113 高普考高考三級 電子工程 計算機概論 考古題詳解

核心觀念

佇列（queue）與堆疊（stack）都是線性資料結構，主要差別在於資料加入與取出的順序：

• 佇列：先進先出（FIFO, First In First Out）。先加入的資料先取出。
• 堆疊：後進先出（LIFO, Last In First Out）。最後加入的資料先取出。

兩者的基本操作時間通常為 $O(1)$；若以陣列實作，佇列須處理容量與首尾索引，堆疊則由頂端索引記錄目前可操作的位置。

解題方法

作答時先說明兩種結構的加入、取出位置及順序，再補充主要操作與特性，最後各舉電腦系統中的實際應用。以資料依序加入 $A、B、C$ 為例，可直接看出兩者取出順序不同。

佇列（queue）

佇列在一端加入資料，稱為隊尾（rear）；在另一端取出資料，稱為隊首（front）。若依序加入 $A、B、C$，取出順序為 $A、B、C$。

常見操作如下：

• enqueue：在隊尾加入資料。
• dequeue：從隊首取出資料。
• front／peek：查看隊首資料，但不取出。

佇列遵守 FIFO，適合依到達先後處理工作的情境。若以固定大小陣列實作，常用**環狀佇列（circular queue）**讓索引繞回陣列起點，避免已取出的位置無法再利用。

核心觀念

本題考查 CPU 的指令週期（instruction cycle），也就是 CPU 如何依序擷取指令、解讀指令並完成指定操作。基本流程為：

擷取指令（Fetch）→ 指令解碼（Decode）→ 擷取運算元（Operand Fetch）→ 執行（Execute）→ 儲存結果（Write-back）→ 更新指令位址。

各教材對步驟的細分略有差異；有些會將「擷取運算元」併入解碼，或將「更新指令位址」視為流程控制的一部分。答題時應清楚交代各階段的功能與先後關係。

解題方法

依指令執行的時間順序，從「取得下一條指令」開始，說明 CPU 如何決定指令意義、取得資料、執行操作，再保存結果並準備下一條指令。

1. 擷取指令（Fetch） 程式計數器（Program Counter, PC）保存下一條待執行指令的位址。CPU 將該位址送至記憶體位址暫存器（MAR），向主記憶體讀取指令，並將指令載入記憶體資料暫存器（MDR），再送入指令暫存器（IR）。一般情況下，PC 會更新為下一條順序指令的位址；若指令是跳躍或分支指令，則稍後可能改成目標位址。

2. 指令解碼（Decode） 控制單元（Control Unit）分析 IR 中的操作碼（opcode），判斷指令要執行的動作，例如加法、資料搬移或跳躍；同時辨識運算元的位置、定址方式及所需的控制訊號。

核心觀念

物件導向程式設計（Object-Oriented Programming, OOP）是一種以「物件」為核心組織程式的方法。物件將資料與操作資料的方法結合；程式透過物件彼此互動，完成所需功能。

OOP 常以「類別」與「物件」來描述：

• 類別（class）：物件的設計藍圖，定義資料欄位及可執行的方法。
• 物件（object）：依類別建立的個體，具有自己的狀態，並能執行類別所定義的行為。

例如，以「銀行帳戶」作為類別，可定義帳戶餘額及存款、提款等方法；建立的每一個帳戶則是各自獨立的物件。

基本原則及意義

OOP 的基本原則通常概括為封裝、抽象、繼承、多型。其中封裝與抽象關注如何管理及呈現物件；繼承與多型則協助建立可延伸、可替換的類別架構。

一、封裝（encapsulation）

將資料與操作資料的方法集中在同一個物件或類別中，並透過存取權限控制外部能否直接讀取或修改內部資料。外部通常透過公開的方法與物件互動。

例如，帳戶餘額不讓外部任意改寫，而是透過存款、提款方法調整，並在方法中檢查金額是否符合規則。

**優點：**保護資料完整性、降低物件內部實作與外部程式之間的依賴；日後修改內部實作時，只要對外介面不變，使用者端程式通常不必跟著修改。

二、抽象（abstraction）

只呈現使用者需要的功能與介面，隱藏不必要的實作細節。使用者知道如何呼叫功能，不必了解其內部如何完成。

例如，使用者呼叫「列印」功能即可輸出文件，不需要知道印表機如何處理資料及控制硬體。

**優點：**降低理解與使用複雜系統的負擔，讓程式設計者能以較高層次描述問題，也能將實作細節與使用方式分開。

三、繼承（inheritance）

由既有類別建立新類別，使新類別取得原類別的資料與方法，並可增加或改寫自身的功能。原類別通常稱為父類別或基底類別，新類別稱為子類別或衍生類別。

例如，「電動車」可繼承「車輛」類別的基本屬性與行為，再加入電池容量等特有資料及充電方法。

核心觀念

本題考查作業系統的行程排班層級。長程排班程式與短程排班程式都負責安排工作，但決策發生的時機不同：

• 長程排班程式（long-term scheduler，又稱 job scheduler）：從後備工作佇列選取工作，將其載入記憶體並建立為行程，使它進入就緒佇列。
• 短程排班程式（short-term scheduler，又稱 CPU scheduler）：從記憶體中的就緒佇列選取一個行程，分派 CPU 給它執行。

兩者的主要差異在於：長程排班決定哪些工作進入系統；短程排班決定哪個已就緒的行程現在使用 CPU。

解題方法

依照「行程從提交到取得 CPU」的流程說明兩種排班程式，即可交代其功能與工作原理：

長程排班程式

工作提交後，通常先存放在磁碟上的後備工作佇列。長程排班程式會依作業系統的政策，從佇列中挑選工作，將工作載入主記憶體並建立行程，讓行程進入就緒狀態、等待 CPU。

它的主要功用如下：

1. 控制多道程式度：決定同時進入記憶體、等待或使用 CPU 的行程數量。
2. 調節系統負載：避免一次引入過多工作，造成記憶體與其他資源過度競爭。

核心觀念

本題考 Python 的 range、串列索引與長度、巢狀 while 迴圈，以及 list.remove 的行為。程式以類似「篩法」的方式，從奇數候選值中移除合數，最後留下不超過 149 的質數。

• range(3, 150, 2) 從 3 開始，每次增加 2，且不包含終點 150，因此產生 3、5、7、……、149。
• goal.insert(0, 2) 將 2 插入索引 0，讓串列成為從 2 起始的奇數候選值。
• goal[index] 取得索引 index 的元素；goal[-1] 取得串列最後一個元素。
• goal.remove(x) 移除串列中第一個值為 x 的元素。若 x 不在串列中，串列不變。
• len(goal) 回傳串列目前的元素數量。

解題方法

先追蹤外層迴圈選出的除數，再觀察內層迴圈如何從該除數的平方開始，每次增加其兩倍，逐一檢查奇數倍數是否仍在 goal 中。移除操作會縮短串列，但 index 仍依照程式明確指定的方式逐次加 1。

初始串列為：

外層迴圈從 index = 1 開始，因此第一個除數是 goal[1] = 3，不會用 2 作為除數。內層迴圈從 $3^2=9$ 起，每次加 $2\times3=6$，檢查 9、15、21、……、直到 149；其中仍在串列中的數字會被移除。

後續外層迴圈依序使用當時的 goal[index] 作為除數。移除合數會讓串列索引位置改變，因此除數不會依原始串列的固定位置直接遞增；不過程式逐輪取出當下索引的值，持續移除相應的奇數倍數。

執行過程

此篩法會移除所有不大於 149、且可被小於或等於其平方根的奇數質數整除的合數。因為 $\sqrt{149}<13$，實際需要的奇數除數為 3、5、7、11。