Bài giảng Tin học cơ sở: Chương 2 - Hệ thống và dữ liệu

Bài giảng Tin học cơ sở: Chương 2 - Hệ thống và dữ liệu bao gồm những nội dung về máy tính lý tưởng, dòng dữ liệu, quá trình khởi động máy tính, bộ xử lý máy tính, CPU, bộ nhớ,... Với các bạn chuyên ngành Công nghệ thông tin thì đây là tài liệu hữu ích.

Chương 2: HỆ THỐNG

VÀ DỮ LIỆU

Máy tính lý tưởng

Dòng dữ liệu

Bộ xử lý

 Máy tính sử dụng đèn điện tử ENIAC (1946)

dùng 18.000 đèn Tốc độ hỏng 1 đèn/7 phút, 15 phút để tìm và thay đèn Diện tích 500m2, nặng

30 tấn

 Transistor: thiết bị bán dẫn điện tử có khả năng chuyển đổi trạng thái “bật” và “tắt” với tốc độ lên đến hàng triệu lần/giây

 Cổng logic

 Mạch điện tử, mạch tích hợp

 Các chip Vd: CPU

ALU Control Unit

Registers

Main memory

Bus Bus

CPU - Bộ xử lý trung tâm

 Central Processing Unit

 Thao tác theo các lệnh của phần mềm để xử lý dữ liệu

 Gồm hai phần:

 Đơn vị điều khiển (Control Unit): hướng dẫn hệ

thống máy tính cách thực thi một lệnh của chương trình

 Đơn vị xử lý toán học/luận lý (Arithmetic/Logic Unit

- ALU): thực hiện và điều khiển tốc độ các phép tính

toán học (+,-, x,/) và luận lý (so sánh)

 Khả năng của CPU: word - số bit CPU có thể xử lý và

Thanh ghi (register)

 Các thanh ghi là nơi lưu trữ có tốc độ xuất nhập rất cao được dùng để lưu trữ các dữ liệu trong quá trình xử lý

 CPU làm việc trực tiếp với các thanh ghi

Bộ nhớ chính – sơ cấp

 Nhiệm vụ:

 Chứa các dữ liệu cho quá trình xử lý

 Chứa các câu lệnh xử lý dữ liệu

 Chứa các dữ liệu đã xử lý (thông tin) và

đang chờ kết xuất hoặc đưa ra thiết bị lưu trữ thứ cấp

 Nội dung trong bộ nhớ chính có tính

tạm thời

Dung lượng tùy thuộc vào hệ thống

Chu kỳ thực hiện lệnh – Cách xử lý một lệnh trong CPU

 Chu kỳ thực hiện lệnh (machine cycle) - chuỗi

các thao tác để thi hành một lệnh chương trình Một chu kỳ thực hiện lệnh bao gồm:

 chu kỳ nạp lệnh thực hiện nạp (fetch) và giải mã

lệnh (decode)

 chu kỳ thực thi lệnh: thi hành (execute) tác vụ được định nghĩa bởi lệnh và lưu trữ (store) dữ liệu đã xử lý.

Arithmetic/Logical unit Execution Cycle

Đồng hồ Hệ thống

 Đồng hồ hệ thống điểu khiển tốc độ xử lý của các thao tác trong máy tính.

 Dùng các xung dao động có tốc độ ổn

định của tinh thể thạch anh để điểu khiển các xung xử lý.

 Tốc độ xử lý: MHz

Các đơn vị đo tốc độ xử lý

 Microcomputer – megahert (MHz) - triệu chu kỳ thực hiện lệnh trong một giây Vd: Intel Pentium III 800 có khả năng thực hiện đến 800 triệu chu kỳ lệnh trong một giây.

 Workstation, minicomputer, mainframe – MIPS (Millions

of Instructions per second): số triệu lệnh chương trình thực hiện trong một giây Vd: workstation: 100MIPS,

mainframe: 200-1200MIPS

 Supercomputer – flops (floating-point operations per

Các thành phần hệ thống của máy vi tính

 Nguồn điện

 Bảng mạch chính (motherboard –

mainboard)

 CPU: họ Intel, AMD, Cyrix

 Các chip xử lý chuyên biệt: bộ đồng xử

lý toán học (Math coprocessor), GPU.

Luật Moore: “Số lượng các transistor tích hợp

Các thành phần hệ thống của máy vi tính (tt.)

 RAM – Random Access Memory

 ROM – Read Only Memory

 Các loại chip nhớ khác: cache memory, video

memory, flash memory

 Các khe cắm mở rộng và bảng mạch mở rộng (sound card, network card, )

 Các bus

 Cổng (port)

 Các thẻ cắm mở rộng: PCMCIA

Bàn phím

 Bàn phím (keyboard) là thiết bị chuyển các chữ, chữ số các ký tự khác thành các tín hiệu điện mà máy tính “đọc” được.

 Bàn phím máy tính

 Bàn phím điện thoại, các thiết bị nhập liệu nhanh: các máy bán nước tự động.

Thiết bị nhập liệu khác (tt.)

 Các thiết bị nhập âm thanh ghi các âm analog

và số hóa tín hiệu để lưu trữ và xử lý

 Các thiết bị số hóa tín hiệu hình ảnh động

 Các máy ghi hình số (digital camera)

Thiết bị nhập liệu khác (tt.)

 Các bộ cảm nhận (sensor) điện tử

 Các thiết bị nhận dạng theo tần số radio

 Nhận dạng giọng nói

 Các thiết bị nhập liệu sinh học theo các hành

động và các dấu hiệu nhận dạng đặc trưng của con người (vân tay, mắt) Điều khiển bằng ánh mắt, suy nghĩ

Màn ảnh

 Màn hình sử dụng đèn hình (CRT –

Cathode-Ray Tube)

 Màn hình tấm mỏng (Flat-Panel): LCD, EL, màn hình plasma, OLED

 Các thiết bị chiếu, phóng hình (projector)

Các loại màn hình

 Màn hình đơn sắc (monochrome) và màn hình màu (color)

 Các màn hình hiển thị hình ảnh theo cơ chế

bitmap Một hình ảnh được trình bày bằng một

“bản đồ” các bit

 Các bộ điều hợp màn hình (Video Display

Máy in, máy vẽ,

 Máy in kim

 Máy in laser, in phun, in nhiệt

 Máy in đen trắng và máy in màu

 Các thiết bị kết hợp: máy in, máy fax,

photocopy

 Các trang sách điện tử

Âm thanh, video, thực tế ảo và

 Các thiết bị mô phỏng mô phỏng mô hình, tình huống giả định trên thực tế: hệ thống tập lái máy

Các thiết bị kết hợp nhập/xuất

 Thiết bị cuối (terminal)

 Thiết bị đầu cuối câm (dumb terminal): không

có bộ xử lý trung tâm (CPU), không có các ổ đĩa, chỉ hạn chế trong việc tương tác với một máy tính trung tâm ở xa Vd: thiết bị kiểm

soát vé

 Thiết bị đầu cuối thông minh (intelligent

terminal): có khả năng tự xử lý và có bộ nhớ riêng

 Thẻ thông minh (smart card): thẻ có gắn bộ vi

xử lý và chip nhớ Được dùng để lưu trữ thông tin cá nhân: thẻ rút tiền, gửi tiền, thẻ điện thoại, thẻ nhận dạng Dung lượng nhớ: 250 trang in

 Thẻ quang (optical card) dung lượng nhớ 2000 trang in Dùng để lưu trữ các thông tin cá nhân, vd: hồ sơ sức khoẻ

Các thiết bị kết hợp nhập/xuất (tt)

Các vấn đề về sức khỏe

 Ảnh hưởng sức khỏe khi sử dụng thiết bị thời gian dài.

 Ergonomics: nghiên cứu môi trường là

việc và thiết kế các thiết bị tạo sự thoải mái trong công việc.

Thiết bị lưu trữ thứ cấp

 Thiết bị lưu trữ thứ cấp có ưu điểm:

 Không gian lưu trữ lớn

1 đĩa mềm: 500 trang in,

1 CD-ROM: 500 quyển sách

 Có độ tin cậy cao

 Tính tiện lợi trong sử dụng và truy tìm dữ liệu

Phương pháp truy cập dữ liệu

Tiêu chuẩn đánh giá

Lưu trữ trên đĩa từ

 Hoạt động theo nguyên tắc từ hóa

 Ghi: Từ hoá các phần tử từ trên bề mặt vật chứa tin để lưu trữ dữ liệu

 Đọc: đọc các thay đổi từ trên bề mặt vật chứa tin

và chuyển sang các bit dữ liệu

 Các loại: đĩa mềm, đĩa cứng,

Tổ chức dữ liệu trên đĩa từ

 Tổ chức thành Sector: Các rãnh (track) đĩa

được chia thành các sector có kích thước xác định

 Tổ chức thành các cylinder

Lưu trữ trên đĩa quang học

 Sử dụng công nghệ laser để đọc/ghi dữ liệu

lên bề mặt vật chứa tin (đĩa quang)

 Phân loại:

 Loại chỉ đọc (read only)

 WORM (Write Once – Read Many)

 MO (Magneto-optical): đĩa quang từ.

Nén dữ liệu

 Nén dữ liệu là phương pháp loại bỏ các dữ liệu

dư thừa trong một tập tin Một tập tin sau khi

nén có kích thước nhỏ hơn, do đó sẽ tiết kiệm được bộ nhớ lưu trữ và giúp truyền dữ liệu đi

nhanh hơn

 Giải nén sẽ phục hồi dữ liệu lại trạng thái ban

đầu

Tổ chức dữ liệu khi lưu trữ

 Record (bản ghi một bộ dữ liệu): tập hợp các

trường có liên qua với nhau.

 File (tập tin): tập hợp các bản ghi cùng loại.

 Database (CSDL): tập hợp có tổ chức bao gồm

các tập tin kết hợp lại.

Field trường tên Field trường tên

Record thẻ sinh viên của “Nguyễn Van A”

mã thẻ: 01234567 12/12/1980

Nam, Tp Hochiminh

Record thẻ sinh viên của “Nguyễn Van A”

mã thẻ: 01234567 12/12/1980

Nam, Tp Hochiminh

File tập tin lưu thẻ sinh viên

“Nguyen Van A”, 01234567, 12/12/1980,

“Tran B”, 01234568, 11/11/1980,

File tập tin lưu thẻ sinh viên

“Nguyen Van A”, 01234567, 12/12/1980,

“Tran B”, 01234568, 11/11/1980,

Database CSDL sinh viên

tập tin quản lý thẻ SV tập tin quản lý hồ sơ SV

Database CSDL sinh viên

tập tin quản lý thẻ SV tập tin quản lý hồ sơ SV

Mức người dùng

gồm nhiều tập tin

gồm nhiều bản ghi

chứa các trường dữ liệu cho mỗi

SV

Quản lý tập tin – các loại tập tin

 Tập tin chương trình: lưu các lệnh Gồm tập tin mã nguồn (source file) và tập tin thi hành

(executable file)

 Tập tin dữ liệu: chứa dữ liệu

 Tập tin chính: chứa thông tin, được cập nhật định kỳ.

 Tập tin trung gian: chứa thay đổi đang xử lý: thêm, xóa, sửa

Quản lý tập tin – các loại tập tin

 Tập tin văn bản ASCII

 Tập tin ảnh

 Tập tin âm thanh

Xử lý tập tin

 Xử lý từng nhóm (batch processing): dữ liệu được lưu trữ và tập hợp trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó sẽ được xử lý một lần

vd: tính cước điện thoại hàng tháng

 Xử lý “ngay” (online processing): còn gọi là xử

lý “thời gian thực” (real-time processing) Các

giao tác trên tập tin được xử lý ngay khi có yêu cầu

vd: tính thời gian truy cập Internet sau mỗi lần kết nối

Hệ thống quản trị CSDL

 Hệ thống quản lý tập tin là phần mềm cho phép người dùng tạo, truy cập và thao tác trên các tập tin Mỗi lúc một tập tin

Ưu điểm của DBMS

 Giảm bớt tính dư thừa dữ liệu

 Tăng mức độ toàn vẹn của dữ liệu: đảm bảo

tính chính xác, cố kết, cập nhật cao

 Không phụ thuộc vào chương trình

 Dễ dùng, tăng tính hiệu quả khi sử dụng

 Bảo mật, an toàn

vd: thiên tai có thể làm mất toàn bộ dữ liệu 

chiến lược sao lưu hợp lý

Các mô hình tổ chức CSDL

 CSDL phân cấp (hierarchical DB): các

trường, bản ghi dữ liệu được tổ chức

thành các nhóm có quan hệ phân cấp.

CSDL phân cấp nhưng các bản ghi dữ liệu mức “con” có thể có các liên kết đến nhiều bản ghi mức “cha”

Các mô hình tổ chức CSDL

 CSDL quan hệ (Relational DB): trong CSDL

quan hệ, các dữ liệu trong các tập tin được liên kết qua các trường khóa, hoặc các trường dữ liệu chung

Rất phổ biến

vd: Access, Fox

 CSDL hướng đối tượng (Object-oriented DB): dùng khái niệm đối tượng (object) bao gồm:

Các thành phần của DBMS

 Từ điển dữ liệu

 Các công cụ hỗ trợ cho bảo trì dữ liệu

 Ngôn ngữ truy vấn dữ liệu (Query language):

SQL

 Bộ tạo báo cáo từ CSDL

 Bảo vệ truy cập

 Chức năng phục hồi hệ thống

Biểu diễn dữ liệu và chương trình

Thông tin được lưu trữ trong máy

tính

 Dưới dạng các bit 1 và 0

1 Byte = 8 Bit Đơn vị thông tin

Ngôn ngữ máy (machine language)

 Là ngôn ngữ lập trình dạng nhị phân mà máy

tính có thể đọc, hiểu và thực thi trực tiếp (máy tính chỉ hiểu các bit nhị phân)

 Ngôn ngữ lập trình cấp cao  (bộ dịch)  ngôn ngữ máy

 Các ngôn ngữ lập trình cấp cao như: Pascal, C, C++, Java, Visual Basic…

Chuyển sang hệ nhị phân

 Bảng mã ASCII-8 (American Standard

Code for Information Interchange) dùng 8 bits để biểu diễn bộ các ký tự Được sử

dụng rộng rãi trong các máy vi tính

 Unicode: dùng 16 bit để biểu diễn các ký

tự Có thể dùng để biểu diễn gần như tất

Các chữ số: bảng mã ASCII

 Thí dụ: 12310 , 11012 , 7638 , 1A4F16

Mỗi vị trí có một giá trị

Hệ thống số thập phân

Hệ thống số nhị phân

Hệ thống số thập lục phân (16, hex)

Chuyển số nhị phân → thập phân

 Đối với phần nguyên: đi từ phải sang trái vị trí

đầu tiên là 20 (tức 1), vị trí thứ hai là 21 (tức 2), vị trí thứ ba là 22 (tức 4), vị trí thứ n là 2n-1

 Đối với phần phân số: đi từ trái sang phải vị trí

đầu tiên là 2-1 (tức 1/2), vị trí thứ hai là 2-2 (tức

1/4), vị trí thứ ba là 2-3 (tức 1/8), vị trí thứ n là 2-n

 Thí dụ

1011.01 2= (1 x 23) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) + (0 x 2-1) + (1 x 2-2) = 8+0+2+1+0+1/4 = 11,25

Chuyển số thập phân → nhị phân

 Đối với phần nguyên:

 Lấy phần nguyên chia cho 2, ghi nhớ số dư, tiếp tục lấy kết quả chia cho 2, ghi nhớ số dư và tiếp tục cho đến khi nhận được kết quả phép chia là 0

 Kết hợp các số dư theo chiều từ dưới lên được kết quả

 Đối với phần phân số (có thể lặp vô tận, không

tìm được kết quả):

 Lấy phần phân số nhân cho 2, tiếp tục lấy phần phân

Chuyển số thập phân → nhị phân

 Thí dụ: chuyển số thập phân 162,37510 sang số nhị phân

Chuyển số thập phân → nhị phân

 Thí dụ: chuyển số thập phân 0,310 sang số nhị phân

.3 * 2 = 6 phần nguyên = 0.6 * 2 = 1.2 phần nguyên = 1.2 * 2 = 4 phần nguyên = 0.4 * 2 = 8 phần nguyên = 0

Chuyển số hex → thập phân

 Đối với phần nguyên: đi từ phải sang trái vị trí

đầu tiên là 160 (tức 1), vị trí thứ hai là 161 (tức

16), vị trí thứ ba là 162 (tức 256), vị trí thứ n là

16n-1

 Đối với phần phân số: đi từ trái sang phải vị trí

đầu tiên là 16-1 (tức 1/16), vị trí thứ hai là 16-2

(tức 1/256), vị trí thứ ba là 16-3 (tức 1/4096), vị trí thứ n là 16-n

 Thí dụ

4F6A.1E = (4 x 163)+ (F[15] x 162)+ (6 x 161)+

Chuyển số thập phân → số hex

 Đối với phần nguyên:

 Lấy phần nguyên chia cho 16, ghi nhớ số dư, tiếp tục lấy kết quả chia cho 16, ghi nhớ số dư và tiếp tục cho đến khi nhận được kết quả phép chia là 0

 Kết hợp các số dư theo chiều từ dưới lên được kết quả

 Đối với phần phân số (có thể lặp vô tận, không tìm được kết quả):

Chuyển số thập phân → số hex

 Thí dụ: chuyển số thập phân 162,37510 sang số hex

162 / 16 = 10 dư 2

10 / 16= 0 dư 10 (A) 0.375 x 16 = 6 000

Chuyển số hex → số nhị phân

 Đối với từng số hex, chuyển đổi thành 4 bit thập phân tương ứng Dấu chấm phân số vẫn giữ

nguyên vị trí

 Thí dụ: chuyển đổi số hex sang số nhị phân

261.3516 = 2 6 1 3 5

Chuyển số nhị phân → số hex

 Nhóm từng nhóm 4 bit nhị phân, bắt đầu từ dấu chấm nhị phân

 Trước dấu chấm thì nhóm từ phải sang trái, đến nhóm cuối cùng nếu thiếu thì thêm vào những bit 0 vào đầu cho đủ 4 bit

 Sau dấu chấm thì nhóm từ trái sang phải, đến nhóm cuối cùng nếu thiếu thì thêm vào những bit 0 vào cuối cho đủ 4 bit

 Đối với từng nhóm 4 bit nhị phân chuyển đổi

tương ứng sang số hex

Chuyển số nhị phân → số hex

 Thí dụ: chuyển đổi số nhị phân sang số hex

10110100.0010112 = 1011 0100 0010 11002

10110100.001011102 = 1011 0100 0010 11102

Bài tập chuy ển đổi

 426.12810  nhị phân, thập lục phân

 11011.10112  thập phân, thập lục phân

 AB1.216  thập phân, nhị phân

Bài tập: DEC – HEX – BIN

203

CB

Bài tập: DEC – HEX – BIN

159

9F

Bài tập: DEC – HEX – BIN

95

5F

Bài tập: HEX – DEC – BIN

FA

250

Bài tập: HEX – DEC – BIN

A1

161

Bài tập: HEX – DEC – BIN

B9

185

Bài tập: BIN – DEC – HEX

10101011

171

Bài tập: BIN – DEC – HEX

11101001

233

Bài tập: BIN – DEC – HEX

00101101

45

Bài tập: DEC  BIN, HEX