Giáo trình tin học căn bản trường đại học maketing

Tài liệu này dành cho sinh viên, giáo viên khối ngành công nghệ thông tin tham khảo và có những bài học bổ ích hơn, bổ trợ cho việc tìm kiếm tài liệu, giáo án, giáo trình, bài giảng các môn học khối ngành công nghệ thông tin Khoa Công ngh Thông Tin

TRƯỜNG ðẠI HỌC MARKETING KHOA TIN HỌC QUẢN LÝ - OoO -

BÀI GIẢNG MÔN HỌC : TIN HỌC CĂN BẢN

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MÁY TÍNH

I MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 Dữ liệu (Data)

Trong ngữ cảnh của ngành khoa học máy tính, người ta quan niệm rằng dữ liệu là các con số, chữ cái, hình ảnh, âm thanh,… mà máy tính có thể tiếp nhận và xử lý Bản thân từng dữ liệu rời rạc thường không có ý nghĩa với con người

2 Thông tin (Information)

Thông tin là tất cả những gì mà con người có thể cảm nhận ñược một cách trực

tiếp hay gián tiếp thông qua các giác quan của mình (khứu giác, vị giác, thính giác, xúc giác, thị giác và giác quan thứ 6) và các phương tiện kỹ thuật Thông tin ñối với con người luôn có một ý nghĩa nào ñó

Với phương tiện máy tính (mà cụ thể là các thiết bị ñầu ra), con người sẽ tiếp thu ñược một phần dữ liệu có ý nghĩa ñối với mình Nếu so

về số lượng, dữ liệu thường nhiều hơn thông tin

Cũng có thể quan niệm thông tin là quan hệ giữa các dữ liệu các dữ liệu này ñược sắp xếp theo một thứ tự hay ñược tập hợp lại theo một quan hệ nào ñó sẽ chứa ñựng thông tin Nếu những quan hệ này ñược chỉ ra một cách rõ ràng thì ñó là các tri thức

Trong toán học, bản thân từng con số riêng lẻ như 1,1,3,5,8,2,13,… là các dữ liệu Tuy nhiên, khi ñặt chúng lại với nhau theo một trật tự như dưới ñây thì giữa chúng ñã bắt ñầu có một mối liên hệ

trừu tượng

Mối liên hệ này có thể ñược biểu diễn bằng công thức sau :

Un = Un-1 + Un-2

Công thức nêu trên chính là tri thức

Trong vật lý, bảng sau ñây cho chúng ta biết số ño về ñiện trở (R), ñiện thế (U) và cường ñộ dòng ñiện (I) trong một mạch ñiện :

Bản thân những con số trong các cột của bảng trên không có mấy ý nghĩa nếu ta tách rời chúng ra Nhưng khi ñặt kế nhau, chúng ñã cho thấy có một sự liên hệ nào

ñó Và mối liên hệ này có thể ñược diễn tả bằng công thức ñơn giản sau :

R

U

I =

Công thức này là tri thức

Trong cuộc sống hàng ngày, người nông dân vẫn quan sát thấy các hiện tượng nắng, mưa, râm và chuồn chuồn bay Rất nhiều lần quan sát, họ ñã có nhận xét như sau : “ Chuồn chuồn bay thấp thì mưa, bay cao thì nắng, bay vừa thì râm “

Lời nhận xét trên là tri thức

Như vậy so với dữ liệu thì tri thức có số lượng ít hơn rất nhiều thuật ngữ ít ở ñây không chỉ ñơn giản là một dấu nhỏ hơn bình thường mà là sự kết tinh hoặc cô ñọnglại Chúng ta hãy hình dung dữ liệu như là những ñiểm trên mặt phẳng còn tri thức chính là phương trình của ñường cong nối tất cả những ñiểm này lại Chỉ cần một phương trình ñường cong ta có thể biểu diễn ñược vô số diểm Cũng vậy, chúng ta cần

có những kinh nghiệm, nhận xét từ hàng ñống số liệu thống kê, nếu không, chúng ta

sẽ ngập chìm trong biển thông tin như nhà bác học Karan Sing ñã cảnh báo

4 Tin học (Informatics)

Tin học (Informatics) ñược ñịnh nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu các phương pháp, công nghệ và kỹ thuật xử lý thông tin tự ñộng Công cụ chủ yếu của tin học là máy tính ñiện tử và các thiết bị truyền tin khác Việc nghiên cứu chính của tin học nhắm vào 2 kỹ thuật phát triển song song :

- Kỹ thuật phần cứng (hardware engineering): nghiên cứu chế tạo các thiết bị, linh kiện ñiện tử, công nghệ vật liệu mớ1 hỗ trợ cho máy tính và mạng máy tính ñẩy mạnh khả năng xử lý toán học và truyền thông thông tin

- Kỹ thuật phần mềm (software engineering): nghiên cứu phát triển các hệ ñiều hành, ngôn ngữ lập trìnhcho các bài toán khoa học kỹ thuật, mô phỏng, ñiều khiển

tự ñộng, tổ chức dữ liệu và quản lý hệ thống thông tin

II LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY TÍNH đIỆN TỬ

Trong suốt giai ựoạn phát triển của máy tắnh ựiện tử, người ta ựã thiết kế và chế tạo

hàng trăm loại máy tình khác nhau Hàu hết ựã bị lãng quên, nhưng một số có tác ựộ lớn ựến những ý tưởng ựương ựại trong phần này chúng ta sẽ khái quát mộ số giai ựoạn phát triển chủ yếu nhằm hiểu

rõ hơn việc làm sao chúng ta có ựược như ngày hôm nay

1 Thế hệ thứ 0 Ờ Máy tắnh cơ khắ (1642 - 1945)

Người ựầu tiên chế tạo máy tắnh là nhà khoa học Pháp Blaise Pascal 1662) Ông chế tạo năm 1642 lúc 19 tuổi ựể giúp cho cha ông thu thuế cho chắnh phủ Pháp Nó hoàn tón mang tắnh cơ học, sử dụng bánh răng và vận hành qua cần khuỷu quay tay Chiếc máy này chỉ thực

(1623-hiên ựược phép cộng và trừ

- 30 năm sau, nhà toán học đức vĩ ựại

Baron Gottfried Wilhelm Von Leibniz

(1646-1716) ựã chế tạo ra máy tắnh cơ

học khác có khả năng tắnh ựươc phép

nhân, chia nữa (cách ựây 3 thế kỷ,

Leibniz ựã chế tạo chiếc máy tương

ựương máy tắnh bỏ túi 4 chức năng)

- Charles Babbage(1792-1871) Ờ môt

giáo sư toán học ở trường ựại học tổng hợp Camridge ựã thiết kế và chế tạo chiếc máy tắnh thực hiện các phép tắnh như máy của Pascal ựể tắnh các bảng số

sử dụng trong hải quân

- Chiếc máy này ựược thiết kế ựể chạy một thuật toán duy nhất Ờ phương pháp sai phân hữu hạn sử dụng ựa thức

- đặc ựiểm ựáng chú ý nhất của chiếc máy này là phương pháp ựưa số liệu ra ngoài: nó ựục kết quả lên một tấm ựồng đó là dấu hiệu của các thiết bị ghi ựược một lần (write once) sau này như bìa ựục lỗ, ựĩa quang, Ầ

Babbage ựã lao vào nghiên cứu cải tiến nó và cho ra ựời chiếc máy mới, ông gọi

là máy phân tắch (Analitical Engine) bao gồm 4 phần sau :

Ớ Ộ the store Ợ : bộ nhớ của máy

Ớ Ộ the mill Ợ : ựơn vị tắnh toán

Ớ Ộ the input section Ộ : thiết bị vào (máy ựọc bìa ựục lỗ)

Ớ Ộ the output section Ộ : thiết bị ra (thiết bị ựục bìa)

đơn vị tắnh toán nhận các toán hạng từ bộ nhớ; công , trừ, nhân hay chia chúng rồi lại gởi kết quả ra bộ nhớ

Máy ựọc các lệnh từ bìa ựục lỗ rồi thực hiện lệnh do ựó nó có thể thực hiện ựược các công việc tắnh toán khác nhau Do ựó nó ựa năng

Chương trình ghi (ựục) trên các bìa chắnh là các Ộphần mềmỢ cho máy

Tư tưởng của Babbage vượt quá xa thời ựại của ông, có thể nói rằng Babbage

là ông tổ của máy tắnh số hiện ựại

2 Thế hệ thứ 1 – Máy tính dùng ñèn ñiện tử (1945-1955)

a Máy tính ENIAC

Máy ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), do John Mauchly và John Presper Eckert (ñại học Pensylvania, Mỹ) thiết kế và chế tạo, là chiếc máy số hoá ñiện tử ña năng ñầu tiên trên thế giới

Nguồn gốc: Dự án chế tạo máy ENIAC ñược bắt ñầu vào năm 1943 ðây là một

nỗ lực nhằm ñáp ứng yêu cầu thời chiến của BRL (Ballistics Research Laboratory – Phòng nghiên cứu ñạn ñạo quân ñội Mỹ) trong việc tính toán chính xác và nhanh chóng các bảng số liệu ñạn ñạo cho từng loại vũ khí mới

Số liệu kỹ thuật: ENIAC là một chiếc máy khổng lồ với hơn 18000 bóng ñèn chân không, nặng hơn 30 tấn, tiêu thụ một lượng ñiện năng vào khoảng 140kW và chiếm một diện tích xấp xỉ 1393 m2 Mặc

dù vậy, nó làm việc nhanh hơn nhiều so với các loại máy tính ñiện cơ cùng thời với khả năng thực hiện 5000 phép cộng trong một giây ñồng hồ

ðiểm khác biệt giữa ENIAC & các máy tính khác : ENIAC sử dụng hệ ñếm thập phân chứ không phải nhị phân như ở tất cả các máy tính khác Với ENIAC, các con số ñược biểu diễn dưới dạng thập phân và việc tính toán cũng ñược thực hiện trên hệ thập phân Bộ nhớ của máy gồm 20 "bộ tích lũy", mỗi bộ có khả năng lưu giữ một số thập phân có 10 chữ số Mỗi chữ số ñược thể hiện bằng một vòng gồm 10 ñèn chân không, trong ñó tại mỗi thời ñiểm, chỉ có một ñèn ở trạng thái bật ñể thể hiện một trong mười chữ số từ 0 ñến 9 của hệ thập phân Việc lập trình trên ENIAC là một công việc vất vả vì phải thực hiện nối dây bằng tay qua việc ñóng/mở các công tắc cũng như cắm vào hoặc rút ra các dây cáp ñiện

Với sự ra ñời và thành công của máy ENIAC , năm 1946 ñược xem như năm mở ñầu cho kỷ nguyên máy tính ñiện tử, kết thúc sự nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học ñã kéo dài trong nhiều năm liền trước ñó

b Máy tính von Neumann

Như ñã ñề cập ở trên, việc lập trình trên máy ENIAC là một công việc rất tẻ nhạt và tốn kém nhiều thời gian Công việc này có lẻ sẽ ñơn giản hơn nếu chương trình có thể ñược biểu diễn dưới dạng thích hợp cho việc lưu trữ trong bộ nhớ cùng với dữ liệu cần xử lý Khi ñó máy tính chỉ cần lấy chỉ thị bằng cách ñọc từ bộ nhớ, ngoài ra chương trình có thể ñược thiết lập hay thay ñổi thông qua sự chỉnh sửa các giá trị lưu trong một phần nào ñó của bộ nhớ

Ý tưởng này, ñược biết ñến với tên gọi "khái niệm chương trình ñược lưu trữ", do nhà toán học John von Neumann, một cố vấn của dự án ENIAC, ñưa ra ngày 8/11/1945, trong một bản ñề xuất về một loại máy tính mới có tên gọi EDVAC

(Electronic Discrete Variable Computer) Máy tắnh này cho phép nhiều thuật toán khác nhau có thể ựược tiến hành trong máy tắnh mà không cần phải nối dây lại như máy ENIAC

c Máy tắnh IAS

Tiếp tục với ý tưởng của mình, vào năm 1946, von Neuman cùng các ựồng nghiệp bắt tay vào thiết kế một máy tắnh mới có chương trình ựược lưu trữ với tên gọi IAS (Institute for Advanced Studies) tại học viện nghiên cứu cao cấp Princeton,

Mỹ Mặc dù mãi ựến năm 1952 máy IAS mới ựược hoàn tất, nó vẫn là mô hình cho tất cả các máy tắnh ựa năng sau này

Cấu trúc tổng quát của máy IAS, như ựược minh họa trên hình 2.1, gồm có :

Một bộ nhớ chắnh ựể lưu trữ dữ liệu và chương trình

Một ựơn vị số học Ờ luận lý (ALU Ờ Arithmetic and Logic Unit) có khả năng thao tác trên dữ liệu nhị phân

Một ựơn vị ựiều khiển có nhiệm vụ thông dịch các chỉ thị trong bộ nhớ và làm cho chúng ựược thực thi

Thiết bị nhập/xuất ựược vận hành bởi ựơn vị ựiều khiển

Hầu hết các máy tắnh hiện nay ựều có chung cấu trúc và chức năng tổng quát như trên Do vậy chúng còn có tên gọi chung là các máy von Neumann

Hình 2.1 Cấu trúc của máy IAS

3 Thế hệ thứ 2 Ờ Máy tắnh dùng Transistor (1955 Ờ 1965 ) :

Sự thay ựổi ựầu tiên trong lĩnh vực máy tắnh ựiện tử xuất hiện khi có sự thay thế ựèn chân không bằng ựèn bán dẫn đèn bán dẫn nhỏ hơn, rẻ

hơn, tỏa nhiệt ắt hơn trong khi vẫn có thể ựược sử dụng theo

cùng cách thức của ựèn chân không ựể tạo nên máy tắnh

Không như ựèn chân không vốn ựòi hỏi phải có dây, có bảng

kim loại, có bao thủy tinh và chân không, ựèn bán dẫn là thiết

bị ở trạng thái rắn ựược chế tạo từ silicon có nhiều trong cát

tự nhiên

đèn bán dẫn là phát minh lớn của phòng thắ nghiệm Bell

Labs trong năm 1947 Nó ựã tạo ra một cuộc cách mạng ựiện

tử trong những năm 50 của thế kỷ 20 Dù vậy, mãi ñến cuối những năm 50, các máy tính bán dẫn hóa hoàn toàn mới bắt ñầu xuất hiện trên thị trường máy tính Việc sử dụng ñèn bán dẫn trong chế tạo máy tính ñã xác ñịnh thế hệ máy tính thứ hai, với ñại diện tiêu biểu là máy PDP-1 của công ty DEC (Digital Equipment Corporation) và IBM

7094 của IBM DEC ñược thành lập vào năm 1957 và cũng trong năm ñó cho ra ñời sản phẩm ñầu tiên của mình là máy PDP-1 như ñã ñề cập ở trên ðây là chiếc máy mở ñầu cho dòng máy tính mini của DEC, vốn rất phổ biến trong các máy tính thế hệ thứ

ba

4 Thế hệ thứ 3 – Máy tính dùng mạch tích hợp (1965 – 1980) :

Sự phát minh ra mạch tích hợp vào năm 1958 ñã cách mạng hóa ñiện tử và bắt ñầu cho kỷ nguyên vi ñiện tử với nhiều thành tựu rực rỡ Mạch tích hợp chính là yếu tố xác ñịnh thế hệ thứ ba của máy tính

a Vi ñiện tử

Kể từ buổi ban ñầu của ñiện tử số và công nghiệp máy tính, mọi người ñã có một khuynh hướng nhất quán và vững chắc trong việc thu nhỏ kích thước các mạch ñiện tử số Trước khi xem xét những lợi ích do khuynh hướng này mang lại, chúng ta cần tìm hiểu ñôi chút về bản chất của ñiện tử số

Các phần tử cơ bản của một máy tính số, như chúng ta ñã biết, phải thực hiện các chức năng lưu trữ, di chuyển, xử lý, và ñiều khiển Chỉ có hai kiểu phần tử cơ sở cần thiết là cổng và ô nhớ, như ñược chỉ ra trong hình bên dưới

Các phần tử cơ bản của một máy tính

Cổng là một thiết bị cài ñặt một hàm luận lý hay Boolean ñơn giản, chẳng hạn như NẾU A VÀ B LÀ ðÚNG THÌ C LÀ ðÚNG (cổng AND) Những thiết bị như thế ñược gọi là cổng vì chúng ñiều khiển luồng dữ liệu gần giống với cách hoạt ñộng của những cổng tại các kênh ñào

Ô nhớ là một thiết bị có thể lưu trữ một bit dữ liệu; tức là nó có thể ở một trong hai trạng thái tại một thời ñiểm bất kỳ

Bằng cách liên kết một lượng lớn những thiết bị cơ sở này, chúng ta cĩ thể xây dựng được một máy tính Chúng ta cĩ thể liên hệ điều này với bốn chức năng cơ bản của máy tính như sau:

Lưu trữ dữ liệu: do ơ nhớ cung cấp

Do đĩ, máy tính sẽ bao gồm các cổng, các ơ nhớ, cũng như thành phần liên kết chúng Cổng và ơ nhớ lại được tạo nên từ những thành phần điện tử số đơn giản Mặc dù cơng nghệ bán dẫn đã được giới thiệu trong các máy tính thế hệ thứ hai, nhiều bài tốn vẫn cịn tồn tại Các đèn bán dẫn được đặt riêng lẻ trong các gĩi và được liên kết lại trên những bảng mạch in thơng qua các dây rời rạc ðây là một quá trình phức tạp, tốn thời gian và dễ cĩ lỗi

Cơng nghệ mạch tích hợp khai thác sự kiện là những thành phần như thế (đèn bán dẫn, điện trở, và chất dẫn điện) cĩ thể làm hàng loạt từ một chất bán dẫn như silicon Hàng trăm, thậm chí hàng ngàn đèn bán dẫn cĩ thể được tạo ra cùng một lúc trên một vỉ silicon Mỗi vỉ silicon mỏng được chia thành một ma trận các vùng con cĩ kích thước độ vài milimet vuơng Một mẫu mạch đồng nhất sẽ được tạo ra trên từng vùng con này và sau đĩ vỉ được cắt ra thành các chip Mỗi chip cĩ nhiều cổng và một số điểm tiếp xúc nhập/xuất Chip sẽ được đĩng gĩi và gắn thêm chân

để cĩ thể gắn vào các thiết bị khác Một số gĩi chip này sẽ được nối kết lại trên một bảng mạch in để sản xuất ra các mạch phức tạp hơn nữa

Vào lúc ban đầu, chỉ cĩ một số ít cổng hay ơ nhớ cĩ thể được sản xuất và đĩng gĩi lại với nhau một cách đáng tin cậy Những mạch tích hợp ban đầu này được đề cập đến với tên gọi tích hợp mức nhỏ Dần dần người ta đã cĩ thể đặt nhiều thành phần hơn trên cùng một chip Bắt đầu ở mức đơn vị vào năm 1959, số thiết bị trên mỗi chip đã gia tăng gấp đơi hàng năm trong những năm 1960 ðến những năm 70, tốc độ này cĩ giảm xuống, nhưng vẫn cịn ở mức đáng lưu ý là tăng gấp 4 lần trong khoảng ba năm một Mức phát triển này tồn tại cho đến đầu những năm 1990, khi tác động của những giới hạn về vật lý một lần nữa làm chậm mức độ tăng trưởng của các thành phần trên một chip Tuy nhiên, theo các dự đốn lạc quan hơn, tích hợp ở mức giga (GSI) – một tỉ thành phần trên một chip – sẽ đạt được trong vịng một vài năm sắp đến

ðối với nhà sản xuất máy tính, việc sử dụng nhiều IC được đĩng gĩi mang lại nhiều điểm cĩ ích như sau:

Giá chip gần như khơng thay đổi trong quá trình phát triển nhanh chĩng về độ trù mật của các thành phần trên chip ðiều này cĩ nghĩa là giá cả cho các mạch nhớ và luận lý giảm một cách đáng kể

Vì những thành phần luận lý và ô nhớ ñược ñặt gần nhau hơn trên các chip ñược ñóng gói dày ñặc, ñường ñi ñiện tử sẽ ngắn hơn dẫn ñến việc gia tăng tốc ñộ vận hành

Máy tính sẽ trở nên nhỏ hơn, tiện lợi hơn ñể bố trí vào các loại môi trường khác nhau

Có sự giảm thiểu trong những yêu cầu về bộ nguồn và thiết bị làm mát hệ thống

Sự liên kết trên mạch tích hợp ñáng tin cậy hơn trên các nối kết hàn Với nhiều mạch trên mỗi chip, sẽ có ít sự nối kết liên chip hơn

b Máy IBM System/360 :

Máy IBM System/360 ñược IBM

ñưa ra vào năm 1964 là họ máy

tính công nghiệp ñầu tiên ñược sản

xuất một cách có kế hoạch Khái

niệm họ máy tính bao gồm các

máy tính tương thích nhau là một

khái niệm mới và hết sức thành

công Các ñặc ñiểm của một họ

máy như vậy gồm:

Tập chỉ thị ñồng nhất hay tương tự: Trong nhiều trường hợp, một tập chỉ thị máy chung ñược sử dụng cho toàn bộ các thành viên của họ máy Do vậy, một

chương trình nếu có thể thực thi ñược trên một máy thì cũng sẽ thực thi ñược trên những máy khác cùng

họ với nó Trong một

số trường hợp, thành viên ở mức thấp nhất của họ máy có tập chỉ thị là tập con của tập chỉ thị có trong thành viên ở mức cao nhất,

và do vậy chương trình

có thể tương thích lên chứ không tương thích xuống

Hệ ñiều hành ñồng nhất hay tương tự: Một hệ ñiều hành chung sẽ ñược sử dụng cho tất cả các thành viên của họ máy Trong một số trường hợp, một số chức năng phụ sẽ ñược ñưa vào các thành viên mức cao

Gia tăng tốc ñộ: Tốc ñộ thực thi chỉ thị gia tăng từ thành viên mức thấp ñến thành viên mức cao trong cùng một họ

Gia tăng số cổng nhập/xuất: ði từ thành viên mức thấp ñến thành viên mức cao trong cùng một họ

Gia tăng kích thước bộ nhớ: ði từ thành viên mức thấp ñến thành viên mức cao trong cùng một họ

Gia tăng chi phí: ði từ thành viên mức thấp ñến thành viên mức cao trong cùng một họ

Họ máy IBM System/360 không những ñã quyết ñịnh tương lai về sau của IBM

mà còn có một ảnh hưởng sâu sắc ñến toàn bộ ngành công nghiệp máy tính Nhiều ñặc trưng của họ máy này ñã trở thành tiêu chuẩn cho các máy tính lớn khác

c Máy DEC PDP-8

Trong lúc IBM giới thiệu máy System/360 thì DEC (Digital Equipment Corporation's) cho ra ñời một hiện tượng khác trong

lúc một máy tính cỡ trung cũng ñòi hỏi một phòng có

trên một chiếc ghế dài vốn thường gặp trong phòng thí nghiệm hoặc ñể kết hợp vào trong các thiết bị khác

Nó có thể thực hiện mọi công việc của một máy tính lớn với giá chỉ có 16000 ñô la Mỹ, so với số tiền lên ñến

ñược gọi là Omnibus, gồm 96 ñường tín hiệu riêng biệt,

ñịa chỉ và dữ liệu Do tất cả các thành phần hệ thống

sử dụng chúng phải ñược CPU ñiều khiển Kiến trúc này có ñộ linh hoạt cao, cho phép các module ñược gắn vào ñường truyền ñể tạo ra rất nhiều cấu hình khác nhau

Hình 2.7 Cấu trúc ñường truyền PDP-8

5 Thế hệ thứ 4 Máy tính dùng mạch tích hợp mật ñộ cao (1980 199?)

-Với tốc ñộ phát triển nhanh chóng của công nghệ, mức ñộ cho ra ñời các sản phẩm mới ở mức cao, cũng như tầm quan trọng của phần mềm, của truyền thông và phần cứng, việc phân loại máy tính theo thế hệ trở nên kém rõ ràng và ít có ý nghĩa như trước ñây

a Bộ nhớ bán dẫn

Vào khoảng những năm 50 ñến 60 của thế kỷ này, hầu hết bộ nhớ máy tính ñều ñược chế tạo từ những vòng nhỏ làm bằng vật liệu sắt từ, mỗi vòng có ñường kính khoảng 1/16 inch Các vòng này ñược treo trên các lưới ở trên những màn nhỏ bên trong máy tính Khi ñược từ hóa theo một chiều, một vòng (gọi là một lõi) biểu thị giá trị 1, còn khi ñược từ hóa theo chiều ngược lại, lõi sẽ ñại diện cho giá trị 0 Bộ nhớ lõi từ kiểu này làm việc khá nhanh Nó chỉ cần một phần triệu giây ñể ñọc một bit lưu trong bộ nhớ Nhưng nó rất ñắt tiền, cồng kềnh, và sử dụng cơ chế hoạt ñộng loại trừ: một thao tác ñơn giản như ñọc một lõi sẽ xóa dữ liệu lưu trong lõi ñó

Do vậy cần phải cài ñặt các mạch phục hồi dữ liệu ngay khi nó ñược lấy ra ngoài Năm 1970, Fairchild chế tạo ra bộ nhớ bán dẫn có dung lượng tương ñối ñầu tiên Chip này có kích thước bằng một lõi ñơn, có thể lưu 256 bit nhớ, hoạt ñộng không theo cơ chế loại trừ và nhanh hơn bộ nhớ lõi từ Nó chỉ cần 70 phần tỉ giây ñể ñọc ra một bit dữ liệu trong bộ nhớ Tuy nhiên giá thành cho mỗi bit cao hơn so với lõi từ

Kể từ năm 1970, bộ nhớ bán dẫn ñã ñi qua tám thế hệ: 1K, 4K, 16K, 64K, 256K, 1M, 4M, và giờ ñây là 16M bit trên một chip ñơn (1K = 210, 1M = 220) Mỗi thế hệ cung cấp khả năng lưu trữ nhiều gấp bốn lần so với thế hệ trước, cùng với sự giảm thiểu giá thành trên mỗi bit và thời gian truy cập

lý Bước chuyển biến kế tiếp trong quá trình tiến hóa nói trên là sự giới thiệu chip Intel 8008 vào năm 1972 ðây là bộ vi xử lý 8 bit ñầu tiên và có ñộ phức tạp gấp ñôi chip 4004

ðến năm 1974, Intel ñưa ra chip 8080, bộ vi xử lý ña dụng ñầu tiên ñược thiết kế ñể trở thành CPU của một máy vi tính ña dụng So với chip 8008, chip 8080 nhanh hơn, có tập chỉ thị phong phú hơn và có khả năng ñịnh ñịa chỉ lớn hơn

Cũng trong cùng thời gian ñó, các bộ vi xử lý 16 bit ñã bắt ñầu ñược phát triển Mặc dù vậy, mãi ñến cuối những năm 70, các bộ vi xử lý 16 bit ña dụng mới xuất hiện trên thị trường Sau ñó ñến năm 1981, cả Bell Lab và

Hewlett-packard ñều ñã phát triển các bộ vi xử lý ñơn chip 32 bit Trong khi ñó, Intel giới thiệu bộ vi xử lý 32 bit của riêng mình là chip 80386 vào năm 1985

6 Thế hệ thứ 5 (1990 - ñến nay)

Bắt ñầu có các nghiên cứu tạo ra các máy tính mô phỏng các hoạt ñộng của não bộ và hành vi con người, có trí khôn nhân tạo với khả năng tự suy diễn phát triển các tình huống nhận ñược và những hệ quản lý kiến thức cơ sở ñể giải quyết các bài toán ña dạng

III PHÂN LOẠI MÁY TÍNH

1 Phân loại theo nguyên lý làm việc

• Máy tính số (Digital Computer) : là loại máy tính sử dụng các ñại lượng vật lý biến thiên rời rạc (dạng số) ñể biểu diễn các ñại lượng cần tính toán

• Máy tính tương tự (Analog Computer) : là loại máy tính sử dụng các ñại lượng vật

lý biến thiên liên tục ñể biểu diễn các ñại lượng cần tính toán ðại lượng vật lý ñó thường là ñiện áp hay dòng ñiện

• Máy tính lai (Hybrid Computer) : là loại máy tính kết hợp cả hai nguyên lý số và tương tự, trong hệ thống này có một nửa là số và một nửa là tương tự

2 Phân loại theo khả năng tính toán

- Supercomputer : ñây là những máy tính ñược thiết kế ñăc biệt ñể ñạt tốc ñộ thực hiện các tính dấu phẩy ñộng cao nhất có thể ñược Chúng thường có kiến trúc song song, chỉ hoạt ñộng có hiệu quả cao trong một số lĩnh vực

- Mainframe : là các máy tính ñiện tử có kích thước lớn chiếm nhiều không gian Chúng có năng lực rất lớn vá có thể xử lý một lượng dữ liệu khổng lồ và giá thành của máy cũng rất ñắt Thường sử dụng trong chế ñộ các công việc sắp theo lô lớn hay xử lý các giao dịch như trong ngân hàng, ñặt vé may bay,…

- Supermini : là những máy minicomputer có tốc ñộ xử lý nhanh nhất trong họ mini

ở những thời ñiểm nhất ñịnh Thường ñược sử dụng trong các hệ thống phân chia thời gian như network fileserver…

- Minicomputer : là các máy tính ñiện tữ cỡ trung bình ñược triển khai vào những năm 60 cho những ai không ñủ khả năng mua máy tính lớn So với mainframe thì minicomputer có bộ nhớ nhỏ hơn, sức mạnh tính toán thầp hơn Chúng ñược sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thời gian thực như trong ñiều khiển không lưu, trong tự ñộng hóa sản xuất

- Microcomputer : còn ñược gọi là PC (Personal Computer), là những máy tính có thể ñể bàn hay mang xách ñược (portable) Ban ñầu các PC ñược thiết kế nhằm cho một người sử dụng ñộc lập, tuy nhiên sau này xu hướng nối các PC vào mạng máy tính ngày càng trở nên phổ biến

3 Vai trò và ứng dụng của máy tính

Máy tính hiện ñang ñược ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành nghề khác nhau của xã hội từ khoa học kỹ thuật, y học, kinh tế, công nghệ sản xuất ñến khoa học xã hội, nghệ thuật, như :

- Tự ñộng hóa văn phòng - Quản trị kinh doanh

- Thống kê - An ninh, quốc phòng

- Công nghệ thiết kế - Giáo dục

- Ngân hàng – Ngành hàng không

- Y học - Công nghệ in

- Nông nghiệp - Nghệ thuật, giải trí, v.v

IV MÁY VI TÍNH ( MICRO COMPUTER )

1 Khái niệm

Máy vi tính hay còn ñược gọi là PC (Personal Computer) là những máy tính có thể

ñể bàn hoặc mang xách ñược (portable) PC có một chip vi xử lý và một số thiết bị ngoại vi như màn hình, bàn phím, ổ ñĩa, máy in, … thường dùng cho môt người Ban ñầu các PC ñươc thiết kế nhằm cho một người sử dụng ñộc lập, tuy nhiên sau này xu hướng nối các PC vào mạng máy tính ngày càng trở nên phổ biến

2 Cấu trúc tổng quát một máy vi tính :

Theo quan ñiểm phần cứng

Như ñã trình bày, tất cả các thiết kế máy tính hiện nay ñều dựa trên các khái niệm do John von Neumann ñưa ra Một thiết kế như vậy ñược ñề cập ñến với tên gọi kiến trúc Von Neumann Kiến trúc này dựa trên 3 khái niệm chính sau:

- Dữ liệu và chỉ thị ñược lưu trong một bộ nhớ ñọc/ghi

- Nội dung của bộ nhớ này có thể ñịnh ñịa chỉ theo vị trí Sự ñịnh ñịa chỉ này không phụ thuộc kiểu dữ liệu của vị trí nhớ

- Việc thực thi xuất hiện theo kiểu tuần tự từ chỉ thị này sang chỉ thị khác Theo những khái niệm trên, có một tập hợp nhỏ các thành phần luận lý cơ bản có thể kết hợp theo nhiều cách khác nhau ñể lưu trữ dữ liệu nhị phân và thực hiện các thao tác luận lý số học trên dữ liệu ñó Nếu có một tính toán cụ thể ñược thực hiện, ta có thể xây dựng một cấu hình gồm các thành phần luận lý ñược thiết kế ñặc biệt cho tính toán ñó Chúng ta có thể liên hệ quá trình kết nối các thành phần khác nhau thành cấu hình mong muốn như một dạng lập trình

"Chương trình" thu ñược ở dạng phần cứng và ñược gọi là chương trình ñấu dây chết

Nếu mọi công việc lập trình ñều ñược thực hiện theo cách thức nói trên, kiểu phần cứng này rất ích có ứng dụng Bây giờ giả sử chúng ta xây dựng một cấu hình ña dụng với các chức năng luận lý và số học Tập hợp phần cứng này sẽ thực hiện nhiều chức năng trên dữ liệu dựa vào tín hiệu ñiều khiển áp dụng cho

nó Ở thời ñiểm ban ñầu trong việc sử dụng phần cứng ñược chuyên biệt hóa, hệ thống nhận dữ liệu và cho ra kết quả như trong hình 1 (a) Với phần cứng ña dụng, hệ thống nhận dữ liệu và tín hiệu ñiều khiển ñể cho ra kết quả Do vậy, thay vì phải ñấu dây lại phần cứng cho mỗi chương trình mới, lập trình viên chỉ cần cung cấp một tập tín hiệu ñiều khiển mới

Hình 1: Các tiếp cận phần cứng và phần mềm

Theo quan ñiểm phần mềm :

Các tín hiệu ñiều khiển mới nên ñược cung cấp như thế nào? Câu trả lời rất ñơn giản nhưng khá tinh tế Toàn bộ chương trình thực chất là một dãy các bước Tại mỗi bước, một thao tác luận lý hay số học nào ñó ñược thực hiện trên dữ liệu dựa trên một tập hợp các tín hiệu ñiều khiển mới Chúng ta cung cấp cho mỗi tập tín hiệu có thể có một mã duy nhất và thêm vào phần cứng ña dụng một phân ñoạn cho phép nhận mã và sinh ra các tín hiệu ñiều khiển Ý tưởng này ñược thể hiện trên hình 1 (b)

Với cách tổ chức như vậy, việc lập trình giờ ñây ñã dễ hơn rất nhiều Thay vì phải ñấu dây lại phần cứng cho mỗi chương trình mới, tất cả những việc cần làm

là cung cấp một dãy các mã mới Mỗi mã là một chỉ thị ñược phần cứng thông dịch thành những tín hiệu ñiều khiển ðể phân biệt phương thức lập trình mới này so với trước ñó, dãy các mã hay chỉ thị ñược gọi là phần mềm

Hình 1 (b) chỉ ra hai thành phần chính của hệ thống: một bộ thông dịch chỉ thị và một module gồm các chức năng luận lý số học ña dụng Hai thành phần này hợp thành CPU Nhiều thành phần khác nữa cần phải có ñể tạo thành một máy tính với ñầy ñủ chức năng Dữ liệu và chỉ thị phải ñược nhập vào hệ thống thông qua một module chứa các thành phần cơ bản cho việc tiếp nhận dữ liệu và chỉ thị ở một dạng thức nào ñó Sau ñó module này sẽ chuyển ñổi thông tin nhận ñược thành một dạng nội tại gồm những tín hiệu mà hệ thống có thể hiểu ñược Một phương tiện ñể báo cáo kết quả cũng không thể thiếu ñược, và ñây là một dạng của một module xuất Kết hợp cả hai module lại với nhau, chúng ta có các thành phần nhập/xuất

3 Các thành phần của máy vi tính :

a ðơn vị xử lý trung tâm ( CPU – Central ProcessING Unit ) :

CPU là một mạch xử lý dữ liệu theo chương trình ñược thiết lập trước Nó là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu transitor trên một bảng mạch nhỏ Phần lớn người dùng không biết và cũng không cần biết ñến cái gì trên CPU Một CPU

có thể thi hành hàng triệu lệnh mỗi giây, ñể như vậy, trong một CPU tiêu biểu phải có nhiều thành phần phức tạp với các chức năng khác nhau hoạt ñộng nhịp nhàng với nhau ñể hoàn thành các tập lệnh chương trình Ở ñây chúng ta sẽ xem qua các thành phần căn bản bên trong của một CPU

Ðơn vị giải mã – (Decode Unit) : ra chỉ thị cho ñường truyền ñọc các lệnh ñược lưu giữ tại một ñịa chỉ bộ nhớ riêng biệt Ðơn vị này không chỉ ñịnh vị và nạp lệnh ñược thi hành kế tiếp mà còn nạp cả các lệnh lần lượt sau nữa vào hàng chờ sẳn sàng hoạt ñộng

Ðơn vị nối ghép ñường truyền – (Bus Interface Unit) bộ phận dẫn truyền ñiều phối các thông tin

Ðơn vị ñiều khiển – (Control Unit) : có nhiệm vụ thông dịch các lệnh của chương trình và ñiều khiển hoạt ñộng xử lý, ñược ñiều tiết chính xác bởi xung nhịp ñồng

hồ hệ thống

Mạch xung nhịp hệ thống – (System Clock) : dùng ñể ñồng bộ các thao tác xử lý trong và ngoài CPU theo các khoảng thời gian không ñổi, khoảng thời gian chờ giữa hai xung gọi là chu kỳ xung nhịp Tốc ñộ theo ñó xung nhịp hệ thống tạo ra các xung tín hiệu chuẩn thời gian gọi là tốc ñộ xung nhịp - tốc ñộ ñồng hồ tính bằng triệu ñơn vị mỗi giây - Mhz

Những nhà sản xuất vi xử lý luôn phát triển các kỹ thuật nhằm tăng tốc ñộ xử lý cho CPU Và như vậy, bộ nhớ ẩn - cache memory là một bộ nhớ nhỏ tốc ñộ cao ñặt ngay bên trong bộ xử lý và nối trực tiếp với mạch xử lý ñể lưu trữ các lệnh chuẩn bị ñược thực hiện, hay các lệnh thường xuyên ñược dùng ñể sẵn sàng cho CPU Bộ nhớ này chỉ do bộ xử lý kiểm soát, người sử dụng không thể thâm nhập ñược, nhằm phục vụ cho việc tăng tốc ñộ tính toán của bộ xử lý Loại Cache memory nằm ngay trong bản thân bộ xử lý thường ñược gọi là Cache nội hay cache sơ cấp - primary, hay còn gọi là Cache L1 (cache level 1) Loại Cache memory nằm ngoài bộ xử lý thường ñược gọi là cache ngoại hay cache thứ cấp - secondary cache, hay còn gọi là Cache L2 (cache level 2)

CPU trên bo mạch chủ (motherboard) của máy vi tính

c Bộ số học và luận lý :

Arithmetic Logic Unit (ALU) - ñơn vị số học luận lý : bao gồm một số thanh ghi - register, thường là 32 hay 64 bit Nó thực hiện các lệnh của ñơn vị ñiều khiển và xử lý tín hiệu Theo tên gọi, ñơn vị này dùng ñể thực hiện các phép tính

số học ñơn giản (cộng, trừ, nhân, chia số nguyên) hay phép tính luận lý ñối với

dữ liệu (so sánh lớn hơn, nhỏ hơn, )

Tập lệnh chương trình ñược lưu giữ tại bộ nhớ chính - thông thường thì trên các chip nằm ngoài CPU - CPU ñọc lệnh từ bộ nhớ qua ñơn vị truyền tin – (Bus Unit)giữa bộ nhớ nguyên thủy và CPU

Thanh ghi – (Register) là phần tử nhớ tạm trong bộ vi xử lý dùng lưu dữ liệu

và ñịa chỉ nhớ trong máy ñang thực hiện tác vụ với chúng

4 Khối bộ nhớ :

Bộ nhớ máy tính bao gồm cả hai loại bộ nhớ trong và ngoài Bộ nhớ trong của máy tính thường ñược ñề cập ñến như bộ nhớ chính Bộ nhớ ngoài của máy tính gồm các thiết bị lưu trữ ngoại vi, như ñĩa và băng từ, vốn có thể truy cập ñược ñối với CPU thông qua các bộ ñiều khiển nhập/xuất

a Bộ nhớ trong

Công việc chính của CPU là thi hành các mã lệnh của chương trình, nhưng trong cùng thì CPU chỉ có khả năng giải quyết một ít trong phần dữ liệu Như vậy phần còn lại của dữ liệu ñược ñọc vào phải cần một chỗ nào ñó ñể lưu giữ lại sẵn sàng cho CPU xử lý Và RAM hay bộ nhớ chính sẽ nhận nhiệm vụ này

RAM - Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên là loại thiết bị lưu trữ sơ cấp Chip RAM gồm nhiều mạch ñiện tử có chức năng lưu trữ các lệnh và dữ liệu chương trình một cách tạm thời Chính thuật ngữ truy cập ngẫu nhiên cũng cho thấy tính chất của loại bộ nhớ này Mỗi vị trí lưu trữ trong RAM ñều có thể truy cập trực tiếp, nhờ ñó các thao tác truy tìm và cất trữ có thể thực hiện rất nhanh Nội dung lưu trữ trong RAM không cố ñịnh - volatile memory, có nghiã phải luôn có nguồn nuôi ñể lưu trữ nội dung thông tin ñó - mất ñiện là mất tất cả

Bộ nhớ RAM

Còn lại bộ nhớ cố ñịnh - nonvolatile memory, ñược gọi bộ nhớ chỉ ñọc - Read Only Memory - ROM Chính là vì loại cố ñịnh nên nó vẫn duy trì nội dung nhớ khi không có ñiện, nhờ ñó người ta dùng ROM ñể chứa chương trình BIOS không thay ñổi Không phải lúc nào loại này cũng ẩn trong vỏ CPU Nhiều thiết bị trò chơi ñiện

tử cũng dùng hộp, có khả năng tháo lắp, dựng một mạch ROM lưu trữ thường xuyên trò chơi các trương trình

Ngoài ra còn một số loại bộ nhớ khác nữa trong máy tính EPROM - Erasable Programable ROM - bộ nhớ chỉ ñọc có thể lập trình lại, thường dùng ñể lưu giữ các thông tin cần thiết cho việc khởi ñộng máy tính RAM còn có loại SRAM - RAM tĩnh, DRAM - RAM ñộng, Video RAM - RAM cho màn hình chuyên phục vụ hình ảnh

Cách làm việc của Bộ Nhớ

Bộ nhớ - Memory : là một mạch tích hợp phức tạp gồm hàng triệu tế bào nhớ (storage cell) - các tế bào nhớ này chính là ñơn vị lưu dữ kiện Các thông tin trong

bộ nhớ có thể là tập lệnh chương trình hay là 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 Mỗi byte bộ nhớ ñều có ñịa chỉ riêng ñể CPU có thể truy cập ñến dữ liệu trong ñó Bộ nhớ có nhiều loại với ñặc ñiểm cấu trúc tính năng sử dụng khác nhau, nhưng về căn bản ñều dùng ñể lưu dữ kiện nhằm phục vụ cho việc xử lý thông tin của CPU, và nó có thể

là loại nằm ngay trên CPU hay nằm ngoài CPU

Một máy tính cá nhân bình thường ngày nay thường lắp từ 16 ñến 64 Megabytes bộ nhớ - bộ nhớ ñược nói ñến trong câu này có nghĩa là loại bộ nhớ ngoài CPU mà ta thường gọi là các thanh RAM

Các vi mạch DRAM ñược kết nối với nhau trên một bản mạch nhỏ ñược gọi là RAM, có khi là SIMM (Single In - line Memory Module) - module nhớ hàng chân kép Tùy lượng vi mạch nhớ và cấu trúc, các SIMM hay DIMM có thể có dung lượng từ 1 MB ñến 32 MB hoặc hơn, có thế hệ cũ thì có 30 chân ( thường dùng từ các máy 486DX trở về trước), thế hệ thông dụng hiện nay dùng loại 72 chân (từ 486DX cho tới các máy hiện ñại nhất) Nhưng ñã xuất hiện loại DIMM - SDRAM có tốc ñộ lý thuyết 10ns (so với RAM EDO là 60ns), có số chân là 168 chân cũng ñược dùng rộng rãi với một số bo mạch chọn lọc Các RAM này ñược cắm vào các khe quy ñịnh sẵn trên mạch hệ thống chính

Xét về chi tiết thì nơi nhớ - tế bào nhớ giống như một cái hộp thư Một hộp thư hiện ñại cho một ñịa chỉ có thể lưu giữ một byte thông tin

Khi khởi ñộng máy, CPU tự ñộng ( ñã qui ñịnh trước ) ñọc thông tin lưu trong

bộ nhớ chỉ ñọc - ROM và thi hành Hầu hết các hệ thống máy tính ñều có ROM ñể lưu dữ kiện ñể ñiều khiển hệ thống Các chương trình trên ROM thường ñược gọi là BIOS - hệ thống xuất nhập cơ sở

Các lệnh cần thực hiện nào ñã nạp vào bộ nhớ thì CPU có khả năng thực hiện chúng

Như vậy, khi bật máy, CPU ñọc thông tin trên bộ nhớ ROM - thi hành nó, sau

ñó ñọc ñến thông tin trên ñĩa khởi ñộng và nạp các thông tin hệ ñiều hành trên ñĩa vào bộ nhớ RAM Các thông tin lưu trên RAM ở các tế bào nhớ, tức là nằm sẵn trong RAM - và CPU có thể thực hiện các tác vụ

Cách làm việc của bộ nhớ

b Bộ nhớ ngoài :

Máy tính có các thiết bị ngoại vi có khả năng nhận và xuất dữ liệu - ñó là các ổ ñĩa máy tính, nơi ghi nhớ các thông tin dữ liệu Nhũng thiết bị này gọi là các thiết bị lưu trữ thứ cấp - secondary starage (thiết bị lưu trữ sơ cấp - primary storage là bộ nhớ trong máy tính.) Khác với thiết bị lưu trữ sơ cấp khi ngắt ñiện là mọi thứ trong RAM ñều không còn, loại thứ cấp này có thể lưu dữ kiện ngay cả khi không có nguồn nuôi, xét về lý thuyết, dữ liệu trên loại này có thể tồn tại vĩnh viễn và có thể ñược ñọc, ghi, sửa hay xóa lúc này hay lúc khác, Có hai phương pháp lưu dữ kiện tạo nên hai họ khác nhau, là dựa trên từ tính, và dựa trên khả năng ứng dụng quang học

Ðĩa từ tính

Có hai loại chủ yếu là ñĩa mềm và ñĩa cứng Ðĩa mềm, có thể hiểu ñơn giản là loại ñĩa dung lượng thấp, nhỏ gọn tháo lắp dễ dàng, nhiều ñĩa dùng chung một ổ ñĩa Hiểu như vậy ñể có thể phân biệt với ñĩa cứng là loại ổ ñĩa thường lắp hẳn bên trong máy, ít ñược tháo rời, phức tạp, và bản thân nó là thiết bị hoàn chỉnh ñọc ghi với dung lượng lớn

Ðĩa mềm - floopy disk

Gồm vỏ bảo vệ và một ñĩa plastic nhỏ có phủ vật liệu từ (oxit sắt, oxit niken hoặc oxit coban pha với vật liệu không từ tính hay ñất hiếm) Dữ liệu thông tin dạng số

sẽ ñược ñại diện bởi các hạt từ tính, các hạt này do có tính từ tính, nên bằng một phương pháp nào ñó nó ñược xác ñịnh một trong hai hướng rõ rệt - như vậy thể hiện ñược số 0 hay số 1

Ðĩa mềm cũng trải qua nhiều thế hệ, những khác nhau giữa các hệ dĩa mềm chỉ

là quanh vấn ñề dung lượng nhớ của nó chứ về nguyên tắc hoạt ñộng của dĩa cũng như ổ ñĩa không có thay ñổi lớn nào Ngày nay người ta chỉ còn dùng loại ñĩa mềm 3.5 ich thường gọi là 1 ñĩa 1.44 Mb, nhưng cũng có loại 2,88 Mb Loại 5,25 inch gần như không còn ñược dùng nữa Ðĩa mềm có tính cơ ñộng cao, nhưng bị hạn chế về dung lượng nhớ, hiện nay các chương trình hầu như không thể chạy trên ñĩa mềm như cách ñây khoảng 5 năm, cho nên ñĩa mềm chủ yếu dùng sao lưu dữ liệu, vả lại tốc ñộ ñọc ghi của ñĩa mềm rất thấp - bù lại giá ñĩa mềm tương ñối rẻ

Ðĩa cứng - Hard disk

Có thể so sánh tên gọi ñĩa cứng và ñĩa mềm cũng ñủ rút ra kết luận Ðĩa cứng cứng hơn ñĩa mềm! Và giá cả cũng ñắt hơn Bạn có thể hình dung, ổ ñĩa cứng gồm vỏ cứng bảo vệ, các bộ phận ñiều khiển xuất nhập, nguồn, và ñĩa từ tính Bộ khung vỏ bảo vệ thường là hợp kim nhôm ñúc ở áp lực cao, cũng có hai

cỡ 5.25 inch và 3.5 inch, và thông dụng nhất vẫn là loại 3.5 inch Dung lượng ổ cứng không phải bị chi phối bởi vỏ ổ cứng mà ở ñĩa từ Ðĩa từ của ổ cứng thường làm từ nhôm, thủy tinh hay gốm-phủ một lớp vật liệu từ và lớp bảo vệ ở cả hai mặt Ổ cứng có thể có nhiều ñĩa từ xếp chồng lên nhau trên trục môtơ quay Ðể hoạt ñộng ñọc ghi, ổ cứng còn có các ñầu từ , môtơ dịch chuyển ñầu từ, mạch chính, mạch ñiện tử ñiều khiển, và thường có bộ nhớ cache

Ðĩa cứng rất ña dạng về dung lượng, có thể từ vài chục Mb ñến vài nghìn Mb hay hơn nữa, và phụ thuộc nhiều vào các chuẩn kỹ thuật giao tiếp Loại ổ cứng thường dùng trong máy vi tính hiện nay khoảng 20 Gb ñến 40 Gb, một con số

khổng lồ nếu so với cách ñây 10 năm khi mà ổ cứng chỉ có thể từ 100 Mb ñến

200 Mb, thậm chí có máy không trang bị ổ cứng nữa

Các ổ cứng giao tiếp với máy thông qua một dữ liệu cắm vào mạch ñiều khiển Những máy tính thế hệ tiền PCI- tức là từ VesaLocalBus trở về trước giao tiếp giữa máy và thiết bị ngoại vi ñều thông qua bảng mạch giao tiếp - thường gọi là cạc IO (input-output), tức là con chuột, ổ cứng, ổ mềm, máy in, joystick, ñều nối vào ñây Ðể hoạt ñộng, các ổ cứng giao tiếp với máy thông qua các chuẩn ESDI, IDE, SCSI

- Chuẩn ESDI (Enhanced Small Device Interface) xuất hiện ñầu năm 1983 dùng phương pháp mã hóa RLL, tốc ñộ có thể ñạt ñến khoảng 24 MB mỗi giây, là dạng giao tiếp câm nên các ñiều khiển quan trọng ñều do card quản lý

- Chuẩn IDE (Intelligent Drive Electronic - Intergrated Drive Electronic) cũng còn gọi là ATA (AT Attachment) dùng loại mạch ñiện tử ổ ñĩa thông minh, là giao tiếp ở mức hệ thống Chuẩn này nối với máy bằng một cáp nguồn 4 chân

và một cáp dữ liệu 40 chân Loại ổ ñĩa này có tốc ñộ khá cao nên ñược dùng trong hầu hết các máy vi tính hiện nay, gía thành cũng rẻ hơn so với các loại ổ cứng khác

- Chuẩn giao tiếp SCSI (Small Computer System Interface) là một cấu trúc bus ñộc lập có thể truyền dữ liệu với tốc ñộ cao, từ 4Mb/giây ñến khoảng 10Mb/giây Ðược ứng dụng với ổ cứng tạo nên một khả năng lưu trữ cao với

tốc ñộ ñọc ghi cao Ðể dùng ñược, cần có một bảng mạch ñiều hợp SCSI, tuy nhiên một card SCSI này có thể nối tiếp ñến 7 thiết bị theo chuẩn này

Ðĩa floptical

Là loại ổ ñĩa từ mềm, có hình dáng giống như ñĩa 3.5 inch, nhưng dùng phương pháp vị quang học ñể ñọc ghi, nên mật ñộ dữ liệu trên ñĩa cao hơn, dung lượng nhớ lớn hơn Thiết bị này không ghi dữ liệu bằng quang học, chỉ làm thao tác ñịnh vị thôi Nhưng do gía thành cao nên dù có khả năng lưu ñến hơn 20MB, loại này vẫn không phổ dụng

Ổ băng ghi lưu

Cũng là thiết bị lưu trữ từ tính, nhưng loại này khác với các loại trên ở tính chất truy cập tuần tự của nó, do ñó chỉ dùng sao lưu chứ không dùng ñể làm việc hằng ngày như thiết bị truy cập ngẫu nhiên - ñĩa cứng, ñĩa mềm Ổ băng ghi lưu gồm một hộp băng và cuộn băng từ cỡ 0,25 inch Loại này rất ña dạng về chủng loại và dung lượng, tùy yêu cầu công việc mà bạn lựa chọn

Ổ ñĩa tháo lắp ZIP

Dùng loại ñĩa có kích thước cũng khoảng 3.5 inch, dung lượng lên ñến 100Mb trên một ñĩa giá 20USD Tốc ñộ ñọc ghi trung bình, kỹ thuật dùng ở ñây là ñịnh vị quang học ñể ghi dữ liệu Nếu dùng với card SCSI, tốc ñộ không thua gì ổ cứng IDE

Một loại ổ ZIP

5 Ðĩa từ quang

Ðĩa từ quang - Magneto optical drive, thường gọi tắt là MO, là thiết bị kết hợp giữa từ tính và quang học ñể lưu dữ liệu Ðĩa từ tính, dùng ánh sáng laser làm tác nhân ñọc ghi Dung lượng của loại 5.25 inch là 1.3Gb, loại 3.5inch là 230 Mb Công nghệ này phù hợp ñể lưu trữ, theo các chuyên gia, có thể bảo ñảm dữ liệu 50 năm so với 5 năm của ổ cứng, ổ mềm, băng từ

6 Ðĩa quang học

Gọi là ñĩa quang học, tức là vấn ñề cốt lõi về kỹ thuật - ñọc ghi dữ liệu ñược thực hiện trên nguyên tắc quang học, dùng tia sáng laser So với hệ thống từ tính, ổ quang có ba ñiểm khác biệt chính: vì ñộ chính xác cao của thao tác quang học, nên ổ ñĩa quang có thể có dung lượng cao hơn ổ ñĩa từ gấp nhiều lần so với ổ ñĩa từ Ðộ bền dữ liệu ghi bằng phương pháp quang học cao hơn so với phương pháp từ tính nhiều lần, tối thiểu cũng 50 năm Ðĩa quang có thể tháo lắp dễ dàng như một ñĩa mềm mà hiệu qủa hơn nhiều, do ñó ngày càng phổ dụng hơn Ðĩa CD - compact disc

là loại này

Xuất phát từ nhu cầu âm thanh, CD âm thanh ra đời chứa dữ liệu dưới dạng các hốc lõm, khi CD quay tia laser sẽ phát đến đĩa và nhận sự phản xạ khác nhau giữa điểm lõm và điểm khơng lõm ứng với số 0 và 1 hệ nhị phân Ðĩa CD-ROM ta dùng hiện nay cũng hoạt động theo nguyên tắc đĩ, vì là loại đĩa CD chứa dữ kiện chỉ đọc được nên cĩ tên cĩ tên CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) Thơng thường

dữ liệu cĩ thể đưa vào loại đĩa quang gía rẻ 680Mb (khoảng 10USD đĩa trắng - 1USD

68 MB) như chúng ta dùng rộng rãi hiện nay, đồng thời các loại đĩa âm thanh cũng

cĩ thể đọc hiểu vàhoạt động được bằng ổ đĩa CD của máy tính, nhưng đầu đọc của máy CD âm thanh thì khơng thể đọc được đĩa CD dữ liệu Nĩi là CD-ROM-chỉ đọc, nhưng dĩ nhiên là phải cĩ một lần nào đĩ ghi dữ liệu lên đĩa rồi mới đọc, thao tác này theo nguyên tắc khắc trên đĩa các điểm lõm hay khơng lõm đại diện cho số 0,1 bằng một nguồn phát tia laser cơng suất lớn Người ta tạo một đĩa gốc trước trên nguyên tắc này bằng đầu CD cĩ thể ghi trên một đĩa CD mới, sau đĩ âm bản của đĩa gốc được tạo ra bằng qúa trình mạ điện hoặc photopolymer Tiến trình nhân bản thực hiện bằng cách phun polycarbonate-trong suốt, nhẹ, bền, ổn định, khơng nhiễm bẩn

- nên đĩa CD giữ được thơng tin gần như vĩnh viễn

Như vậy, bạn cĩ thể hiểu về bản chất các đĩa CD được chép lại bán ở một số dịch

vụ tin học thực chất là một dạng đĩa gốc, do đĩ khi sử dụng phải tuyệt đối cẩn thận

vì nĩ khơng hề cĩ một lớp bảo vệ polycarbonate như các đĩa CD được phát hành chính quy hay các đĩa CD nhạc

Khi mà các đĩa CD-ROM đã gần như trở nên một chuẩn khơng thể thiếu trong hầu hết các máy tính multimedia thì lại xuất hiện một thành viên mới trong họ đĩa quang học mà được dự đốn sẽ là thiết bị lưu trữ chủ đạo thế kỷ 21 - DVD

Một dĩa CD lưu được một lượng thơng tin tương đương 450 dĩa mềm và khoảng 500

DVD thay thế CD-ROM bởi DVD có thể lưu ít nhất 3.8 Gb và có thể ñạt ñến 17 Gb DVD có kích thước giống như CD (120mm ñường kính và dày 1,2mm) cũng làm bằng nguyên liệu như CD

Như ñã nói ở trên, ñây là một bước tiến về công nghệ dữ liệu trên DVD sẽ ñược ghi vào ñĩa với mật ñộ cao hơn, sít hơn nhiều so với CD, lượng thấu kính trong ñầu ñọc nhiều hơn ñể tăng ñộ chính xác - và ñầu ñọc sẽ dùng laser cóc sóng ngắn hơn, có thể là tia laser ñỏ - laser hồng ngoại Quan trọng nhất là kỹ thuật DVD cho phép loại ñĩa có hai lớp trên một mặt, nên với mỗi lớp khoãng hơn 4Gb thì loại ñĩa 2 lớp hai mặt hoàn toàn có thể chứ ñến 17Gb dữ liệu - hãy hình dung bằng toàn bộ dữ liệu của cả một thư viện 10 ngàn cuốn sách !

7 Khối thiết bị nhập xuất :

a Bàn phím

Ðể thể hiện những lá thơ, những con số, hay các ký tự ñặc biệt bằng máy tính, người ta dùng bàn phím nối với máy tính, kích hoạt ứng dụng thích hợp rồi gõ các phím nào cần gõ cho ra các từ, câu muốn có Khi bạn gõ - nhấn một ký tự nào trên bàn phím, trên màn hình sẽ hiện ra chữ ấy (giả ñịnh ñang trong trình ứng dụng thích hợp) Các phím mũi tên, Alt, Ctrl, Enter… không gửi một chữ nào cho máy mà

là các lệnh ñặc biệt nào ñó

Cũng liên quan ñến bộ mã ký tự ta ñã nói ở bài 1, bàn phím ñược thiết kế sao cho tiện dụng nhất ñối với từng khu vực ngôn ngữ Loại cấu trúc bàn phím thông dụng và ñược chấp nhận nhiều nhất trên thế giới là loại bàn phím QWERT Tên QWERT thoạt ñầu nghe có vẻ xa lạ lắm, nhưng ñơn giản rằng ñó là tên các phím chữ hàng ñầu tiên bên trái theo thứ tự Tên này ñể phân biệt với một số loại bàn phím ít ñược dùng khác có trật tự sắp xếp các phím không giống loại này Có thể bạn sẽ thắc mắc vì sao không chọn theo thứ tự ABC cho dễ nhớ ? Không ñơn giản như ta thường nghĩ, các nhà khoa học ñã nghiên cứu kỹ lưỡng về mặt ngôn ngữ học

về tần suất xuất hiện của các chữ cái, dựa vào ñó ñưa ra một thứ tự sao cho những chữ cái hay dùng nhất ở vị trí phím dễ dùng nhất

Một loại bàn phím hiện ñại giúp cho việc gõ phím thoải mái hơn

b Thiết bị chỉ ñiểm - Pointing Device :

Hàng triệu người dùng máy tính hiện nay dùng bàn phím ñể gõ các chữ cái và con

số, nhưng ñể ra lệnh cho máy, ñịnh vị con trỏ, họ không chỉ dùng bàn phím mà còn dùng một thiết bị ñặc biệt thông dụng khác gọi là : con chuột - mouse Con chuột dùng ñể chuyển dịch một ký hiệu hay một ñối tượng ñược chọn từ nơi này sang nơi khác trên màn hình Con chuột thường ñược 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 con chuột có một, hai, hay ba nút nhấn có thể dùng ñể gởi các tính hiệu ñến máy tính Nhiều người dùng không quan tâm ñến con chuột - cũng chẳng sao, nhưng ngày càng nhiều các chương trình ứng dụng ñặt con chuột vào vị trí quan trọng ñể ñiều khiển chương trình Cũng như nhiều linh kiện khác, chuột cũng có nhiều chủng loại với cấu tạo và ñiểm mạnh yếu khác

nhau nhưng cùng có chung nhiệm vụ

Con chuột chuẩn : gồm các nút nhấn ở trên và một

hòn bi ở dưới, nó có cấu tạo nhỏ gọn nối máy tính

bởi một sợi dây, có thể dịch chuyển dễ dàng và ñó

cũng là nhiệm vụ của nó

Con chuột bóng – Trackball : nó cũng gồm các

thành phần như trên, nhưng viên bi lại hướng lên trên Thường ñược chế tạo to lớn khó di chuyển chuột ñược, tác vụ di chuyển chuột thực hiện trực tiếp bằng chính người dùng dùng tay lăn viên bi, nút nhấn vẫn không thay ñổi chức năng

Phiến nhấn - touch pad: là một phiến nhỏ nhạy cảm

với những áp lực nhấn lên nó dù nhỏ, người dùng di

chuyển con trỏ bằng cách rê ngón tay trên phiến

Một vài thiết bị ñặc biệt khác cũng ñược xem là các thiết bị

chỉ ñiểm, ví dụ như:

Cần ñiền khiển - Joystick : cũng ñược xem là thiết bị

tính năng chỉ ñiểm ñặc biệt, nó giống như cần ñiều khiển

trong máy trò chơi ñiện tử

Màn hình cảm ứng - Touch Screen : màn hình thiết kế ñặc biệt ñể có thể cảm nhận ñược sự chỉ ñiểm của ngón tay hoặc vật gì ñó ñối với màn hình

8 Thiết bị ñọc

Một số các thiết bị ñọc bị giới hạn bởi khả năng ñưa dữ liệu - văn bản trực tiếp trên giấy, hay chuyển các thông tin ñã ñược in ra cho máy tính xử lý Một số thiết bị nhập khác - ñược gọi là thiết bị ñọc ñã ñược chế tạo nhằm ñáp ứng cho những nhu cầu thực tế này:

a Thiết bị ñọc ñánh dấu quang học - Optical-mark readder :

Dùng ánh sáng phản xạ ñể xác ñịnh vị trí ñã ñược ñánh dấu viết chì trong công tác kiểm tra sản phẩm sản xuất dây chuyền ñể trả lời trên một cái thẻ theo hình thức quy ñịnh trước

b Thiết bị ñọc mã vạch - Barcode reader :

Dùng ánh sáng ñể ñọc mã sản phẩm (UPC), mã kiểm tra hay một số loại mã vạch khác

c Thiết bị ñọc chữ in từ tính - magnetic-ink character reader :

ðể ñọc các con số theo mẫu ñược in bằng một loại mực ñặc biệt có từ tính dùng trong việc kiểm tra

d Cây ñũa thần - wand reader :

Là tên thiết bị dùng tia sáng ñể ñọc các ký tự chữ và số ñược viết bằng một thiết

bị ñánh dấu ñặc biệt trên vùng dành riêng cho chúng, thường dùng cho các thẻ bán hàng hay thẻ tín dụng Người ta dùng các thiết bị này rất nhiều trong các cửa hàng, các nơi thanh toán chuyển ñổi tiền, nối với một thiết bị ñầu cuối POS (ñiểm bán - point of sale) Thiết bị ñầu cuối (Terminal) này sẽ gửi thông tin nhận từ cây ñũa thần ñến một máy tính (có thể là một mainframe), máy tính này sẽ xác ñịnh cơ sở dữ liệu cần thiết phù hợp (giá cả, cước thuế, số tiền phải trả cho món hàng…)và gởi lại thông tin ấy cho POS Ðó là một trong các trường hợp ứng dụng, nguyên tắc làm việc cũng tương tự với thẻ tín dụng

e Cây viết máy tính - pen-based computer :

Như phần trước có nói ñến, trong các loại máy hệ xách tay có loại nhỏ gọn nhất

có thể bỏ vào áo khoác - loại trợ lý kỹ thuật số hay còn gọi là Máy thông tin cá nhân (personal digital assistant - personal comunicatior nó dùng một cây viết ñể ñưa dữ liệu vào máy tính, thiết bị này là Cây viết máy tính - pen-based computer Ðể nhập liệu, người ta viết trực tiếp lên màn hình phẳng của máy tính

Cây viết máy tính - công cụ không thể thiếu ñối với các loại sổ tay ñiện tử

Xét về trường hợp nhập liệu trực tiếp từ giấy tờ văn bản ñã nói ở trên còn một phương pháp khá không dùng các thiết bị ñặc biệt mà dựa vào phần mềm - thường gọi

là chương trình nhận dạng chữ - là một chương trình mang tính trí tuệ nhân tạo Chương trình này chuyển các hình ảnh của văn bản ñưa vào máy tính bằng máy quét ảnh thành các ký tự chữ cái , ñộ chính xác của các chương trình này khoảng hơn 99% với ngôn ngữ chỉ có các ký tự Latin

9 Các thiết bị số hóa thế giới thực

Các máy tính hiện ñại ñều là dạng số hóa, nó làm việc và lưu trữ thông tin dưới dạng các con số nhị phân Ðể lưu thông tin dạng analog - tín hiệu tuần tự - thì thông tin ñó trước hết phải ñược chuyển thành dạng ñược số hóa từ ñó phát sinh nhu cầu cần các thiết bị số hóa Ðể số hóa hình ảnh thì dùng máy quét - scanner, số hóa âm thanh thì cần mạch âm thanh - sound card, số hóa hình ảnh thật thì dùng máy quay phim hay máy ảnh kỹ thuật số, thể hiện hình ảnh số thì dùng màn hình máy tính, thể hiện ảnh ra giấy thì dùng máy in… và nhiều nhu cầu

khoa học khác dùng các thiết bị số hóa ñặc biệt

khác nữa Nói chung "cả thế giới thực của chúng ta

ñều có thể ñược số hóa"

a Máy quét ảnh - scanner:

là một thiết bị nhập liệu có thể biến những hình ảnh thành những thông tin số hóa ñại diện cho nó Máy quét ảnh hiện nay có nhiều chủng loại và kích cỡ khác nhau, thông dụng nhất là loại máy quét phẳng - flatbed scanner, trông giống như một máy photocopy Còn loại máy quét cầm tay - handheld scanner giống như một con chuột, nhưng thay vì viên bi ñịnh vị là bóng ñèn chân không Còn một loại khác gọn nhẹ thường ñược ñặt giữa màn hình và bàn phím gọi là máy quét phụ trợ – shet-fed scanner Các loại máy quét ảnh vừ nói trên ñược dùng với những mục ñích thông thướng trong gia ñình và các văn phòng không chuyên về thiết kế chế bản, nhóm này có giá từ 150USD ñến khoảng trên dưới 2000USD và thường thì scan các hình nhỏ hơn hoặc bằng cỡ giấy A4 Loại máy này cho chất lượng hình ảnh tương ñối ñẹp, có thể in ra bằng máy in màu thông thường ñộ phân giải cao Tuy nhiên nó không dùng trong thiết kế tạo mẫu chuyên nghiệp chất lượng cao ñược, ñể ñáp ứng nhu cầu này, loại scanner ñược chế tạo tạo ñặc biệt hơn có thể quét những hình ảnh lớn cỡ A2 thậm chí A0 Chất lượng hình ảnh cũng khác hẳn, màu sắc thu ñược chuẩn xác và rõ nét gần như 100% Giá của các loại này cũng rất "cao cấp" có thể lên ñến hơn 100.000 USD Với loại Scanner cao cấp này ngoài thiết kế quét phẳng thông thường còn có loại dùng tia laser quét cố ñịnh theo một mặt cắt nào ñó ñể nhận ảnh trong khi hình ảnh ñược áp sát vào ống thủy tinh lớn quay với tốc ñộ cao

b Máy ảnh số – digital camera :

Cũng bằng phương pháp tương tự như scanner, máy ảnh số dùng ñể chụp hình ảnh bên ngoài, thay vì lưu hình ảnh lên phim thì nó lưu ảnh dưới dạng thông tin

số hóa Khác với máy quét ảnh, máy ảnh số không bị giới hạn bởi mặt phẳng hình ảnh, nó hoàn toàn có thể chụp ñược những hình ảnh mà máy ảnh thông thường chụp ñược Ảnh chụp từ máy ảnh số có thể ñược lưu trên ñĩa hay loại thiết bị lưu trữ nào ñó tùy mỗi loại máy Loại máy ảnh kỹ thuật số này ngày càng trở nên rộng rãi hơn, nó ñặc biệt hữu dụng trong việc chụp những hình ảnh ở những nơi mang tính tôn nghiêm vì hầu như nó không gây ra một tiếng ñộng ñáng kể nào

c Máy quay phim số – digital video camera :

Hoạt ñộng với phương thức tương tự máy ảnh số nhưng là lưu giữ những hình ảnh ñộng thay vì hình ảnh tĩnh, ngoài ra nó còn thu ñược âm thanh nữa Loại máy quay phim số này rất ñắc dụng trong lãnh vực truyền thông ña phương tiện hay hội ñàm qua màn ảnh

d Thiết bị âm thanh số hóa – Audio digitalizer :

Là micro, loa, CD, các nhạc cụ ñiện tử Với thiết bị khác nhau, âm thanh có thể ñược ñưa vào dưới nhiều dạng khác nhau và ñều ñược chuyển th2nh dạng số hóa Ứng dụng của nó trong việc chế tạo các hệ máy mới là vô cùng phong phú, ngày

nay hầu như bạn có thể bắt gặp dòng chữ âm thanh kỹ thuật số – digital audio trên hầu hết các thiết bị âm thanh hiện ñại như máy ñĩa CD nhạc, CD video

e Thiết bị cảm ứng:

Trong các ứng dụng khoa học, các thiết bị cảm ứng ñược dùng rất nhiều ñể ñưa

dữ kiện bên ngoài vào máy tính dưới dạng số hóa Ðó là ñiều hiển nhiên bởi máy tính chỉ xử lý ñược những thông tin dạng số Ứng dụng thông thường nhất là các thiết bị ñong, ño như nhiệt kế ñiện tử, máy dự bao thời tiết, thiết bị kiểm soát môi trường, thiết bị kiểm soát mức ñộ ô nhiễm về âm thanh lẫn ô nhiễm về không khí và nhiều ứng dụng khác nữa

Cấu trúc ñĩa

Thực chất bên trong ñĩa có dạng vành khăn Các dữ liệu ñược lưu trữ trên các vòng tròn ñồng tâm gọi là track Các track ñược ñánh số từ 0 (track ngòai cùng) Trên mỗi track lại ñược chia thành các cung nhỏ bởi các ñường qua tâm Các cung này ñược gọi là sectors Các sector ñược ñánh số từ 1

ðĩa mềm có thể ñược sử dụng 1 hay cả 2 mặt ñĩa (head) Các mặt ñược ñánh

số là 0 và 1

Dung lượng ñĩa phụ thuộc vào các thông số sau :

- Số bytes trên mỗi sector

- Số sector trên mỗi track

- Số track trên mỗi mặt ñĩa

Số sector / track

Số tracks / head Số head Dung lượng

Chương 2 : BIỂU DIỄN THÔNG TIN TRÊN MÁY TÍNH

I PHÂN LOẠI THÔNG TIN

Tất cả các thông tin ở dạng văn bản (text), chữ (character), số (number), ký hiệu (symbol), ñồ họa (graphic), hình ảnh (image) hoặc âm thanh (sound) ñều ñược gọi

là các tín hiệu (signals) Tín hiệu có thể là liên tục hay rời rạc Máy tính tương tự (Analog Computer) là máy tính chuyên dụng xử lý môt số các tín hiệu liên tục như tín hiệu ñiện, âm thanh Trong khi ñó, hầu hết các dữ liệu mà chúng ta có ñược thường

ở dạng các tín hiệu rời rạc ñể diễn tả các tín hiệu liên tục qua các số ño hữu hạn Khi ñưa các tín hiệu này vào máy tính, chúng ñược mã hóa theo các tín hiệu số (digital signal) nhằm giúp máy tính có thể hiểu ñược thông tin ñưa vào Ðây là cơ sở thực tiễn của nguyên lý mã hoá thông tin rời rạc Nguyên lý này tập trung các ñiểm chủ yếu sau :

- Tín hiệu liên tục có thể xem như một chuỗi xấp xỉ các tín hiệu rời rạc với chu kỳ lấy mẫu nhỏ ở mức ñộ chấp nhận ñược (Hình 1.)

- Tín hiệu rời rạc có thể ñược ñặc trưng qua các bộ ký hiệu hữu hạn (chữ cái, chữ

số, dấu, ) gọi là phép mã hóa (encode) (Hình 2.) Mọi phép mã hóa ñều có thể xây dựng trên bộ ký hiệu các chữ số, ñặc biệt chỉ cần bộ ký hiệu gồm 2 chữ số là

0 và 1 Ngược với phép mã hoá gọi là phép giải mã (decode)

Tín hiệu rời rạc là tín hiệu có trục thời gian bị rời rạc hoá với chu kỳ lấy mẫu là

Ts = 1/Fs , với Fs là tần số lấy mẫu Tiếng nói con người thường có tần số

Fs = 10 kHz Một ví dụ về thông tin rời rạc là hình trên phim khi ñược chiếu lên màn ảnh là các ảnh rời rạc xuất hiện với tốc ñộ 25 ảnh/giây Mắt người không phân biệt sự rời rạc này nên có cảm tưởng hình ảnh là liên tục

Mã hoá thông tin rời rạc là một khái niệm rất căn bản trong kỹ thuật máy tính

Mọi quá trình xử lý thông tin bằng máy tính hay bằng con người ñều ñược thực hiện theo một qui trình sau :

Dữ liệu (data) ñược nhập ở ñầu vào (input) Máy tính hay con người sẽ thực hiện quá trình xử lý nào ñó ñể nhận ñược thông tin ở ñầu ra (output) Quá trình nhập dữ liệu, xử lý và xuất thông tin ñều có thể ñược lưu trữ (Hình 3.)

Hình 1.3 Mô hình tổng quát quá trình xử lý thông tin Thông tin là kết quả bao gồm nhiều quá trình xử lý các dữ liệu và thông tin có thể trở thành dữ liệu mới ñể theo một quá trình xử lý khác tạo ra thông tin mới hơn theo ý ñồ của con người

Con người có nhiều cách ñể có dữ liệu và thông tin Người ta có thể lưu trữ thông tin qua tranh vẽ, giấy, sách báo, hình ảnh trong phim, băng từ, Trong thời ñại hiện nay, khi lượng thông tin ñến với chúng ta càng lúc càng nhiều thì con người

có thể dùng một công cụ hỗ trợ cho việc lưu trữ, chọn lọc và xử lý lại thông tin gọi là máy tính ñiện tử (computer) Máy tính ñiện tử giúp con người tiết kiệm rất nhiều thời gian, công sức và tăng ñộ chính xác cao trong việc tự ñộng hoá một phần hay toàn phần của quá trình xử lý dữ liệu hay thông tin

II HỆ ðẾM

1 Khái niệm về hệ ñếm

Hệ ñếm là tập hợp các ký hiệu và qui tắc sử dụng tập ký hiệu ñó ñể biểu diễn và xác ñịnh các giá trị các số Mỗi hệ ñếm có một số ký số (digits) hữu hạn Tổng số ký

số của mỗi hệ ñếm ñược gọi là cơ số (base hay radix), ký hiệu là b

Hệ ñếm phổ biến hiện nay là hệ ñếm La mã và hệ ñếm thập phân

2 Phân loại hệ ñếm

a Hệ ñếm có vị trí

Hệ ñếm thập phân (decimal system)

Hệ ñếm thập phân hay hệ ñếm cơ số 10 là một trong các phát minh của người

Ả rập cổ, bao gồm 10 ký số theo ký hiệu sau:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Qui tắc tính giá trị của hệ ñếm này là mỗi ñơn vị ở một hàng bất kỳ có giá trị bằng 10 ñơn vị của hàng kế cận bên phải Ở ñây b = 10 Bất kỳ số nguyên dương trong hệ thập phân có thể thể hiện như là một tổng các chuỗi các ký số thập phân nhân cho 10 lũy thừa, trong ñó số mũ lũy thừa ñược tăng thêm 1 ñơn vị kể từ số

mũ lũy thừa phía bên phải nó Số mũ lũy thừa của hàng ñơn vị trong hệ thập phân

là 0

Ví dụ : Số 5246 có thể ñược thể hiện như sau:

5246 = 5 x 103 + 2 x 102 + 4 x 101 + 6 x 100

= 5 x 1000 + 2 x 100 + 4 x 10 + 6 x 1 Thể hiện như trên gọi là ký hiệu mở rộng của số nguyên

Vì 5246 = 5000 + 200 + 40 + 6 Như vậy, trong số 5246 : ký số 6 trong số nguyên ñại diện cho giá trị 6 ñơn vị (1s), ký số 4 ñại diện cho giá trị 4 chục (10s), ký số 2 ñại diện cho giá trị 2 trăm (100s) và ký số 5 ñại diện cho giá trị 5 ngàn (1000s) Nghĩa là, số lũy thừa của 10 tăng dần 1 ñơn vị từ trái sang phải tương ứng với vị trí ký hiệu số,

Ví dụ : 254.68 = 2 x 102 + 5 x 101 + 4 x 100 + 6 x 10-1 + 8 x 10-2

= 200 + 50 + 4 +

10

8 10

6 +

Tổng quát, hệ ñếm cơ số b (b ≥ 2 , b là số nguyên dương) mang tính chất sau:

- Có b ký số ñể thể hiện giá trị số Ký số nhỏ nhất là 0 và lớn nhất là b-1

- Giá trị vị trí thứ n trong một số của hệ ñếm bằng cơ số b lũy thừa n : bn

Số N(b) trong hệ ñếm cơ số (b) thể hiện : N(b) = anan-1an-2…a1a0a-1a-2…a-m trong

m i

i i

Trong ngành toán - tin học hiện nay phổ biến 4 hệ ñếm như sau :

Hệ ñếm Cơ số Ký số và trị tuyệt ñối

Hệ ñếm nhị phân (binary number system)

Với b = 2, chúng ta có hệ ñếm nhị phân Ðây là hệ ñếm ñơn giản nhất với 2 chữ

số là 0 và 1 Mỗi chữ số nhị phân gọi là BIT (viết tắt từ chữ BInary digiT) Hệ nhị phân tương ứng với 2 trạng thái của các linh kiện ñiện tử trong máy tính chỉ có: ñóng (có ñiện) ký hiệu là 1 và tắt (không ñiện) ký hiệu là 0 Vì hệ nhị phân chỉ có 2

trị số là 0 và 1, nên khi muốn diễn tả một số lớn hơn, hoặc các ký tự phức tạp hơn thì cần kết hợp nhiều bit với nhau

Ta có thể chuyển ñổi hệ nhị phân theo hệ thập phân quen thuộc

Ví dụ : Số 11101.11(2) sẽ tương ñương với giá trị thập phân là :

10101(2) = 1x24 + 0x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 = 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 20(10)

Hệ ñếm bát phân (octal number system) :

Nếu dùng 1 tập hợp 3 bit thì có thể biểu diễn 8 trị khác nhau : 000, 001, 010,

011, 100, 101, 110, 111 Các trị này tương ñương với 8 trị trong hệ thập phân là 0,

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 Tập hợp các chữ số này gọi là hệ bát phân, là hệ ñếm với b = 8

= 23 Trong hệ bát phân, trị vị trí là lũy thừa của 8

Ví dụ : 235.64(8) = 2 x 82 + 3 x 81 + 5 x 80 + 6 x 8-1 + 4 x 8-2

= 128 + 24 + 5 + 0.75 + 0.0625

= 157.8125(10)

Hệ ñếm thập lục phân (hexa-decimal number system)

Hệ ñếm thập lục phân là hệ cơ số b=16=24 , tương ñương với tập hợp 4 chữ

số nhị phân (4 bit) Khi thể hiện ở dạng hexa-decimal, ta có 16 ký tự gồm 10 chữ số

từ 0 ñến 9, và 6 chữ in A, B, C, D, E, F ñể biểu diễn các giá trị số tương ứng là 10,

11, 12, 13, 14, 15 Với hệ thập lục phân, trị vị trí là lũy thừa của 16

- Số n lần liên tiếp kế nhau của mỗi ký hiệu thể hiện giá trị ký hiệu tăng lên n lần

Số lần n chỉ là là 1,2 hoặc 3 Riêng ký hiệu M ñược phép xuất hiện 4 lần liên tiếp

Ví dụ : II = 3 x 1 = 3 ; XX = 2 x 10 = 20 ; MMMM = 4000 ,

- Hai ký hiệu ñứng cạnh nhau, nếu ký hiệu nhỏ hơn ñứng trước thì giá trị của chúng sẽ là hiệu số của giá trị ký hiệu lớn trừ giá trị ký hiệu nhỏ hơn

Giá trị 3986 ñược thể hiện là: MMMCMLXXXVI

- Ðể biểu thị những số lớn hơn 4999 (MMMMCMXCIX), chữ số La mã giải quyết bằng cách dùng những vạch ngang ñặt trên ñầu ký tự Một vạch ngang tương ñương với việc nhân giá trị của ký tự ñó lên 1000 lần Ví dụ M = 1000x1000 =

106 Như vậy, trên nguyên tắc chữ số La mã có thể biểu thị các giá trị rất lớn Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng 1 - 2 vạch ngang là nhiều

Hệ ñếm La mã hiện ít ñược sử dụng trong tính toán hiện nay

3 Biến ñổi biểu diễn số

a Qui tắc 1:

Ðể chuyển ñổi một số từ hệ thập phân sang hệ có cơ số b (b ≠ 10) ta áp dụng cách làm sau :

Lấy số thập phân chia cho cơ số b cho ñến khi phần thương của phép chia bằng

0, số ñổi ñược chính là các phần dư của phép chia theo thứ tự ngược lại

Ví dụ : cho X = 6(10) nghĩa là X = 6 trong hệ thập phân thì X sẽ ñược ñổi thành 110 (2) trong hệ nhị phân

Cách ñổi như hình sau

Ðổi phần thập phân từ hệ thập phân sang hệ cơ số b :

Tổng quát: Lấy số nguyên thập phân N(10) lần lượt nhân cho b cho ñến khi phần thập phân của tích số bằng 0 Kết quả số chuyển ñổi N(b) là các số phần nguyên trong phép nhân viết ra theo thứ tự tính toán

Ví dụ : 0.6875(10) = ? (2)

0.6875 x 2 = 1 3750 0.3750 x 2 = 0 75 0.75 x 2 = 1 5 0.5 x 2 = 1 0 Kết quả: 0.6875(10) = 1011(2)

Ðể chuyển số từ hệ nhị phân về hệ thập lục phân ta thực hiện như sau :

Nhóm lần lượt 4 bit từ phải sang trái, sau ñó thay thế các nhóm 4 bit bằng giá trị tương ứng với hệ thập lục phân (tra theo bảng chuyển ñổi trên)

(Bài ñọc thêm)

CHUYỂN ÐỔI HỆ THỐNG SỐ DỰA TRÊN HỆ 8 VÀ HỆ 16

- oOo - Trong phần trên, ta ñã làm quen với cách chuyển ñổi giữa hệ 2 và hệ 10 Tuy nhiên,

ở những trị số lớn và dài thì làm cách trên trở nên rất phức tạp và dễ nhầm lẫn, ví dụ :

101110110101(2) = ? (10)

2997(10) = ?(2)Trong ví dụ thứ nhất ta phải liên tiếp làm nhiều phép nhân và ở ví dụ thứ hai, ta lại thực hiện nhiều phép chia liên tiếp

Người ta ñưa ra hệ thống số trung gian là hệ 8 và hệ 16 ñể giải quyết:

Thông qua hệ 8 và hệ 16 ñể chuyển ñổi hệ 2 sang hệ 10

Chia số nhị phân làm thành từng bộ 3 số và 4 số liên tiếp theo thứ tự tương ứng với cách thông qua hệ 8 và hệ 16 và dùng phương pháp nhân với các thừa số bên trên tương ứng rồi cộng lại

Ví dụ 1: 101110110101(2) = ? (10)

THÔNG QUA HỆ 8: Chia số nhị phân từng bộ 3 số:

THÔNG QUA HỆ 16: Chia số nhị phân thành bộ 4 số

Thông qua hệ 8 và hệ 16 ñể chuyển hệ 10 sang hệ 2

Cách làm tương tự như trên, nhưng thay phép nhân thành phép chia và lấy các số dư của phép chia ngược từ dưới lên trên ñể chuyển ñổi

Ví dụ 2: 2997(10) = ? (2)

THÔNG QUA HỆ 8:

THÔNG QUA HỆ 16:

Suy ra:

Chuyển hệ 8 sang hệ 16 và ngược lại:

Ta có thể dùng hệ 10 hoặc hệ 2 làm trung gian ñể chuyển ñổi hệ 8 sang hệ 16 và ngược lại Thông thường dùng hệ 2 ñể trung chuyển có thuận lợi hơn

Ví dụ 3: 5665(8) = ? (16)

Chia dãy số hệ 2 vừa có ñược thành các bộ 4 số và chuyển các bộ ñó sang hệ 16

Việc chuyển từ hệ 16 sang hệ 8 ta cũng tiến hành 2 bước như vậy

III BIỂU DIỄN THÔNG TIN TRÊN MÁY TÍNH

1 Các khái niệm cơ bản

- Bit (BInary digiT) : Theo nguyên lý số trong máy tính người ta sử dụng các ñại lượng vật lý biến thiên rời rạc ñể biểu diễn dữ liệu Nếu sử dụng một ñại lượng vật

lý có rất nhiều giá trị khác nhau thì việc phân biệt các giá trị lân cận sẽ khó khăn

và do ñó ñộ tin cậy sẽ giảm ñi Hệ thống số nhị phân chỉ có hai giá trị là 0 và 1, do

ñó việc sử dụng nó là phương pháp tin cậy nhất ñể mả hóa (encode) thông tin số ðơn vị cơ sở của bộ nhớ là bit, một bit có thể chứa số 0 hay 1

2 Biểu diễn số nguyên

Số nguyên gồm số nguyên không dấu và số nguyên có dấu

- Số nguyên không dấu là số không có bit dấu như 1 byte = 8 bit, có thể biểu diễn

28=256 số nguyên dương, cho giá trị từ 0 (0000 0000) ñến 255 (1111 1111)

- Số nguyên có dấu thể hiện trong máy tính ở dạng nhị phân là số dùng 1 bit làmbít dấu, người ta qui ước dùng bit ở hàng ñầu tiên bên trái làm bit dấu (S): 0 là

số dương và 1 cho số âm Ðơn vị chiều dài ñể chứa thay ñổi từ 2 ñến 4 bytes

Ta thấy, với chiều dài 16 bit : bit ñầu là bit dấu và 15 bit sau là bit số

Trị dương lớn nhất của dãy 2 bytes sẽ là: 0 1111111 11111111 = 215 – 1 = 2767 Trị âm lớn nhất trong dãy 2 bytes là - 215 = - 2768

Ðể thể hiện số âm trong hệ nhị phân ta có 2 khái niệm:

Số bù 1: Khi ñảo ngược tất cả các bit của dãy số nhị phân: 0 thành 1 và 1 thành 0, dãy số ñảo ñó gọi là số bù 1 của số nhị phân ñó

Số dấu chấm tĩnh: thực chất là số nguyên (integers) là những số không có chấm thập phân

Số dấu chấm ñộng: là số có chữ số phần lẻ không cố ñịnh Mỗi số như vậy

có thể trữ và xử lý trong máy tính ở dạng số mũ

Ví dụ : 499,000,000 = 499 x 105 = 49.9 x 106 = 0.499 x 109 = 0.499 E+09

0.000123 = 123 x 10-6 = 1.23 x10-4 = 0.123 x 10-3 = 0.123 E-03 Ghi chú: Dấu chấm thể hiện trong máy tính ñể phân biệt phần lẻ, dấu phẩy tượng trưng cho phần ngàn, ñược viết theo qui ước của Mỹ

Tổng quát, số dấu chấm ñộng ñược biểu diễn theo 3 phần :

- phần dấu S (sign) : 0 cho + và 1 cho –

- phần ñịnh trị m (mantissa)

- phần mũ e (exponent), có thể là số nguyên dương (+) hoặc âm (-) với một số

X bất kỳ, có thể viết :

X = ±± m b e = ±± m E e

Trong ñó, b là cơ số qui ước, trị số mũ e có thể thay ñổi tùy theo số vị trí cần dời dấu chấm ñể có lại trị số ban ñầu Khi dời dấu chấm sang n vị trí về phía trái (+n) hay phía phải (-n) thì số mũ e thay ñổi lên ± n ñơn vị tương ứng

Ðể biểu diễn số có dấu chấm ñộng, người ta dùng dãy 32 bit với hệ thống cơ số

16 Trong ñó, 1 bit cho phần dấu, 7 bit cho phần mũ ñể biểu diễn phần ñặc trị C (characteristic) và 24 bit cho phần ñịnh trị m

Phần mũ có 7 bit = 27 = 128 ñặc trị C, tương ứng phần mũ e từ -64 ñến +63

C = số mũ biểu diễn + 64

Phần mũ e - 64 - 63 - 62 - 2 - 1 0 1 62 63 Ðặc trị C 0 1 2 62 63 64 65 126 127

Ví dụ : A= - 419.8125(10) = -110100011.1101(2) = -0.1101000111101 x 29

Số mũ của A là 9, số ñặc trị C là : C = 9 + 64 = 73 = 1001001(2) Trong máy tính, số A sẽ ñược trữ theo vị trí nhớ 32 bit như sau :

4 Biểu diễn dữ liệu không là số

Ðể có thể biễu diễn các ký tự như chữ cái in và thường, các chữ số, các ký hiệu trên máy tính và các phương tiện trao ñổi thông tin khác, người ta phải lập ra các bộ mã (code system) qui ước khác nhau dựa vào việc chọn tập hợp bao nhiêu bit ñể diễn tả 1 ký tự tương ứng, ví dụ các hệ mã phổ biến :

- Hệ thập phân mã nhị phân BCD (Binary Coded Decima) dùng 6 bit

- Hệ thập phân mã nhị phân mở rộng EBCDIC (Extended Binary Coded DecimalInterchange Code) dùng 8 bit tương ñương 1 byte ñể biễu diễn 1 ký tự

- Hệ chuyển ñổi thông tin theo mã chuẩn của Mỹ ASCII (American Standard Codefor Information Interchange) là hệ mã thông dụng nhất hiện nay trong kỹ thuật tin học Hệ mã ASCII dùng nhóm 7 bit hoặc 8 bit ñể biểu diễn tối ña 128 hoặc

256 ký tự khác nhau và mã hóa theo ký tự liên tục theo cơ số 16

Hệ mã ASCII 7 bit, mã hoá 128 ký tự liện tục như sau:

123 - 127 : các dấu { | } ~ DEL (xóa)

Hệ mã ASCII 8 bit (ASCII mở rộng) có thêm 128 ký tự khác ngoài các ký tự nêu trên gồm các chữ cái có dấu, các hình vẽ, các ñường kẻ khung ñơn và khung ñôi và một số ký hiệu ñặc biệt

BẢNG MÃ ASCII với 128 ký tự ñầu tiên

127