Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90 cho sinh viên - La Văn Hiển

Bài viết trình bày nội dung chi tiết của luân văn tốt nghiệp ngành khoa học máy tính từ năm 2019. Nghiên cứu sâu về các phương pháp và kết quả quan trọng.

• Tác giả: La Văn Hiển
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Giới thiệu Ngôn ngữ lập trình Fortran 90
• Loại tài liệu: Tài liệu hướng dẫn
• Năm xuất bản: 2018

Tóm tắt

I. Tổng quan về Fortran 90 trong khoa học công nghệ thông tin

Fortran 90 là một phiên bản quan trọng của ngôn ngữ lập trình Fortran, được phát triển để hỗ trợ tính toán số hiệu quả. Ngôn ngữ này có lịch sử lâu đời và vẫn phổ biến trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Fortran 90 mang đến nhiều cải tiến như định dạng tự do, cấu trúc điều khiển nâng cao, và khả năng xử lý mảng mạnh mẽ. Đối với sinh viên khoa học công nghệ thông tin, việc nắm vững Fortran 90 là chìa khóa để thực hiện các dự án tính toán phức tạp, đặc biệt trong luận văn tốt nghiệp. Tài liệu này giới thiệu các khái niệm cơ bản và ứng dụng thực tế, sử dụng trình biên dịch miễn phí như GFortran. Fortran 90 không chỉ kế thừa ưu điểm từ các phiên bản trước mà còn bổ sung tính năng mới giúp mã nguồn dễ đọc hơn. Việc học Fortran 90 còn tạo điều kiện tiếp cận các công cụ như GNUPLOT để vẽ đồ thị, phục vụ cho nghiên cứu và học tập.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của Fortran

Fortran có lịch sử phát triển lâu đời qua nhiều thế hệ máy tính. Phiên bản Fortran 90 được xem là bước ngoặt quan trọng,引入 các tính năng như định dạng tự do và xử lý mảng. Từ đó, các phiên bản tiếp theo như Fortran 95 và 2003 được xây dựng. Fortran vẫn là ngôn ngữ phổ biến trong lĩnh vực tính toán số tại các nước Âu-Mỹ. Việc học Fortran giúp sinh viên đọc hiểu các tài liệu quốc tế và áp dụng vào thực tế.

1.2. Các tính năng nổi bật của Fortran 90

Fortran 90 có nhiều tính năng nổi bật so với các phiên bản trước. Định dạng tự do cho phép viết chương trình linh hoạt hơn. Cấu trúc điều khiển và xử lý mảng nâng cao giúp mã nguồn gọn gàng. Khả năng cấp phát động và xử lý vào/ra cải thiện hiệu suất. Sử dụng trình biên dịch như GFortran và IDE Force 2.0 tạo môi trường phát triển thuận lợi. Các tính năng này rất hữu ích cho tính toán khoa học và kỹ thuật.

II. Phân tích vấn đề khi sử dụng Fortran 90 trong luận văn khoa học cntt

Sử dụng Fortran 90 trong luận văn khoa học công nghệ thông tin có thể gặp một số vấn đề. Học tập ngôn ngữ này đòi hỏi nỗ lực vì cú pháp khác biệt so với các ngôn ngữ hiện đại. Tài liệu hỗ trợ có thể không phong phú như Python hay C++. Quá trình调试 có thể phức tạp do thiếu công cụ hỗ trợ trực quan. Tuy nhiên, Fortran 90 vẫn ưu việt cho tính toán số nặng. Sinh viên cần cân nhắc giữa hiệu suất và thời gian học tập. Các dự án luận văn thường yêu cầu tính toán ma trận lớn, nơi Fortran 90 thể hiện sức mạnh. Việc kết hợp với phần mềm như GNUPLOT cũng cần kiến thức bổ sung.

2.1. Thách thức trong việc học và áp dụng Fortran 90

Học Fortran 90 có thể khó khăn với người mới do cú pháp nghiêm ngặt. Thời gian làm quen với định dạng tự do và cấu trúc mảng tốn công sức. Áp dụng vào luận văn đòi hỏi kỹ năng调试 và tối ưu hóa mã nguồn. Cộng đồng hỗ trợ không lớn như các ngôn ngữ khác, gây khó khăn khi tìm giải pháp. Tuy nhiên, thực hành thường xuyên giúp克服 các thách thức này.

2.2. So sánh với các ngôn ngữ lập trình hiện đại

So với Python hay C++, Fortran 90 ít phổ biến hơn trong开发 ứng dụng chung. Nhưng trong tính toán số, Fortran 90 có ưu thế về tốc độ và hiệu quả. Ngôn ngữ này không hỗ trợ nhiều thư viện hiện đại như机器学习. Tuy nhiên, cho các phép tính ma trận và mô phỏng, Fortran 90 vẫn là lựa chọn hàng đầu. Sinh viên cần xác định mục tiêu luận văn để chọn ngôn ngữ phù hợp.

III. Giải pháp và phương pháp áp dụng Fortran 90 trong cntt

Để áp dụng Fortran 90 hiệu quả trong khoa học công nghệ thông tin, cần có giải pháp cụ thể. Sử dụng trình biên dịch miễn phí như GFortran và IDE Force 2.0 để tạo môi trường lập trình. Tham khảo tài liệu tự học và thực hành qua các bài tập nhỏ. Kết hợp với phần mềm GNUPLOT để trực quan hóa kết quả tính toán. Tham gia cộng đồng trực tuyến để chia sẻ kinh nghiệm. Áp dụng vào các dự án luận văn từ giai đoạn đầu để tích lũy kinh nghiệm. Các phương pháp này giúp sinh viên掌握 nhanh chóng và đạt hiệu quả cao trong nghiên cứu.

3.1. Tài liệu và công cụ hỗ trợ học tập

Có nhiều tài liệu miễn phí về Fortran 90, như sách giới thiệu và hướng dẫn trực tuyến. Công cụ chính bao gồm trình biên dịch GFortran, G95, và IDE Force 2.0. Phần mềm GNUPLOT giúp vẽ đồ thị 2D, 3D từ dữ liệu Fortran. Sử dụng các ví dụ mẫu trong bộ LINPACK để thực hành. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành nhanh chóng nâng cao kỹ năng lập trình.

3.2. Kinh nghiệm thực tế từ các dự án luận văn

Từ các dự án luận văn, sinh viên nên bắt đầu với bài toán đơn giản như giải hệ phương trình tuyến tính. Sử dụng Fortran 90 để tính toán và GNUPLOT để hiển thị kết quả. Tối ưu hóa mã nguồn bằng cách áp dụng cấu trúc mảng hiệu quả. Tham khảo các chương trình mẫu để hiểu cách viết mã sạch. Thực hành thường xuyên giúp tự tin hơn khi làm luận văn tốt nghiệp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của Fortran 90 trong khoa học cntt

Fortran 90 vẫn giữ vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ thông tin, đặc biệt cho tính toán số. Ứng dụng thực tế bao gồm mô phỏng khoa học, phân tích dữ liệu kỹ thuật, và giải quyết bài toán phức tạp. Đối với sinh viên,掌握 Fortran 90 mở ra cơ hội học tập quốc tế và nghiên cứu chuyên sâu. Kết luận, Fortran 90 là công cụ hữu ích cho luận văn tốt nghiệp,尽管 có thách thức nhưng lợi ích vượt trội. Hướng tới tương lai, ngôn ngữ này tiếp tục phát triển với các phiên bản mới. Sinh viên nên tận dụng tài liệu miễn phí và thực hành để khai thác tối đa tiềm năng của Fortran 90.

4.1. Vai trò của Fortran 90 trong nghiên cứu khoa học

Trong nghiên cứu khoa học, Fortran 90 đóng vai trò then chốt cho các phép tính số học nặng. Ngôn ngữ này được sử dụng trong物理, hóa học, và kỹ thuật để mô phỏng hiện tượng phức tạp. Hiệu suất cao giúp giảm thời gian tính toán, tăng năng suất nghiên cứu. Việc áp dụng Fortran 90 trong luận văn khoa học cntt cung cấp kết quả chính xác và đáng tin cậy.

4.2. Hướng dẫn cho sinh viên làm luận văn tốt nghiệp

Sinh viên làm luận văn tốt nghiệp nên bắt đầu bằng việc học cú pháp cơ bản của Fortran 90. Sử dụng trình biên dịch GFortran và IDE Force 2.0 để viết và chạy chương trình. Thực hiện các bài tập nhỏ để积累 kinh nghiệm. Kết hợp với GNUPLOT để trực quan hóa dữ liệu. Tham gia cộng đồng lập trình để giải quyết vấn đề nhanh chóng.

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 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 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.

Hai phiên bản sau cùng là Fortran 2003 ( hỗ trợ lập trình hướng đối tượng ) và Fortran 2008. 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 tập trung vào phiên bản Fortran 90. 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. Force sử dụng trình biên dịch miễn phí G77/GFortran của GNU Compiler Collection (GCC) và G95.

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. Trong môi trường này , chúng ta sẽ soạn tập tin nguồn ( văn bản chương trình dạng text ) , tiến hành biên dịch , liên kết ( lệnh compile ) và nếu không có lỗi sẽ tiến hành chạy thử ( lệnh run ) chương trình. Ngoài ra , chúng ta có thể chọn các trình biên dịch Fortran khác như sau để chạy kiểm tra cùng một chương trình nguồn : 2  Sử dụng môi trường IDE của SilverFrost qua chương trình FTN90 Personal Edition ( chương trình miễn phí phục vụ học tập , chạy test ) với file có tên ftn95_personal.exe ( kích thước 70, 996 MB ) , được download tại trang web : https://www.com/32/ftn95/ftn95_personal_edition.aspx Khi download về máy tính xong , chúng ta chạy file ftn95_personal.exe để cài đặt chương trình vào một thư mục tùy chọn , ví dụ D :\FTN95. Sau đó chúng ta chạy file plato.exe để mở môi trường IDE Plato.

Từ đây , có thể soạn thảo , biên dịch , liên kết và chạy các chương trình Fortran.  Để có thể biên dịch trực tiếp tại cửa sổ Command Prompt của Windows , chúng ta có thể vào trang web The Fortran Company có địa chỉ như sau để download về trình biên dịch g95 qua một file cài đặt có tên g95-Mingw_201210.exe ( 5381 KB ) : http://www.com/the-fortran-company-homepage/whats-new/g95-windows- download/ Phần hướng dẫn sơ lược sử dụng các trình biên dịch này sẽ được trình bày ở cuối chương.2 Bộ kí tự của Fortran. Văn bản chương trình Fortran .1 Bộ kí tự của Fortran. Bộ kí tự của Fortran bao gồm : a) Chữ viết thường : từ a đến z ; ( 26 chữ cái tiếng Anh ) b) Chữ viết hoa : từ A đến Z ; c) Chữ số : 0 đến 9 ; ( 10 chữ số ) d) Kí tự nối chân : _ ; ( underscore ) e) Các kí tự khác : = + - * /( ) < > ,.

Các đơn vị văn bản chương trình như từ khóa ( keyword ) , tên biến , tên hằng , tên chương trình con , xâu kí tự , biểu tượng …sử dụng các kí tự trong bộ kí tự Fortran. Kí hiệu các phép toán số học cộng, trừ, nhân, chia được viết : + - * / ; riêng phép lũy thừa sử dụng hai dấu * liên tiếp ( ví dụ : 2**3 = 23 = 8 ) .2 Soạn thảo văn bản chương trình ( tập tin nguồn dạng *.f90 ) Để soạn một văn bản chương trình Fortran 90 , có thể dùng trình soạn thảo Notepad hoặc soạn thảo ngay trong môi trường Force. Tập tin nguồn phải được lưu ( save as ) dưới dạng có phần đuôi là *.f90 , để trình biên dịch có thể nhận dạng được loại tập tin và phiên bản Fortran phù hợp ( Tập tin văn bản soạn theo định dạng cố định có phần đuôi là *.f , được giới thiệu ở cuối chương ; tập tin văn bản của Fortran 95 có phần đuôi là *. Fortran không phân biệt chữ hoa với chữ thường trong văn bản chương trình ( case insensative ) trừ việc thể hiện nội dung trong xâu kí tự ( string of characters ).

Trong các văn bản chương trình trước đây , người lập trình thường viết các dòng lệnh bằng chữ IN HOA nhưng xu hướng hiện nay là viết văn bản bằng chữ thường hoặc kết hợp cả hai .3 Phương thức chung tạo tập tin thi hành (executable file) từ văn bản chương trình. a) Trong môi trường DOS hoặc Windows , các ngôn ngữ lập trình cấp cao ( như Fortran, C, Pascal,…) tạo tập tin thi hành có đuôi *.exe theo hai bước : Bước 1 : Biên dịch ( compiling ) tập tin nguồn ( source code , file dạng text do người lập trình soạn thảo ) sang tập tin đối tượng ( object code ) dạng nhị phân ( binary code ). 3 Bước 2 : Liên kết ( linking ) một hoặc vài tập tin đối tượng và các tập tin thư viện có liên quan để tạo thành tập tin thi hành được ( executable file ). Tập tin thi hành *.exe sau đó có thể chạy độc lập bên ngoài môi trường IDE.

b) Sơ đồ minh họa : Tập tin nguồn Tập tin đối tượng Tập tin thi hành ( Source code ) ( Object code ) ( Executable code ) Biên dịch Liên kết ( Compiling ) ( Linking ) File1.exe Thư viện Libraries Hình 1.1 : Các bước biên dịch và liên kết .4 Một ví dụ về chương trình Fortran. Để có một cái nhìn tổng quát về việc soạn thảo tập tin nguồn của Fortran và cách thức biên dịch , liên kết và chạy chương trình trong môi trường Force , chúng ta xem qua một ví dụ đơn giản dưới đây .1 Văn bản chương trình tính chu vi và diện tích hình tròn. Trong cửa sổ Force , vào menu File , chọn New. Khung cửa sổ soạn thảo hiện ra và con trỏ xuất hiện ở dòng đầu tiên.

Chúng ta vào nội dung văn bản chương trình như dưới đây và lưu tập tin dưới tên hinhtron. Văn bản chương trình được xem là một tập các chỉ thị được sắp xếp theo một thứ tự từ trên xuống dưới và được viết theo các quy tắc rất chặt chẽ của ngôn ngữ Fortran nhằm ra lệnh cho máy tính thực hiện một nhiệm vụ xác định nào đó. Phần đánh số dòng trong cửa sổ soạn thảo là tự động nhằm giúp người lập trình dễ dàng tham chiếu đến các dòng lệnh. Khi chúng ta soạn thảo tập tin nguồn , các từ khóa trong văn bản , các dòng ghi chú và một số đơn vị cú pháp trong văn bản sẽ tự động có màu thích hợp giúp chúng ta dễ phân biệt các đối tượng khác nhau trong văn bản.

Trong văn bản ví dụ dưới đây , các từ khóa ( keyword ) của Fortran được in đậm. program HinhTron implicit none ! phan khai bao real :: r,chuvi,dientich ! khai bao bien real,parameter :: pi = 3.14159 ! khai bao hang ! phan tinh toan print*,'Cho biet ban kinh r :' ; read*,r chuvi = 2.0*r*pi dientich = r*r*pi 4 ! ket qua print*,'Chu vi : ',chuvi print*,'Dien tich : ',dientich read* ! tam dung man hinh de xem ket qua end program HinhTron Hình 1.2 : Soạn thảo tập tin nguồn trong cửa sổ Force .2 Biên dịch, liên kết và chạy chương trình hinhtron. Bước biên dịch,liên kết : chọn menu Run , chọn mục Compile (phím tắt Ctrl – F9). Khi biên dịch , liên kết xong , nếu không có lỗi cửa sổ Process hiển thị như sau : Hình 1.3 : Cửa sổ Process thông báo việc biên dịch hoàn tất , không có lỗi.

5 Trường hợp xảy ra lỗi cú pháp ( syntax error ) sẽ có thông báo thích hợp tại cửa sổ phía dưới vùng soạn thảo để hướng dẫn người lập trình chỉnh sửa lại tập tin nguồn , sau đó chạy lại trình biên dịch .