Tài liệu tự học và giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90 cho sinh viên - La Văn Hiển (2019)

Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90, các tính năng cập nhật và ứng dụng thực tế trong tính toán khoa học. Tài liệu hướng dẫn từ cơ bản đến nâng cao.

• Tác giả: La Văn Hiển
• Chuyên ngành: Ngôn ngữ lập trình
• Đề tài: Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90
• Loại tài liệu: Tài liệu
• Năm xuất bản: 2019

Tóm tắt

I. Tổng quan về ngôn ngữ lập trình Fortran 90

Fortran 90 là phiên bản quan trọng đánh dấu bước phát triển vượt bậc của ngôn ngữ lập trình Fortran. Ra đời sau FORTRAN 77, Fortran 90引入了许多新特性，显著提升了编程灵活性和效率。Fortran có lịch sử phát triển lâu đời qua nhiều thế hệ máy tính,至今仍是在数值计算领域的优势语言。欧美各国广泛使用Fortran trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và khoa học tự nhiên. Fortran 90 cho phép viết chương trình theo kiểu định dạng tự do, khác với định dạng cố định theo cột của các phiên bản trước. Ngôn ngữ này hỗ trợ xử lý mảng mạnh mẽ, cấu trúc điều khiển hiện đại, cấp phát động bộ nhớ và chương trình con tiên tiến. Tài liệu học tập về Fortran 90 thường hướng đến sinh viên khối khoa học kỹ thuật, giúp nắm vững phương pháp viết và chạy chương trình tính toán. Từ kiến thức Fortran 90, người học dễ dàng tiếp cận các phiên bản mới hơn như Fortran 95, Fortran 2003, Fortran 2008.

1.1. Lịch sử phát triển của Fortran qua các phiên bản

Fortran là viết tắt của FORmula TRANslation, ngôn ngữ lập trình lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng rộng rãi. Ngôn ngữ này trải qua nhiều phiên bản từ FORTRAN I năm 1957, FORTRAN II, FORTRAN IV, FORTRAN 66, FORTRAN 77 đến Fortran 90. Mỗi phiên bản mang đến cải tiến đáng kể về cú pháp và tính năng. FORTRAN 77 sử dụng định dạng cố định theo cột,限制了代码的可读性和灵活性. Fortran 90 đánh dấu bước ngoặt quan trọng khi引入 định dạng tự do, xử lý mảng toàn diện và cấp phát động. Các phiên bản tiếp theo như Fortran 95, 2003, 2008 kế thừa và phát triển nền tảng từ Fortran 90.

1.2. Vai trò của Fortran 90 trong lĩnh vực tính toán khoa học

Fortran 90 giữ vị trí then chốt trong tính toán khoa học và kỹ thuật. Ngôn ngữ này được thiết kế tối ưu cho xử lý số học, tính toán ma trận và mô phỏng vật lý. Các viện nghiên cứu, trường đại học tại Âu-Mỹ sử dụng Fortran 90 rộng rãi trong giảng dạy và nghiên cứu. Thư viện tính toán nổi tiếng như LINPACK, LAPACK đều viết bằng Fortran. Fortran 90 hỗ trợ xử lý mảng đa chiều mạnh mẽ, phù hợp giải bài toán vật lý, kỹ thuật phức tạp. Khả năng tương thích ngược với FORTRAN 77 giúp bảo toàn nguồn tài nguyên lập trình tích lũy qua nhiều thập kỷ.

II. Phân tích các tính năng mới và vấn đề trong Fortran 90

Fortran 90引入了许多突破性新特性，显著区别于前代版本. Định dạng tự do cho phép程序员自由安排代码布局, không bị giới hạn theo cột như FORTRAN 77. Xử lý mảng được nâng cấp toàn diện với phép toán mảng nguyên khối, hàm mảng tích hợp và mảng có thể thay đổi kích thước. Cấp phát động bộ nhớ giúp quản lý tài nguyên linh hoạt hơn. Cấu trúc dữ liệu kiểu derived type tạo khả năng tổ chức dữ liệu phức tạp. Module là đơn vị tổ chức chương trình mới, hỗ trợ đóng gói và tái sử dụng code. Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ FORTRAN 77 sang Fortran 90 đòi hỏi học tập cú pháp mới. Một số trình biên dịch cũ không hỗ trợ đầy đủ tính năng Fortran 90. Quản lý bộ nhớ động cần cẩn thận tránh lỗi tràn bộ nhớ hoặc rò rỉ tài nguyên. Việc调试 các chương trình Fortran 90 phức tạp cũng đòi hỏi công cụ chuyên dụng.

2.1. Định dạng tự do và các cải tiến cú pháp

Định dạng tự do là thay đổi quan trọng nhất của Fortran 90 so với FORTRAN 77. Trong định dạng cố định, cột 1 dành cho ký hiệu, cột 2-5 cho nhãn, cột 6 đánh dấu dòng tiếp, cột 7-72 cho code. Fortran 90 loại bỏ hoàn toàn限制 này,允许程序员自由安排代码. Dấu ! dùng để注释, dòng tiếp nối用 & ở cuối và đầu dòng tiếp. Tên biến có thể dài đến 31 ký tự, cho phép đặt tên có ý nghĩa. Khai báo biến có thể đặt bất kỳ đâu trước khi sử dụng. Các cải tiến cú pháp này大幅提升代码的可读性和可维护性.

2.2. Xử lý mảng và cấp phát động trong Fortran 90

Fortran 90引入强大的数组处理能力, vượt xa các phiên bản trước. Phép toán mảng nguyên khối cho phép cộng, trừ, nhân, chia toàn bộ mảng mà không cần vòng lặp. Hàm mảng tích hợp như SUM, PRODUCT, MAXVAL, MINVAL简化了许多常见操作. Mảng có thể có hình dạng và kích thước thay đổi thời gian chạy. Cấp phát động使用ALLOCATE和DEALLOCATE语句管理内存. Kiểm tra mảng được分配 với hàm ALLOCATED. Đặc tính này rất hữu ích khi处理数据规模事先不确定的科学计算问题. Xử lý mảng toàn diện giúp代码简洁,减少错误,提高计算效率.

III. Phương pháp học tập và thực hành lập trình Fortran 90

Học tập Fortran 90 đòi hỏi phương pháp có hệ thống, kết hợp lý thuyết và thực hành. Bắt đầu với安装 trình biên dịch miễn phí như GFortran thuộc GNU Compiler Collection hoặc G95. Môi trường phát triển tích hợp Force 2.0提供轻量级IDE để viết, biên dịch và chạy thử chương trình. Học cú pháp cơ bản包括 khai báo biến, cấu trúc điều khiển, vòng lặp và hàm. Thực hành với các bài toán tính toán đơn giản trước, tăng dần độ phức tạp. Sử dụng hàm selected_real_kind để kiểm soát độ chính xác số thực. Kết hợp phần mềm GNUPLOT绘制计算结果图表, trực quan hóa dữ liệu. Đọc hiểu chương trình mẫu từ tài liệu và sách tham khảo. Tham gia cộng đồng lập trình Fortran trực tuyến để trao đổi kinh nghiệm. Thực hành thường xuyên là chìa khóa掌握任何编程语言的根本方法.

3.1. Thiết lập môi trường phát triển Fortran 90

Thiết lập môi trường phát triển là bước đầu tiên quan trọng. GFortran là trình biên dịch Fortran miễn phí phổ biến nhất,属于GNU Compiler Collection. Cài đặt GFortran trên Windows thông qua MinGW hoặc trên Linux thông qua package manager. Force 2.0 là IDE轻量级, cung cấp giao diện图形 để viết code, biên dịch và调试. G95 là trình biên dịch Fortran 90/95 miễn phí khác, tương thích tốt với chuẩn Fortran 90. Silverfrost FTN95 Personal Edition提供另一选择 cho người dùng Windows. Cấu hình biến môi trường PATH để sử dụng trình biên dịch từ命令行. Thiết lập project trong IDE,编写简单的Hello World程序 để验证环境 hoạt động正确.

3.2. Kỹ thuật调试 và tối ưu chương trình Fortran 90

Debugging là kỹ năng cần thiết khi lập trình Fortran 90. Sử dụng biên dịch với tùy chọn cảnh báo如 -Wall -Wextra để phát hiện lỗi tiềm ẩn. Khai báo IMPLICIT NONE强制显式声明所有变量,避免拼写错误导致的bug. Kiểm tra lỗi运行时 với tùy chọn -fcheck=all của GFortran. Sử dụng print statement để追踪程序执行流程 và giá trị biến. Tối ưu hóa hiệu suất bằng tùy chọn biên dịch如 -O2 hoặc -O3. Profile chương trình với gprof để xác định điểm nghẽn hiệu suất. Sử dụng hàm tiny() và huge() để了解数据类型的数值范围. Kiểm tra biên mảng cẩn thận để tránh truy cập ngoài vùng nhớ allocated.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của Fortran 90

Fortran 90 đại diện cho bước tiến quan trọng trong lịch sử phát triển ngôn ngữ lập trình khoa học. Các tính năng mới như định dạng tự do, xử lý mảng toàn diện, cấp phát động đã tạo nền tảng cho các phiên bản hiện đại. Ngôn ngữ này vẫn giữ vị trí不可替代 trong tính toán số高性能. Các lĩnh vực ứng dụng包括 dự báo thời tiết, mô phỏng vật lý, phân tích kết cấu, tính toán tài chính. Thư viện tính toán khoa học hàng đầu vẫn viết bằng Fortran, đảm bảo tương thích và hiệu suất. Sinh viên掌握 Fortran 90 có lợi thế khi tiếp cận tài liệu nghiên cứu quốc tế. Từ Fortran 90, việc nâng cấp lên Fortran 95, 2003, 2008 trở nên dễ dàng. Kết hợp Fortran 90 với GNUPLOT tạo công cụ mạnh mẽ cho phân tích dữ liệu khoa học. Kiến thức Fortran 90 là đầu tư有价值 cho sự nghiệp trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật.

4.1. Các ứng dụng thực tiễn của Fortran 90 trong khoa học

Fortran 90 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Dự báo thời tiết số sử dụng Fortran tính toán mô hình大气动力学 với hàng triệu biến. Ngành hàng không vũ trụ dùng Fortran模拟流体力学 và phân tích khí động học. Vật lý tính toán依赖 Fortran giải phương trình vi phân phức tạp trong量子力学. Kỹ thuật dầu khí sử dụng Fortran处理地震数据 và mô phỏng储层. Tài chính định量应用 Fortran cho tính toán rủi ro và pricing phái sinh. Thư viện BLAS, LAPACK viết bằng Fortran là基石 của几乎所有科学计算软件. Fortran 90 đặc biệt优势 trong处理大规模数组 và phép toán ma trận密集型.

4.2. Hướng phát triển và tương lai của Fortran

Fortran tiếp tục phát triển qua các phiên bản mới như Fortran 2003, 2008, 2018 và 2023. Fortran 2003引入面向对象编程, interoperability với C và exception handling. Fortran 2008 thêm hỗ trợ lập trình song song với coarrays. Fortran 2018强化了并行计算能力和与其他语言的互操作性. Cộng đồng Fortran vẫn活跃 với nhiều dự án mã nguồn mở. Fortran tích hợp tốt với Python, C, C++ thông qua接口. Các siêu计算机 hàng đầu thế giới sử dụng Fortran cho workload tính toán chính. Tương lai Fortran nằm trong计算科学高性能,人工智能辅助编程 và hybrid programming. Học Fortran 90 là nền tảng vững chắc để适应这些发展趋势.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình "Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90" do tác giả La Văn Hiển biên soạn (hoàn thành vào tháng 12/2019) là tài liệu học tập dành cho học phần Lập trình căn bản và Tính toán khoa học trong chương trình đào tạo đại học. Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên thuộc khối ngành Khoa học Kỹ thuật và Khoa học Tự nhiên, phục vụ trực tiếp cho quá trình học tập môn học cơ sở ngành, thực hiện bài tập lớn, nghiên cứu khoa học và hoàn thành đồ án, luận văn tốt nghiệp.

Về chuẩn đầu ra và mục tiêu học tập, tài liệu trang bị cho người học:

• Phương pháp căn bản để soạn thảo văn bản chương trình nguồn (source code) và quy trình biên dịch, liên kết, thực thi chương trình tính toán số bằng ngôn ngữ Fortran 90.
• Năng lực làm chủ các kiểu dữ liệu, cấu trúc điều khiển, biểu thức toán học - logic và các hàm nội tại phục vụ giải quyết các bài toán kỹ thuật.
• Năng lực đọc hiểu và chuyển đổi các mã nguồn viết bằng FORTRAN 77 truyền thống sang chuẩn Fortran 90 hiện đại, đồng thời tạo tiền đề để tiếp cận các phiên bản nâng cao như Fortran 95, Fortran 2003 (hỗ trợ lập trình hướng đối tượng) và Fortran 2008.
• Khả năng đọc hiểu các chương trình Fortran được công bố trong các sách chuyên khảo, tài liệu nghiên cứu và bài báo khoa học quốc tế.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo hình thức tự học, kết hợp đồng thời giữa lý thuyết cú pháp chuẩn hóa (theo tiêu chuẩn ANSI/ISO) và các chương trình thực nghiệm minh họa trực tiếp. Điểm đặc sắc của giáo trình là việc tập trung vào tính toán số thực nghiệm trên nền tảng hệ điều hành Windows, sử dụng các công cụ và trình biên dịch miễn phí như môi trường phát triển tích hợp Force 2.0 (tích hợp G77/GFortran của GNU Compiler Collection và G95), IDE Plato của bộ Silverfrost FTN95 Personal Edition, cùng trình biên dịch dòng lệnh G95. Bên cạnh đó, tài liệu còn giới thiệu phần phụ lục tích hợp phần mềm đồ họa GNUPLOT để trực quan hóa dữ liệu tính toán dưới dạng đồ thị 2D, 3D và khai thác mã nguồn giải hệ phương trình tuyến tính từ thư viện LINPACK.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung tài liệu được phân chia theo tiến trình hệ thống, dẫn dắt từ các khái niệm căn bản của lập trình cấu trúc đến việc kiểm soát độ chính xác tính toán và phân nhánh điều khiển chương trình:

• Chương 1: Giới thiệu chung về ngôn ngữ lập trình Fortran
  Trình bày lịch sử phát triển của ngôn ngữ từ hệ thống dịch công thức toán học Mathematical FORmula TRANslating System do John Backus cùng nhóm kỹ sư IBM khởi xướng từ giữa những năm 50 của thế kỷ XX; phạm vi ứng dụng trong tính toán số; các phiên bản ANSI/ISO; bộ ký tự Fortran; quy trình biên dịch (compiling) từ tập tin nguồn sang tập tin đối tượng (object code) và liên kết (linking) với thư viện để tạo tập tin thi hành (.exe). Giới thiệu cấu trúc khung của một đơn vị chương trình chính (program ... end program), chỉ thị bắt buộc khai báo biến implicit none, các lệnh nhập/xuất chuẩn (print*, read*, write(*,*)), so sánh chi tiết giữa phong cách định dạng tự do (free format, đuôi .f90, tối đa 132 ký tự/dòng, dùng dấu nối &) và định dạng cố định (fixed format, đuôi .f, quy chuẩn 72 cột của FORTRAN 77).

• Chương 2: Các kiểu dữ liệu của Fortran
  Phân tích toàn diện năm kiểu dữ liệu cơ bản được định nghĩa sẵn (built-in data types) gồm: kiểu số nguyên (integer), kiểu số thực (real), kiểu số phức (complex), kiểu logic (logical) và kiểu ký tự (character), cùng nguyên lý xây dựng kiểu dữ liệu dẫn xuất do người dùng tự định nghĩa (derived data type). Đi sâu vào cơ chế khai báo biến, gán trị ban đầu, khai báo hằng (named constant) thông qua thuộc tính parameter. Trọng tâm kỹ thuật là việc kiểm soát kích thước bộ nhớ và độ chính xác thông qua tham số kind, sử dụng các hàm nội tại selected_int_kind(r) và selected_real_kind(p,r) để tạo mã nguồn khả chuyển (portable) trên nhiều hệ thống và trình biên dịch khác nhau.

• Chương 3: Biểu thức, phép toán và hàm toán học nội tại (Intrinsic Functions)
  Trình bày quy tắc xây dựng biểu thức số học, các phép toán số học (+, -, *, /, **), quy tắc chuyển đổi kiểu ngầm định khi tính toán giữa các toán hạng hỗn hợp và cơ chế thực hiện phép gán. Giới thiệu hệ thống phép toán quan hệ/so sánh (==, /=, <, <=, >, >= tương ứng với .eq., .ne., .lt., .le., .gt., .ge.), phép toán logic đại số Boolean (.not., .and., .or., .eqv., .neqv.), phép nối chuỗi ký tự (//) dựa trên bảng mã chuẩn ASCII (với các hàm achar, iachar, repeat). Chương này cung cấp bảng tra cứu các hàm toán học chuẩn: lượng giác, lượng giác ngược (asin, acos, atan, atan2), hàm mũ (exp), logarit (log, log10), hàm hyperbolic (sinh, cosh, tanh), hàm chọn lọc (max, min), hàm chia lấy dư (mod, modulo), hàm làm tròn (nint, ceiling, floor, aint), các hàm xử lý số phức (real, aimag, conjg, abs, cmplx, dcmplx), hàm lấy thời gian hệ thống date_and_time, và cách định nghĩa hàm nội tại trong khối contains.

• Chương 4: Các cấu trúc điều khiển
  Khảo sát toàn diện các cấu trúc rẽ nhánh và điều hướng luồng thực thi, bao gồm: cấu trúc if đơn dòng, khối if...then...end if, cấu trúc phân nhánh đầy đủ if...then...else...end if, cấu trúc tổng quát nhiều nhánh if...else if...else...end if (có khả năng đặt nhãn nhận dạng khối name:), cấu trúc lựa chọn đa trường hợp select case...case...case default, cùng các lệnh điều khiển luồng không tuần tự như exit, cycle, goto. Cung cấp phương pháp so sánh số thực thông qua sai số giới hạn abs(delta) < tol nhằm khắc phục hiện tượng sai số làm tròn trong máy tính khi giải phương trình bậc hai trên trường số thực $\mathbb{R}$ và trường số phức $\mathbb{C}$.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

1. Lý thuyết biểu diễn dữ liệu và tính toán dấu chấm động:
   Giáo trình phân định rõ bản chất lưu trữ giữa số nguyên (chính xác tuyệt đối) và số thực (xấp xỉ gần đúng do sai số cắt cụt - truncation error khi chuyển đổi giữa hệ thập phân và nhị phân). Cung cấp giải pháp định lượng miền giá trị và số chữ số có nghĩa thông qua các hàm thăm dò huge(x), tiny(x), kind(x).

2. Nguyên lý tương thích và chuyển đổi kiểu dữ liệu:
   Mô tả chi tiết cơ chế ép kiểu tự động của Fortran khi thực hiện các biểu thức số học hỗn hợp (nâng bậc từ số nguyên sang số thực đơn, từ độ chính xác đơn lên độ chính xác kép, từ số thực sang số phức), đồng thời chỉ dẫn các kỹ thuật chủ động ép kiểu bằng real(), dble(), định dạng đuôi _kind hoặc hậu tố d0 nhằm tránh mất mát độ chính xác tính toán.

3. Cơ chế mô-đun hóa và định danh:
   Thiết lập quy tắc đặt tên biến (độ dài từ 1 đến 31 ký tự trong Fortran 90, không phân biệt chữ hoa - chữ thường), nguyên tắc bắt buộc tính minh định trong khai báo thông qua câu lệnh implicit none để triệt tiêu các lỗi ngầm định gán kiểu truyền thống (vốn tự động gán các biến bắt đầu bằng I, J, K, L, M, N là integer).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Cài đặt, cấu hình và vận hành các môi trường phát triển Force 2.0, Plato IDE và trình biên dịch dòng lệnh G95; kỹ năng biên dịch, liên kết nhiều tập tin nguồn, xuất bản tập tin thực thi độc lập .exe; kỹ năng xuất/nhập dữ liệu có định dạng tĩnh (format) phục vụ hiển thị kết quả khoa học.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích thuật toán và xử lý sai số tính toán số trong các bài toán kỹ thuật (như kiểm soát điều kiện nghiệm kép của phương trình bậc hai, nội suy tuyến tính tọa độ hình học, tính toán góc pha và số phức liên hợp trong giải tích mạch hoặc cơ học dao động).
• Kỹ năng thực hành (Practical competencies): Soạn thảo mã nguồn chuẩn hóa, phát hiện và sửa đổi lỗi cú pháp (syntax error) dựa trên thông báo chỉ dòng của trình biên dịch, xử lý lỗi thời gian chạy (run-time error), trích xuất dữ liệu kết quả phục vụ báo cáo và vẽ đồ thị khoa học.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm (Pedagogical Approach)

Tài liệu sử dụng phương pháp giảng dạy dựa trên thực nghiệm mã nguồn (code-driven learning). Thay vì trình bày lý thuyết cú pháp trừu tượng, mỗi đơn vị kiến thức đều được mở đầu bằng một đoạn mã nguồn mẫu hoàn chỉnh, có chú thích chi tiết từng câu lệnh, tiếp nối bằng phân tích cú pháp, kết quả thực thi thực tế từ màn hình máy tính và tổng kết các lưu ý kỹ thuật. Cách tiếp cận này giúp sinh viên nhanh chóng nắm bắt mối liên hệ giữa cú pháp lệnh và cơ chế vận hành của trình biên dịch.

Bài tập và các chương trình thực nghiệm

Giáo trình tích hợp hệ thống chương trình mẫu có tính ứng dụng toán học và vật lý cao, điển hình như:

• Chương trình hinhtron.f90, chunhat.f90, hinhtru.f90: Minh họa cấu trúc vào/ra dữ liệu cơ bản, khai báo hằng parameter và định dạng xuất số thực.
• Chương trình testint.f90, realtest.f90, realtest2.f90: Thực nghiệm kiểm tra giới hạn tràn số (overflow), số chữ số có nghĩa và độ chính xác kép (double precision).
• Chương trình testcom.f90: Tính toán số phức, lấy phần thực (real), phần ảo (aimag), mô-đun (abs) và số liên hợp (conjg).
• Chương trình tamgiac.f90: Ứng dụng hàm lượng giác ngược asin và hằng số $\pi$ để giải tam giác vuông và tính diện tích.
• Chương trình diemso.f90: Nhập chuỗi dữ liệu, tính tổng, giá trị trung bình, tìm cực trị bằng hàm max, min.
• Chương trình test_ngay_gio.f90: Khai thác chương trình con hệ thống date_and_time và xử lý cắt lát chuỗi ký tự.
• Chương trình ptbn.f90, noisuy.f90, ptbh.f90, ptbh_C.f90: Áp dụng cấu trúc if...then...else trong giải phương trình bậc nhất, nội suy hàm số và giải phương trình bậc hai trên trường số phức có kiểm soát sai số tol.

Phương pháp tự học và kiểm tra đánh giá

Tài liệu hướng dẫn sinh viên tự kiểm tra tiến trình học tập thông qua ba bước:

1. Thực thi và tái lập: Nhập trực tiếp các đoạn mã nguồn mẫu vào IDE Force 2.0 hoặc Plato, tiến hành biên dịch (Ctrl + F9 trên Force, menu Build trên Plato) và chạy kiểm thử (F9 hoặc Ctrl + F5).
2. Gỡ lỗi phản hồi: Quan sát các thông báo lỗi tại cửa sổ Process (ví dụ: lỗi cú pháp trong câu lệnh read, lỗi tràn miền giá trị kiểu dữ liệu nguyên 2 byte) để hiệu chỉnh mã nguồn.
3. Mở rộng thuật toán: Thực hiện các bài tập mở rộng được giao cuối mỗi chương, ví dụ như nâng cấp chương trình tamgiac.f90 từ tam giác vuông sang tam giác bất kỳ nhập tọa độ ba điểm $A, B, C$, tính toán đường cao, trung tuyến, bán kính đường tròn nội/ngoại tiếp; hoặc chuyển đổi chương trình giải phương trình bậc hai sang xử lý nghiệm phức.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

So sánh Fortran 90 với các phiên bản tiền nhiệm

Tài liệu làm rõ những bước phát triển quan trọng của chuẩn Fortran 90 so với chuẩn FORTRAN 77:

Đặc tính kỹ thuật	Chuẩn FORTRAN 77	Chuẩn Fortran 90 trong giáo trình
Định dạng tập tin nguồn	Định dạng cố định (fixed format, đuôi .f), bắt buộc giới hạn trong 72 cột.	Định dạng tự do (free format, đuôi .f90), độ dài tối đa 132 ký tự/dòng.
Khai báo biến	Dựa trên quy tắc ngầm định theo chữ cái đầu (I-N là nguyên).	Bắt buộc khai báo minh định thông qua chỉ thị implicit none.
Độ dài định danh (tên biến)	Giới hạn tối đa 6 ký tự.	Mở rộng tối đa lên đến 31 ký tự (Fortran 2003 là 63 ký tự).
Kiểm soát độ chính xác	Cố định kiểu real, double precision.	Cơ chế tham số kind, selected_int_kind, selected_real_kind.
Toán tử quan hệ	Dạng chữ viết tắt: .EQ., .NE., .LT., .LE., .GT., .GE.	Hỗ trợ song song toán tử ký hiệu hiện đại: ==, /=, <, <=, >, >=.
Xử lý khối điều khiển	Phụ thuộc nhiều vào nhãn dòng lệnh và câu lệnh nhảy GOTO.	Khối cấu trúc hiện đại IF...THEN...ELSE, SELECT CASE, đặt tên khối.

Tích hợp công cụ và khả năng tương thích môi trường

• Đa dạng hóa trình biên dịch: Tài liệu không phụ thuộc vào một phần mềm duy nhất mà hướng dẫn chi tiết cả ba phương thức: IDE gọn nhẹ Force 2.0 (tích hợp GCC/GFortran), IDE chuyên nghiệp Plato (Silverfrost FTN95), và trình biên dịch dòng lệnh G95 cài đặt độc lập với biến môi trường PATH.
• Đảm bảo tính khả chuyển (Portability): Việc sử dụng hàm selected_real_kind giúp mã nguồn duy trì độ chính xác đồng nhất khi chuyển đổi giữa các hệ thống máy tính có kiến trúc khác nhau.
• Mở rộng ứng dụng chuyên ngành: Giới thiệu phương thức kết nối kết quả tính toán của Fortran với phần mềm mã nguồn mở GNUPLOT nhằm giải quyết bài toán biểu diễn đồ họa kỹ thuật, đồng thời định hướng khai thác các thư viện thuật toán chuẩn quốc tế như LINPACK.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Sinh viên và yêu cầu tiên quyết

• Đối tượng đào tạo: Sinh viên đại học từ năm thứ nhất đến năm thứ tư thuộc các ngành Kỹ thuật Công trình, Cơ khí, Xây dựng, Thủy lợi, Giao thông, Hàng không, Vật lý Kỹ thuật, Toán - Tin học Ứng dụng, Địa chất - Dầu khí và Khoa học Môi trường.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh: Sử dụng tài liệu làm tài liệu tham khảo kỹ thuật phục vụ việc viết các chương trình mô phỏng số, giải thuật toán sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn hoặc xử lý mô hình hóa vật lý.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần nắm vững kiến thức Toán cao cấp (Giải tích, Đại số tuyến tính, Phương pháp tính) và các khái niệm căn bản về thuật giải máy tính.

Ứng dụng đối với giảng viên và nghiên cứu

• Giảng viên: Có thể sử dụng giáo trình làm bài giảng khung cho môn học Lập trình tính toán kỹ thuật hoặc phân hệ thực hành tính toán số. Các đoạn mã nguồn mẫu trong tài liệu có thể dùng làm ngân hàng đề bài thực hành phòng máy.
• Tự học và tra cứu chuyên môn: Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu có thể sử dụng giáo trình để chuyển đổi các chương trình di sản (legacy code) viết bằng FORTRAN 77 sang Fortran 90, hoặc làm tài liệu tra cứu nhanh các hàm toán học nội tại và cú pháp xử lý dữ liệu phức hợp.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

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

Giáo trình được thiết kế cho sinh viên, kỹ sư và nhà nghiên cứu thuộc khối Khoa học Tự nhiên và Kỹ thuật cần một công cụ lập trình mạnh về xử lý tính toán số, mô phỏng khoa học và giải quyết các bài toán kỹ thuật chuyên sâu.

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 phương trình, hình học giải tích) và tư duy thuật toán cơ bản. Giáo trình đã trình bày chi tiết từ bước cài đặt môi trường phát triển đến cách viết các dòng lệnh đầu tiên.

3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa giáo trình này với các tài liệu Fortran cũ là gì?

Tài liệu tập trung toàn diện vào chuẩn Fortran 90 với định dạng tự do (free format), cấu trúc lập trình hiện đại, quy chuẩn khai báo biến tường minh bằng implicit none và cơ chế quản lý độ chính xác thông qua kind, thay vì phương pháp lập trình định dạng cố định theo cột của FORTRAN 77.

4. Làm thế nào để tự học giáo trình đạt hiệu quả cao nhất?

Người học nên cài đặt phần mềm Force 2.0 hoặc Silverfrost FTN95 theo hướng dẫn ở Chương 1, tự tay gõ lại mã nguồn các chương trình mẫu, tiến hành biên dịch, quan sát các lỗi cú pháp phát sinh và chủ động giải quyết các bài tập mở rộng ở cuối mỗi chương.

5. Giáo trình có tài liệu hoặc công cụ bổ trợ nào đi kèm?

Tài liệu cung cấp đầy đủ liên kết và hướng dẫn cài đặt các phần mềm miễn phí gồm Force 2.0, FTN95 Personal Edition, G95; đồng thời có phần phụ lục hướng dẫn sử dụng công cụ vẽ đồ thị GNUPLOT và thư viện đại số tuyến tính LINPACK.

---

Kết luận

Giáo trình "Giới thiệu ngôn ngữ lập trình Fortran 90" của tác giả La Văn Hiển là tài liệu học tập có tính hệ thống cao, phản ánh chính xác các đặc trưng cú pháp và năng lực xử lý số học của ngôn ngữ Fortran 90. Với cấu trúc hướng đến thực hành tự học, tài liệu giúp người học xây dựng nền tảng vững chắc về lập trình tính toán số trong khoa học kỹ thuật.

Lộ trình học tập được khuyến nghị là hoàn thành tuần tự các khối kiến thức từ cú pháp cơ bản (Chương 1), làm chủ kiểu dữ liệu và sai số tính toán (Chương 2), vận dụng hệ thống hàm nội tại (Chương 3), đến xây dựng các giải thuật phân nhánh điều khiển phức tạp (Chương 4). Từ nền tảng này, người học có thể mở rộng nghiên cứu sang các cấu trúc nâng cao như mảng động, chương trình con (module, subroutine), lập trình hướng đối tượng trong Fortran 2003/2008 và khai thác các kho thư viện tính toán khoa học chuyên dụng trên thế giới.

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 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. 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. 2 Ngoài ra , chúng ta có thể chọn các trình biên dịch Fortran khác như sau để chạy kiểm tra cùng một chương trình nguồn :  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 ( source code , source file ) .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 *. Khác với các phiên bản cũ , Fortran 90 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 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 : 3 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 ). 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 ( tập lệnh ) được sắp xếp theo một thứ tự từ trên xuống dưới và được viết theo các quy tắc về cú pháp 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 pi ! phan tinh toan print*,'Cho biet ban kinh r :' ; read*,r 4 chuvi = 2.0*r*pi dientich = r*r*pi ! 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 .