （1960s）  （1970s）  （21世纪）

(3). 未来计算机方向：

• 量子计算机：基于量子比特（如IBM的127量子比特处理器）。
• 生物计算机：利用DNA分子存储与并行计算（微软DNA存储实验）。
• 光子计算机：光信号替代电信号（中国“九章”光量子计算原型机）。

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2. 计算机基本组成

（1）硬件系统

• 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等
• 输出设备：显示器、打印机、投影仪等
• 中央处理器（CPU）：
  • 组成：运算器、控制器、寄存器
  • 性能指标：主频（GHz）、核心数、缓存容量
• 存储器体系：
  • 主存：RAM（易失性）、ROM（非易失性）
  • 辅存：HDD机械硬盘、SSD固态硬盘、光盘
• 总线系统：
  • 地址总线（寻址）
  • 数据总线（传输）
  • 控制总线（指令）
• 输入/输出设备数据流：
  • 输入设备 → 总线 → CPU → 总线 → 输出设备
• 存储器层级结构：
  • CPU寄存器 → L1/L2/L3缓存 → 主存（RAM） → 辅存（SSD/HDD）
    （速度递减，容量递增）

（2）软件系统

• 系统软件：
  • 操作系统（Windows/Linux/macOS）
  • 驱动程序
  • 编译系统（GCC, JDK）
• 应用软件：
  • 办公套件（Office）
  • 专业软件（Photoshop）
  • 开发工具（VS Code）

3. 计算机工作原理

（1）冯·诺依曼体系结构

• 五大组成部分：
  运算器（执行算术/逻辑运算）、控制器（协调指令执行）、存储器（存储程序与数据）、输入设备（数据输入）、输出设备（结果输出）。
• 核心特征：
  • 存储程序原理：程序与数据以二进制形式统一存储于内存，CPU按地址顺序逐条读取执行。
  • 顺序执行：指令按存储顺序自动执行，通过程序计数器（PC）控制指令流。
  • 二进制表示：所有信息（指令、数据）均以0/1形式编码，简化硬件设计。

（2）指令执行流程

1. 取指令：PC指向内存指令地址，读取指令至指令寄存器（IR）。
2. 译码：指令译码器（ID）解析操作码（OP）及操作数地址。
3. 执行：运算器（ALU）执行算术/逻辑运算，控制器生成控制信号。
4. 访存：若需数据，访问内存读取/写入操作数。
5. 写回：结果存回寄存器或内存。

（3）存储程序概念

程序和数据以二进制形式统一存储，按地址顺序访问

二、数据结构与算法分析

1. 基本数据结构

（1）线性结构

• 数组（Array）：
  特点：连续内存分配，随机访问O(1)
  应用：矩阵运算，查找表

• 链表（Linked List）：

  • 单链表：节点包含数据和后继指针
  • 双向链表：增加前驱指针
  • 循环链表：尾节点指向头节点
    操作复杂度：插入/删除O(1)，查找O(n)

• 栈（Stack）：
  LIFO（后进先出）结构
  实现方式：数组/链表
  应用：函数调用栈，括号匹配

• 队列（Queue）：
  FIFO（先进先出）结构
  变种：双端队列（Deque），优先队列（Priority Queue）

（2）非线性结构

• 树（Tree）：

  • 二叉树：每个节点最多两个子节点
    • 二叉搜索树（BST）：左子树值<根<右子树
    • 平衡二叉树（AVL）：平衡因子≤1
  • 多叉树：B树（数据库索引）、Trie树（字典树）

• 图（Graph）：

  • 存储方式：
    • 邻接矩阵（适合稠密图）
    • 邻接表（适合稀疏图）
  • 算法应用：最短路径（Dijkstra）、最小生成树（Prim）

• 哈希表（Hash Table）：
  通过哈希函数实现O(1)访问
  冲突解决方法：开放地址法、链地址法

2. 算法分析

（1）复杂度理论

• 时间复杂度：
  • O(1) < O(logn) < O(n) < O(nlogn) < O(n²)
• 空间复杂度：
  算法运行所需存储空间

（2）经典算法

• 排序算法：

  • 快速排序（分治策略，平均O(nlogn)）
  • 归并排序（稳定排序，需要额外空间）
  • 堆排序（原地排序，适合大数据）

• 查找算法：

  • 二分查找（有序数组，O(logn)）
  • 广度优先搜索（BFS，图遍历）
  • 深度优先搜索（DFS，回溯算法）

• 动态规划：
  典型问题：背包问题，最长公共子序列
  核心思想：最优子结构+重叠子问题

三、计算机组成与维护

1. 硬件组成详解

（1）核心组件

• CPU架构：

  • 指令集：CISC（复杂指令集） vs RISC（精简指令集）
  • 流水线技术：指令级并行
  • 多核处理器：对称多处理（SMP）

• 存储器层次：
  CPU寄存器 → L1/L2/L3缓存 → 主存 → 虚拟内存 → 辅存

• 主板结构：

  • 芯片组：北桥（高速设备）、南桥（低速设备）
  • 扩展槽：PCIe ×16（显卡），M.2（固态硬盘）

（2）外围设备

• 显卡：GPU架构（CUDA核心，流处理器）
• 电源：80 PLUS认证（转换效率）
• 散热系统：风冷（塔式散热器）、水冷（分体/一体式）

2. 维护方法

（1）硬件维护

• 清洁保养：

  • 使用压缩空气清理灰尘
  • 定期更换散热硅脂
  • 避免静电损坏（使用防静电手环）

• 故障排查：

  • 最小系统法：仅保留CPU/内存/主板进行测试
  • POST自检：通过蜂鸣代码判断故障（如内存错误）

（2）软件维护

• 系统优化：

  • 磁盘碎片整理（HDD）
  • 启动项管理（msconfig）
  • 注册表清理（谨慎操作）

• 安全防护：

  • 防火墙设置（入站/出站规则）
  • 病毒防护（实时监控+定期全盘扫描）
  • 系统更新（安全补丁及时安装）

（3）数据管理

• 备份策略：

  • 3-2-1原则：3份备份，2种介质，1份异地
  • RAID技术：RAID 1（镜像）、RAID 5（分布式校验）

• 数据恢复：

  • 使用Recuva等工具恢复误删文件
  • 专业恢复服务（开盘恢复）

3. 故障处理流程

1. 现象观察：记录异常表现（蓝屏代码、异响位置）
2. 初步判断：区分硬件/软件故障
3. 诊断工具：
   • 硬件：MemTest86（内存测试）
   • 系统：事件查看器（Windows日志）
4. 替换测试：逐步更换可疑部件
5. 修复验证：压力测试（Prime95，FurMark）