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1946-1957ENIAC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1965-1971IBM 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 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）解析操作码（OP）及操作数地址。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/写入操作数。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 现象观察：记录异常表现（蓝屏代码、异响位置）初步判断：区分硬件/软件故障诊断工具： 硬件：MemTest86（内存测试）系统：事件查看器（Windows日志） 替换测试：逐步更换可疑部件修复验证：压力测试（Prime95，FurMark）