Bài giảng nhập môn công nghệ thông tin và truyền thông nguyễn kim khánh

... n  Công nghệ Thông tin - CNTT (Information Technology - IT), hay Công nghệ Thông tin Truyền thông - CNTT&TT (Information and Communication Technology - ICT) kết hợp Tin học Công nghệ truyền thông. .. Internet TS Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nhập môn CNTT&TT N2K-HUST Nhập môn CNTT&TT N2K-HUST Máy tính phát triển máy tính Khái niệm Công nghệ thông tin Truyền thông n  n  Tin học... Mã hóa tín hiệu vật lý Bài Dữ liệu máy tính TS Nguyễn Kim Khánh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nhập môn CNTT&TT Nguyễn Kim Khánh - ĐHBKHN 35 Nhập môn CNTT&TT 36 Nhập môn CNTT&TT September 2013

Thông tin liên hệ

Tài liệu tham khảo chính

Computing Today – 2004

Using Information Technology - 2003

N2K-HUST

Nội dung Bài 1 Giới thiệu chung Bài 2 Dữ liệu trong máy tính Bài 3 Các phép toán số học và logic Bài 4 Kiến trúc máy tính

Bài 5 Phần cứng máy tính Bài 6 Phần mềm máy tính Bài 7 Mạng máy tính và Internet Bài 8 Lập trình và ngôn ngữ lập trình Bài 9 Cơ sở dữ liệu

Bài 10 Hệ thống thông tin

Nhập môn CNTT&TT

Bài 1 Giới thiệu chung

(Computer Science) là ngành khoa học nghiên

cứu về máy tính (computer) và xử lý thông tin

trên máy tính

Communication Technology - ICT) là sự kết

hợp của Tin học và Công nghệ truyền thông

1 Khái niệm Công nghệ thông tin và Truyền thông

N2K-HUST

thiết bị thực hiện theo chương trình để nhận

dữ liệu vào, xử lý dữ liệu và tạo ra thông tin

được lưu trong bộ nhớ để điều khiển máy tính thực hiện theo

2 Máy tính và sự phát triển của máy tính

Mô hình cơ bản của máy tính

Các thiết bị vào (Input Devices)

Bộ nhớ chính (Main Memory)

Các thiết bị ra (Output Devices)

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit)

n  Siêu máy tính (Supercomputers)

n  Máy tính lớn (Mainframe Computers)

n   Thế hệ thứ năm: Máy tính dùng vi mạch ULSI (1991 - nay)

N2K-HUST

n  Electronic Numerical Intergator And Computer

n  Dự án của Bộ Quốc phòng Mỹ, do John Mauchly và John Presper Eckert ở Đại học Pennsylvania thiết kế

n  Bắt đầu từ 1943, hoàn thành 1946 n  Nặng 30 tấn

n  18000 đèn điện tử và 1500 rơle n  5000 phép cộng/giây

n  Xử lý theo số thập phân n  Bộ nhớ chỉ lưu trữ dữ liệu n  Lập trình bằng cách thiết lập vị trí của các chuyển mạch và các cáp nối

Máy tính dùng đèn điện tử

n   Đó là máy tính IAS:

von Neumann/Turing (1945)

Máy tính von Neumann

và các phần tử khác được tích hợp trên một chip bán dẫn

n  SSI (Small Scale Integration) – vi mạch cỡ nhỏ n  MSI (Medium Scale Integration) – vi mạch cỡ vừa n  LSI (Large Scale Integration) – vi mạch cỡ lớn n  VLSI (Very Large Scale Integration) (dùng cho máy tính thế hệ thứ tư)

n  ULSI (Ultra Large Scale Integration) (dùng cho máy tính thế hệ thứ năm)

Máy tính dùng vi mạch SSI, MSI và LSI

IBM 360 và CRAY-1

n  Các thiết bị di động cá nhân (Personal Mobile Devices): Smartphone, Tablet

n  Máy tính để bàn (Desktop Computers)

n  Máy tính nhúng (Embedded Computers)

n  Smartphone: iPhone, Galaxy,

n  Tablet: iPad, Galaxy Tab,

n  Có giá thành dưới 1000USD

N2K-HUST

Máy tính để bàn

n   Máy tính để bàn (Desktop Computers)

n   Máy tính xách tay (Notebook Computers, Laptop Computers)

n   Giá thành: hàng trăm đến hàng nghìn USD

n  Độ tin cậy cao

n  Giá thành cao (hàng nghìn đến hàng triệu USD)

n  Giá thành: vài USD đến hàng chục nghìn USD

Máy tính nhúng (Embedded Computer)

n   Phần cứng (Hardware) : Bao gồm các thiết bị được điều khiển bởi phần mềm để xử lý dữ liệu tạo ra thông tin

n   Phần mềm (Software) : hay chính là các chương trình (Program), cung cấp từng lệnh để điều khiển máy tính xử lý

dữ liệu thành thông tin

n   Dữ liệu (Data) : bao gồm các yếu tố thô, chưa được xử lý, bao gồm văn bản, số liệu, hình ảnh, âm thanh Thông tin

(Information) là dữ liệu đã được xử lý bởi máy tính

Hệ thống thông tin (tiếp)

thống thông tin ngày nay Kết nối mạng cho phép các máy tính kết nối với nhau và chia sẻ thông tin

Con người

n   Là thành phần quan trọng nhất của HTTT

n   Yêu cầu:

máy tính

tính và công nghệ thông tin

N2K-HUST

Phần cứng máy tính

n   Đơn vị hệ thống (System Unit): Hộp vỏ máy (Chassis), Bo mạch chính (Mainboard), Bộ vi

xử lý (Microprocessor), Bộ nhớ (Memory), Các card vào-ra, Nguồn (Power Supply)

n   Thiết bị vào/ra (Input/Output): Bàn phím, chuột, màn hình, máy in …

n   Thiết bị lưu trữ (Storage): đĩa mềm, đĩa cứng, đĩa quang, ổ nhớ bán dẫn, thẻ nhớ bán dẫn

n   Thiết bị truyền thông (Communication):

n  Chương trình là dãy các lệnh để yêu cầu máy tính xử lý dữ liệu tạo ra thông tin về dạng người dùng mong muốn

n  Con người sử dụng các ngôn ngữ lập trình để tạo ra chương trình

n  Các loại phần mềm:

Phần mềm hệ thống

n  Phần mềm hệ thống cho phép các phần mềm ứng dụng tương tác với phần cứng máy tính

n  Các loại:

phối hợp các tài nguyên của máy tính, cung cấp giao diện giữa người dùng với máy tính và chạy các ứng dụng

n  Các phần mềm đồ họa n  Các phần mềm Multimedia n  Các phần mềm tạo WebSite n  Các phần mềm giải trí n  Các phần mềm cá nhân

N2K-HUST

Dữ liệu và Thông tin

n   Dữ liệu (Data) là các yếu tố thô, chưa được xử

lý, bao gồm: văn bản, số liệu, ký hiệu, hình ảnh,

âm thanh,

n   Thông tin (Information) là dữ liệu đã được xử lý

để đáp ứng yêu cầu của con người

mã hóa thành số nhị phân

n   Tệp trình diễn (Presentation files)

n   Tệp âm thanh (Sound files)

n   Tệp hình ảnh (Image files, Video files)

n   Tệp cơ sở dữ liệu (Database files)

4 Mạng máy tính và Internet

n   Kết nối (Connectivity) là khả năng máy tính của bạn chia sẻ thông tin với các máy tính khác

n   Mạng máy tính (Computer Network): Các máy tính được kết nối với nhau để chia sẻ dữ liệu và tài nguyên

n   Internet : Mạng máy tính toàn cầu

n   World Wide Web (www): là dịch vụ cung cấp giao diện đa phương tiện đến tài nguyên có trên Internet

1 Các hệ đếm cơ bản và đơn vị thông tin

2 Biểu diễn số nguyên không dấu

3 Biểu diễn số nguyên có dấu

37

1 Các hệ đếm cơ bản và đơn vị thông tin

n  Hệ thập phân (Decimal System)

n  Hệ đếm cơ số bất kỳ à tổng quát về phương diện toán học

n  Hệ nhị phân (Binary System)

Dạng tổng quát của số thập phân

Giá trị của A được hiểu như sau:

m n

na a a a a a

m m n

n n

i n

m i i

na a a a a a

m m n

n n

n r a r a r a r a r a r a

i n m i

ir a

Dạng tổng quát của số nhị phân

Giá trị của A được tính như sau:

m n

a

A = −1 1 0, −1 −

m m n

n n

i n m i i

45

Chuyển đổi số nguyên thập phân sang nhị phân

n  Phương pháp 1: chia dần cho 2 rồi lấy phần dư

n  Phương pháp 2: Phân tích thành tổng của các số 2i à nhanh hơn

nhóm 4-bit sẽ được thay bằng một chữ số Hexa

Đơn vị dữ liệu và thông tin trong máy tính

thông tin nhỏ nhất, cho phép nhận một trong hai giá trị: 0 hoặc 1

53

2 Biểu diễn số nguyên không dấu

n i i

sau đây bằng 8-bit:

A = 41 ; B = 150 Giải:

được biểu diễn bằng 8-bit như sau:

Xác định giá trị của chúng ? Giải:

57

Trục số học với n = 8 bit Trục số học:

Trục số học máy tính:

0 2 1 3

255 254

Với n = 16 bit, 32 bit, 64 bit

Ví dụ: với n = 8 bit, cho A = 0010 0101

Biểu diễn số nguyên có dấu bằng mã bù hai

n   Số dương : bit an-1 = 0, các bit còn lại biểu diễn

độ lớn như số không dấu

n   Số âm: được biểu diễn bằng số bù hai của số

0 1 2 2

65

Biểu diễn số dương

0 1 2 2

a

i n

i ia

2 0

∑

−

=

=

n  Dạng tổng quát của số dương A:

n  Dải biểu diễn cho số dương: 0 đến 2n-1-1

Biểu diễn số âm

0 1 2 2

n a a a a

n   Dạng tổng quát của số âm A:

i n

i i

n  Giá trị của số âm A:

n  Dải biểu diễn cho số âm: -1 đến -2n-1

n  Dạng tổng quát của A:

i n

i i

69

Các ví dụ

có dấu được biểu diễn dưới đây:

-­‐1 -­‐2

+127 -­‐128 -­‐3

N2K-HUST

72

Với n = 16 bit, 32 bit, 64 bit

73

4 Biểu diễn ký tự (character)

n  Bộ mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange)

n  'C' à 0100 0011 = 43(16)n 

Các mã ký tự điều khiển định dạng (điều khiển màn hình, máy in …)

BS Backspace – Lùi lại một vị trí: Ký tự điều khiển con trỏ lùi lại

FF Form Feed - Đẩy sang đầu trang: Ký tự điều khiển con trỏ di

chuyển xuống đầu trang tiếp theo

CR Carriage Return – Về đầu dòng: Ký tự điều khiển con trỏ di

chuyển về đầu dòng hiện hành

81

Các mã điều khiển (tiếp)

Các mã ký tự điều khiển truyền tin

SOH Start of Heading - Bắt đầu tiêu đề: Ký tự đánh dấu bắt đầu phần thông tin tiêu đề

STX Start of Text - Bắt đầu văn bản: Ký tự đánh dấu bắt đầu khối dữ liệu văn bản và cũng chính là để kết thúc phần thông tin tiêu đề

ETX End of Text – Kết thúc văn bản: Ký tự đánh dấu kết thúc khối dữ liệu văn bản đã được bắt đầu bằng STX

EOT End of Transmission - Kết thúc truyền: Chỉ ra cho bên thu biết kết thúc truyền

ENQ Enquiry – Hỏi: Tín hiệu yêu cầu đáp ứng từ một máy ở xa

ACK Acknowledge - Báo nhận: Ký tự được phát ra từ phía thu báo cho phía phát biết rằng dữ liệu đã được nhận thành công

NAK Negative Aknowledge - Báo phủ nhận: Ký tự được phát ra từ phía thu báo cho phía phát biết rằng việc nhận dữ liệu không thành công

SYN Synchronous / Idle - Đồng bộ hoá: Được sử dụng bởi hệ thống truyền đồng bộ để đồng bộ hoá quá trình truyền dữ liệu

ETB End of Transmission Block – Kết thúc khối truyền: Chỉ ra kết thúc khối dữ liệu được truyền

Các mã điều khiển (tiếp)

Các mã ký tự điều khiển phân cách thông tin

ranh giới giữa các tập tin

dấu ranh giới giữa các nhóm tin (tập hợp các bản ghi)

dấu ranh giới giữa các bản ghi

ranh giới giữa các phần của bản ghi

NUL Null - Ký tự rỗng: Được sử dụng để điền khoảng trống khi không có dữ liệu

BEL Bell - Chuông: Được sử dụng phát ra tiếng bíp khi cần gọi sự chú ý của con người

SO Shift Out – Dịch ra: Chỉ ra rằng các mã tiếp theo sẽ nằm ngoài tập ký tự chuẩn cho đến khi gặp ký tự SI

SI Shift In – Dịch vào: Chỉ ra rằng các mã tiếp theo sẽ nằm trong tập ký tự chuẩn

DLE Data Link Escape - Thoát liên kết dữ liệu: Ký tự sẽ thay đổi ý nghĩa của một hoặc nhiều ký tự liên tiếp sau đó

DC1÷DC

4 Device Control - Điều khiển thiết bị : Các ký tự dùng để điều khiển các thiết bị phụ trợ

CAN Cancel – Huỷ bỏ: Chỉ ra rằng một số ký tự nằm trước nó cần phải bỏ qua

EM End of Medium – Kết thúc phương tiện: Chỉ ra ký tự ngay trước nó là ký tự cuối cùng có tác dụng với phương tiện vật lý

SUB Substitute – Thay thế: Được thay thế cho ký tự nào được xác định là bị lỗi

ESC Escape – Thoát: Ký tự được dùng để cung cấp các mã mở rộng bằng cách kết hợp với ký tự sau đó

DEL Delete – Xoá: Dùng để xoá các ký tự không mong muốn

n   0 011 1111 1 000 0000 0000 0000 0000 0000 = ? = +1.0

N2K-HUST

91

Ví dụ 2 Biểu diễn số thực X= 83.75 về dạng số dấu phẩy động IEEE754 32-bit

93

Các qui ước đặc biệt

x 000 0000 0 000 0000 0000 0000 0000 0000 à X = ± 0

x 111 1111 1 000 0000 0000 0000 0000 0000 à X =± ∞

nó không biểu diễn cho số nào cả (NaN - not a number)

Bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)

Tín hiệu vật lý Tín hiệu điện liên tục Tín hiệu số

Máy tính

Bộ tái tạo tín hiệu

Bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC)

Tín hiệu vật lý Tín hiệu điện liên tục Tín hiệu số

101

1 Cộng số nguyên không dấu

Khi cộng hai số nguyên không dấu n-bit, kết quả nhận được là n-bit:

n  Nếu không có nhớ ra ngoài bit cao nhất

n  Nếu có nhớ ra ngoài bit cao nhất (Carry

(Overflow) và kết quả bị sai

109

Phép nhân (tiếp)

bị nhân

tích riêng phần trước đó

(không bao giờ tràn)

8 September 2013 Bài gi ả ng Ki ế n trúc máy tính 114

Ký hiệu các cổng logic (Gate)

N2K-HUST

115

Ví dụ minh họa các phép toán logic

n  Giả sử có hai dữ liệu nhị phân như sau:

A = 1010 1010

B = 0000 1111

117

Nhập môn CNTT&TT

Bài 4 Kiến trúc máy tính

Điều khiển hoạt động của máy tính và xử lý

dữ liệu

dữ liệu

máy tính với bên ngoài

thông tin giữa các thành phần với nhau

Các thành phần cơ bản của máy tính

121

n  Chức năng:

n  Nguyên tắc hoạt động cơ bản:

CPU hoạt động theo chương trình nằm trong

Đơn vị

số học và logic (ALU)

Tập các thanh ghi (RF)

Đơn vị nối ghép bus (BIU)

bus bên ngoài

bus bên trong

N2K-HUST

123

n   Đơn vị điều khiển (Control Unit - CU): điều

khiển hoạt động của máy tính theo chương trình

đã định sẵn

n   Đơn vị số học và logic (Arithmetic and Logic

Unit - ALU): thực hiện các phép toán số học và

phép toán logic

n   Tập thanh ghi (Register File - RF): lưu giữ các

thông tin tạm thời phục vụ cho hoạt động của CPU

n   Đơn vị nối ghép bus (Bus Interface Unit - BIU)

kết nối và trao đổi thông tin giữa bus bên trong

(internal bus) và bus bên ngoài (external bus)

Các thành phần cơ bản của CPU

n   Tần số xung nhịp của bộ xử lý:

(Clock) có tần số xác định

tiếp thông qua tần số của xung nhịp

n   Các thao tác cơ bản với bộ nhớ:

n   Các thành phần chính:

thay đổi, song địa chỉ vật lý của ngăn nhớ luôn cố định

Nội dung Địa chỉ

n  Dung lượng nhỏ hơn bộ nhớ chính

n  Tốc độ nhanh hơn

n  Cache thường được chia thành một số mức

n  Cache có thể được tích hợp trên chip vi xử

133

Cấu trúc cơ bản của hệ thống vào-ra

Mô-đun vào-ra

Mô-đun vào-ra

Cổng vào- ra

Thiết bị ngoại vi

Thiết bị ngoại vi

Thiết bị ngoại vi nối ghép

với CPU

và bộ nhớ chính

Cổng vào- ra

Cổng vào- ra

bus

hệ thống

Các thiết bị vào-ra

n   Chức năng: chuyển đổi dữ liệu giữa bên trong và bên ngoài máy tính

n   Các loại thiết bị vào-ra cơ bản

có thể truyền các bit thông tin đồng thời (chỉ dùng cho bus địa chỉ và bus dữ liệu)

5 Bus liên kết hệ thống

137

Sơ đồ cấu trúc bus cơ bản

bus điều khiển

bus địa chỉ bus dữ liệu CPU Mô-đunnhớ Mô-đunnhớ Mô-đunvào-ra Mô-đunvào-ra

Bus địa chỉ

n   Chức năng: vận chuyển địa chỉ để xác định

ngăn nhớ hay cổng vào-ra

n   Độ rộng bus địa chỉ: cho biết số lượng ngăn

nhớ tối đa được đánh địa chỉ

(không gian địa chỉ bộ nhớ)

n   Ví dụ:

(ngăn nhớ tổ chức theo byte)

mô đun vào-ra với nhau

dữ liệu có thể được trao đổi đồng thời

Bus điều khiển

điều khiển

n  Các loại tín hiệu điều khiển:

bộ nhớ và hệ thống vào-ra

đến CPU

141

6 Tập lệnh

n  Mỗi bộ xử lý có một tập lệnh xác định

n  Tập lệnh thường có hàng chục đến hàng trăm lệnh

n  Mỗi lệnh là một chuỗi số nhị phân mà

bộ xử lý hiểu được để thực hiện một thao tác xác định

n  Các lệnh được mô tả bằng các ký hiệu gợi nhớ

Các thành phần của lệnh máy

mã hóa cho thao tác mà bộ xử lý phải thực hiện

hạng mà thao tác sẽ tác động

Mã thao tác Địa chỉ của các toán hạng

7 Hoạt động của máy tính

n  Là hoạt động cơ bản của máy tính

n  Máy tính lặp đi lặp lại chu trình lệnh bao gồm hai bước chính:

145

Ngắt (Interrupt)

n  Ngắt là cơ chế cho phép CPU tạm dừng chương trình đang thực hiện để chuyển sang thực hiện một chương trình khác – gọi là chương trình con phục vụ ngắt

n  Sau khi thực hiện xong à quay trở về tiếp tục thực hiện chương trình đang

TS Nguyễn Kim Khánh

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

các thiết bị lưu trữ, bộ nguồn

thông qua các cổng vào-ra

n  Máy tính xách tay: Các thiết bị vào-ra chính được gắn chặt theo máy

n  Máy tính cầm tay: toàn bộ các thành phần nằm trong đơn vị hệ thống

1 Đơn vị hệ thống (System Unit)

N2K-HUST

151

Motherboard) kết nối tất cả các thành phần của

hệ thống, cho phép các thiết bị vào-ra truyền thông tin với đơn vị hệ thống

các chức năng điều khiển và nối ghép

(module nhớ, các card vào-ra)

n   RISC chip (Reduced Instruction Set Computing – Tính toán với tập lệnh thu gọn):

Core Duo & Quad Core

n   SDRAM – Synchronous DRAM

n   DDR SDRAM – Double Data Rate SDRAM

RAM

161

n  BIOS - Basic Input Output System

n  ROM BIOS chứa các chương trình sau:

tự kiểm tra khi bật nguồn

hình, đồng hồ hệ thống

Boot Record từ đĩa khởi động vào RAM

ROM BIOS (Read Only memory)

CMOS RAM

N2K-HUST

163

Controllers): card màn hình SVGA, …

trên cùng bo mạch hệ thống

Các card cắm thêm