1.计算机基础知识

一、计算机导论

1. 计算机发展进程

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代际时间段代表机型/技术焦点技术特点重大进展第一代1946-1957ENIAC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1958-1964IBM 7090晶体管- 体积缩小（房间巨细）
- 可靠性提拔
- 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1965-1971IBM System/360集成电路（IC）- 操纵体系出现
- 多任务处理处罚
- 兼容性提拔计算机标准化与商业化进程加快第四代1972-至今Intel 4004、IBM PC超大规模集成电路（VLSI）- 微处理处罚器诞生
- 个人计算机普及
- 互联网技术发作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（房间巨细）→ 晶体管（柜式）→ 集成电路（桌面）→ 微处理处罚器（便携）。
  
• 速度：从每秒千次（ENIAC）到每秒万亿次（当代超算）。
  
• 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：

1. 电子管 → 晶体管 → 集成电路 → 微处理器 → 量子计算
2. （1940s）  （1950s）  （1960s）  （1970s）  （21世纪）

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(3). 未来计算机方向：

• 量子计算机：基于量子比特（如IBM的127量子比特处理处罚器）。
  
• 生物计算机：使用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. 计算机根本构成

（1）硬件体系

• 输入装备：键盘、鼠标、扫描仪等
  
• 输出装备：显示器、打印机、投影仪等
  
• 中心处理处罚器（CPU）：
  
  
  
  • 构成：运算器、控制器、寄存器
    
  • 性能指标：主频（GHz）、焦点数、缓存容量
    
  
  
• 存储器体系：
  
  
  
  • 主存：RAM（易失性）、ROM（非易失性）
    
  • 辅存：HDD机器硬盘、SSD固态硬盘、光盘
    
  
  
• 总线体系：
  
  
  
  • 地址总线（寻址）
    
  • 数据总线（传输）
    
  • 控制总线（指令）
    
  
  
• 输入/输出装备数据流：
  
  
  
  • 输入装备 → 总线 → CPU → 总线 → 输出装备
    
  
  
• 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）软件体系

• 体系软件：
  
  
  
  • 操纵体系（Windows/Linux/macOS）
    
  • 驱动程序
    
  • 编译体系（GCC, JDK）
    
  
  
• 应用软件：
  
  
  
  • 办公套件（Office）
    
  • 专业软件（Photoshop）
    
  • 开辟工具（VS Code）
    
  
  

3. 计算机工作原理

（1）冯·诺依曼体系结构

• 五大构成部分：
  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）、输入装备（数据输入）、输出装备（效果输出）。
  
• 焦点特性：
  
  
  
  • 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。
    
  • 二进制表现：所有信息（指令、数据）均以0/1形式编码，简化硬件计划。
    
  
  

（2）指令执行流程

• 取指令：PC指向内存指令地址，读取指令至指令寄存器（IR）。
  
• 译码：指令译码器（ID）分析操纵码（OP）及操纵数地址。
  
• 执行：运算器（ALU）执行算术/逻辑运算，控制器生成控制信号。
  
• 访存：若需数据，访问内存读取/写入操纵数。
  
• 写回：效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. 根本数据结构

（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：节点包罗数据和后继指针
    
  • 双向链表：增加前驱指针
    
  • 循环链表：尾节点指向头节点
    操纵复杂度：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（先辈先出）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
    
    
    
    • 二叉搜刮树（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（得当稠密图）
      
    • 邻接表（得当希奇图）
      
    
    
  • 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（稳固排序，必要额外空间）
    
  • 堆排序（原地排序，得当大数据）
    
  
  
• 查找算法：
  
  
  
  • 二分查找（有序数组，O(logn)）
    
  • 广度优先搜刮（BFS，图遍历）
    
  • 深度优先搜刮（DFS，回溯算法）
    
  
  
• 动态规划：
  范例问题：背包问题，最长公共子序列
  焦点头脑：最优子结构+重叠子问题
  

三、计算机构成与维护

1. 硬件构成详解

（1）焦点组件

• 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
    
  • 多核处理处罚器：对称多处理处罚（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（高速装备）、南桥（低速装备）
    
  • 扩展槽：PCIe ×16（显卡），M.2（固态硬盘）
    
  
  

（2）外围装备

• 显卡：GPU架构（CUDA焦点，流处理处罚器）
  
• 电源：80 PLUS认证（转换服从）
  
• 散热体系：风冷（塔式散热器）、水冷（分体/一体式）
  

2. 维护方法

（1）硬件维护

• 干净保养：
  
  
  
  • 使用压缩空气清理灰尘
    
  • 定期更换散热硅脂
    
  • 避免静电破坏（使用防静电手环）
    
  
  
• 故障排查：
  
  
  
  • 最小体系法：仅保留CPU/内存/主板进行测试
    
  • POST自检：通过蜂鸣代码判定故障（如内存错误）
    
  
  

（2）软件维护

• 体系优化：
  
  
  
  • 磁盘碎片整理（HDD）
    
  • 启动项管理（msconfig）
    
  • 注册表清理（审慎操纵）
    
  
  
• 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）
    
  • 体系更新（安全补丁实时安装）
    
  
  

（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. 故障处理处罚流程

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

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