110 港務人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試輪機管理與安全)-臺灣港務公司 電子計算機概論 考古題詳解

核心觀念

本題考查電腦組織中四個基本名詞：直接記憶體存取、指令週期、堆疊，以及程式計數器。作答時應交代各名詞的功能、運作方式，以及它們在處理器與記憶體之間的關係。

解題方法

逐一說明名詞的定義及其主要用途，並補上必要的操作順序。尤其要區分：DMA 可讓周邊裝置與記憶體直接傳輸資料；instruction cycle 是處理器執行指令的循環；stack 遵循後進先出；program counter 則記錄下一個要取出的指令位址。

(一) DMA（Direct Memory Access，直接記憶體存取）

DMA 是一種資料傳輸方式，允許輸入／輸出裝置在 DMA 控制器協助下，直接與主記憶體交換資料，而不必由 CPU 逐筆搬移資料。

典型流程如下：

1. CPU 設定 DMA 傳輸的起始記憶體位址、資料量及傳輸方向。
2. DMA 控制器取得系統匯流排的控制權，讓裝置與主記憶體直接傳輸資料。
3. 傳輸完成後，DMA 控制器通知 CPU，通常以中斷方式告知。

DMA 能減少 CPU 處理大量資料搬移的負擔，提高輸入／輸出效率。不過，傳輸期間 DMA 控制器可能與 CPU 競爭匯流排使用權。

(二) instruction cycle（指令週期）

指令週期是 CPU 執行一條指令所需的完整處理循環，通常包括：

1. 取指令（fetch）：依程式計數器所記錄的位址，從記憶體取出指令。
2. 解碼（decode）：分析指令內容，判斷要執行的操作及所需資料。
3. 執行（execute）：由運算單元或其他處理單元執行指令。
4. 寫回（write back）：將結果寫入暫存器或記憶體；部分指令不需要此步驟。

實際處理器可能將部分階段合併、細分或以管線方式重疊執行。指令週期是概念上的執行流程，不代表所有處理器的硬體階段完全相同。

(三) stack（堆疊）

核心觀念

快速排序的 partition 會選定一個基準值 pivot，將比它小的元素移到左側、比它大的元素留在右側，最後把 pivot 放到正確位置並回傳該位置。題目指定以子陣列第一個元素作為 pivot，且陣列索引從 1 開始。

以下採用 Lomuto 分割法：用 i 記錄小於 pivot 的區域末端，逐一掃描其餘元素；遇到小於 pivot 的元素，就擴大小於區域並交換。掃描完後，再將 pivot 放到 i 的下一個位置。

解題方法

（一）時間複雜度為 $O(n)$ 的 partition

void swap(int *a, int *b)
{
 int temp = *a;
 *a = *b;
 *b = temp;
}

int partition(int S[], int lb, int rb)
{
 int pivot = S[lb];
 int i = lb;

 for (int j = lb + 1; j <= rb; j++) {
 if (S[j] < pivot) {
 i++;
 swap(&S[i], &S[j]);
 }
 }

 swap(&S[lb], &S[i]);
 return i;
}

掃描範圍是 lb + 1 到 rb，每個元素只檢查一次，最後再做一次基準值交換，因此時間複雜度為 $O(rb-lb+1)$，對大小為 $n$ 的陣列即為 $O(n)$。分割完成後，S[i] 是 pivot，S[lb..i-1] 的元素都小於 pivot，S[i+1..rb] 的元素都大於 pivot。

（二）快速排序副程式

void Quicksort(int S[], int lb, int rb)
{
 if (lb < rb) {
 int p = partition(S, lb, rb);
 Quicksort(S, lb, p - 1);
 Quicksort(S, p + 1, rb);
 }
}

每次分割後，pivot 已在最終位置，所以遞迴處理它左側與右側的子陣列即可。當 lb >= rb 時，子陣列至多只有一個元素，已經排好序。

（三）交換過程

以下用 $S[1..8]$ 表示陣列，並依照程式先遞迴處理左側，再處理右側。相同位置的交換會列出，並註明為自我交換。

第一次分割：範圍 $[1,8]$，pivot = 42

初始陣列：

• $j=2$：$15<42$，$i$ 移至 2，交換 $S[2]$ 與 $S[2]$，陣列不變。
• $j=3$：$73>42$，不交換。
• $j=4$：$27<42$，$i$ 移至 3，交換 $S[3]$ 與 $S[4]$：

• $j=5$：$64>42$，不交換。
• $j=6$：$36<42$，$i$ 移至 4，交換 $S[4]$ 與 $S[6]$：

**核心觀念：**階層式記憶體系統是將不同速度、容量與每位元成本的記憶體，依特性分層配置，使電腦兼顧存取速度、儲存容量與成本。由處理器往外，常見層級依序為：

暫存器最接近處理器，存取最快、容量最小；快取記憶體用來暫存近期或常用資料；主記憶體供正在執行的程式與資料使用；輔助記憶體則包括固態硬碟、硬碟等，容量較大且可長期保存資料，但存取速度較慢。

一般而言，愈靠近處理器的層級，存取速度愈快、每位元成本愈高、容量愈小；愈遠離處理器的層級，容量愈大、每位元成本愈低，存取速度則愈慢。處理器會先在較高層級尋找所需資料；若未命中，才向較低層級取得資料，並視情況將資料複製至較高層級。

（二）採用階層式設計的理由

**解題方法：**從記憶體各層級的速度、容量與成本差異切入，再說明如何利用區域性原理，讓常用資料以較快的記憶體服務，同時保有較大容量的儲存空間。

1. **調和處理器與記憶體的速度差距：**處理器運算速度遠高於主記憶體。若每次存取都等待較慢的記憶體，處理器便會花費時間等候資料。

核心觀念

本題考查網路分層的設計原則，以及 Internet 實際採用的協定架構。OSI 是用來描述網路功能的七層參考模型；Internet 則以 TCP/IP 協定族群為核心，實務上常用四層模型說明。兩者可以對照理解，但層數與分層方式並不完全相同。

解題方法

作答時先說明分層如何把複雜的網路通訊工作拆成彼此協作的功能，再分別整理其優點與代價。談 Internet 架構時，依資料由應用程式往下傳送的順序，說明各層的功能與代表協定，並補充資料封裝及 OSI 對照關係。

（一）網路分層運作的優點及缺點

優點

1. 降低系統複雜度：將通訊工作依功能切分，各層各自處理特定問題，容易設計、理解與實作。
2. 模組化，便於維護：只要層與層之間的服務介面維持穩定，某一層的實作改變通常不必全面修改其他層。
3. 促進互通與標準化：不同廠商可依共同的協定及介面實作設備或軟體，提升異質系統間的互通性。
4. 便於測試與故障定位：可以逐層檢查問題，例如判斷故障是在應用服務、傳輸、路由或實體連線。
5. 支援技術替換與擴充：可在不改變整體架構的情況下替換特定層的技術，例如更換區域網路媒介，而維持上層通訊方式。

缺點

1. 分層與介面會增加額外負擔：資料須經過多層處理，各層可能加入標頭或控制資訊，增加傳輸開銷與處理時間。
2. 可能重複執行功能：不同層可能各自提供錯誤檢查、流量控制或其他相近功能，造成資源浪費。
3. 效能最佳化較受限制：嚴格的層次分隔可能阻礙跨層資訊共享，使系統難以針對整體效能調整。
4. 功能不易完全歸屬單一層：有些功能與多層相關，實際系統未必能清楚、唯一地歸入某一層。
5. 模型可能與實作不完全一致：參考模型是理解與設計的抽象工具；實際協定堆疊可能合併、跨越或未實作模型中的某些功能。

（二）現行 Internet 的架構

Internet 的通訊以 TCP/IP 協定族群為核心。常見的說明方式是四層架構，由上而下如下：