Ngôn Ngữ Lập Trình Fortran 90: Tài Liệu Tự Học Dành Cho Sinh Viên Kỹ Thuật

Tổng hợp tài liệu lập trình Fortran 90 cơ bản dành cho sinh viên. Hướng dẫn chi tiết cú pháp, kiểu dữ liệu và các chương trình con đầu tiên.

• Tác giả: La Văn Hiển
• Chuyên ngành: Ngôn Ngữ Lập Trình
• Đề tài: Tài Liệu Lập Trình Căn Bản Dành Cho Sinh Viên Fortran 90
• Loại tài liệu: Tài liệu tự học
• Năm xuất bản: 2022

Mục lục chi tiết

• Lời nói đầu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH FORTRAN
• 1.1. Sơ lược về lịch sử ngôn ngữ lập trình Fortran.
• 1.2. Phạm vi ứng dụng.
• 1.3. Các phiên bản của ngôn ngữ Fortran.
• 1.4. Bộ kí tự của Fortran.
• 1.5. Soạn thảo văn bản chương trình (tập tin nguồn dạng *.f90)
• 1.6. Phương thức chung tạo tập tin thi hành (executable file) từ văn bản chương trình.
• 1.7. Một ví dụ về chương trình Fortran.
• 1.8. Giải thích sơ lược văn bản chương trình hinhtron.f90

Tóm tắt

I. Fortran 90 Tổng quan và Lợi ích cho Sinh viên Khoa học

Tài liệu này giới thiệu Fortran 90, một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ và lâu đời, đặc biệt phù hợp cho sinh viên các ngành khoa học, kỹ thuật và tự nhiên. Fortran (viết tắt của FORmula TRANslation) có lịch sử phát triển lâu dài và vẫn là một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng tính toán số. Tài liệu này được biên soạn dưới dạng tự học, cung cấp các kiến thức cơ bản nhất của Fortran 90. Lợi ích của việc học Fortran bao gồm khả năng đọc hiểu các chương trình viết bằng Fortran trong các sách, tài liệu, bài báo nước ngoài, cũng như tạo điều kiện học tập ở nước ngoài. So với Fortran 77, Fortran 90 có nhiều cải tiến như định dạng tự do, cấu trúc điều khiển mạnh mẽ hơn, và khả năng xử lý mảng hiệu quả. Từ kiến thức Fortran 90, sinh viên có thể dễ dàng tiếp cận các phiên bản tiếp theo như Fortran 95, Fortran 2003 và Fortran 2008. Tài liệu này sử dụng các trình biên dịch miễn phí như G77/GFortran của GNU Compiler Collection (GCC) và G95, thông qua phần mềm Force 2.0 là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) gọn nhẹ. Nó cũng giới thiệu thêm phần mềm Silverfrost FTN95 Personal Edition để bạn đọc tham khảo, chạy kiểm chứng các chương trình Fortran 90/95. Phần phụ lục giới thiệu tổng quát phần mềm GNUPLOT dùng để vẽ các đồ thị 2D, 3D lấy dữ liệu từ kết quả tính toán của Fortran. Các bạn sinh viên cần tham khảo, sử dụng các chương trình tiện ích rất phong phú đã được lập trình sẵn từ các thư viện Fortran trên Internet, phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu. Tài liệu “NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH Fortran 90” được biên soạn nhằm giúp các bạn sinh viên các khối, ngành khoa học kỹ thuật, khoa học tự nhiên quan tâm đến ngôn ngữ Fortran nắm được phương pháp căn bản để viết văn bản chương trình và chạy các chương trình tính toán bằng Fortran 90, phục vụ yêu cầu học tập , thực hiện các bài tập lớn , luận văn tốt nghiệp. Fortran có lịch sử phát triển lâu đời qua nhiều thế hệ máy tính với các phiên bản khác nhau , đến nay vẫn là ngôn ngữ có nhiều ưu thế trong lĩnh vực tính toán số.

1.1. Lịch sử Phát triển và Ưu điểm của Lập trình Fortran

Fortran, viết tắt của FORmula TRANslation, là một trong những ngôn ngữ lập trình cấp cao đầu tiên, được phát triển bởi IBM vào những năm 1950. Ngôn ngữ này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng khoa học và kỹ thuật, và vẫn duy trì sự phổ biến của nó cho đến ngày nay. Ưu điểm chính của Fortran bao gồm khả năng tối ưu hóa cho hiệu suất tính toán, hỗ trợ tốt cho các phép toán số học phức tạp, và sự sẵn có của nhiều thư viện toán học và khoa học. Fortran thích hợp hơn cho các ứng dụng tính toán số trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật , khoa học tự nhiên và được xem là ngôn ngữ lập trình rất phổ biến đối với các sinh viên, kỹ sư, khoa học gia thuộc các lĩnh vực nêu trên tại các nước Âu Mỹ.

1.2. So sánh Fortran 90 với Fortran 77 và các phiên bản khác

Fortran đã trải qua nhiều phiên bản phát triển, từ Fortran 66 và Fortran 77 đến Fortran 90, Fortran 95, Fortran 2003, và các phiên bản mới hơn. Fortran 90 đánh dấu một bước tiến quan trọng so với các phiên bản trước đó, đặc biệt là Fortran 77. Các cải tiến bao gồm: Định dạng mã nguồn tự do (free-format), hỗ trợ kiểu dữ liệu động, cấu trúc điều khiển và xử lý mảng mạnh mẽ hơn, và khả năng lập trình module. Fortran 95 tiếp tục cải thiện Fortran 90 bằng cách bổ sung một số tính năng mới và loại bỏ các tính năng lỗi thời. Phiên bản Fortran 90 , được xem là cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển ngôn ngữ Fortran, có rất nhiều điểm mới so với FORTRAN 77 như văn bản chương trình hay tập tin nguồn ( source code ) được phép viết theo kiểu “ định dạng tự do “ ( free format ) , khác với kiểu “ định dạng cố định theo cột “ ( fixed format ) của các phiên bản trước ; các cấu trúc điều khiển , xử lý mảng , xử lý vào / ra , cấp phát động , chương trình con , đơn vị chương trình module tạo nhiều thuận lợi hơn cho người lập trình .

1.3. Môi trường phát triển và trình biên dịch Fortran miễn phí

Để bắt đầu lập trình Fortran 90, sinh viên có thể sử dụng nhiều môi trường phát triển tích hợp (IDE) và trình biên dịch miễn phí. Một số lựa chọn phổ biến bao gồm: GCC (GNU Compiler Collection) với GFortran, Force 2.0 (một IDE đơn giản sử dụng GFortran), và Silverfrost FTN95 Personal Edition. Các trình biên dịch này hỗ trợ các chuẩn Fortran mới nhất và cung cấp các công cụ gỡ lỗi và biên dịch hiệu quả. Tài liệu này sử dụng các trình biên dịch miễn phí như G77/GFortran của GNU Compiler Collection (GCC) và G95 thông qua phần mềm Force 2.0 là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) gọn nhẹ. Tài liệu cũng giới thiệu thêm phần mềm Silverfrost FTN95 Personal Edition để bạn đọc tham khảo , chạy kiểm chứng các chương trình Fortran 90/95.

II. Cách Cài đặt và Sử dụng Trình Biên dịch Fortran 90 Cơ bản

Để bắt đầu lập trình Fortran 90, cần cài đặt một trình biên dịch. Hướng dẫn này tập trung vào việc sử dụng GFortran thông qua Force 2.0 và Silverfrost FTN95 Personal Edition. Với Force 2.0, tải và cài đặt phần mềm, sau đó mở Force2.exe. Trong môi trường này, soạn thảo mã nguồn, biên dịch, liên kết và chạy chương trình. Silverfrost FTN95 Personal Edition cung cấp một IDE khác, Plato. Sau khi cài đặt, mở plato.exe và tạo một file Fortran định dạng tự do. Biên dịch và chạy chương trình thông qua menu Build. Người dùng cũng có thể sử dụng GFortran trực tiếp trên Command Window. Sau khi cài đặt GFortran và cấu hình biến PATH, sử dụng lệnh gfortran -o ten_chuong_trinh.exe ten_file_nguon.f90 để biên dịch và liên kết. Sau đó, chạy chương trình bằng cách nhập tên chương trình vào Command Window. Sử dụng các trình biên dịch khác nhau cho phép kiểm tra tính tương thích của mã nguồn. Phần thực hành minh họa các chương trình Fortran 90 , chúng ta sử dụng phần mềm miễn phí Force 2.9p , được download tại trang web : http://force.html Tên tập tin download : Force209G95Setup.exe , kích thước 3,55 MB . Phần mềm Force là một môi trường phát triển tích hợp IDE ( Integrated Development Environment ) gọn nhẹ , có chức năng biên dịch và chạy các chương trình viết bằng FORTRAN 77 hoặc Fortran 90. Khi cài đặt xong , chúng ta mở file Force2.exe , sẽ thấy hiển thị cửa sổ môi trường phát triển tích hợp IDE của Force 2.

2.1. Hướng dẫn cài đặt và cấu hình Force 2.0 cho Fortran 90

Force 2.0 là một IDE đơn giản và dễ sử dụng cho Fortran 90. Để cài đặt, tải phần mềm từ trang web chính thức và chạy file cài đặt. Sau khi cài đặt xong, mở Force2.exe. Trong môi trường Force 2.0, bạn có thể soạn thảo, biên dịch, liên kết và chạy các chương trình Fortran 90 của mình. Lưu ý kiểm tra các thông báo lỗi trong cửa sổ Process để sửa lỗi cú pháp.

2.2. Sử dụng Silverfrost FTN95 Personal Edition cho Fortran 90 95

Silverfrost FTN95 Personal Edition là một IDE khác cho Fortran 90 và Fortran 95. Để sử dụng, tải và cài đặt phần mềm, sau đó mở plato.exe. Trong Plato, bạn có thể tạo một file Fortran định dạng tự do và soạn thảo mã nguồn của mình. Biên dịch và chạy chương trình thông qua menu Build. Sau đó chúng ta chạy chương trình này : chọn menu Build , lệnh Start Run ( Ctrl – F5) . Một thông báo hiện ra vài giây cho biết về các giới hạn khi sử dụng phiên bản personal edition của phần mềm này trước khi chương trình chạy thực sự.

2.3. Biên dịch và chạy Fortran 90 trên Command Window với GFortran

GFortran là một trình biên dịch dòng lệnh mạnh mẽ cho Fortran. Để sử dụng, cần cài đặt GFortran và cấu hình biến PATH để có thể gọi trình biên dịch từ Command Window. Sau đó, sử dụng lệnh gfortran -o ten_chuong_trinh.exe ten_file_nguon.f90 để biên dịch và liên kết. Chạy chương trình bằng cách nhập tên chương trình vào Command Window. Cài đặt tại trang : https://www.htm Chọn gói GFortran package , tải file : mingw-w64-gcc-6.0-setup (93M) Sau khi cài đặt vào máy xong , cần đưa/ khai báo đường dẫn thư mục có chứa chương trình gfortran , ví dụ C:\MinGW-w64\x86_64-6.0-posix-seh-rt_v5-rev0\mingw64\bin , vào biến PATH để có thể gọi trình biên dịch gforran từ thư mục người dùng [ Computer > System Properties> Change Settings > Advanced > Environment Variables > Trong khung User variables for User chọn biến PATH > Edit > Nhập đường dẫn thư mục có chửa gfortran ].

III. Cú pháp Cơ bản và Kiểu Dữ liệu trong Fortran 90 Dễ hiểu

Ngôn ngữ Fortran 90 có một cú pháp rõ ràng và dễ đọc. Chương trình Fortran bao gồm các dòng lệnh, mỗi dòng không quá 132 ký tự. Các từ khóa được sử dụng để khai báo biến, thực hiện phép toán, và điều khiển luồng chương trình. Các kiểu dữ liệu cơ bản bao gồm: integer (số nguyên), real (số thực), complex (số phức), logical (giá trị đúng/sai), và character (ký tự). Việc khai báo biến và hằng được thực hiện bằng cách sử dụng từ khóa tương ứng và chỉ định kiểu dữ liệu. Fortran không phân biệt chữ hoa chữ thường trừ xâu ký tự. Một số quy định về soạn thảo văn bản chương trình Fortran 90 : Văn bản chương trình gồm các dòng text , mỗi dòng có không quá 132 kí tự . Nội dung văn bản bên phải sau dấu chấm than ! là phần chú thích (comment) , dùng để giải thích các câu lệnh hoặc các phần khác nhau của chương trình nhằm giúp người đọc văn bản hiểu rõ các câu lệnh . Trình biên dịch sẽ bỏ qua các chú thích này. Trình biên dịch bỏ qua các dòng trống ( dòng trắng ) trong văn bản chương trình . Thông thường một câu lệnh được đặt trên một dòng văn bản riêng biệt , nếu viết hai hoặc nhiều câu lệnh trên cùng một dòng thì phải dùng dấu chấm phẩy ; để phân cách các câu lệnh.

3.1. Khai báo biến và hằng trong Fortran 90 Hướng dẫn chi tiết

Để khai báo biến, sử dụng cú pháp: ten_kieu_du_lieu :: ten_bien1, ten_bien2, .... Để khai báo hằng, sử dụng cú pháp: ten_kieu_du_lieu, parameter :: ten_hang1 = gia_tri, .... Ví dụ: integer :: n, real, parameter :: pi = 3.14159. Cần nhớ rằng các biến phải được khai báo trước khi sử dụng. Trong chỉ thi khai báo biến , nếu có gán giá trị ban đầu hay có khai báo thuộc tính như parameter , dấu :: bắt buộc phải có . Dấu :: luôn luôn phải viết liền nhau . Một biến chưa được gán giá trị ban đầu sẽ có một giá trị không xác định khi chương trình bắt đầu được thực thi ( unassigned variable ) . Nếu chúng ta thử truy xuất giá trị của các biến này , sẽ nhận được các giá trị ‘vô nghĩa ‘ ( garbage value ) . Chúng ta có thể gán giá trị ban đầu ngay trên dòng khai báo biến.

3.2. Các kiểu dữ liệu số Integer Real Complex trong Fortran 90

Fortran 90 hỗ trợ các kiểu dữ liệu số sau: integer (số nguyên), real (số thực), và complex (số phức). Kiểu integer được sử dụng để biểu diễn các số nguyên, kiểu real được sử dụng để biểu diễn các số thực, và kiểu complex được sử dụng để biểu diễn các số phức. Có thể chỉ định độ chính xác của kiểu real và complex bằng cách sử dụng tham số kind.Ví dụ: real(kind=8) :: x. Các kiểu số nguyên có kích thước 1,2,4,8 byte , có phạm vi thể hiện (range) như sau : Trong ngôn ngữ Fortran 90, việc khai báo kiểu số nguyên có chỉ định rõ miền giá trị ( range ) được thực hiện thông qua tham số kind là một số nguyên dương.Đối với một số trình biên dịch ( bao gồm Force 2.0 ) số kind được gán trực tiếp bằng với số byte ( kích thước kiểu dữ liệu trong bộ nhớ ) và được khai báo như sau : integer (kind = 1) :: k .

3.3. Kiểu Logic Logical và Ký tự Character trong Fortran 90

Kiểu logical được sử dụng để biểu diễn các giá trị đúng (.true.) hoặc sai (.false.). Kiểu character được sử dụng để biểu diễn các ký tự và chuỗi ký tự. Chiều dài của chuỗi ký tự có thể được chỉ định bằng cách sử dụng tham số len. Biến thuộc kiểu logic được khai báo với từ khóa logical , chiếm 4 byte trong bộ nhớ ( kiểu logical mặc định ) , và miền giá trị chỉ có hai giá trị là .TRUE. hoặc .FALSE .Biến kiểu kí tự được khai báo với từ khóa character có kèm theo tham số len = n , xác định chiều dài ( cố định ) của biến ( n : số nguyên > 0 , số kí tự tối đa được phép thể hiện kể cả các kí tự trống của biến , mỗi kí tự chiếm 1 byte trong bộ nhớ ,được đánh số từ 1 đến n , trái qua phải).

IV. Phép Toán Biểu Thức và Hàm trong Fortran 90 Chi tiết

Fortran 90 cung cấp các phép toán số học, logic, và ký tự. Các phép toán số học bao gồm: + (cộng), - (trừ), * (nhân), / (chia), và ** (lũy thừa). Các phép toán logic bao gồm: .and. (và), .or. (hoặc), .not. (phủ định). Phép nối chuỗi ký tự được thực hiện bằng toán tử //. Biểu thức là sự kết hợp của các phép toán và toán hạng. Fortran 90 cũng cung cấp nhiều hàm tích hợp sẵn (intrinsic functions) để thực hiện các phép toán toán học, lượng giác, và các tác vụ khác. Trong các chương trước , chúng ta đã làm quen với phát biểu gán theo dạng : Tên_biến = Biểu thức . Trước tiên , biểu thức bên vế phải được tính theo quy tắc do Fortran quy định và trả về một giá trị thuộc một kiểu dữ liệu nào đó , sau đó giá trị này được gán cho biến bên vế trái . Các loại biểu thức trong Fortran : Biểu thức số học, Biểu thức logic, Biểu thức kí tự.

4.1. Các Phép Toán Số Học và Quy tắc Ưu tiên trong Fortran 90

Các phép toán số học trong Fortran 90 bao gồm +, -, *, /, và **. Quy tắc ưu tiên của các phép toán là: Lũy thừa > Nhân/Chia > Cộng/Trừ. Có thể sử dụng dấu ngoặc đơn () để thay đổi thứ tự ưu tiên. Ví dụ: (a + b) * c. Ví dụ về biểu thức số học : (-b + sqrt (b**2 – 4.ac))/(2.*a) Các hàm được Fortran cung cấp để sử dụng ngay gọi là intrinsic functions.

4.2. Các Phép Toán Logic và So sánh trong Fortran 90

Fortran 90 cung cấp các phép toán logic như .and., .or., and .not.. Các phép so sánh bao gồm == (bằng), /= (không bằng), < (nhỏ hơn), <= (nhỏ hơn hoặc bằng), > (lớn hơn), và >= (lớn hơn hoặc bằng). Kết quả của các phép toán này là một giá trị kiểu logical ( .true. hoặc .false.).Các phép toán logic có mức ưu tiên như nhau và được thực hiện sau phép toán số học nhưng trước các phép toán logic .

4.3. Các Hàm Tích hợp Sẵn Thông dụng trong Fortran 90

Fortran 90 cung cấp nhiều hàm tích hợp sẵn để thực hiện các phép toán toán học, lượng giác, và các tác vụ khác. Một số hàm thông dụng bao gồm: abs (giá trị tuyệt đối), sqrt (căn bậc hai), sin (sin), cos (cos), tan (tan), log (logarit tự nhiên), exp (hàm mũ), max (giá trị lớn nhất), min (giá trị nhỏ nhất). Dưới đây là một số hàm dùng để tra cứu thông tin của kiểu dữ liệu số cũng như lấy số kind của kiểu dữ liệu số nguyên, số thực theo các yêu cầu của người lập trình.

V. Cấu Trúc Điều Khiển trong Fortran 90 Cho Sinh Viên Mới

Fortran 90 cung cấp các cấu trúc điều khiển để kiểm soát luồng chương trình. Các cấu trúc điều khiển chính bao gồm: if (lựa chọn), select case (lựa chọn đa nhánh), và do (vòng lặp). Các cấu trúc này cho phép chương trình thực hiện các hành động khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện khác nhau. Ngôn ngữ lập trình Fortran cung cấp đầy đủ các cấu trúc điều khiển có khả năng lựa chọn thực hiện một lệnh hay khối lệnh phù hợp với tình huống xảy ra khi chạy chương trình cũng như khả năng thực hiện một khối lệnh lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi một điều kiện nào đó được đáp ứng. Fortran còn có các lệnh không tuân theo sự thực hiện tuần tự các câu lệnh trong chương trình như các lệnh exit , cycle , goto .

5.1. Câu lệnh IF đơn giản IF THEN ELSE trong Fortran 90

Câu lệnh if được sử dụng để thực hiện một hành động nếu một điều kiện là đúng. Cú pháp đơn giản là: if (bieu_thuc_logic) then ... end if. Câu lệnh if then else cho phép thực hiện một hành động nếu điều kiện là đúng và một hành động khác nếu điều kiện là sai. Cú pháp là: if (bieu_thuc_logic) then ... else ... end if. .Nếu biểu thức logic có giá trị sai , chương trình sẽ bỏ qua câu lệnh if và thực hiện câu lệnh tiếp theo trong chương trình .

5.2. Cấu trúc SELECT CASE cho lựa chọn đa nhánh Fortran 90

Cấu trúc select case cho phép lựa chọn giữa nhiều nhánh khác nhau dựa trên giá trị của một biểu thức. Cú pháp là: select case (bieu_thuc) case (gia_tri1) ... case (gia_tri2) ... case default ... end select. Nếu biểu thức có giá trị bằng giá trị của case nào , thì sẽ thực hiện các lệnh bên trong case đó.

5.3. Vòng lặp DO và các lệnh điều khiển vòng lặp trong Fortran 90

Vòng lặp do được sử dụng để thực hiện một khối lệnh lặp đi lặp lại nhiều lần. Cú pháp là: do bien = gia_tri_dau, gia_tri_cuoi, buoc_nhay ... end do. Các lệnh exit và cycle được sử dụng để thoát khỏi vòng lặp hoặc bỏ qua một lần lặp. Câu lệnh exit dùng để thoát ra khỏi vòng lặp ; câu lệnh cycle bỏ qua các câu lệnh còn lại trong vòng lặp và thực hiện vòng lặp tiếp theo .

VI. Ứng dụng Thực tế và Bài tập Lập trình Fortran 90

Fortran 90 được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật, và tài chính. Một số ứng dụng thực tế bao gồm: mô phỏng thời tiết, tính toán kết cấu, phân tích dữ liệu tài chính, và phát triển các thuật toán tối ưu hóa. Sinh viên có thể thực hành lập trình Fortran 90 bằng cách giải các bài tập liên quan đến các lĩnh vực này. Ví dụ Lập trình tính giá trị gia tốc trọng trường g (m/s2) tại độ cao h = 2000 km ( nhập giá trị h từ bàn phím ) . Biết bán kính Trái Đất R = 6400 km , gia tốc trọng trường tại mặt đất là g0 = 9,81 m/s2 Công thức tính gia tốc : g = g0 (1+h/R)-2

6.1. Ví dụ lập trình Fortran 90 giải phương trình bậc hai

Viết chương trình Fortran 90 để giải phương trình bậc hai ax^2 + bx + c = 0. Chương trình cần nhập các hệ số a, b, c từ bàn phím và xuất ra các nghiệm của phương trình. Nếu phương trình vô nghiệm hoặc có nghiệm kép ,thì in ra các thông báo thích hợp.

6.2. Bài tập tính tích phân bằng phương pháp hình thang trong Fortran 90

Viết chương trình Fortran 90 để tính tích phân của một hàm số f(x) trên đoạn [a, b] bằng phương pháp hình thang. Chương trình cần nhập các giá trị a, b, và số lượng hình thang n từ bàn phím, sau đó tính và xuất ra giá trị tích phân. Chương trình trên nhằm tách tên , số phone ra khỏi một xâu kí tự gồm có tên người và số phone chung trong một xâu .

6.3. Ứng dụng Fortran 90 trong mô phỏng hệ thống vật lý đơn giản

Thử mô phỏng chuyển động của một vật thể dưới tác dụng của trọng lực trong môi trường không có lực cản. Chương trình cần tính toán vị trí và vận tốc của vật thể tại các thời điểm khác nhau và xuất ra kết quả. Có thể sử dụng thư viện đồ họa GNUPLOT để trực quan hóa kết quả mô phỏng.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Tài liệu "Ngôn ngữ lập trình Fortran 90: Tài liệu lập trình căn bản dành cho sinh viên" do tác giả La Văn Hiển biên soạn vào tháng 02 năm 2022, được xây dựng như một giáo trình cơ sở phục vụ đào tạo chuyên ngành cho sinh viên khối Khoa học Tự nhiên và Khoa học Kỹ thuật. Trong chương trình đào tạo đại học và sau đại học, môn học Lập trình tính toán số giữ vai trò nền tảng, cung cấp công cụ mô phỏng số học, giải quyết các bài toán kỹ thuật, xử lý số liệu thực nghiệm và hỗ trợ thực hiện bài tập lớn cũng như luận văn tốt nghiệp.

Mục tiêu học tập của tài liệu hướng đến việc trang bị cho người học phương pháp xây dựng, biên dịch, liên kết và thực thi văn bản chương trình bằng ngôn ngữ Fortran 90. Người học được hình thành kỹ năng làm việc với các hệ thống cú pháp chuẩn hóa, kiểm soát kiểu dữ liệu và sai số tính toán, thao tác với chuỗi ký tự, điều khiển luồng thực thi, cũng như tích hợp các công cụ trực quan hóa dữ liệu và thư viện giải tích số chuyên dụng.

Giáo trình được thiết kế theo phương thức tự học có hướng dẫn. Cấu trúc mỗi phần đi từ việc xác lập cơ sở lý thuyết, phân tích cú pháp tiêu chuẩn, giải thích các đoạn mã nguồn minh họa chi tiết, cho đến việc cung cấp bài tập thực hành ở cuối mỗi chương. Điểm đặc trưng trong cách tiếp cận của tài liệu là việc kết hợp chặt chẽ giữa ngôn ngữ lập trình Fortran 90 với các công cụ phát triển phần mềm miễn phí như môi trường Force 2.0, Silverfrost FTN95 (IDE Plato), trình biên dịch GFortran (bộ GCC) và công cụ vẽ đồ thị chuyên dụng GNUPLOT.

       +-----------------------------------------------------------+
       |   VĂN BẢN CHƯƠNG TRÌNH NGUỒN (Source Code: *.f90)         |
       +-----------------------------------------------------------+
                                     |
                                     | Biên dịch (Compiling)
                                     v
       +-----------------------------------------------------------+
       |   TẬP TIN ĐỐI TƯỢNG (Object Code: *.o / *.obj)            |
       +-----------------------------------------------------------+
                                     |
                                     | + Thư viện liên kết (Libraries)
                                     | Liên kết (Linking)
                                     v
       +-----------------------------------------------------------+
       |   TẬP TIN THI HÀNH (Executable Code: *.exe)               |
       +-----------------------------------------------------------+

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo hệ thống logic chặt chẽ, dẫn dắt người học từ cấu trúc cơ bản đến các cơ chế lập trình nâng cao:

• Chương 1: Giới thiệu chung về ngôn ngữ lập trình Fortran: Trình bày lịch sử phát triển của Fortran từ hệ thống dịch công thức toán học do John Warner Backus thiết kế tại tập đoàn IBM từ giữa thập niên 1950. Phân tích các chuẩn định dạng mã nguồn (định dạng tự do free format của Fortran 90 với phần mở rộng *.f90 và định dạng cố định fixed format 72 cột truyền thống *.f), cấu trúc chương trình chính (program ... implicit none ... end program), mô hình biên dịch và liên kết tạo file thi hành *.exe, các câu lệnh vào/ra dữ liệu chuẩn (print*, write(*,*), read*, read(*,*)) cùng hướng dẫn thiết lập môi trường Force 2.0, Silverfrost FTN95 và GFortran.
• Chương 2: Các kiểu dữ liệu của Fortran: Khảo sát chi tiết 5 kiểu dữ liệu có sẵn (integer, real, complex, logical, character) và kiểu dữ liệu do người dùng định nghĩa (user defined / derived data type). Phân tích cơ chế quản lý bộ nhớ, phạm vi biểu diễn giá trị, khai báo biến, khai báo hằng qua thuộc tính parameter, cùng việc kiểm soát độ chính xác thông qua tham số kind và các hàm nội tại selected_int_kind, selected_real_kind, huge, tiny.
• Chương 3: Biểu thức, phép toán và các hàm toán học: Trình bày quy tắc ưu tiên của toán tử số học (phép lũy thừa **, nhân/chia *, /, cộng/trừ +, -), quy tắc chuyển đổi kiểu ngầm định (implicit conversion) trong biểu thức hỗn hợp và câu lệnh gán, 6 phép toán so sánh quan hệ (==, /=, <, <=, >, >=), 5 phép toán logic (.NOT., .AND., .OR., .EQV., .NEQV.), phép nối chuỗi //, hàm xử lý ký tự (repeat, scan, verify, trim, achar, iachar), hệ thống các hàm toán học nội tại (intrinsic functions) và cấu trúc xây dựng hàm tự tạo nội tại qua khối contains ... function ... end function với khai báo intent(in).
• Chương 4: Các cấu trúc điều khiển: Cung cấp cú pháp và thuật toán điều khiển luồng chương trình, bao gồm cấu trúc rẽ nhánh đơn và khối (if ... then ... else ... end if), cấu trúc lựa chọn đa nhánh (select case), các cấu trúc vòng lặp (do ... end do), cùng các lệnh ngắt luồng tuần tự (exit, cycle, goto).
• Chương trình con và cấu trúc nâng cao (Chương 7 và các phần tiếp theo): Đi sâu vào cấu trúc thiết kế chương trình con dạng hàm (function) và thủ tục (subroutine), cơ chế truyền tham số, cấu trúc đơn vị module, cấp phát bộ nhớ động và kỹ thuật liên kết thư viện toán học mở rộng.
• Phần phụ lục chuyên đề: Hướng dẫn ứng dụng phần mềm GNUPLOT nhằm trực quan hóa kết quả tính toán số dưới dạng đồ thị 2D và 3D; hướng dẫn tích hợp chương trình mẫu từ bộ thư viện đại số tuyến tính chuẩn LINPACK để giải hệ phương trình tuyến tính.

       +-----------------------------------------------------------+
       |   HỆ THỐNG KIỂU DỮ LIỆU CƠ BẢN TRONG FORTRAN 90           |
       +-----------------------------------------------------------+
                    |                                   |
                    v                                   v
       [Nhóm dữ liệu số - Numeric]         [Nhóm phi số - Non-numeric]
        +-- Integer (Số nguyên)             +-- Character (Ký tự, Chuỗi)
        +-- Real (Số thực đơn/kép)          +-- Logical (.TRUE. / .FALSE.)
        +-- Complex (Số phức)
                    |
                    v
       [Dữ liệu tự định nghĩa - Derived / User-Defined Data Types]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình tập trung thiết lập các nguyên lý cốt lõi trong tính toán khoa học:

1. Cơ chế biểu diễn số học và phân tích sai số: Phân biệt rõ bản chất lưu trữ giữa số nguyên (tập hợp $\mathbb{Z}$, biểu diễn chính xác) và số thực (tập hợp $\mathbb{R}$, biểu diễn xấp xỉ nhị phân qua số hữu tỉ). Phân tích nguồn gốc sinh ra sai số cắt cụt (truncation error) và sai số làm tròn (round-off error) khi xử lý số thực có độ chính xác đơn (real, 4 byte) so với độ chính xác kép (real(kind=8) hoặc double precision, 8 byte).
2. Tính khả chuyển và chuẩn hóa cấu trúc: Xây dựng tính khả chuyển (portability) của mã nguồn giữa nhiều hệ thống máy tính và trình biên dịch khác nhau thông qua việc áp dụng hàm xác định tham số kind theo yêu cầu bài toán (selected_real_kind(p, r) và selected_int_kind(r)), thay vì gán cứng kích thước byte bộ nhớ.
3. Kỷ luật lập trình tường minh: Thiết lập quy tắc bắt buộc sử dụng chỉ thị implicit none ở đầu mọi đơn vị chương trình để triệt tiêu quy tắc khai báo kiểu ngầm định theo chữ cái đầu (như $I, J, K, L, M, N$ mặc định là integer), qua đó loại bỏ các lỗi logic tiềm ẩn trong quá trình biên dịch.

  Thứ bậc chuyển đổi kiểu ngầm định:
  Integer (Số nguyên) ---> Real (Số thực đơn) ---> Real (Số thực kép) ---> Complex (Số phức)

Kỹ năng phát triển

Thông qua các nội dung lý thuyết và bài tập mẫu, người học phát triển các nhóm năng lực:

• Kỹ năng kỹ thuật: Cài đặt, cấu hình biến môi trường PATH, thao tác biên dịch mã nguồn thông qua giao diện đồ họa (Force 2.0, Plato) hoặc trực tiếp từ giao diện dòng lệnh Command Window (gfortran -o <file.exe> <file.f90>).
• Kỹ năng phân tích thuật toán: Chuyển đổi các công thức toán học, phương trình vật lý và bài toán kỹ thuật sang mã lệnh Fortran chuẩn xác, kiểm soát thứ bậc thực thi của toán tử và tính tương thích kiểu dữ liệu trong phép gán.
• Kỹ năng giải quyết bài toán ứng dụng: Định dạng dữ liệu vào/ra phức tạp, trích xuất dữ liệu chuỗi có cấu trúc (như thủ tục date_and_time hoặc xử lý chuỗi ký tự qua scan/verify), xử lý bài toán hình học phẳng, tính toán tài chính và mô phỏng hiện tượng vật lý.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm kiến tạo kết hợp thực hành định hướng giải thuật. Thay vì chỉ liệt kê các quy tắc cú pháp trừu tượng, mỗi bài học đều được cấu trúc xoay quanh một chương trình mẫu hoàn chỉnh có thể biên dịch và chạy thử ngay lập tức.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               QUY TRÌNH HỌC TẬP VÀ HIỆU CHỈNH CHƯƠNG TRÌNH                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| 1. Soạn thảo mã nguồn (*.f90) với 'implicit none' và khai báo kiểu tường minh      |
| 2. Biên dịch (Compile) -> Kiểm tra lỗi cú pháp (Syntax error) tại Process Window   |
| 3. Liên kết (Link) -> Tạo tệp thực thi độc lập (*.exe)                           |
| 4. Chạy kiểm thử (Run) -> Kiểm tra lỗi thực thi (Run-time error) & lỗi logic       |
| 5. Định dạng dữ liệu xuất (Format descriptor) & Trực quan hóa dữ liệu với GNUPLOT |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Hệ thống bài tập và nghiên cứu tình huống trong tài liệu được trích xuất từ các bài toán khoa học kỹ thuật thực tế:

• Bài toán hình học và lượng giác: Chương trình tamgiac.f90 tính toán các thông số cạnh, chu vi, diện tích và góc của tam giác vuông $OAB$ dựa trên tọa độ đỉnh và các hàm lượng giác asin, sqrt.
• Bài toán vật lý kỹ thuật: Lập trình tính toán giá trị gia tốc trọng trường $g$ theo độ cao $h$ dựa trên biểu thức $g = g_0 (1 + h/R)^{-2}$ với bán kính Trái Đất $R = 6400\text{ km}$ và $g_0 = 9{,}81\text{ m/s}^2$.
• Bài toán tài chính ứng dụng: Tính toán giá trị tích lũy tương lai $fv = pv(1 + r)^n$ của khoản tiền gửi ngân hàng sau thời hạn $n$ năm.
• Bài toán xử lý dữ liệu hệ thống và văn bản: Chương trình test_ngay_gio.f90 sử dụng lệnh call date_and_time để phân tách chuỗi thời gian hệ thống thành các thành phần ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây; chương trình DiemTLH.f90 thực hiện đọc và chuyển đổi số liệu từ chuỗi ký tự có cấu trúc cố định sang dữ liệu tính toán được.

Tài liệu cung cấp hướng dẫn tự học chi tiết: phân tích mã lỗi trả về trên cửa sổ thông báo (Process window) khi xuất hiện lỗi cú pháp (Syntax error), phân biệt với lỗi thực thi (Run-time error) và lỗi logic giải thuật. Người học được khuyến nghị thực hiện quy trình tự kiểm tra kết quả tính toán thông qua việc in dữ liệu trung gian và sử dụng định dạng xuất có kiểm soát (format descriptor như '(a, f10.5)', '(d20.12)', '(2e20.8)').

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So với các tài liệu về ngôn ngữ FORTRAN truyền thống (đặc biệt là chuẩn FORTRAN 77), giáo trình cập nhật đầy đủ các bước tiến hóa quan trọng của chuẩn Fortran 90 và các phiên bản tiếp theo:

Đặc tính ngôn ngữ	FORTRAN 77 (Phiên bản cũ)	Fortran 90 (Được trình bày trong giáo trình)
Định dạng mã nguồn	Cố định theo cột (fixed format, 72 cột, đuôi *.f)	Tự do (free format, tối đa 132 ký tự/dòng, đuôi *.f90)
Quy tắc đặt tên biến	Giới hạn tối đa 6 ký tự	Mở rộng từ 1 đến 31 ký tự, hỗ trợ dấu gạch dưới _
Khai báo kiểu dữ liệu	Phụ thuộc quy tắc ngầm định theo chữ cái	Hỗ trợ bắt buộc khai báo tường minh qua implicit none
Quản lý độ chính xác	Cố định kiểu real và double precision	Linh hoạt qua tham số kind, hàm selected_real_kind
Cấu trúc chương trình	Cấu trúc khối đơn giản, dùng nhiều nhãn lệnh	Hỗ trợ module, contains, hàm tự tạo và cấp phát động
Toán tử quan hệ	Ký hiệu chữ (.EQ., .NE., .LT., .GT.)	Ký hiệu toán học trực quan (==, /=, <, <=, >, >=)

Giáo trình cũng phác thảo sơ đồ phát triển của Fortran qua các giai đoạn: Fortran 95 (tối ưu hóa các điểm lỗi thời của bản 90), Fortran 2003 (bổ sung tính năng lập trình hướng đối tượng), Fortran 2008 và Fortran 2018.

Tài liệu tích hợp các công cụ phát triển hiện đại:

• Môi trường tích hợp gọn nhẹ Force 2.0 (tích hợp G77/GFortran và G95).
• Môi trường Plato IDE thuộc bộ phần mềm Silverfrost FTN95 Personal Edition.
• Trình biên dịch dòng lệnh mã nguồn mở GFortran thuộc GNU Compiler Collection (GCC) cài đặt qua MinGW-w64.
• Phần mềm đồ họa GNUPLOT để vẽ đồ thị 2D, 3D từ tệp dữ liệu kết quả xuất ra bởi chương trình Fortran.
• Bộ chương trình mẫu LINPACK phục vụ các phép tính đại số tuyến tính phức tạp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được thiết kế nhằm phục vụ đa dạng các đối tượng trong môi trường học thuật và nghiên cứu:

• Sinh viên đại học: Sinh viên từ năm thứ nhất đến năm cuối thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Xây dựng, Thủy lợi, Hàng không, Điện tử, Vật lý kỹ thuật, Toán ứng dụng, Hóa học và Khí tượng Thủy văn cần công cụ tính toán số phục vụ các môn học chuyên ngành, giải tích số và mô phỏng kỹ thuật.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh: Phục vụ xử lý số liệu mô phỏng phức tạp trong các đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ và luận án tiến sĩ; hỗ trợ đọc hiểu và hiệu chỉnh các gói mã nguồn Fortran quốc tế được công bố trong các bài báo khoa học chuyên ngành.
• Điều kiện tiên quyết: Người học cần có kiến thức toán học cơ bản ở bậc đại học (đại số tuyến tính, hình học giải tích, giải tích toán học) và tư duy logic giải thuật cơ bản. Không bắt buộc phải có kinh nghiệm lập trình trước đó.
• Giảng viên: Sử dụng tài liệu làm đề cương bài giảng môn học Ngôn ngữ lập trình tính toán hoặc tài liệu tham khảo chính cho các học phần thực hành giải thuật tính toán số.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn dành cho sinh viên, học viên cao học, kỹ sư và các nhà nghiên cứu thuộc khối ngành Khoa học Kỹ thuật và Khoa học Tự nhiên có nhu cầu học lập trình phục vụ tính toán số học, làm bài tập lớn, đồ án và luận văn tốt nghiệp.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học chỉ cần nắm vững kiến thức toán học đại cương (đại số ma trận, giải hệ phương trình, các hàm lượng giác và giải tích số căn bản). Giáo trình được thiết kế từ mức độ cơ bản nên người học không bắt buộc phải biết trước các ngôn ngữ lập trình khác như C/C++ hay Pascal.

3. Điểm khác biệt cơ bản giữa Fortran 90 trong giáo trình này với FORTRAN 77 là gì?

Fortran 90 cho phép viết văn bản chương trình theo định dạng tự do (free format, file *.f90), mở rộng độ dài tên biến lên 31 ký tự, hỗ trợ quản lý độ chính xác số học thông qua tham số kind, cung cấp các toán tử quan hệ toán học (==, /=, <, >), hỗ trợ đơn vị module, cấu trúc hàm nội tại contains và cho phép cấp phát bộ nhớ động.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên cài đặt phần mềm Force 2.0 hoặc Silverfrost FTN95, tự gõ lại từng đoạn mã nguồn mẫu (hinhtron.f90, chunhat.f90, tamgiac.f90, v.v.), biên dịch và chạy thử trên máy tính; quan sát các thông báo lỗi cú pháp để rèn luyện kỹ năng sửa lỗi; sau đó hoàn thành các bài tập mở rộng ở cuối mỗi chương.

5. Giáo trình có giới thiệu tài liệu và công cụ bổ trợ nào kèm theo không?

Tài liệu hướng dẫn sử dụng các phần mềm miễn phí gồm môi trường Force 2.0, Silverfrost FTN95 Personal Edition, trình biên dịch GFortran (bộ MinGW-w64), phần mềm vẽ đồ thị GNUPLOT (hỗ trợ vẽ đồ thị 2D/3D) và mã nguồn mẫu giải hệ phương trình tuyến tính từ thư viện LINPACK.

---

Kết luận

Giáo trình "Ngôn ngữ lập trình Fortran 90" của tác giả La Văn Hiển là tài liệu học thuật cơ sở về phương pháp tính toán số và lập trình khoa học kỹ thuật. Giá trị cốt lõi của tài liệu thể hiện ở việc chuẩn hóa tư duy lập trình tường minh, quản lý chính xác sai số số học và gắn liền lý thuyết với các công cụ phát triển phần mềm miễn phí, hiện đại.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học là nắm vững cú pháp định dạng tự do và hệ thống kiểu dữ liệu ở các chương mở đầu, rèn luyện cấu trúc giải thuật điều khiển và chương trình con, trước khi tiến tới tích hợp thư viện LINPACK và trực quan hóa dữ liệu bằng GNUPLOT để giải quyết các bài toán kỹ thuật chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH FORTRAN 1.1 Sơ lược về lịch sử ngôn ngữ lập trình Fortran. Fortran ( hay FORTRAN ) được viết tắt từ cụm từ Mathematical FORmula TRANslating System ( hệ thống dịch công thức toán học ) , là ngôn ngữ lập trình cấp cao đầu tiên , kiểu biên dịch ( compiler ) , do John Warner Backus ( 1924 – 2007 ) cùng một nhóm kỹ sư điện toán thuộc tập đoàn công nghiệp máy tính IBM ( International Business Machines ) thiết kế và phát triển từ giữa những năm 50 của thế kỷ XX. Ban đầu tên ngôn ngữ được viết là FORTRAN , nhưng xu hướng hiện nay được viết chuẩn hóa thành Fortran ( chỉ viết hoa kí tự đầu ) .2 Phạm vi ứng dụng. Ngôn ngữ lập trình Fortran hiện nay có đầy đủ tính năng của một ngôn ngữ lập trình cấp cao hiện đại, hỗ trợ nhiều kiểu lập trình , có khả năng ứng dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau , tuy nhiên Fortran thích hợp hơn cho các ứng dụng tính toán số trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật , khoa học tự nhiên và được xem là ngôn ngữ lập trình rất phổ biến đối với các sinh viên, kỹ sư, khoa học gia thuộc các lĩnh vực nêu trên tại các nước Âu Mỹ .3 Các phiên bản của ngôn ngữ Fortran.

FORTRAN (1957) , FORTRAN II ( 1958) , FORTRAN III (1958) , FORTRAN IV (1961) , FORTRAN 66 (1966) được xem là các phiên bản cũ , lỗi thời. Các phiên bản được sử dụng phổ biến hiện nay là FORTRAN 77 , Fortran 90 (chuẩn hóa năm 1991) và Fortran 95. Phiên bản Fortran 90 , được xem là cột mốc quan trọng trong lịch sử phát triển ngôn ngữ Fortran , có rất nhiều điểm mới so với FORTRAN 77 như văn bản chương trình hay tập tin nguồn ( source code ) được phép viết theo kiểu “ định dạng tự do “ ( free format ) , khác với kiểu “ định dạng cố định theo cột “ ( fixed format ) của các phiên bản trước ; các cấu trúc điều khiển , xử lý mảng , xử lý vào / ra , cấp phát động , chương trình con , đơn vị chương trình module tạo nhiều thuận lợi hơn cho người lập trình. Phiên bản Fortran 95 bổ sung một số ít các nội dung mới vào Fortran 90 và bỏ đi một vài điểm lỗi thời vẫn còn giữ trong Fortran 90.

Các phiên bản tiếp theo là Fortran 2003 ( hỗ trợ lập trình hướng đối tượng ) , Fortran 2008 và phiên bản sau cùng là Fortran 2018. Một số công ty, tổ chức phát triển ngôn ngữ Fortran đã cho ra đời nhiều biến thể khác nhau từ Fortran chuẩn ( Standard Fortran ) bằng cách thêm vào một số chức năng mở rộng. Các phiên bản Fortran chuẩn được ANSI ( American National Standards Institute - Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ ) và ISO ( International Organization for Standardization - Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa ) xem xét và công bố. Chương trình viết bằng Fortran chuẩn đảm bảo tính khả chuyển ( portable ) , chạy ổn định trên các hệ máy tính khác nhau có cài đặt trình biên dịch Fortran.

Phần trình bày trong tài liệu này sẽ tập trung vào phiên bản Fortran 90 và sử dụng các trình biên dịch Fortran trên nền hệ điều hành Windows. Phần thực hành minh họa các chương trình Fortran 90 , chúng ta sử dụng phần mềm miễn phí Force 2.9p , được download tại trang web : http://force.html Tên tập tin download : Force209G95Setup.exe , kích thước 3,55 MB .