江苏省计算机大类专转本全面知识点

专转本计算机：从硬件到新一代信息技术的完整解析

第一部分：计算机基础知识

计算机发展与分类

发展历程

1. 四代计算机特征对比

您提供的表格内容总体准确，结构清晰。仅对个别细节进行优化，使其在时间表述和技术特点上更为精确。

代际	时间范围	核心元件	代表技术	主要特点	标志性成果
第一代	1940s中后期-1950s中期	电子管	机器语言、汇编语言	体积庞大、功耗极高、发热量大、速度慢（每秒数千次）、可靠性低、成本高昂	ENIAC（世界上第一台通用电子计算机）
第二代	1950s中期-1960s中期	晶体管	高级语言（如FORTRAN、COBOL）、监控程序（操作系统雏形）	体积、功耗、发热显著减小，速度提升（每秒数十万次），可靠性提高，开始用于商业与科学计算	IBM 7090、CDC 1604等大型晶体管计算机
第三代	1960s中期-1970s早期	中小规模集成电路	操作系统成熟（多道、分时）、高级语言普及、微程序技术	小型化、功耗进一步降低，计算能力大幅增强（每秒百万次），可靠性高，软件产业兴起	IBM System/360系列（确立了兼容性概念）
第四代	1970s早期-至今	（超）大规模集成电路	微处理器、个人计算机、图形用户界面、互联网、人工智能	高度集成化、体积微型化、成本极低、性能按指数级增长（摩尔定律），普及至个人与社会方方面面	个人电脑（PC） （如IBM PC）、智能手机 、云计算基础设施

2. 未来发展趋势：量子计算（量子比特存储数据，并行计算能力突破）、生物计算（基于生物分子的计算模式）、光子计算（利用光信号传输和处理数据）、边缘计算（靠近数据源头的分布式计算）

计算机分类

• 按用途：通用计算机（个人电脑、服务器、工作站）、专用计算机（工业控制计算机、航天测控计算机、医疗专用设备）

• 按规模：巨型机（超级计算机，用于气象预测、核模拟）、大型机（企业级数据处理，如银行核心系统）、小型机（部门级应用）、微型机（个人计算机、笔记本、平板）

计算机中信息的表示

数制转换

1. 基本数制：二进制（0-1，计算机唯一能直接识别）、十进制（0-9，人类常用）、八进制（0-7，二进制的缩写形式）、十六进制（0-9,A-F，二进制的紧凑表示）

2. 转换规则：

• 十进制→二进制：除 2 取余法（整数部分，逆序取余）、乘 2 取整法（小数部分，顺序取整），例：(13.25)₁₀=(1101.01)₂

• 二进制→十进制：按权展开求和，例：1011.101B=1×2³+0×2²+1×2¹+1×2⁰+1×2⁻¹+0×2⁻²+1×2⁻³=11.625D

• 二进制→八进制：3 位一组分组（整数从右、小数从左），不足补 0，例：1101011B=153O

• 二进制→十六进制：4 位一组分组，不足补 0，例：11010110B=D6H

• 八进制 / 十六进制→十进制：按权展开，例：25O=2×8¹+5×8⁰=21D；1AH=1×16¹+10×16⁰=26D

字符编码

1. ASCII 码：

• 7 位编码，共 128 个字符（0-127），占 1 字节（最高位为 0）

• 控制字符（0-31、127）：不可显示，用于控制设备（如换行 LF、回车 CR、退格 BS）

• 普通字符（32-126）：空格（32）、数字（'0'-'9'：48-57）、大写字母（'A'-'Z'：65-90）、小写字母（'a'-'z'：97-122），大小写字母 ASCII 码差值为 32

1. Unicode 编码：

• 兼容 ASCII，解决多语言字符表示问题，编码空间 0-0x10FFFF（可容纳百万级字符）

• 常见实现：UTF-8（1-4 字节，网页默认编码）、UTF-16（2 或 4 字节，Windows 系统常用）、UTF-32（4 字节，固定长度）

1. 汉字编码：

• GB2312（1980）：收录 6763 个简体汉字，双字节编码

• GBK（1995）：兼容 GB2312，收录 21003 个汉字，支持繁体

• GB18030（2000）：兼容 GBK，收录 7 万 + 汉字，支持少数民族文字，是我国强制标准

数值在计算机中的存储

1. 原码、反码、补码：

• 原码：符号位（最高位）+ 数值位，正数符号位 0，负数 1，例：+3 原码 00000011，-3 原码 10000011（8 位表示）

• 反码：正数与原码相同；负数符号位不变，数值位按位取反，例：-3 反码 11111100

• 补码：正数与原码相同；负数 = 反码 + 1，例：-3 补码 11111101

• 核心优势：计算机仅需加法器即可实现加减运算（减法转换为加负数补码），无正负零二义性（补码中零只有一种表示：00000000）

1. 定点数与浮点数：

• 定点数：小数点位置固定，分为定点整数（小数点在末尾）和定点小数（小数点在符号位后），表示范围有限，适用于简单计算

• 浮点数：N = 尾数 ×2^ 指数（类似科学计数法），尾数决定精度（位数越多精度越高），指数决定表示范围，例：(101.101)₂=1.01101×2²，尾数 1.01101（规格化形式，整数部分为 1），指数 2

• IEEE 754 标准：单精度浮点数（32 位）：符号位 1 位 + 指数位 8 位 + 尾数位 23 位；双精度（64 位）：符号位 1 位 + 指数位 11 位 + 尾数位 52 位

计算机系统组成

硬件系统

• 冯・诺依曼体系结构：核心思想 "存储程序"，由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成，程序和数据以二进制形式存储在存储器中

• 硬件系统层次：核心部件（CPU、内存）→ 外围设备（外存、I/O 设备）→ 总线（连接各部件）→ 接口（设备与总线的桥梁）

软件系统

• 系统软件：操作系统、语言处理程序（编译器、解释器、汇编器）、数据库管理系统（DBMS）、系统工具（杀毒软件、磁盘工具）

• 应用软件：通用软件、专用软件（详见第三部分）

• 软件与硬件的关系：硬件是基础，软件是灵魂；软件依赖硬件运行，硬件通过软件实现功能扩展

第二部分：计算机硬件

中央处理器（CPU）

CPU 的组成：

1. 运算器：负责执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较），是计算机实际执行数据处理的部件。核心组件包括算术逻辑单元（ALU，执行具体运算）、累加器（暂存运算结果和操作数）、状态寄存器（记录运算状态，如进位 C、溢出 O、零标志 Z）。

2. 控制器：计算机的 "指挥中心"，负责从内存中取指令、分析指令，并产生一系列控制信号，协调计算机各部件有条不紊地工作。核心组件包括程序计数器（PC，存储下一条要执行指令的地址，自动递增）、指令寄存器（IR，暂存当前正在执行的指令）、指令译码器（ID，解析指令的操作码和操作数）、时序发生器（产生同步时钟信号）。

3. 寄存器：CPU 内部的高速存储单元（速度是内存的数十倍），用于临时存储指令、数据和地址。常见类型：

• 数据寄存器（DR）：暂存操作数和运算结果

• 地址寄存器（AR）：存储要访问的内存地址

• 通用寄存器（如 AX、BX、CX、DX）：可灵活存储数据或地址，减少对内存的访问

• 控制寄存器（如 CR0、CR1）：存储 CPU 的控制信息和状态

多核技术：

现代 CPU 将两个或多个独立的处理核心（Core）集成在一个芯片上，每个核心都包含完整的运算器、控制器和寄存器组，能独立执行指令流。操作系统通过任务调度器将不同线程分配给不同核心并行执行，例如四核 CPU 可同时处理四个线程，大幅提升多任务处理效率（如同时运行浏览器、办公软件、视频播放器）。多核技术的关键是缓存一致性协议（如 MESI），确保多个核心访问共享数据时的一致性。

主频与睿频：

• 主频：CPU 时钟频率，指 CPU 每秒钟完成的时钟周期数，单位为赫兹（Hz），常用吉赫兹（GHz=10⁹Hz）。主频越高，单位时间内执行的指令越多，例：3.0GHz CPU 每秒完成 30 亿个时钟周期。

• 睿频（Turbo Boost）：Intel 的动态超频技术，当 CPU 负载较高且散热允许时，自动提升核心主频，例：基础主频 2.8GHz 的 CPU，睿频可达到 4.0GHz，临时提升单任务性能。

• 注意：主频不是性能唯一指标，需结合架构（如 x86-64、ARMv8）、IPC（每时钟周期执行指令数）、核心数综合判断，例：ARM 架构 CPU 主频低于 x86，但 IPC 高、功耗低，适合移动设备。

字长与寻址能力：

• 字长：CPU 一次能并行处理的二进制位数，等于数据总线宽度，常见 32 位、64 位。

• 32 位 CPU：一次处理 4 字节数据，最大寻址空间 4GB（2³² 字节），无法直接支持超过 4GB 的内存。

• 64 位 CPU：一次处理 8 字节数据，理论最大寻址空间 16EB（2⁶⁴字节），兼容 32 位程序（需操作系统支持），是当前主流。

• 应用影响：64 位操作系统需搭配 64 位 CPU 才能发挥性能，32 位操作系统最大仅能识别 3.2-3.5GB 内存。

CPU 性能影响因素：

1. 缓存容量：L1（核心内置，16-64KB / 核心）、L2（核心专属，256KB-2MB / 核心）、L3（多核共享，4-64MB），缓存容量越大，命中率越高，减少 CPU 访问内存的延迟。

2. 指令集：

• CISC（复杂指令集）：x86 架构，指令丰富（千余种），兼容性强，适用于桌面和服务器。

• RISC（精简指令集）：ARM、MIPS 架构，指令简洁（百余种），执行效率高、功耗低，适用于移动设备和嵌入式系统。

• 扩展指令集：SSE、AVX（多媒体处理）、AES-NI（加密加速），提升特定场景性能。

1. 制程工艺：芯片制造的纳米数（如 7nm、5nm、3nm），制程越先进，芯片集成度越高、功耗越低、发热越少，例：5nm CPU 相比 7nm，同功耗下性能提升 20%，同性能下功耗降低 40%。

2. 核心数与线程数：物理核心数是实际处理单元，线程数是逻辑处理单元，超线程技术（Hyper-Threading）使一个物理核心模拟两个逻辑线程，提升并行处理能力（如 6 核心 12 线程 CPU）。

存储器系统

存储器的层次结构（核心考点）：

层次	名称	特点	作用	访问速度	容量	成本
1	寄存器	高速、CPU 内置	暂存当前指令和数据	1-3ns	几十 KB	最高
2	缓存（L1/L2/L3）	高速、SRAM	存储 CPU 近期可能访问的数据 / 指令	3-20ns	几 MB - 几十 MB	高
3	内存（主存）	中速、DRAM	存储当前运行的程序和数据	50-100ns	8GB-64GB	中
4	外存（辅存）	低速、HDD/SSD	长期存储程序、数据、文件	1ms-100μs	500GB-4TB	低

• 层次结构设计目的：通过高速缓存缓解 CPU 与内存的速度差异，通过虚拟内存缓解内存与外存的容量差异，平衡速度、容量和成本。

RAM 与 ROM 的区别及类型：

特性	RAM（随机存取存储器）	ROM（只读存储器）
读写能力	可读可写	常态只读，特殊类型可写入（如 EEPROM）
易失性	易失性（断电数据丢失）	非易失性（断电数据保留）
核心类型	DRAM（动态 RAM）、SRAM（静态 RAM）	PROM、EPROM、EEPROM、Flash ROM
工作原理	DRAM 靠电容存储电荷（需刷新，每几 ms）；SRAM 靠触发器（无需刷新）	PROM 一次性写入；EPROM 紫外线擦除；EEPROM 电擦除；Flash ROM（闪存）电擦除，按块操作
用途	DRAM：内存（主存）；SRAM：缓存（L1/L2/L3）	BIOS、固件、U 盘、SSD、手机存储
速度对比	SRAM > DRAM > ROM	-
成本对比	SRAM > DRAM > ROM	-

虚拟内存（核心考点）：

1. 定义：操作系统将内存与硬盘上的一块空间（页面文件 / 交换分区）逻辑结合，形成 "虚拟内存空间"，当物理内存不足时，将部分不活跃的程序页面（4KB/8KB）换出到虚拟内存，释放物理内存供当前活跃程序使用。

2. 工作过程：

• 页面置换：当内存不足时，操作系统选择部分页面换出到硬盘（页面文件），需要时再换入内存。

• 缺页中断：当 CPU 访问的页面不在内存时，触发缺页中断，操作系统将该页面从外存调入内存。

1. 页面置换算法（考纲重点）：

• LRU（最近最少使用）：置换最长时间未被访问的页面，命中率最高，实际应用最广（如 Windows、Linux 默认算法）。

• FIFO（先进先出）：置换最早进入内存的页面，算法简单，但可能出现 "Belady 异常"（内存容量增大，缺页率反而上升）。

• OPT（最佳置换）：置换未来最长时间不会被访问的页面，命中率最高，但无法实现（需预知未来访问序列），仅作为理论参考。

1. 优缺点：

• 优点：扩展了可用内存空间，允许运行超出物理内存容量的程序。

• 缺点：依赖硬盘读写（速度慢），频繁置换会导致 "抖动"（Thrashing），系统性能大幅下降。

硬盘与存储设备细节：

1. HDD（机械硬盘）：

• 核心组件：盘片（磁性涂层，存储数据）、读写磁头（悬浮在盘片上方，间距 0nm）、主轴电机（带动盘片旋转，转速 5400/7200/10000 转 / 分）、磁头臂（带动磁头移动）。

• 关键参数：转速（7200 转 / 分比 5400 转快）、缓存容量（8MB/16MB/64MB，缓存越大，突发传输越快）、单碟容量（越大，密度越高，速度越快）。

• 性能瓶颈：磁头寻道时间（5-10ms）和盘片旋转延迟（4-6ms），随机读写速度慢（约 100IOPS）。

1. SSD（固态硬盘）：

• 核心组件：NAND 闪存芯片（存储数据）、主控芯片（管理闪存，处理读写请求）、缓存芯片（部分型号，加速读写）。

• 闪存类型：

  • SLC（单级单元）：1 个单元存 1 位，寿命长（10 万次写入）、速度快、价格高（企业级应用）。

  • MLC（多级单元）：1 个单元存 2 位，寿命中等（1 万次）、性价比高（已逐步淘汰）。

  • TLC（三级单元）：1 个单元存 3 位，寿命（3000-10000 次）、价格低（消费级主流）。

  • QLC（四级单元）：1 个单元存 4 位，寿命低（1000 次左右）、容量大、价格极低（大容量存储）。

• 关键参数：连续读写速度（顺序传输，如 3000MB/s）、4K 随机读写速度（小文件传输，如 500MB/s）、TBW（总写入字节数，寿命指标）。

1. 接口与协议对比（考纲重点）：

接口 / 协议	理论传输速度 (单通道/单向)	适用设备	主要特点
SATA 3.0	6 Gbps（约 600 MB/s）	传统 HDD、入门/主流级 SATA SSD、2.5英寸/光驱位硬盘	兼容性极佳、普及度高、价格低廉、使用独立线缆连接
NVMe (PCIe 3.0 x4)	约 32 Gbps（约 3500 MB/s）	主流/中高端 M.2 NVMe SSD	专为闪存设计，通过PCIe通道直连CPU/芯片组，队列深度高，延迟极低
NVMe (PCIe 4.0 x4)	约 64 Gbps（约 7000 MB/s）	高性能/旗舰级 M.2 NVMe SSD	速度相较PCIe 3.0翻倍，带宽更大，支持NVMe 1.4协议的新特性
M.2	取决于所走协议通道 (SATA或NVMe)	笔记本电脑、迷你主机、台式机（主流形态）的SSD	物理接口和外形规格，而非传输协议。常见尺寸为2280（22mm宽，80mm长），无需线缆，直接插拔。

2. 其他存储设备：

• U 盘：基于 Flash ROM，接口为 USB 2.0/3.2，便携性强，适用于小容量数据传输。

• 移动硬盘：分为 HDD 移动硬盘（容量大、价格低）和 SSD 移动硬盘（速度快、抗震），接口为 USB 3.2/Type-C。

• 光盘：CD（700MB）、DVD（4.7GB/8.5GB）、Blu-ray（25GB/50GB），非易失性，适用于数据备份（逐渐淘汰）。

存储容量单位换算（必考）：

• 二进制换算（计算机内部）：1B=8bit；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB；1PB=1024TB

• 十进制换算（厂商标注）：1KB=1000B；1GB=1000MB；1TB=1000GB

• 实际容量计算：标称 1TB 的硬盘，实际容量 = 1000³MB / 1024² ≈ 931GB（考点：用户看到的容量小于标称容量的原因）

输入 / 输出设备

常见设备及工作原理（考纲重点）：

1. 键盘与鼠标：

• 键盘：矩阵式按键，按下时触发对应扫描码，键盘控制器将扫描码转换为 ASCII 码 / Unicode 码，通过 USB 接口传输给 CPU。类型：机械键盘（Cherry MX 轴，寿命 5000 万次）、薄膜键盘（成本低、静音）、静电容键盘（手感介于两者之间）。

• 鼠标：

  • 光学鼠标：LED 光源照射表面，CMOS 传感器捕捉反射图像，分析图像位移计算移动距离，采样率（DPI， dots per inch）越高，精度越高（如 1600DPI）。

  • 激光鼠标：激光光源，可在玻璃等光滑表面使用，精度更高。

  • 无线鼠标：蓝牙（传输距离 10 米）或 2.4GHz 无线（需接收器，传输距离 10-30 米）。

1. 显示器（核心考点）：

• 核心参数：

  • 分辨率：屏幕像素总数，如 1920×1080（1080P）、2560×1440（2K）、3840×2160（4K）、7680×4320（8K），分辨率越高，图像越清晰。

  • 刷新率：屏幕每秒刷新次数（Hz），60Hz（普通）、144Hz（游戏）、240Hz（高端游戏），刷新率越高，动态画面越流畅。

  • 响应时间：像素从一种颜色切换到另一种颜色的时间（ms），5ms（普通）、1ms（游戏），响应时间越短，拖影越少。

  • 色域：显示颜色的范围，sRGB（标准）、DCI-P3（影视）、Adobe RGB（设计），色域覆盖率越高，色彩越准确。

• 面板类型对比：

面板类型	优点	缺点	适用场景
IPS	色彩准确、色域广，可视角度大（通常178°）	原生对比度较低（通常1000:1），可能有轻微漏光，响应时间较TN面板慢	专业设计、图像处理、办公、影音娱乐
VA	原生对比度高（通常3000:1起），色彩表现较好，黑色更纯净	响应时间最慢（尤其是深色转换），低端型号容易出现拖影，可视角度略逊于IPS	影音娱乐、日常办公、非竞技类游戏
TN	响应时间极快（常标称1ms），刷新率高，成本低	色彩表现差，可视角度小，屏幕发白，观感不佳	专业电竞、追求极致响应速度的FPS游戏玩家

1. 打印机（考纲重点）：

• 激光打印机：

  • 工作流程：充电（感光鼓带静电）→ 曝光（激光束形成潜像）→ 显影（吸附碳粉）→ 转印（碳粉转移到纸）→ 定影（加热固化）→ 清洁（残留碳粉）。

  • 关键参数：打印分辨率（600dpi/1200dpi）、打印速度（ppm，页 / 分钟）、硒鼓寿命（数千页）。

  • 优点：速度快、分辨率高、耗材成本低；缺点：价格高、不适合彩色照片打印。

• 喷墨打印机：

  • 工作原理：热气泡式（加热墨水产生气泡，挤压墨水喷出）、压电式（电压控制压电晶体变形，喷射墨水）。

  • 优点：价格低、彩色打印效果好（照片级）；缺点：墨水消耗快、打印速度慢、长期不用易堵喷头。

• 针式打印机：

  • 工作原理：打印针撞击色带，在纸上形成点阵字符 / 图形。

  • 优点：可打印多联纸（发票、快递单）、耐环境性强、耗材便宜；缺点：噪音大、分辨率低、速度慢。

I/O 接口技术（必考）：

1. 接口的作用：解决 CPU、内存与外部设备之间的速度匹配、信号转换、数据格式转换问题，是设备与计算机通信的桥梁。

2. 常见接口对比（考纲重点）：

接口类型	理论传输速度	主要特点	典型应用设备
USB 2.0	480 Mbps (约 60 MB/s)	即插即用、热插拔、支持供电、普及度高	键盘、鼠标、U盘、打印机、低速外设
USB 3.2 Gen 1 (原 USB 3.0)	5 Gbps (约 625 MB/s)	向下兼容 USB 2.0，全双工传输，端口通常为蓝色	移动硬盘、中速外置 SSD、扫描仪、摄像头
USB 3.2 Gen 2 (原 USB 3.1 Gen 2)	10 Gbps (约 1250 MB/s)	高性能、支持 100W PD 供电、常用 Type-C 形态	高速外置 SSD、高速集线器、高端外设
USB 3.2 Gen 2x2	20 Gbps (约 2500 MB/s)	双通道传输、仅限 Type-C 接口	旗舰级外置 SSD、专业高速存储设备
USB4	20 / 40 Gbps (可选速率)	基于雷电 3 协议，兼容雷电 3/DisplayPort 视频/高功率充电	高端笔记本、扩展坞、外置显卡坞、超高速存储
Type-C	取决于搭载的协议 (USB 2.0/3.2/USB4/雷电)	物理接口形态，正反可插，集数据/视频/充电于一体	智能手机、平板、笔记本、显示器、移动硬盘等
HDMI 2.0	18 Gbps	支持 4K@60Hz、HDR、音频回传通道 (ARC)、广泛普及	显示器、电视机、投影仪、游戏主机
HDMI 2.1	48 Gbps	支持 8K@60Hz、4K@120Hz、动态 HDR、可变刷新率 (VRR)	高端游戏电视/显示器、新一代游戏主机、PC
DisplayPort 2.1	80 Gbps (UHBR20)	超高带宽，支持双屏 8K@120Hz、16K@60Hz，功能全面	专业/高性能显示器、工作站显卡、游戏设备
VGA	模拟信号 (最高约 2048×1536@85Hz)	模拟传输、易受干扰、仅视频、体积大、已淘汰	老式显示器、投影仪 (历史遗留设备)
Audio Jack (3.5mm)	模拟音频信号	通用音频接口、支持立体声/麦克风输入、简单可靠	耳机、扬声器、麦克风、便携音响
RJ-45 (以太网)	10/100/1000 Mbps (千兆) 至 10 Gbps+ (万兆)	有线网络连接、稳定低延迟、需布线、支持 PoE 供电	网卡、路由器、交换机、网络存储 (NAS)、IP摄像机

总线技术：

1. 总线的定义：计算机各部件之间传输信息的公共通道，由数据线、地址线、控制线、电源线组成，减少部件间的连线复杂度，提高系统扩展性。

2. 总线分类（考纲重点）：

• 数据总线（DB）：双向传输数据，宽度 = CPU 字长（32 位 / 64 位），决定一次传输的数据量。

• 地址总线（AB）：单向传输内存 / IO 设备地址，宽度决定寻址空间（32 位地址总线→4GB 寻址）。

• 控制总线（CB）：传输控制信号和状态信号，如读（RD）、写（WR）、中断请求（IRQ）、时钟信号（CLK）。

1. 常见系统总线：

• PCI：32 位总线，速度 133MB/s（已淘汰）。

• PCI Express（PCIe）：串行总线，按通道数（x1/x4/x8/x16）划分，PCIe 3.0 x16 速度 = 16GB/s，是当前主流（显卡、SSD、网卡均使用）。

• AGP：专门用于显卡的总线（已被 PCIe 取代）。

性能指标（必考）

1. CPU 性能指标：

• 主频 / 睿频：直接影响指令执行速度。

• 字长：影响数据处理能力和寻址范围。

• 核心数 / 线程数：影响多任务并行处理能力。

• 缓存容量（L1/L2/L3）：缓存越大，命中率越高，性能越好。

• IPC（每时钟周期执行指令数）：架构效率指标，IPC 越高，同主频下性能越强。

• 运算速度（MIPS/GFLOPS）：MIPS（百万条指令 / 秒），GFLOPS（十亿次浮点运算 / 秒，科学计算场景）。

1. 内存性能指标：

• 容量：8GB/16GB/32GB，容量越大，可同时运行的程序越多。

• 频率：DDR4 2400MHz/3200MHz，DDR5 4800MHz/6400MHz，频率越高，数据传输速度越快。

• 时序（CL）：内存延迟指标，CL 值越小，延迟越低（如 DDR4 3200 CL16）。

1. 存储设备性能指标：

• 连续读写速度：顺序传输大文件（如电影）的速度，HDD 约 100-200MB/s，SSD 约 1000-7000MB/s。

• 随机读写速度（4K）：传输小文件（如文档）的速度，HDD 约 1-10MB/s，SSD 约 100-1000MB/s。

• 存取周期（内存）：完成一次读 / 写操作的时间（50-100ns）。

• IOPS（SSD/HDD）：每秒输入 / 输出操作数，SSD 可达数十万 IOPS，HDD 仅数百 IOPS。

1. 整机性能指标：

• 响应时间：从用户操作到系统响应的时间。

• 吞吐量：单位时间内完成的任务数。

• 基准测试分数：如鲁大师、Cinebench、3DMark 分数，用于横向对比整机性能。

第三部分：计算机软件

系统软件

操作系统的定义与功能（核心考点）：

操作系统（OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，是用户、应用程序与硬件之间的接口，核心作用是 "资源管理" 和 "提供用户接口"。

处理器管理（进程与线程）

1. 进程与线程的区别（必考）：

特性	进程	线程
定义	资源分配的基本单位，拥有独立的内存空间、PCB	CPU 调度的基本单位，共享所属进程的资源，拥有独立的TCB
资源占用	独立占用内存、文件句柄等系统资源，开销大	共享所属进程的资源，开销小
切换开销	大（需切换内存空间、完整上下文）	小（仅切换少量寄存器、程序计数器等）
通信方式	复杂，需通过进程间通信（IPC）机制	简单，可直接读写共享内存变量
可靠性	相互隔离，一个进程崩溃不影响其他进程	一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃
并发性	进程间并发，上下文切换成本高	线程间并发，切换成本低，并发度高
生命周期	较长，创建和销毁成本高	较短，依赖进程存在

2. 进程状态转换（考纲重点）：

• 就绪态：进程已分配到除 CPU 外的所有资源，等待 CPU 调度。

• 运行态：进程占用 CPU，正在执行指令。

• 阻塞态（等待态）：进程因等待某事件（如 IO 完成、资源申请）而暂停执行。

• 转换流程：就绪→运行（CPU 调度）；运行→就绪（时间片用完）；运行→阻塞（等待事件）；阻塞→就绪（事件完成）。

1. 进程调度算法（必考）：

• 先来先服务（FCFS）：按进程到达顺序调度，算法简单，对长进程有利，短进程等待时间长（"饥饿"）。

• 短作业优先（SJF）：选择估计运行时间最短的进程先执行，提高短进程效率，长进程可能 "饥饿"。

• 时间片轮转（RR）：将 CPU 时间划分为固定时间片（如 10ms），按顺序轮流分配给就绪进程，兼顾公平性和响应速度（分时系统常用）。

• 优先级调度：为进程分配优先级，高优先级进程先执行，可分为抢占式（高优先级进程打断低优先级）和非抢占式（低优先级进程执行完再调度），需防止低优先级进程 "饥饿"（解决方案：老化机制，优先级随等待时间增长）。

1. 死锁（考纲重点）：

• 定义：多个进程相互等待对方占用的资源，导致所有进程都无法继续执行的状态。

• 产生条件（四大必要条件，缺一不可）：

1. 资源互斥：资源只能被一个进程占用。

2. 持有并等待：进程持有部分资源，同时等待其他进程的资源。

3. 不可剥夺：资源一旦分配，不能被强制剥夺。

4. 循环等待：多个进程形成资源等待循环（如 A 等 B 的资源，B 等 A 的资源）。

• 死锁处理：

  • 预防：破坏任一必要条件（如资源预分配、按顺序分配资源）。

  • 避免：银行家算法（动态检测资源分配安全性，确保不进入死锁状态）。

  • 检测与解除：定期检测死锁，若发生则剥夺资源或终止部分进程。

存储管理（核心考点）

1. 内存分配方式：

• 单一连续分配：整个内存分为系统区和用户区，仅允许一个用户进程运行（单道程序设计，已淘汰）。

• 分区分配：

  • 固定分区：内存划分为多个固定大小的分区，多道程序并发，分区大小固定，利用率低。

  • 动态分区：根据进程需求动态分配内存，利用率高，但会产生碎片（外部碎片：未分配的零散空间；内部碎片：分区内未使用的空间）。

• 分页存储管理：将内存和进程划分为大小相等的页面（如 4KB），内存按页面分配，无外部碎片，通过页表实现逻辑地址→物理地址转换。

• 分段存储管理：按进程的逻辑结构（如代码段、数据段、堆栈段）划分段，段大小不固定，便于共享和保护，会产生外部碎片。

• 段页式存储管理：先分段，再分页，结合分段和分页的优点（共享保护 + 无外部碎片），是现代操作系统的主流方式。

1. 地址映射（必考）：

• 逻辑地址（虚拟地址）：程序中使用的地址，由段号 + 页号 + 页内偏移组成。

• 物理地址：内存实际地址，由帧号 + 页内偏移组成。

• 映射过程：CPU 发出逻辑地址→段表寄存器找到段表→段表找到页表→页表找到物理帧号→帧号 + 页内偏移 = 物理地址。

1. 内存保护：

• 越界检查：通过段表 / 页表中的段长 / 页长字段，检查逻辑地址是否超出范围。

• 权限保护：段表 / 页表中设置读写执行权限（如代码段只读，数据段可读写），防止非法访问。

文件管理（考纲重点）

1. 文件的逻辑结构：

• 顺序文件：文件数据按顺序存储，适合顺序访问（如文本文件、视频文件）。

• 索引文件：为文件建立索引表，记录数据块位置，适合随机访问（如数据库文件）。

• 链接文件：文件数据块通过指针链接，适合追加操作，随机访问效率低（如 FAT 文件系统）。

1. 文件目录结构：

• 单级目录：所有文件放在一个目录下，无重名，适用于单用户（已淘汰）。

• 两级目录：分为用户目录和文件目录，解决单用户重名问题，适用于多用户（如早期 DOS）。

• 树形目录：根目录→子目录→文件，层次清晰，支持重名（不同目录下），是现代操作系统的标准（如 Windows、Linux）。

• 路径：绝对路径（从根目录开始，如 C:\Users\Document\file.txt）、相对路径（从当前目录开始，如.../file.txt）。

1. 文件系统对比（必考）：

文件系统	最大单个文件	最大分区容量	主要特点	适用场景
FAT32	4 GB	32 GB	兼容性极佳（几乎所有系统都支持），结构简单；不支持文件权限、加密或日志功能	小容量U盘、SD卡，以及需要跨旧操作系统（如老式游戏机、车载设备）使用的设备
NTFS	16 EB	256 TB	支持权限控制、加密（EFS）、压缩、日志（保证数据一致性）、磁盘配额；是Windows的默认现代文件系统	Windows系统盘，内置机械硬盘和SSD，以及主要在Windows环境中使用的大容量存储设备
exFAT	16 EB	128 PB	专为闪存设计，无4GB文件限制；兼容Windows和macOS（原生读写）；结构简单，无日志和权限功能	大容量U盘、移动硬盘、SD卡（尤其是用于跨平台（Win/macOS） 交换大文件）
ext4	16 TB	1 EB	日志文件系统，支持配额、延迟分配、inode扩展、更大的文件系统尺寸；是多数Linux发行版的默认文件系统	Linux系统盘，服务器，工作站，以及主要在Linux环境下使用的大容量存储

操作系统实操（考纲新增重点）

1. 文件操作：

• 基本操作：创建、复制（Ctrl+C）、移动（Ctrl+X）、删除（Delete/Shift+Delete）、重命名（F2）、属性设置（只读 / 隐藏 / 系统）。

• 搜索文件：按名称、类型、大小、修改时间搜索（Windows 资源管理器 / Linux find 命令）。

• 压缩与解压：WinRAR/7-Zip，支持 ZIP/RAR/7Z 格式，压缩分为有损（如图片）和无损（如文档）。

1. 磁盘管理：

• 磁盘分区：MBR 分区表（支持 4 个主分区或 3 个主分区 + 1 个扩展分区）、GPT 分区表（支持无限个主分区，适用于大容量硬盘）。

• 格式化：快速格式化（仅清除目录，不检查坏道）、完全格式化（清除目录 + 检查坏道），格式化会破坏数据（可通过数据恢复软件恢复）。

• 磁盘清理：删除临时文件、回收站文件、系统更新缓存（Windows 磁盘清理工具）。

• 碎片整理：合并机械硬盘的外部碎片，提高读写速度（SSD 无需碎片整理，反而会损耗寿命）。

1. 任务与服务管理：

• 任务管理器（Windows）/htop（Linux）：查看进程 CPU / 内存 / 磁盘占用，终止无响应进程（结束任务）。

• 系统服务：通过服务管理器（services.msc）启动 / 停止 / 禁用系统服务（如 Windows Update、防火墙服务）。

• 开机启动项：禁用不必要的开机启动程序，缩短开机时间（任务管理器→启动选项卡）。

常见操作系统类型与特点（必考）

操作系统	内核类型	特点	代表版本	适用场景
Windows	宏内核	图形界面友好、软件生态丰富、兼容性强、易上手	Windows 10/11	个人电脑、办公、游戏
Linux	宏内核（部分模块化）	开源免费、稳定性高、安全性强、可定制性强、命令行强大	Ubuntu/CentOS/Debian	服务器、嵌入式系统、开发
macOS	XNU（混合内核）	图形界面精美、稳定性高、与苹果硬件深度集成、安全性强	macOS Ventura/Sonoma	苹果 Mac 设备、设计、开发
移动 OS	微内核 / 混合内核	触控优化、功耗低、移动应用丰富	iOS（苹果）、Android（谷歌）	智能手机、平板电脑
嵌入式 OS	实时内核	实时响应、功耗低、体积小	VxWorks、RT-Thread	工业控制、智能设备、汽车电子

数据结构与算法（核心考点）

数据结构的定义与分类

数据结构是计算机存储、组织数据的方式，研究数据元素之间的关系（逻辑结构）和数据的存储方式（物理结构），核心目标是提高程序的时间效率和空间效率。

1. 逻辑结构：

• 线性结构：数据元素一对一关系（数组、链表、栈、队列）。

• 非线性结构：数据元素一对多（树）或多对多（图）关系。

1. 物理结构（存储结构）：

• 顺序存储：数据元素存储在连续的内存空间（数组、顺序表），随机访问效率高，插入删除效率低。

• 链式存储：数据元素存储在非连续的内存空间，通过指针链接（链表），插入删除效率高，随机访问效率低。

• 索引存储：为数据建立索引表，提高查找效率（索引文件）。

• 散列存储（哈希存储）：通过哈希函数将关键字映射到存储地址（哈希表），查找效率高（平均 O (1)）。

核心数据结构详解（必考）

1. 线性结构：

• 数组（顺序表）：

  • 特点：连续存储、随机访问（O (1)）、插入删除（O (n)，需移动元素）。

  • 应用：存储固定大小的同类型数据（如成绩数组、颜色数组）。

  • 扩展：动态数组（ArrayList），支持自动扩容，兼顾数组和链表的优点。

• 链表：

  • 单链表：每个节点含数据域和下一个节点指针，只能从表头遍历。

  • 双向链表：每个节点含数据域、前驱指针和后继指针，可双向遍历，插入删除更灵活。

  • 循环链表：尾节点指针指向头节点，形成循环，适用于环形队列、约瑟夫问题。

  • 应用：链表无固定大小，适合频繁插入删除的场景（如消息队列、LRU 缓存）。

• 栈（LIFO）：

  • 操作：压栈（push，入栈）、弹栈（pop，出栈）、取栈顶（top）、判空（isEmpty）。

  • 实现：顺序栈（数组实现）、链栈（链表实现）。

  • 应用：函数调用栈（保存返回地址）、表达式求值（后缀表达式转换）、括号匹配、回溯算法（如迷宫求解）。

• 队列（FIFO）：

  • 操作：入队（enqueue）、出队（dequeue）、取队头（front）、判空（isEmpty）。

  • 实现：顺序队列（数组实现，易产生假溢出）、循环队列（数组实现，解决假溢出）、链队列（链表实现）。

  • 特殊队列：

    • 优先级队列：按优先级出队（堆实现），应用于任务调度、Dijkstra 算法。

    • 双端队列（Deque）：两端均可入队出队，应用于滑动窗口算法。

  • 应用：任务调度（如打印机队列）、消息队列、缓冲区（如键盘输入缓冲区）、广度优先搜索（BFS）。

1. 树形结构：

• 二叉树的性质（必考）：

1. 第 i 层最多有 2^(i-1) 个节点（i≥1）。

2. 深度为 k 的二叉树最多有 2^k -1 个节点（k≥1）。

3. 任意二叉树，度为 0 的节点数（叶子节点）= 度为 2 的节点数 + 1（n0 = n2 +1）。

4. 完全二叉树：除最后一层外，每一层节点数均满，最后一层节点从左到右连续（适合数组存储）。

5. 满二叉树：每一层节点数均满（完全二叉树的特例）。

• 二叉树遍历（必考）：

  • 前序遍历（根 - 左 - 右）：递归实现：visit (root) → 前序 (left) → 前序 (right)；应用：复制二叉树、前缀表达式。

  • 中序遍历（左 - 根 - 右）：递归实现：中序 (left) → visit (root) → 中序 (right)；应用：二叉搜索树排序（中序遍历结果有序）。

  • 后序遍历（左 - 右 - 根）：递归实现：后序 (left) → 后序 (right) → visit (root)；应用：删除二叉树、后缀表达式。

  • 层序遍历（按层次）：队列实现，从上到下、从左到右；应用：求二叉树深度、广度优先搜索。

• 二叉搜索树（BST）：

  • 性质：左子树所有节点值 ；右子树所有节点值 > 根节点值；左右子树均为 BST。

  • 操作：

    • 查找：从根节点开始，比根小则左移，比根大则右移（平均 O (logn)，最坏 O (n)）。

    • 插入：按查找路径找到插入位置（叶子节点），保持 BST 性质。

    • 删除：分三种情况（叶子节点、单孩子节点、双孩子节点），双孩子节点需用中序后继（右子树最小节点）或中序前驱（左子树最大节点）替换。

  • 缺陷：易退化为链表（如有序插入），导致操作效率下降。

• 平衡二叉树（AVL 树）：

  • 性质：左右子树高度差（平衡因子）的绝对值 ≤1（平衡因子 = 左子树高度 - 右子树高度）。

  • 平衡调整：当插入 / 删除导致失衡时，通过旋转操作（LL、RR、LR、RL）恢复平衡。

  • 优点：保持树的高度为 O (logn)，确保查找、插入、删除操作效率为 O (logn)。

• 红黑树：

  • 性质：

1. 每个节点为红色或黑色。

2. 根节点为黑色。

3. 所有叶子节点（NIL）为黑色。

4. 红色节点的父节点为黑色（无连续红色节点）。

5. 从任意节点到其叶子节点的所有路径包含相同数量的黑色节点。

• 优点：平衡要求低于 AVL 树，插入删除的旋转操作更少，效率更高，是 STL（C++）、Java 集合（TreeMap）的底层实现。

• 堆：

  • 性质：完全二叉树，大顶堆（父节点≥子节点）、小顶堆（父节点≤子节点）。

  • 操作：

    • 建堆：将无序数组调整为堆（O (n)）。

    • 堆化（上浮 / 下沉）：插入元素后上浮，删除堆顶后下沉（O (logn)）。

  • 应用：堆排序（O (nlogn)）、优先级队列、TopK 问题（如前 10 大元素）。

1. 图形结构：

• 图的基本概念：

  • 顶点（Vertex）：数据元素；边（Edge）：顶点之间的关系。

  • 有向图：边有方向（如 A→B）；无向图：边无方向（如 A-B）。

  • 权重：边的数值（如距离、成本）；带权图（网）：边带权重的图。

  • 度：无向图中顶点的边数；有向图中分为入度（指向顶点的边数）和出度（离开顶点的边数）。

  • 连通图：无向图中任意两个顶点之间有路径；强连通图：有向图中任意两个顶点之间有双向路径。

• 图的存储方式（必考）：

  • 邻接矩阵：二维数组 adj [i][j] 表示顶点 i 和 j 之间的关系（0/1 或权重），适合稠密图（边数多），空间复杂度 O (n²)。

  • 邻接表：链表数组，每个顶点对应一个链表，存储其邻接顶点，适合稀疏图（边数少），空间复杂度 O (n+e)（n 为顶点数，e 为边数）。

• 图的遍历（必考）：

  • 深度优先搜索（DFS）：递归或栈实现，类似树的前序遍历，优先访问深度方向的顶点，应用于路径查找、拓扑排序。

  • 广度优先搜索（BFS）：队列实现，类似树的层序遍历，优先访问广度方向的顶点，应用于最短路径（无权图）、连通分量查找。

• 最短路径算法（考纲重点）：

  • Dijkstra 算法：解决带权无负权边图的单源最短路径（从一个顶点到其他所有顶点），贪心算法，时间复杂度 O (n²)（邻接矩阵）/O (m logn)（邻接表 + 优先队列）。

  • Floyd-Warshall 算法：解决带权图的多源最短路径（所有顶点之间），动态规划，时间复杂度 O (n³)，适用于小规模图。

• 拓扑排序：

  • 定义：对有向无环图（DAG）的顶点进行排序，使得对于每一条有向边 A→B，A 在排序中位于 B 之前。

  • 实现：Kahn 算法（入度为 0 的顶点入队）、DFS-based 算法，应用于任务调度（如课程安排、项目依赖）。

算法基础（必考）

1. 算法的特性：

• 有穷性：执行有限步骤后终止（不能无限循环）。

• 确定性：每个步骤有明确含义，无歧义（如 "将 x 加 1" 而非 "将 x 处理一下"）。

• 可行性：步骤可通过有限次基本操作实现（如不能要求 "计算所有质数"）。

• 输入：零个或多个输入（如排序算法需输入待排序数组）。

• 输出：一个或多个输出（如排序算法输出排序后的数组）。

1. 算法复杂度分析（核心考点）：

• 时间复杂度（T (n)）：

  • 定义：衡量算法执行时间随输入规模 n 增长的变化趋势，用大 O 表示法（只保留最高阶项，忽略常数和低阶项）。

  • 计算方法：统计关键操作的执行次数（如比较、赋值），例：冒泡排序的关键操作是比较和交换，执行次数为 O (n²)。

  • 常见时间复杂度（从优到劣）：

    • O (1)：常数时间（如数组访问、哈希表查找）。

    • O (logn)：对数时间（如二分查找、二叉树遍历）。

    • O (n)：线性时间（如顺序查找、数组遍历）。

    • O (nlogn)：线性对数时间（如快速排序、归并排序、堆排序）。

    • O (n²)：平方时间（如冒泡排序、选择排序、插入排序）。

    • O (n³)：立方时间（如 Floyd 算法）。

    • O (2ⁿ)：指数时间（如递归解决汉诺塔问题）。

    • O (n!)：阶乘时间（如全排列枚举）。

  • 注意：时间复杂度是趋势，不是具体执行时间，例：O (n) 算法在 n=1000 时可能比 O (logn) 慢（因常数项大），但 n 足够大时 O (n) 必然更慢。

• 空间复杂度（S (n)）：

  • 定义：衡量算法执行过程中所需额外存储空间（不包括输入数据本身）随 n 增长的变化趋势。

  • 常见空间复杂度：

    • O (1)：常数空间（如变量、临时变量，不随 n 变化）。

    • O (n)：线性空间（如数组、链表，大小随 n 变化）。

    • O (logn)：对数空间（如递归栈，深度为 logn）。

    • O (n²)：平方空间（如二维数组）。

  • 注意：递归算法的空间复杂度需考虑递归栈的深度（如递归实现的斐波那契数列空间复杂度为 O (n)，迭代实现为 O (1)）。

常用算法（必考）：

查找算法（考纲重点）：

算法	时间复杂度	空间复杂度	适用场景	核心原理
顺序查找	O(n)	O(1)	无序数组、链表	逐一遍历元素，匹配目标值
二分查找（折半查找）	O(logn)	O (1)（迭代）/O (logn)（递归）	有序数组、有序顺序表	每次取中间元素对比，缩小查找区间（左闭右闭 / 左闭右开）
插值查找	O (loglogn)（平均）/O (n)（最坏）	O(1)	有序且数据分布均匀的数组	按目标值比例计算查找位置（mid = low + (key - arr [low])/(arr [high]-arr [low])×(high-low)）
斐波那契查找	O(logn)	O(1)	有序数组、不希望频繁除法运算场景	基于斐波那契数列分割区间，减少除法操作
哈希查找	O (1)（平均）/O (n)（最坏）	O(n)	大规模数据快速查找	哈希函数映射关键字到存储地址，解决冲突（链地址法、开放定址法）
二叉搜索树查找	O (logn)（平均）/O (n)（最坏）	O (logn)（递归栈）	动态数据集合（插入删除频繁）	利用 BST 性质，左小右大，递归遍历查找

补充说明（高频考点）：

1. 二分查找边界条件 ：需明确区间定义（如左闭右闭[low, h``igh]，终止条件low > high；左闭右开[low, high)，终止条件low == high），是专转本选择题、编程题常考考点。

2. 哈希冲突解决：

• 链地址法：冲突元素构成链表，适用于冲突频繁场景（如 Java HashMap 底层）。

• 开放定址法：线性探测（冲突后顺序找下一个空位置）、二次探测（冲突后按平方步长查找）、再哈希法（更换哈希函数）。

1. 查找算法对比：二分查找效率高于顺序查找，但依赖有序结构；哈希查找效率最高，但需额外空间且存在冲突；二叉搜索树查找适合动态数据，平衡后效率最优。

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