111 國安局特考三等 資訊組(選試英文) 計算機概論 考古題詳解

核心觀念

本題考查作業系統與計算機組織的基本架構，重點包括：

1. 暫存器與程式計數器在中央處理單元中的功能。
2. 快取記憶體如何利用區域性原理改善記憶體存取效能。
3. 工作排程器與行程排程器在排程時機、排程對象及執行頻率上的差異。

---

（一）暫存器、程式計數器與快取記憶體

1. 暫存器（Register）

暫存器是位於 CPU 內部、供處理器直接存取的高速儲存單元。其容量通常很小，但速度遠高於主記憶體，主要用來暫存指令、資料、位址及運算結果。

常見暫存器包括：

• 一般用途暫存器：暫存運算過程中的資料或中間結果。
• 累加器（Accumulator）：協助保存算術與邏輯運算結果。
• 指令暫存器（Instruction Register, IR）：保存目前正在解碼或執行的指令。
• 記憶體位址暫存器（Memory Address Register, MAR）：保存欲存取的記憶體位址。
• 記憶體資料暫存器（Memory Data Register, MDR）：保存與記憶體交換中的資料或指令。
• 狀態暫存器（Status Register）：保存零值、進位、負值、溢位等條件旗標。

在指令執行過程中，CPU 會將必要的資料與指令載入暫存器，透過暫存器完成解碼、運算及資料交換，因此暫存器是 CPU 執行指令時最直接、最快速的儲存空間。

2. 程式計數器（Program Counter, PC）

程式計數器用來保存「下一個要被取出的指令」在記憶體中的位址。

典型的指令週期如下：

1. CPU 依照 PC 的內容，到記憶體中取出下一個指令。
2. 將該指令載入指令暫存器。
3. PC 通常更新為下一個循序指令的位址。
4. CPU 解碼並執行指令。

若每條指令長度固定為 $L$ 位元組，則循序執行時可表示為：

$$PC_{\text{next}}=PC_{\text{current}}+L$$

若遇到跳躍、分支、函式呼叫、中斷或例外處理，PC 則會被改寫成新的目標位址：

$$PC_{\text{next}}=\text{Branch Target Address}$$

因此，PC 並不是保存目前正在運算的資料，而是控制程式執行流程的重要暫存器。若 PC 發生錯誤，CPU 便可能從錯誤的記憶體位址取出指令，導致程式流程異常。

3. 快取記憶體（Cache Memory）的目的

快取記憶體是位於 CPU 與主記憶體之間的高速記憶體，用來暫存近期或經常使用的指令與資料，以降低 CPU 存取主記憶體的平均時間。

其設計依據是程式執行具有區域性原理（Locality of Reference）：

• 時間區域性（Temporal Locality）：最近使用過的資料或指令，很可能在短時間內再次使用。
• 空間區域性（Spatial Locality）：某個記憶體位址被存取後，鄰近位址的資料也很可能很快被使用。

當 CPU 要求資料時：

• 若資料已在 Cache 中，稱為 Cache Hit，CPU 可快速取得資料。
• 若資料不在 Cache 中，稱為 Cache Miss，必須至主記憶體取得資料，並將資料載入 Cache。

平均記憶體存取時間可概念性表示為：

$$AMAT=T_{\text{cache}}+MR \times P_{\text{miss}}$$

其中：

• $T_{\text{cache}}$：查詢 Cache 所需時間。
• $MR$：未命中率（Miss Rate）。
• $P_{\text{miss}}$：發生 Cache Miss 時所需的額外處理時間。

使用 Cache 的主要目的不是增加永久儲存容量，而是縮小 CPU 與主記憶體之間的速度差距，提高 CPU 使用效率及整體系統效能。

---

（二）工作排程器與行程排程器的差異

1. 工作排程器（Job Scheduler）

工作排程器又稱長期排程器（Long-Term Scheduler），主要負責從後備儲存裝置或工作池中，選擇部分工作載入主記憶體，建立成為可執行的行程。

其主要功能包括：

核心觀念

本題考查兩項網路基本觀念：

1. 依網路涵蓋範圍、IEEE 標準與傳輸距離，區分 WLAN 與 WPAN。
2. 依分層協定的「封裝（encapsulation）」計算傳輸效率。

---

（一）WLAN 與 WPAN 的差異

1. WLAN：Wireless Local Area Network

WLAN 是「無線區域網路」，利用無線電波在有限區域內連接多部電腦、手機、伺服器及網路設備，使其具備區域網路的通訊功能。

• 定義：以無線方式建立區域網路，取代或延伸傳統 Ethernet。
• 主要標準：IEEE 802.11 系列，例如 Wi-Fi。
• 常見架構：透過無線基地台（Access Point, AP）連接用戶端；也可採用設備對設備的 Ad Hoc 模式。
• 傳輸距離：通常約為數十公尺，室內常見約 $30\sim50$ 公尺，開放環境可達約 $100$ 公尺，實際距離受牆壁、頻段、天線及干擾影響。
• 主要特色：傳輸速率較高，適合家庭、辦公室、校園及公共場所的網路存取。

2. WPAN：Wireless Personal Area Network

WPAN 是「無線個人區域網路」，以個人或單一使用者周圍的小範圍為通訊核心，連接手機、耳機、鍵盤、滑鼠、穿戴式裝置及感測器等設備。

• 定義：在個人周邊建立的小型無線網路。
• 主要標準：IEEE 802.15 系列。
• 常見技術：
• Bluetooth：IEEE 802.15.1 相關技術
• Zigbee：IEEE 802.15.4 相關技術
• UWB：IEEE 802.15.4 相關技術
• 傳輸距離：通常約數公尺至 $10$ 公尺左右，依功率、設備等級及技術而定。
• 主要特色：低功率、低成本、設備數量較少，適合個人周邊設備互聯。

3. 差異比較

比較項目	WLAN	WPAN
中文名稱	無線區域網路	無線個人區域網路
涵蓋範圍	房間、住家、辦公室、校園等區域	個人身體或周邊小範圍
主要標準	IEEE 802.11	IEEE 802.15
常見技術	Wi-Fi	Bluetooth、Zigbee、UWB
傳輸距離	通常數十公尺，最遠約可達 $100$ 公尺	通常數公尺至約 $10$ 公尺
典型用途	上網、檔案傳輸、區域網路存取	耳機、鍵盤、滑鼠、穿戴式裝置
設計重點	較高傳輸速率與區域覆蓋	低功率與個人設備互聯

解題技巧

判斷兩者時，可掌握以下關鍵：

• 看「區域網路」：以 IEEE 802.11、Wi-Fi 為主，即為 WLAN。
• 看「個人周邊」：以 IEEE 802.15、Bluetooth、Zigbee 為主，即為 WPAN。

核心觀念

本題考查多程式環境中的兩種記憶體管理方式：

1. Swapping：以整個程式為單位，在主記憶體與外部儲存空間間搬移。
2. Non-Swapping：程式載入主記憶體後，執行期間不將整個程式移出主記憶體。
3. Paging：將程式切割成固定大小的頁面（Page），主記憶體切割成相同大小的頁框（Frame），以頁面為單位配置記憶體。

---

（一）Swapping、Non-Swapping 與 Paging

1. Swapping 記憶體管理

Swapping 是指作業系統在主記憶體不足時，將某一個完整程式暫時移出主記憶體，存放至磁碟上的交換區（Swap Space）；待需要執行該程式時，再將其完整載回主記憶體。

其主要特徵如下：

• 以「整個程式」作為搬移單位。
• 可暫時釋放主記憶體空間，讓其他程式進入執行。
• 程式移出與移入的資料量較大，磁碟輸入／輸出成本高。
• 若頻繁進行 Swapping，會造成系統效能降低。

例如，主記憶體中同時有程式 A、B、C，當程式 D 需要執行而空間不足時，作業系統可將程式 B 整個移至交換區，騰出空間給程式 D。

2. Non-Swapping 記憶體管理

Non-Swapping 是指程式載入主記憶體後，在其執行期間不將整個程式移出主記憶體。多個程式可同時常駐於主記憶體中，由作業系統分配各自的記憶體區域。

其主要特徵如下：

• 程式通常會一直留在主記憶體中。
• 不需頻繁搬移整個程式，磁碟存取負擔較低。
• 多程式能否同時執行，取決於主記憶體容量及配置方式。
• 若採用分頁，可只配置程式實際需要的頁框數量。

3. Paging 屬於哪一種管理方式？

就本題所採用的分類而言，Paging 屬於 Non-Swapping 記憶體管理方式。

理由是分頁將程式切割成許多固定大小的頁面，再將各頁配置至主記憶體中的頁框，不必將整個程式完整移出主記憶體。即使需求分頁（Demand Paging）會將個別頁面載入或移出，搬移單位仍是「頁面」，而不是完整程式，因此不屬於傳統意義的整體程式 Swapping。

---

（二）頁框數量與未使用頁框比率

解題方法

先求出每個頁框的大小，再將各程式所需記憶體除以頁框大小。由於一個程式只要有部分內容需要使用下一個頁面，就必須配置完整頁框，因此頁框數量必須採用無條件進位。

1. 求每個頁框大小

可用記憶體為 $100\text{ MB}$，共有 $25$ 個頁框：

$$\text{每個頁框大小} = \frac{100\text{ MB}}{25} = 4\text{ MB}$$

2. 計算程式 A 所需頁框數

程式 A 需要 $21\text{ MB}$：

核心觀念

本題考查 Python 的：

• 遞迴函式（recursion）
• 函式呼叫與回傳值
• 區域變數作用範圍（local scope）
• 函式參數傳遞
• 整數的不可變性（immutable）

---

（一）程式一的功用

def theNum(n):
 if n == 1:
 result = 1
 else:
 result = theNum(n - 1) + n
 return result

此函式採用遞迴方式計算：

$$1+2+3+\cdots+n$$

當 $n=1$ 時：

result = 1

這是遞迴的終止條件，也稱為基本情況（base case）。

當 $n>1$ 時：

result = theNum(n - 1) + n

表示先計算：

$$1+2+\cdots+(n-1)$$

再加上 $n$。因此其遞迴關係為：

$$T(n)=T(n-1)+n$$

且：

$$T(1)=1$$

所以程式一的功用是：輸入正整數 $n$ 後，利用遞迴計算 $1$ 到 $n$ 的整數總和，最後輸出結果。

此總和亦可用公式表示為：

$$\frac{n(n+1)}{2}$$

---

（二）輸入整數 8 的輸出結果

程式執行：

a = int(input)
print(theNum(a))

輸入 $8$ 後，函式展開如下：

$$\begin{aligned} \text{theNum}(8) &=\text{theNum}(7)+8\\ &=\text{theNum}(6)+7+8\\ &=\text{theNum}(5)+6+7+8\\ &=\cdots\\ &=\text{theNum}(1)+2+3+4+5+6+7+8\\ &=1+2+3+4+5+6+7+8\\ &=36 \end{aligned}$$

因此輸出為：

36

也可直接使用公式驗算：

$$\frac{8(8+1)}{2} = \frac{8\times9}{2} = 36$$

---

（三）程式二的輸出結果

def main:
 x = 3
 print(x)
 f
 print(x)

def f:
 x = 8
 print(x)

main