Tài liệu Tin học đại cương-đại học sư phạm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM 280, An Dương Vương, Q5, Tp HCM ĐT: (08).8352020 - 8352021 Fax: (84-8).8398946 --------KHOA TOÁN - TIN TIN HỌC ĐẠI CƯƠNG Introduction to Computer Science Thời lượng: 6 đvht (Số tiết lý thuyết : 45 Số tiết thực hành : 45) Giảng viên phụ trách: Ths. Lê Đức Long I. Tóm tắt môn học : Mục đích của môn học là cung cấp cho sinh viên một số kiến thức đại cương và các nguyên lý cơ bản của khoa học máy tính, các khái niệm và cách tư duy giải quyết các vấn đề - bài toán bằng máy tính điện tử. Đồng thời bước đầu tập làm quen với ngôn ngữ lập trình Pascal để giải quyết một số bài toán, ứng dụng thực tế. II. Nội dung môn học : Chương 1 : Đại cương về Tin học (6t) 1. Tổng quan về hệ thống tin học (Information systems hay Computer systems) 1. Sơ lược về hệ thống tin học 2. Các thành phần của một hệ thống tin học 3. Các dạng máy tính điện tử 2. Máy tính PC và nguyên lý hoạt động 1. Cấu trúc của một máy tính 2. Các bộ phận chính của máy tính 3. Các thiết bị nhập - xuất trong hệ thống máy tính 4. Nguyên lý Von Neumann - Hoạt động của máy tính 3. Biểu diễn thông tin trong máy tính 1. Hệ thống số - Cách chuyển đổi giữa các hệ thống số 2. Dữ liệu và lưu trữ dữ liệu 3. Mã hoá và biểu diễn dữ liệu trong máy tính 4. Các loại bộ nhớ 4. Giới thiệu về mạng máy tính 1. Khái niệm về mạng máy tính 2. Mạng thông tin toàn cầu Internet 3. Một số dịch vụ cơ bản của Internet Chương 2 : Giới thiệu một số hệ điều hành thông dụng (6t) 1. Tổng quan về hệ điều hành (Operating Systems) 1. Hệ điều hành - chức năng của hệ điều hành 2. Giao tiếp với hệ điều hành 3. Một số hệ điều hành thông dụng Edited by Duc Long – Feb, 2005 1 2. Giới thiệu về hệ điều hành MS-DOS 1. Một số thuật ngữ cơ bản: tập tin, thư mục, đường dẫn 2. Dạng lệnh tổng quát – Thao tác với hệ điều hành MS-Dos 3. Hệ điều hành MS-Dos 6.x - Một số lệnh thông dụng 3. Giới thiệu về hệ điều hành Windows 1. Một số khái niệm 2. Các thao tác cơ bản trên Windows 3. Trình ứng dụng Windows Explorer 4. Trình ứng dụng Control Panel 5. Một số ứng dụng của Windows: Paint, WordPad, Calculator, Calendar Chương 3: Soạn thảo văn bản bằng LATEX (15t) 1. Tổng quan về LATEX - Một số khái niệm cơ bản 2. Soạn thảo văn bản đơn giản 3. Định dạng văn bản Chương 4: Giải quyết vấn đề - bài toán bằng máy tính (3t) 1. Vấn đề - bài toán 1. Thế nào là vấn đề - bài toán 2. Một số phương pháp giải quyết vấn đề - bài toán bằng máy tính 2. Thuật toán - thuật giải 3. Các phương pháp biểu diễn thuật toán 1. Ngôn ngữ tự nhiên 2. Lưu đồ - sơ đồ khối 3. Mã giả 4. Các bước để giải một bài toán trên máy tính 1. Xác định bài toán 2. Lựa chọn và xây dựng thuật toán 3. Viết chương trình 4. Hiệu chỉnh 5. Viết tài liệu Chương 5: Ngôn ngữ lập trình Pascal (60t) Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Pascal Cấu trúc tổng quát của một chương trình Pascal Các kiểu dữ liệu đơn giản Cấu trúc tuần tự Cấu trúc điều kiện Cấu trúc lặp Chương trình con: thủ tục và hàm Kiểu dữ liệu mảng (Array) Kiểu bản ghi (Record) Kiểu tập tin (File) Đồ hoạ trong Pascal (Graphic) Khái niệm về chương trình đệ qui (Recursion) Giới thiệu về con trỏ (Pointer) - cấp phát bộ nhớ động (Dynamic Memory Allocation) Edited by Duc Long – Feb, 2005 2 Tài liệu tham khảo : 1. Giáo trình tin học đại cương I, II GS.TS. Hoàng Kiếm - NXB Giáo dục, 1998 2. Ngôn ngữ lập trình Pascal Quách Tuấn Ngọc - NXB Giáo dục, 1996 3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống máy tính RON WHITE, biên dịch: Nhóm điện tử, vi tính FSC – NXB Thống kê, 1997 4. Giải một bài toán trên máy tính như thế nào ? I, II GS.TS. Hoàng Kiếm - NXB Giáo dục, 2001 5. Giáo trình Pascal I, II Trần Đan Thư – NXB Giáo dục, 2001 6. Bên trong máy tính PC hiện đại I, II Phạm Hoàng Dũng, Hoàng Đức Hải, NXB KH KT, 1997 7. Information Systems for you, SE Stephen Doyle, , Stanley Thornes (Publishers) LTD, 1999 8. Turbo Pascal 6: The complete reference Stephen K. O’Brien, Osborne McGraw-Hill, 1991 9. Sách giáo khoá Tin học 10, 11 (chương trình thí điểm phân ban) Hồ Sĩ Đàm (chủ biên), NXB Giáo dục, 2004 Liên hệ - góp ý: Ths. Lê Đức Long Khoa Toán Tin - Đại Học Sư Phạm Tp Hồ Chí Minh Cells phone: 0913.766.057 Email: [email protected] Một số địa chỉ Website tham khảo: ĐH Sư Phạm Tp HCM: http://www.hcmup.edu.vn/ Sở Giáo dục – Đào tạo Tp HCM: http://www.hcm.edu.vn/ Diễn đàn giáo dục: http://edu.net.vn/ Trang liên kết đến trang các trường đại học:http://www.vnn.vn/chuyenmuc/utils/weblink.html Tin tức Việt Nam: http://www.vnexpress.net/Vietnam/Home/ Trang cung cấp mã nguồn: http://www.manguon.com/ ; http://www.soft32.com/index-1-8-0-1-4.html Thư viện đại học quốc gia: http://www.vnulib.edu.vn/e-resources/ Trang thông tin của tp HCM: http://www.hochiminhcity.gov.vn/ Một số tài liệu tham khảo trên các đĩa Cd: PC World 2000, Tin Học Nhà Trường, Website LH, … Edited by Duc Long – Feb, 2005 3 ĐẠI CƯƠNG VỀ TIN HỌC • • • • Edited by Duc Long – Feb, 2005 Tổng quan về hệ thống tin học Máy tính PC và nguyên lý hoạt động Biểu diễn thông tin trong máy tính Giới thiệu về mạng máy tính 4 BÀI TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIN HỌC DẪN NHẬP: Sự bùng nổ về thông tin trong vài thập kỷ ở cuối thế kỷF 20 cho ra đời một dạng tài nguyên mới đó là thông tin, cùng gắn liền với công cụ lao động là máy tính điện tử đã làm một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trong mọi lĩnh vực. Ngành Tin học được hình thành và phát triển cùng với các khái niệm cơ bản, trong đó các hiểu biết cơ bản về hệ thống tin học là kiến thức không thể thiếu đối với mọi đối tượng khai thác và sử dụng máy tính. 1./ SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG TIN HỌC 1.1./ TIN HỌC (INFORMATIQUE) Tin học là một ngành khoa học chuyên xử lý dữ liệu và xuất ra thông tin một cách tự động, dựa trên công cụ là máy tính điện tử. 1.2./ DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN Những sự việc và hình ảnh trong thế giới thực gọi chung là dữ liệu (data), Thông thường các sự việc, hình ảnh thô này mang ít ngữ nghĩa thực tiễn cho đến khi chúng được sắp xếp hoặc tính toán một vài thứ nào đó trong chúng, và điều này gọi là xử lý dữ liệu (data processing). Khi dữ liệu đã xử lý xong, nó sẽ xuất ra thông tin (information). Cũng có thể xem thông tin là chính ngữ nghĩa được gắn kết vào dữ liệu của nó. Ví dụ: đèn giao thông bật sáng màu đỏ, đây là một hình thức của dữ liệu. Điều này cho biết ngữ nghĩa gắn vào với dữ liệu này là các phương tiện giao thông phải dừng, vậy dừng chính là thông tin. Dữ liệu thường tối nghĩa. Ví dụ: quan sát con số 11092004, ta có thể hiểu theo nhiều cách: - Số lượt truy cập đến trang Web Yahoo - Ngày 11, tháng 9, năm 2004 - Số điện thoại của một cá nhân A nào đó … 1.3./ XỬ LÝ THÔNG TIN Đầu vào DỮ LIỆU Máy tính xử lý _ Thu nhận phân loại, lưu trữ _ Tính toán, thống kê _ Hỏi đáp, cập nhật, truy tìm _ Dự báo Đầu ra THÔNG TIN 1.4./ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐƯỢC MÁY TÍNH HOÁ - HỆ THỐNG TIN HỌC Tất cả các tác vụ đều có thể phân thành ba giai đoạn: nhập, xử lý và xuất. Vậy hệ thống thông tin (information system) là một hệ thống bao gồm việc nhập dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất ra thông tin. Edited by Duc Long – Feb, 2005 5 Hệ thống thông tin thủ công (manual information systems): mọi người chúng ta đều ít nhiều có sử dụng hoặc làm việc với các hệ thống thông tin thủ công. Ví dụ: danh bạ điện thoại, có hàng trăm ngàn số điện thoại, Giả sử ta biết tên và địa chỉ của một doanh nghiệp nào đó, thì có thể tìm trong danh bạ số điện thoại tương ứng của họ. Hoặc với sổ danh bộ của trường học, lưu trữ thông tin học sinh trong các năm học, Biết mã số (thường gọi là số danh bộ) và tên học sinh có thể tra cứu để biết học sinh đang học lớp nào và lý lịch trích ngang của học sinh đó. Hệ thống thông tin thủ công có nhiều bất tiện. Như đối với danh bạ điện thoại thì các số điện thoại để tra cứu sẽ được sắp theo thứ tự alphabet của cá nhân, đơn vị; trong khi việc tìm kiếm có thể có nhu cầu biết số điện thoại, cần tìm địa chỉ của một cơ quan nào đó… Đối với sổ danh bộ của trường học cũng vậy, danh sách học sinh sẽ được sắp xếp theo thứ tự mã số của từng học sinh với một qui tắc nhất định, trong khi việc tra cứu có thể tìm kiếm theo họ tên, theo lớp, … Hệ thống thông tin được máy tính hoá (computerised information systems): ngày nay với sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử, các hệ thống thông tin thủ công đa phần đều được máy tính hoá thông qua việc xử lý dữ liệu và xuất ra thông tin một cách tự động dựa vào công cụ là máy tính điện tử. Các hệ thống thông tin được máy tính hoá thì mềm dẽo hơn so với các hệ thống thông tin thủ công và xử lý nhanh hơn rất nhiều. Ví dụ với hệ thống tra cứu danh bạ điện thoại được máy tính hoá ở trên thì khi nhập vào một số điện thoại đã được chứa trong hệ thống, thì tên và địa chỉ của đối tượng tương ứng sẽ được cung cấp ngay lập tức. Hệ thống thông tin được máy tính hoá gọi tắt là hệ thống máy tính hay hệ thống tin học gồm có ba thành phần: phần cứng (hardware), phần mềm (software), và người sử dụng (user). Những ưu điểm của một hệ thống thông tin được máy tính hoá: -Không phải tốn nhiều các ngăn chứa hồ sơ, tài liệu. Chỉ cần một máy tính đơn cũng có thể lưu trữ tất cả các thông tin cần thiết. -Nhiều người có thể truy xuất thông tin trên các máy tính khác nhau, ở những nơi khác nhau, trong cùng một thời điểm. -Không có sự trùng lắp thông tin. Ví dụ các thông tin lý lịch cần thiết của học sinh chỉ được cập nhật một lần và có thể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Ngoài ra, từ các thông tin này có xuất ra các báo cáo, thống kê khi có nhu cầu. -Thông qua hệ thống mạng diện rộng và bộ xử lý văn bản có thể đưa thông tin đến tận người dùng (như Email, …) -Việc nhập dữ liệu vào hệ thống ngoài bàn phím còn có nhiều thiết bị tiện ích khác như: máy quét ảnh, máy đọc mã vạch, máy quét thẻ từ, … Những khuyết điểm của một hệ thống thông tin được máy tính hoá: -Mọi thứ đều phụ thuộc vào máy tính. Khi có sự cố (về nguồn điện, bị virus,…) phải cần một hệ thống khác thay thế ngay. -Để sử dụng hệ thống, cần có sự huấn luyện sử dụng đối với các đối tượng người dùng. Khi có sự thay đổi, sẽ tốn thời gian để đào tạo đội ngũ này lại. -Cần có sự an toàn và bảo mật đối với dữ liệu, thông tin trong hệ thống để chống lại sự mất cắp, rò rỉ thông tin. Edited by Duc Long – Feb, 2005 6 2./ THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA MỘT HỆ THỐNG TIN HỌC Tất cả các hệ thống tin học đều có: phần cứng (hardware) và phần mềm (software). Phần cứng là từ được sử dụng để chỉ các phần của máy tính mà ta có “cầm”, “nắm” được. Phần cứng cũng là tất cả các thiết bị (mỗi thiết bị đều có tên gọi riêng) để cấu thành một hệ thống máy tính. Một cách cơ bản các thiết bị được phân chia thành: -Thiết bị nhập (Input devices): sử dụng để đưa dữ liệu vào máy tính. -Bộ xử lý trung tâm (Central processing unit - CPU): phần não bộ của máy tính. -Thiết bị lưu trữ (Backing storages): gồm các loại ổ đĩa sử dụng để chứa dữ liệu khi tắt nguồn điện vào máy. -Thiết bị xuất (Output devices): bao gồm các bộ hiển thị (VDUs), máy in được sử dụng để xuất ra báo cáo, xuất lên màn hình,… Phần mềm là từ dùng để chỉ các chương trình thực sự cho phép phần cứng thực hiện một công việc hữu ích trên máy tính. Không có phần mềm, phần cứng trở nên vô dụng. Phần mềm được xây dựng từ một dãy các lệnh thực thi cho biết máy tính sẽ phải làm những gì. Các máy tính điện tử thông dụng hiện nay đều thiết kế theo nguyên lý J. Von Neumann (1903-1957). Theo nguyên lý này, hoạt động của máy tính được điều khiển bằng chương trình lưu giữ trong bộ nhớ. Màn hình (Output) Chuột (Input) Máy in (Output) CPU Đĩa cứng (Backing storage) Đĩa mềm (Backing storage) Bàn phím (Input) Hình 1. Phần cứng của một máy vi tính đơn giản Để hiểu về sự khác biệt giữa phần cứng và phần mềm có thể hình dung một máy thâu băng (tape recorder) và cuộn băng trắng (blank tape). Như vậy, máy thâu băng và cuộn băng chính là phần cứng vì ta có thể tiếp xúc được với chúng. Khi ta ghi vào cuộn băng một vài bản nhạc, thì các bản nhạc trong cuộn băng sẽ chính là phần mềm. Edited by Duc Long – Feb, 2005 7 Phần mềm được phân thành hai loại chính: phần mềm hệ thống (systems software) và phần mềm ứng dụng (aplications software). -Phần mềm hệ thống là chương trình điều khiển trực tiếp các phần cứng của máy tính. Phần mềm hệ thống bao gồm: hệ điều hành (operating systems), các chương trình dịch (translation programs) như trình biên dịch (compiler), trình thông dịch (intepreter), … Hệ điều hành cũng cung cấp một giao diện (user interface) để giao tiếp giữa người sử dụng với máy tính, việc đầu tiên của một máy tính khi được nối nguồn điện là tìm kiếm hệ điều hành, và không có hệ điều hành thì máy tính sẽ không thể làm việc tiếp được. Ví dụ một số hệ điều hành thông dụng như: Windows 98, Windows NT, UNIX, LINUX hay OS/2… -Phần mềm ứng dụng là chương trình được xây dựng để thực hiện những tác vụ chuyên biệt nào đó. Phần mềm ứng dụng có rất nhiều loại phục vụ cho các đối tượng sử dụng máy tính: phần mềm xử lý từ như Word, Word Perfect, phần mềm bảng tính điện tử như Lotus123, Excel, phần mềm cơ sở dữ liệu như Access, … Một chương trình là một tập các lệnh mà máy tính có thể hiểu và thực hiện. Do đó, để xây dựng và viết chương trình thì người lập trình phải dùng các ngôn ngữ lập trình để thể hiện. Tuy nhiên, máy tính do cấu tạo là một thiết bị điện tử nên chỉ có thể hiểu chương trình dưới dạng mã nhị phân (tập giá trị 0 và 1), trong khi đối với người lập trình thì cần phải có những ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ đọc để viết chương trình, vì vậy ngôn ngữ lập trình được chia thành các loại: ngôn ngữ cấp thấp (low-level languages), ngôn ngữ cấp cao (high-level languages). Ứng dụng 2 Ứng dụng 1 Phần cứng User User Hệ điều hành Ứng dụng 3 User Hình 2. Giao tiếp giữa hệ điều hành với người sử dụng Hoạt động của hệ điều hành như một phần vỏ bao quanh phần cứng. Để chương trình thực hiện cần có một hệ điều hành, để người dùng thực hiện một tác vụ nào đó từ máy tính thì phải dùng các ứng dụng và hệ điều hành để giao tiếp với phần cứng. Ngôn ngữ cấp thấp: là ngôn ngữ mà máy tính có thể hiểu dễ dàng nhưng lại khó hiểu, khó viết đối với người lập trình. Các ngôn ngữ lập trình cấp thấp như ngôn ngữ máy (machine language hay machine code), hợp ngữ (Assembly language). Ngôn ngữ máy là ngôn ngữ mà máy tính trực tiếp hiểu được, nói cách khác chương trình viết bằng ngôn ngữ máy sẽ là một tập bao gồm các kí số 0 và 1. Tất cả các ngôn ngữ lập trình đều bắt buộc phải được dịch thành ngôn ngữ máy trước khi được thi hành ngoại trừ các chương trình được viết bằng ngôn ngữ máy. Ngôn ngữ máy thường phụ thuộc vào mỗi loại máy tính khác nhau, và vì không cần phải biên dịch lại nên chạy rất nhanh (nhiều trò chơi trên máy tính và chương trình giả lập được viết bằng ngôn ngữ máy là vì lý do này). Edited by Duc Long – Feb, 2005 8 Hợp ngữ là ngôn ngữ chỉ sử dụng một số lệnh đơn giản (như ADD, SUB, LDA, ..) nên dễ dàng hơn đối với người lập trình trong việc sử dụng và gỡ lỗi chương trình. Chương trình viết bằng hợp ngữ cũng cần được biên dịch thành ngôn ngữ máy bởi trình hợp dịch (assembler) trước khi máy tính có thể hiểu. Tuy nhiên, do chỉ giới hạn trong một số ít lệnh và thuộc loại ngôn ngữ lập trình cấp thấp nên chương trình viết bằng hợp ngữ khó đọc khó viết. Ngôn ngữ cấp cao: là ngôn ngữ lập trình sử dụng các câu lệnh có cú pháp gần giống với ngôn ngữ tự nhiên (thông thường là tiếng Anh), có đặc điểm là tính độc lập cao, ít phụ thuộc vào loại maý tính sử dụng, đơn giản, dễ hiểu, dễ viết. Ví dụ như: BASIC, C++, PASCAL, JAVA, HTML,… Ngoài ra, để có thể chuyển đổi từ các lệnh trong chương trình viết bằng ngôn ngữ cấp cao thành các mã lệnh của chương trình máy để máy tính hiểu và thực hiện được thì cần phải có các chương trình dịch (translation programs). Thông thường có ba loại chương trình dịch là: trình biên dịch (compilers), trình phiên dịch (interpreters) và trình hợp dịch (assemblers) Assembly language code High level language code High level language code Assembler Compiler Interpreter Machine code Hình 3. Sự liên hệ giữa các chương trình dịch 3./ CÁC DẠNG MÁY TÍNH Có ba dạng máy tính: máy vi tính (micro computer), máy tính trung (mini computer), và máy tính lớn (mainframe computer). 3.1./ MÁY VI TÍNH (MICRO COMPUTER) Máy vi tính là loại máy tính để bàn sử dụng cho cá nhân làm việc ở nhà, trong các trường học hoặc các văn phòng nhỏ, còn được gọi là máy tính cá nhân (Personal computer PC). Máy vi tính cũng có nhiều kiểu, dáng cũng như thể loại khác nhau, ví dụ kiểu desktop, mini tower, tower, … hoặc loại Apples (Macintosh), Acorns, IBMs (PC),… Ngoài ra, hiện nay còn có một số loại máy vi tính khác như: thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật số (Personal Digital Assistants – PDAs), máy tính xách tay (Notebook computers hay Laptops). PDAs là một thiết bị máy tính cầm tay, có ưu điểm nhỏ gọn, tuy nhiên cũng chỉ giới hạn với một số chức năng thông dụng như: xử lý văn bản, bảng tính điện tử, gởi và nhận thư Edited by Duc Long – Feb, 2005 9 điện tử, ghi chú thông tin cá nhân, … PDAs thường gặp hiện nay có loại Palm và Pocket PC . Máy tính xách tay (Notebook computer hay Laptop) thì lớn hơn PDAs, thường dùng với một nguồn pin, được nạp điện trước khi sử dụng, và màn hình dạng tinh thể lỏng (liquid crystal displays – LCDs) vì nhu cầu nhỏ gọn, cơ động và ít tiêu thụ năng lượng điện. 3.2./ MÁY TÍNH TRUNG (MINI COMPUTER) Máy tính trung thông thường có kích thước, công suất và giá cả khoảng giữa của máy vi tính và máy tính lớn. 3.3./ MÁY TÍNH LỚN (MAINFRAME COMPUTER) Máy tính lớn hay còn gọi là siêu máy tính là loại máy tính kích thước lớn, công suất mạnh thường dùng trong các hệ thống mạng lớn, khả năng đáp ứng một số lượng lớn các máy tính con (khoảng trên 500). Một máy tính lớn có thể thực hiện đến 250 triệu phép tính trong một giây. Các hệ thống ngân hàng, cao ốc kinh doanh, công ty bảo hiểm, công ty cấp nước, điện lực đều phải sử dụng máy tính lớn. Notebook computer Mainframe computer (4a) (4b) Hình 4: Các dạng máy tính điện tử Microcomputers - (4a) loại Desktop, (4b) loại Mini tower Edited by Duc Long – Feb, 2005 10 BÀI ĐỌC THÊM LỊCH SỬ MÁY TÍNH ĐIỆN TỬ 1/. BUỔI SƠ KHAI Từ thời xa xưa, tính toán đã là nhu cầu của con người. Mười ngón tay của tạo hóa là công cụ tính toán đầu tiên mà con người sử dụng. Việc nghĩ ra và sử dụng các kí hiệu đã chắp cánh cho khả năng của con người đi đến những chân trời mới. Tiền tệ xuầt hiện và buôn bán phát triển. Vấn đề trao đổi tiền tệ đòi hỏi những công cụ tính toán tiến bộ hơn, và bàn tính tay (abacus) ra đời. Bằng cách xếp đặt các hạt ở những vị trí khác nhau trên các sợi dây của bàn tính , các thương gia có thể tính toán một cách nhanh chóng. Trong suốt thế kỷ 17 và 18, loài người đã cố gắng tìm kiếm và sáng chế ra những phương pháp tính toán mới, đáng kể nhất là : phương pháp cơ học thực hiện phép nhân và chia do John Napier, người Scodland, nghĩ ra vào khoảng năm 1617 (phương pháp này đã được áp dụng để chế tạo thước kéo, mà cách đây không lâu được sử dụng rộng rãi như máy tính bỏ túi bây giờ), và máy cộng cơ học, sử dụng bánh răng, do Blaise Pascal, một nhà toán học Pháp, sáng chế vào năm 1642. 2/. NHỮNG DẤU MỐC ĐÁNG NHỚ Năm 1830, nhà toán học Anh Charles Babage thiết kế một máy gọi là "Analytical Engine". Máy này, theo trí tưởng tượng của ông, không phải là thiết bị để giải một bài toán cụ thể nào, mà là một máy vạn năng giải quyết một lớp rộng bài toán tương tự nhau. Thực chất, C.Babbage đã thiết kế một máy khả lập trinh vạn năng bao hàm những nguyên lý cơ bản của máy tính hiện nay Năm 1890, Nhà sáng chế Mỹ Herman Hollerith đã chế tạo thành công máy tính cơ điện đầu tiên máy lập bảng, sử dụng phiếu đục lỗ để xử lý dữ liệu điều tra dân số tiến hành ở Mỹ năm 1890. Máy của H Hollerith đã được công nhận rộng rãi và ông thành lập công ty để cung cấp loại máy này, tiền thân của công ty IBM ( International Business Machines). Tuy nhiên, khả năng của máy chỉ giới hạn trong việc lập bảng, một bài toán đơn giản và chủ yếu là vẽ, không giải quyết được các bài toán phức tạp hơn Máy tính khả lập trình đầu tiên là máy Z3, do kĩ sư người Đức Konrad Zuse sáng chế ra vào năm 1941. Máy dùng rơ le cơ điện và băng đục lỗ, nhưng đáng ghi nhớ hơn cả là K Zuse đã làm một cuộc cách mạng trong lĩnh vực hệ thống số : Thay Hệ Thập Phân bằng Hệ Nhị Phân. Z3 là máy tính đầu tiên sử dụng hệ nhị phân Trong khi K Zuse tiếp tục nghiên cứu, thì các nhà khoa học Mỹ đã thực hiện được 2 đồ án lớn: Đồ án thứ nhất: Nhà toán học Howard Aiken ( Đại học Havard) cùng với một nhóm kĩ sư của công ty IBM đã nghiên cứu thiết kế Mark-1, từ năm 1938 và đến 1944 thì bắt đầu đưa ra sử dụng. Máy nặng 5 tấn và giá tới 500000USD, phục vụ cho việc tính toán đạn đạo. Cấu tạo cũng giống như máy của K Zuse nhưng chỉ khác là máy sử dụng hệ thập phân Đồ án thứ hai: ENIAC (Electronic Numercal Integrator and Calculator) - Máy tính điện tử đầu tiên do hai kĩ sư ở Đại học Pennsylvania là J.W. Mauchly và J.P. Eckert thiết kế và chế tạo, trong khoảng thời gian 1943 đến 1946. Máy cũng sử dụng hệ thập phân ,nhưng dùng đèn điện tử thay cho rơ le cơ điện. Nhờ vậy, tốc độ tính toán tăng 1000 lần so với Mark-1. ENIAC dùng đến 18000 đèn điện tử. Ngoài ra, hai ông còn có một dự án chế tạo máy tính dùng hệ nhị phân , với bộ nhớ lớn dữ liệu lẫn các lệnh của chương trình, máy tính này được đặt tên là EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer) Ý tưởng xây dựng máy tính với chương trình lưu trữ trong bộ nhớ thật sự, đã được trình bày trong một công trình thế kĩ của nhà toán học gốc Hung John Von Neumann (mô hình máy tính của Von Neumann 1945 gắn liền với sự hiện thực khái niệm chương tình lưu trữ) Máy tính đầu tiên với chương trình lưu trữ trong bộ nhớ có tên Manchester Mark-1 do F Williams ở Đại học Manchester chế tạo từ năm 1946 đến năm 1948. Máy sử dụng hệ nhị phân và bộ nhớ tĩnh điện Năm 1949, Maurice Wilkes ( Đại học Cam bridge) và những người cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo máy EDSAC. EDSAC cũng sử dụng hệ nhị phân và hiện thực khái niệm chương trình lưu trữ Edited by Duc Long – Feb, 2005 11 3/. CÁC THẾ HỆ MÁY TÍNH MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ NHẤT Các máy tính ENIAC, Manchester Mark-1, EDVAC, EDSAC thuộc thế hệ thứ nhất của máy tính. Thế hệ này kéo dài từ khoảng giữa năm 1940 đến năm 1955. Đặc trưng của máy tính thế hệ thứ nhất là sự sử dụng đèn điện tử làm phần cơ bản , cùng với việc sử dụng bộ nhớ làm bằng dây trễ và bộ nhớ tĩnh điện. Phần lớn các máy tính ở thế hệ này đều hiện thực khái niệm chương trình lưu trữ, vào/ra dữ liệu bằng băng giấy đục lỗ , phiếu đục lỗ, băng từ. Các máy tính thế hệ này giải quyết được nhiều bài toán khoa học kĩ thuật và các bài toán phức tạp về dự báo thời tiết và năng lượng hạt nhân MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ HAI Xuất hiện từ sau năm 1955,. Đặc trưng của máy tính thế hệ thứ hai là sự sử dụng Transistor cùng với đèn điện tử . Bộ nhớ trong làm bằng xuyến từ. Cùng làm việc với băng từ xuất hiện thêm trống từ và đĩa từ. Những ý định về lập trình bằng ngôn ngữ cấp cao đã dẫn đến sự ra đời của các ngôn ngữ BO, Comercial Translator, Fact, Fortran, Mathmatic MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ BA Gồm các máy tính được chế tạo khoảng sau 1960. Do quá trình chế tạo các máy tính số phát triển không ngừng, nên khó xác định được thế hệ này bắt đầu và kết thúc khi nào. Nhưng có lẽ tiêu chuẩn quan trọng nhất để phân biệt máy tính thứ hai và máy tính thế hệ thứ ba là các tiêu chuẩn dựa trên khái niệm kiến trúc máy tính. Kiến trúc máy tính là hệ thống tính toán ở cấp tổng thể, bao gồm hệ thống lệnh , tổ chức bộ nhớ, hoạt động vào/ra,phương tiện lập trình cho người sử dụng .... Những thành tựu trong lĩnh vực điện tử, đã cho phép các nhà thiết kế máy tính xây dựng một kiến trúc máy tính thỏa mãn yêu cầu của bài toán cần giải quyết, cũng như của người lập trình. Hệ Điều Hành trở thành một bộ phận của máy tính, điều khiển mọi hoạt động của máy tính, khả năng đa lập trình đã ló dạng. Nhiều vấn đề về quản lý bộ nhớ, quản lý các thiết xuất/ nhập và các tài nguyên khác đã được đãm nhận bởi Hệ Điều Hành hoặc trực tiếp bằng phần cứng của máy tính MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ TƯ Là các máy tính được nghiên cứu và chế tạo từ sau năm 1970, tức gồm các máy tính chúng ta đang dùng. Được thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả các ngôn ngữ lập trình cấp cao và giảm nhẹ quá trình lập trình cho người sử dụng. Đặc trưng cho máy tính thế hệ thứ tư là việc sử dụng các mạch tích hợp làm pnần tử cơ bản, và sự xuất hiện bộ nhớ làm bằng MOS (Metal Oxide Semiconductor) có tốc độ truy xuất nhanh và dung lượng bộ nhớ tăng lên tới vài Mega Bytes MÁY TÍNH THẾ HỆ THỨ NĂM Trong những năm cuối thế kĩ 20 này, mọi người đang chờ đợi sự xuất hiện của máy tính thế hệ thứ năm, đã và đang được nghiên cứu chế tạo. Chưa thể nói trước các đặc trưng của nó, nhưng có thể khẳng định một đặc tính quan trọng nhất của nó là: trí thông minh Edited by Duc Long – Feb, 2005 12 BÀI MÁY TÍNH PC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG DẪN NHẬP: Bài học sẽ trình bày những khái niệm cơ bản về cấu trúc của một máy tính, cụ thể là máy vi tính và hoạt động của nó. 1./ CẤU TRÚC CỦA MỘT MÁY TÍNH PC Gồm 4 thành phần chính: CU ALU Reg Bộ xử lý trung tâm – CPU (Central processing unit) CPU Bộ nhớ (Main Memory) Các thiết bị nhập/ xuất (I/O devices) _ Màn hình (monitor) Tb Nhập Tb Xuất _ Bàn phím (keyboard) Bnhớ chính _ Máy in (printer) _ Con chuột (mouse) _ Máy quét (scanner) _ Máy đọc thẻ từ, đọc mã vạch, … _... BNHỚ PHỤ Thiết bị lưu trữ (Backing Storages) _ Đĩa từ : đĩa cứng, đĩa mềm (hard disk, floppy disk) Hình 5. Cấu trúc của máy PC _ Đĩa quang: CD ROM, CD-R, DVDs,… 2./ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH 2.1./ BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM - CPU: Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit), thường gọi tắt CPU, là não bộ của máy vi tính, điều khiển mọi hoạt động của máy, có chức năng xử lý, tính toán dữ liệu dưới sự điều khiển của một chương trình đã được lưu trữ trong bộ nhớ. CPU được thiết kế trên một vi mạch xử lý (IC) gồm các thành phần: + Bộ điều khiển (Control Unit – CU): có nhiệm thông dịch các lệnh của chương trình và điều khiển hoạt động xử lý. + Các thanh ghi (Register hay Immediate Access Store): vùng nhớ đặc biệt để CPU sử dụng lưu trữ tạm thời các lệnh và dữ liệu đang được xử lý. + Bộ làm tính (Arithmetic and Logic Unit – ALU): thực hiện các phép toán số học và luận lý. Trong thời gian gần đây, để tăng nhanh tốc độ xử lý của máy tính, một vùng nhớ đặc biệt có tốc độ truy cập nhanh phục vụ cho việc tăng tốc độ tính toán của CPU được thiết kế gọi là bộ nhớ ẩn (Cache memory). Bộ nhớ ẩn cũng được đặt ngay trong bên trong bộ xử lý và nối trực tiếp với mạch xử lý để lưu trữ các lệnh chuẩn bị được thực hiện, hay các lệnh thường xuyên được dùng để sẵn sàng cho CPU. Đối với loại máy XT (Extended technologies), CPU thường dùng là loại Intel 8086, 8088 (16 bit , tần số hoạt động: 4.7 -> 10MHz, dung lượng bộ nhớ: 512KB -> 640KB). Edited by Duc Long – Feb, 2005 13 Đối với loại máy AT (Advanced technologies), CPU thường là loại Intel 80286 (16 bit hay 32 bit, tần số hoạt động: 8 -> 33Mhz, dung lượng bộ nhớ từ 1MB trở lên), loại 80386, 80486. 80586, Pentium II, III, IV… và hiện nay đã có một số loại mới khác. Hình 6. Các dòng CPU i386SX, 486DX4, Pentium IV của Intel 2.2./ BỘ NHỚ: (MAIN MEMORY, CÒN ĐƯỢC GỌI LÀ BỘ NHỚ TRONG - INTERNAL MEMORY) Công việc chính của CPU là thi hành các lệnh của chương trình, nhưng tại một thời điểm thì CPU chỉ có thể giải quyết một ít dữ liệu đã được mã hoá dưới dạng nhị phân. Như vậy, phần còn lại của dữ liệu được đọc vào cần phải có một nơi để lưu giữ lại sẵn sàng cho CPU xử lý. Đó chính là chức năng của khối bộ nhớ chính (Main Memory). Bộ nhớ chính là loại bộ nhớ được dùng để lưu trữ chương trình và dữ liệu trong thời gian xử lý, cấu tạo là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu tế bào nhớ (Storage Cell). Bộ nhớ chính của máy tính gồm có: ROM và RAM. a. Bộ nhớ chỉ đọc - ROM (Read only memory): Bộ nhớ chỉ đọc , dùng để lưu trữ các chương trình hệ thống được cài đặt sẵn do nhà sản xuất cung cấp (như các chương trình kiểm tra các thiết bị, các chương trình khởi động máy, các chương trình nhập xuất cơ bản nên còn gọi là ROM BIOS). Khi bật máy , các chương trình này sẽ được tự động thi hành, ngoài ra các dữ liệu ghi trong ROM không bị mất đi khi tắt máy , và cũng không thể thay đổi cập nhật. Do đó ROM còn được gọi là BỘ NHỚ CHẾT. b. Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên - RAM (Random access memory): Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên, dùng để lưu trữ các dữ liệu Hình 7. Hình dáng của RAM và chương trình tạm thời trong quá trình làm việc với máy tính. Có thể đọc và ghi dữ liệu trên RAM, nhưng dữ liệu sẽ bị mất đi khi khởi động lại hay tắt máy. RAM còn được gọi là BỘ NHỚ SỐNG. Tổ chức dữ liệu trong bộ nhớ: Bộ nhớ là một dạng mạch điện tử, do cấu tạo từ các thành phần chỉ có hai trạng thái nên được biểu thị bằng hai trạng thái 0 và 1.Trong máy tính dùng BIT (binary digit) làm đơn vị cơ bản để diễn tả hai trạng thái trên, vì vậy khi đưa dữ liệu vào máy tính cần phải chuyển chúng thành tổ hợp các BIT thì máy tính mới hiểu được (Bit được xem là cơ sở để đo lường thông tin) Do đó, đơn vị nhỏ nhất để đo lường sự lưu trữ thông tin của bộ nhớ(đơn vị đo dung lượng bộ nhớ) là BYTE. Edited by Duc Long – Feb, 2005 14 Theo tiêu chuẩn của bảng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange), thì 1 Byte có thể biểu diễn được 1 kí tự (bảng mã này có thể mã hóa được 28 kí tự <=> 256 kí tự ) Ta có các đơn vị tính như sau: 1 BYTE có 8 BIT. 1 KB (Kilobyte) = 1024 BYTES = 210 BYTES 1 MB (Megabyte) = 1024 KB = 1024 × 1024 BYTES = 1.048.576 BYTES 1 GB (Gigabyte) = 1024 MB 1 TB (Terabyte) = 1024 GB Cách làm việc của bộ nhớ: Lưu trữ trong bộ nhớ có thể là tập lệnh chương trình hay dữ liệu của hình ảnh, các con số của phép tính số học hay luận lý và cũng có khi là các ký tự chữ cái. Bộ nhớ gồm các ô nhớ được đánh số thứ tự (bắt đầu từ 0). Số thứ tự của một ô nhớ được gọi là địa chỉ của ô nhớ, và khi thực hiện chương trình thì máy tính sẽ truy nhập nội dung thông tin ghi trong ô nhớ thông qua các địa chỉ này. Bộ nhớ chính của máy PC phổ biến hiện nay có dung lượng 64MB, 128MB, 256MB (bộ nhớ được đề cập ở đây thường gọi là các thanh RAM, nằm ngoài CPU). Hoạt động của máy tính: Khi khởi động máy, CPU tự động đọc thông tin trong ROM và thi hành. Sau đó đọc đến thông tin trên đĩa khởi động và nạp các thông tin hệ điều hành (HĐH) trên đĩa vào bộ nhớ RAM. Các thông tin lưu trên RAM ở các ô nhớ và CPU có thể thực hiện các tác vụ để khởi động. Sau khi các thao tác này kết thúc thì hệ thống đã xem như sẵn sàng để hoạt động (hết nhiệm vụ khởi động của HĐH), lúc đó thì chương trình sẽ được nạp vào bộ nhớ nếu người sử dụng có yêu cầu và CPU sẽ thực hiện tuần tự. 3./ CÁC THIẾT BỊ NHẬP/ XUẤT (INPUT/ OUTPUT DEVICES) 3.1./ THIẾT BỊ NHẬP: a.Bàn phím: ( Keyboard ) Bàn phím là thiết bị nhập chuẩn, dùng để thao tác, hội thoại, đưa dữ liệu từ ngoài vào máy tính, thường có 101 – 105 phím. Hình 8. Bàn phím loại QWERT Bàn phím có thể thiết kế gắn liền vào máy tính hoặc tách rời, thường được chia thành 3 nhóm chính: Nhóm phím chức năng (Function Keys): các phím F1, .., F12 và một số phím đặc biệt như ALT, CTRL, DEL... Nhóm phím các ký tự thông thường: A,B,$,%, 1,2,3, ... Nhóm phím số (NumPad - nằm phía tay phải) Loại bàn phím thông dụng và được chấp nhận nhiều nhất trên thế giới là loại bàn phím QWERT. b. Con chuột: (Mouse) Con chuột là thiết bị giúp thao tác di chuyển con trỏ chuột (Mouse Pointer) 1 cách nhanh chóng, hoặc dùng để chọn, chuyển dịch một đối tượng từ nơi này sang nơi khác. Edited by Duc Long – Feb, 2005 15 Con chuột thường được thể hiện thông qua con trỏ trên màn hình. Khi người sử dụng di chuyển con chuột trên mặt bàn thì con trỏ cũng di chuyển trên màn hình. Một số loại con chuột thông dụng: + Con chuột chuẩn: gồm các nút nhấn ở trên và một viên bi ở dưới, có cấu tạo nhỏ gọn và nối máy tính bởi một sợi dây thông qua cổng giao tiếp COM, PS2, hoặc USB. + Con chuột Tracker ball: giống như một con chuột bị lật ngửa lên, viên bi hướng nằm ở trên. + Phiến nhấn Touch sensitive pad (Track pad): thường gặp ở các máy tính xách tay (Laptop computer). Phiến nhấn là một bề mặt nhỏ nhạy cảm với những áp lực tác động lên nó, người dùng di chuyển con trỏ bằng cách rê ngón tay trên phiến nhấn. Hình 9. Con chuột chuẩn c. Cần điều khiển: (Joystick) Giống như cần điều khiển trong máy trò chơi điện tử, thao tác giống như con chuột Tracker ball. d. Màn hình cảm ứng: (Touch screen) Màn hình thiết kế đặc biệt để có thể cảm nhận được sự chỉ điểm của ngón tay hay vật nào đó đối với màn hình. Loại màn hình này thích hợp sử dụng trong ngân hàng, cao ốc văn phòng, nhà hàng, … e. Bàn vẽ: (Graphics tables/ Digitisers) Bàn vẽ là thiết bị đặc dụng dành cho những nhà thiết kế, hoạ sỹ. Có nhiều loại kích cỡ từ khổ A4 đến khổ A0. f. Thiết bị đọc thẻ: (Barcode Reader, Magnetic Stripe Reader) Các thiết bị đọc được chế tạo để đáp ứng khả năng bị giới hạn khả năng đưa dữ liệu – thông tin văn bản trực tiếp trên giấy, hay chuyển các thông tin đã in ra cho máy tính xử lý. Có nhiều kiểu loại thiết bị đọc thẻ như: thiết bị đọc mã vạch, thiết bị đọc thẻ từ, … Hình 10. Thiết bị đọc thẻ từ, thẻ từ, thẻ mã vạch g. Máy quét: (Scanner) Máy quét là thiết bị dùng để quét văn bản hay hình ảnh vào trong bộ nhớ máy tính để xử lý hay lưu trữ,… Edited by Duc Long – Feb, 2005 Hình 11. Máy quét 16 h. Máy ảnh kỹ thuật số: (Digital Cameras) Giống như máy ảnh truyền thống nhưng không có phim, được thay thế bằng bộ nhớ để lưu trữ hình ảnh, cũng như nhiều thông tin khác (như âm thanh, văn bản, …). Với máy ảnh kỹ thuật số cũng phải cần có một phần mềm đặc biệt để biên tập, lưu trữ và hiển thị các ảnh trên máy tính. Webcam là một dạng máy ảnh kỹ thuật số, không có bộ nhớ, được nối trực tiếp với máy tính thông qua cổng USB. Thường dùng nhiều trong dịch vụ VoiceChat trên Internet để có thể truyền thông trực tiếp bằng hình ảnh qua mạng. Hình 12. Caméra và Webcam i. Một số thiết bị khác như : Punched Card (Kimball tag), Voice recognition (Microphone) Phiếu đục lỗ (Punched Card) chứa những lỗ ở các vị trí khác nhau biểu thị cho thông tin khi được đọc bằng thiết bị đọc lỗ. Trước khi màn hình và bàn phím được sử rộng phổ biến thì phiếu đục lỗ là phương pháp chính để nhập dữ liệu vào máy tính, dạng vẫn còn sử dụng hiện nay là Kimball tag (phiếu nhỏ được đục lỗ thường dùng trong các cửa hàng quần áo, siêu thị, …) Thiết bị nhận dạng âm thanh dùng để đưa âm thanh, tiếng nói vào máy tính. Microphone được sử dụng như là một thiết bị nhập trong hệ thống nhận dạng tiếng nói. 3.2./ THIẾT BỊ XUẤT: a.Màn hình;(Monitor hay Video display units - VDUs) Màn hình là thiết bị xuất chuẩn, được dùng để hiển thị thông tin cho người sử dụng xem, về cấu tạo cơ bản giống như TV. Màn hình có nhiều kích thước và độ phân giải (Resolution - số điểm ảnh thể hiện trên màn hình) khác nhau Hiện nay có 2 loại màn hình căn cứ trên độ phân giải ( Resolution ) và màu sắc. Màn hình đơn sắc ( Monochrome) chỉ có 2 màu, chữ trắng trên nền đen. Màn hình màu gồm các loại: CGA (Color graphics Adaptor) 8 × 8 640 × 200 EGA (Enhanced Adaptor ) 8 × 14 640 × 350 VGA (Video graphics Array) 10 × 24 640 × 480 1024 × 768 SVGA. Màn hình có 2 kiểu làm việc khác nhau: kiểu văn bản (Text mode ) hoăc kiểu đồ họa (Graphics mode ). Kiểu văn bản: màn hình thường có 25 dòng ( 0 24) và 80 cột ( 0 79) hiển thị ở dạng kí tự thông thường và đơn giản. Kiểu đồ họa : được sử dụng để hiển thị các ký hiệu hay các hình vẽ phức tạp. Màn hình tinh thể lỏng (Liquid crystal display – LCD): thường dùng với các máy tính PC hoặc Laptop computer do kích thước nhỏ gọn và nhẹ. Hình 13. Màn hình màu SVGA Edited by Duc Long – Feb, 2005 17 Màn hình đồ hoạ (Graphical display unit); thường có kích thước lớn hơn và độ phân giải cao hơn các VDUs bình thường. Màn hình đồ hoạ hay được sử dụng với bút cảm quang (Light pen - thiết bị nhập chủ yếu dùng trong các công việc thiết kế). b. Máy In: (Printer) Máy in là thiết bị dùng để xuất thông tin ra giấy. Có 2 loại máy in: In kim (Dot-matrix) 9, 24 kim In Laser (Laser-jet) hay in phun mực (Ink-jet) Hình 14. Máy in Laser và máy in kim Máy in Laser (Laser printer) thường có tốc độ in cao và chất lượng in đẹp đối với văn bản lẫn đồ hoạ. Máy in Laser có hộp đựng mực bột (toner cartridges) chứa mực in ở dạng bột đã được tích điện (fine powdered black plastic) gọi là toner, máy in khi hoạt động sẽ làm nóng chảy mực để dính lên giấy. Máy in phun (Ink-jet printer, hay còn gọi bubble-jet printer) có giá thành rẻ hơn máy in Laser, cho bản in có chất lượng với đen trắng lẫn màu. Tuy nhiên, máy in phun có khuyết điểm là mực in (ink cartridges) phải thường xuyên thay thế (do hao mực khi in) và mắc tiền. Máy in kim (Dot-matrix printer) hiện nay hầu hết được thay thế bởi máy in Laser và máy in phun do các khuyết điểm về tốc độ in chậm, chất lượng in không cao, nhiều tiếng ồn, … Tuy nhiên, máy in kim vẫn được sử dụng trong một số trường hợp in nhiều trang liên tục như: in hoá đơn trong siêu thị, in hoá đơn tiền điện, in giấy báo thi đại học, … c. Máy vẽ: (Graph plotter) Máy vẽ là một dạng máy in tạo ra các hình chất lượng cao bằng di chuyển các bút mực trên mặt giấy. Máy in di chuyển bút theo sự điều khiển của máy tính nên việc in thực hiện tự động. Các máy vẽ được dùng rộng rãi trong công tác thiết kế bằng máy tính và đồ hoạ biểu diễn. d. Tín hiệu điện: (Electrical signals) Đôi khi đầu ra từ một hệ thống máy tính có thể đơn giản là một dãy các tín hiệu điện. Đây là trường hợp mà máy tính được sử dụng như là một thiết bị đầu cuối và công việc của nó là gởi các tín hiệu điện từ xa đến một máy tính chủ. Edited by Duc Long – Feb, 2005 Hình 15. Máy vẽ 18 4./ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY TÍNH -Máy tính là một hệ thống thiết bị xử lý thông tin theo một chương trình định trước (dựa trên nguyên lý thiết kế máy tính của Von Neumann). Hoạt động của máy tính được điều khiển bằng chương trình lưu giữ trong bộ nhớ, bộ nhớ được chia thành các ô nhớ có địa chỉ, việc truy nhập nội dung các ô nhớ được thực hiện thông qua các địa chỉ của nó. -Tại mỗi thời điểm máy tính thực hiện một lệnh rất nhanh tuỳ theo tốc độ xử lý của máy. Máy tính hiện nay có thể thực hiện hàng chục vạn lệnh đến hàng triệu lệnh trong một giây. -Thông tin về một lệnh bao gồm: Địa chỉ của lệnh trong bộ nhớ Mã lệnh của thao tác cần thực hiện Địa chỉ của các ô nhớ liên quan Địa chỉ của các ô nhớ là cố định nhưng nội dung ghi ở đó có thể thay đổi trong quá trình máy tính làm việc. -Khi xử lý thông tin, máy tính xử lý đồng thời một dãy bit (chứ không xử lý đơn thuần tuần tự từng bit), Dãy bit như vậy được gọi là từ máy (Word), độ dài từ máy có thể 8 (1Byte), 16 (2Byte), 32 (4Byte), hay 64 (8Byte) phụ thuộc từng máy. Lệnh địa chỉ ô nhớ Program 0 1 2 3 … 1 ô nhớ Mã lệnh 1 Mã lệnh 2 … … … 1 word Lệnh: -Địa chỉ -Mã lệnh -Địa chỉ lquan CPU Bộ nhớ (RAM) Hình 16. Sơ đồ hoạt động của máy tính khi thực hiện một lệnh từ thiết bị nhập Edited by Duc Long – Feb, 2005 19 BÀI ĐỌC THÊM SỰ RA ĐỜI CỦA MỘT NGUYÊN LÝ LỚN Khoảng thời gian từ năm 1937 đến năm 1943, nhà toán học Hovard Aiken tại đại học Havard đã cùng một nhóm kỹ sư của hãng IBM hoàn thành việc chế tạo máy tính điện tử Mark-1. Đó là chiếc máy tính khổng lồ về kích thước, nặng tới 5 tấn, dùng rơle, được điều khiển bằng chương trình mã bằng các lỗ đục trên giấy có giá thành 500 nghìn dollar Mỹ. Máy có thể làm phép nhân các số có 23 chữ số trong thời gian 3 giây và do đó giải dễ dàng các bài toán cho quốc phòng. Mark-1 được sử dụng để tính toán đường đạn cho pháo binh. Sau này dù có những máy tính tân tiến hơn nhưng Mark-1 vẫn được sử dụng trong Phòng Toán học tính toán của Đại học Havard cho đến tận năm 1959 trong vai trò đào tạo các chuyên gia thiết kế máy tính. Một máy tính khác mang tên ENIAC do Eckert và Mauchly thuộc trường Kỹ thuật cao, Đại học Pensylvania thiết kế. Giống như Mark-1, ENIAC sử dụng trực tiếp dạng biểu diễn thập phân của các số nhưng tốc độ cao hơn Mark-1 tới 1000 lần vì đã thay các rơle bằng các bóng điện tử. ENIAC đã đạt đến giới hạn của kỹ thuật thời đương đại với cấu trúc chứa gần hai chục nghìn bóng điện tử. Trước thời điểm đó không hề có máy nào sử dụng đến 2000 bóng điện tử. Vấn đề hóc búa nhất trong quá trình bảo dưỡng máy là sự cố cháy bóng. Trong vòng một năm, người ta đã phải thay tới 19 nghìn bóng điện từ bị cháy, tức là thay tới 100% số bóng hiện có của máy tính. ENIAC chính là máy tính điện tử tự động vạn năng đầu tiên theo đúng nghĩa của từ này: sử dụng các linh kiện điện tử, làm việc tự động theo chương trình và giải nhiều lớp bài toán ứng dụng khác nhau. Mauchly và Eckert sớm hiểu rằng sức mạnh của máy tính thể hiện ở tiềm năng chứa và xử lý lượng thông tin lớn và do đó các thiết bị điện cơ không thể đảm đương nổi các chức năng như vậy. Tại thời điểm này, thanh ghi tổng của ENIAC chỉ có thể chứa được những số hệ thập phân dài tối đa 20 chữ số. Điều phiền toái lớn nhất trong dòng các máy tính chế tạo vào thời gian đó kể cả ENIAC là không thể tổ chức được các lệnh biến thiên. Với các máy tính hiện đại thì ta có thể dễ dàng cài đặt câu lệnh While E do A, chẳng hạn bằng hợp ngữ, nhưng với ENIAC thì việc cài đặt không dễ chút nào. Vì sao vậy? Vì trong các họ máy thời đó, dữ liệu và chương trình, tức là dãy lệnh xử lý dữ liệu đó được đặt tại hai vùng riêng biệt. Tóm lại là chúng ta muốn có các chương trình có khả năng thay đổi trong quá trình thực hiện. Nguyên lý này được gọi là "Nguyên lý chương trình thay đổi". Ta có thể dễ dàng thực hiện được nguyên lý này nếu chương trình và dữ liệu được lưu trữ trong cùng một vùng nhớ. Lúc đó ta có thể xem mỗi câu lệnh hoặc mỗi tham biến điều khiển của một câu lệnh cũng là một đơn vị dữ liệu và do đó dễ dàng thay đổi chúng. Chính vì vậy mà người ta thường nói về "Nguyên lý chương trình lưu trữ" với ý nghĩa là trước khi thực hiện, chương trình và dữ liệu phải được lưu trữ đồng thời trong cùng một vùng nhớ của máy tính. Từ năm 1943 Mauchly và Eckert bắt đầu nghiền ngẫm về ý tưởng cho ra đời một loại máy tính chứa lượng dữ liệu lớn và hoạt động theo nguyên lý chương trình lưu trữ trước khi ENIAC được khởi công tới hai năm. Nguyên lý mới này sẽ làm thay đổi cơ bản thiết kế máy tính và là cơ sở để xây dựng các ngữ trình bậc cao. Hai ông đề nghị đặt tên cho máy mới là EDVAC (Electronic Discret Variable Automatic Computer) và sử dụng các đường trễ thuỷ ngân được dùng rộng rãi trong thời chiến, trong các thiết bị định khoảng thời gian dịch chuyển của các đối tượng chuyển động làm đơn vị lưu trữ trong. Đó là các ống chứa thuỷ ngân dường như có khả năng tập trung các xung điện, để đến một điều kiện thích hợp thì giải phóng chúng. Một đặc điểm nữa của máy EDVAC là dùng hệ nhị phân cho biểu diễn dữ liệu do đó đã đơn giản hoá thiết kế, giản lược đáng kể các sơ đồ của bộ số học. Trong khi Mauchly và Eckert phác thảo thiết kế thì một nhà toán học lỗi lạc gốc Hung là Von Neumann đã chấp bút mô tả dưới dạng tổng quát tư tưởng chương trình lưu trữ trong bộ nhớ. Bản viết của Neumann dày 101 trang được trình bầy rõ ràng, khúc triết với sức thuyết phục rất cao. Tuy nhiên, vào ngày 1/6/1945, một thành viên của nhóm là German Goldstein đã vội vàng phân phát bản báo cáo trên cho hơn 30 chuyên gia dưới tiêu đề "Dự thảo báo cáo về máy tính EDVAC" trong đó Neumann được giới thiệu như tác giả duy nhất của các nguyên lý mới. Nhờ khả năng diễn tả kỳ tài của Neumann, bản báo cáo đã có được sức thuyết phục đáng kể mà thiếu nó sẽ rất khó có thể tranh thủ được sự ủng hộ của các thành viên Hội đồng cấp cao đối với dự án. Tuy nhiên, việc phân phát báo cáo quá sớm cũng gây ra cuộc tranh luận dài ngày về bản quyền phát minh nguyên lý chương trình lưu trữ trên bộ nhớ trong khiến Mauchly và Eckert không thể nhận được quyền phát minh. Cộng với nhiều lý do khác Mauchly và Eckert đã rời Đại học Pensylvania vào ngày 2 tháng 3 năm 1946 để lập công ty riêng. Mất hai thành viên đầu đàn, công việc xây dựng EDVAC bị ngừng trệ. Từ năm 1946 đến năm 1950, Neumann chỉ đạo thiết kế máy tính IAS (lấy tên của Institute for Advanced Study-Viện nghiên cứu các vấn đề hiện đại). Thành tựu này quả là một cuộc cách mạng xuất chúng. Lần đầu tiên tư tưởng xử lý song song được thể hiện trong máy tính. Nguyên lý Edited by Duc Long – Feb, 2005 20