CHƯƠNG 1: THÔNG TIN VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN Mục tiêu của chương Nắm vững: - Các khái niệm về định nghĩa thông tin, vật mang tin và các lĩnh vực nghiên cứu của tin học. - Cấu tạo và chức năng của máy vi tính. - Các hệ đếm, cách chuyển đổi giữa các hệ đếm, và các phép toán số học và logic ứng dụng trong tin học. - Vận dụng lý thuyết làm thành thạo các bài tập về chuyển đổi giữa các hệ đếm.
Nội dung của chương Nghiên cứu một số khái niệm về thông tin, cách chuyển đổi giữa các hệ đếm, cấu trúc cơ bản của máy tính điện tử cũng như chức năng và hoạt động của thành phần trong máy tính. Thông tin và xử lý thông tin 1. Khái niệm về thông tin (Information) Thông tin là nguồn gốc của nhận thức, hiểu biết. Thông tin có thể phát sinh, mã hóa, truyền, tìm kiếm, xử lý, biến dạng.
và được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau. Thông tin được thể hiện dưới nhiều hình thức khác nhau như sóng ánh sáng, sóng điện từ, các ký hiệu viết trên giấy. Về nguyên tắc, bất kỳ cấu trúc vật chất nào hoặc bất kỳ dòng năng lượng nào cũng có thể mang thông tin. Chúng được gọi là những vật mang tin (giá mang tin).
Thông tin chứa đựng ý nghĩa, còn dữ liệu là các dữ kiện không có cấu trúc và không có ý nghĩa rõ ràng nếu nó không được tổ chức và xử lý. Cùng một thông tin, có thể được biểu diễn bằng những dữ liệu khác nhau. Cùng biểu diễn một đơn vị, nhưng trong chữ số thập phân ta cùng ký hiệu 1, còn trong hệ đếm La Mã lại dùng ký hiệu I. Mỗi dữ liệu lại có thể được thể hiện bằng những ký hiệu vật lý khác nhau.
Dữ liệu (data) là hình thức thể hiện của thông tin trong mục đích lưu trữ và xử lý nhất định. Khái niệm dữ liệu xuất hiện cùng với việc xử lý thông tin bằng máy tính. Vì thế trong nhiều tài liệu người ta định nghĩa dữ liệu là đối tượng xử lý của máy tính. Thông tin luôn mang một ý nghĩa xác định nhưng hình thức thể hiện của thông tin rõ ràng mang tính quy ước.
Tri thức (knowledge) có ý nghĩa khái quát hơn thông tin. Những nhận thức thu nhận được từ nhiều thông tin trong một lĩnh vực cụ thể nào đó, có tính hướng mục đích mới trở thành tri thức. Như vậy tri thức là mục đích của nhận thức trên cơ sở tiếp nhận thông tin. Quá trình xử lý thông tin chính là quá trình nhận thức để có tri thức.
Đơn vị đo thông tin Trong kỹ thuật máy tính người ta dùng hai ký tự 0 và 1 để lưu trữ và xử lý thông tin. Ký tự 1 tương ứng với một bóng đèn sáng hoặc một phần tử kim loại được nhiễm từ tính, ký tự 0 tương ứng với một bóng đèn tắt hoặc một phần tử kim loại không nhiễm từ tính. Mỗi ký tự 0 và 1 tương ứng với một đơn vị nhỏ nhất của thông tin được gọi là bit. Ngoài ra còn các đơn vị khác như sau: Đơn vị Ký hiệu Biểu diễn Byte B 1byte=8 bit Kilo Byte KB 1KB=210B Mega Byte MB 1MB=210KB Giga Byte GB 1GB=210MB Tera Byte TB 1TB=210GB Peta Byte PB 1PB=210TB Để trao đổi thông tin trên máy vi tính, người ta dùng bộ mã chuẩn ASCII (American Standard Code for Information Interchange).
Mỗi ký tự được mã hoá bằng một byte. Bảng mã ASCII có thể mã hoá 256 ký tự. Tuy nhiên số ký tự cơ bản chỉ gói gọn trong 128 số đầu. Còn 128 ký tự sau (từ 128 đến 255) được gọi là phần mã mở rộng và được dùng để mã hoá các ký tự riêng của một số ngôn ngữ (ví dụ như các ký tự có dấu của Tiếng Việt), các ký tự toán học, các ký tự đồ hoạ.
Sơ đồ tổng quát của một quá trình xử lý thông tin Mọi quá trình xử lý thông tin bằng máy tính hay bằng con người đều được thực hiện theo một quy trình sau : Dữ liệu (data) được nhập ở đầu vào (input). Máy tính hay con người sẽ thực hiện quá trình xử lý nào đó để nhận được thông tin ở đầu ra (output). Quá trình nhập dữ liệu, xử lý và xuất thông tin đều có thể được lưu trữ. Nhập dữ liệu Xử lý Xuất dữ liệu (input) (processing) (output) Lưu trữ (storage) Hình 1: Mô hình tổng quát quá trình xử lý thông tin 2 1.
Các lĩnh vực nghiên cứu của tin học Tin học (Informatics) được định nghĩa là ngành khoa học nghiên cứu các phương pháp, công nghệ và kỹ thuật xử lý thông tin tự động. Công cụ chủ yếu của tin học là máy tính điện tử và các thiết bị truyền tin khác. Việc nghiên cứu chính của tin học nhằm vào 2 kỹ thuật phát triển song song : - Kỹ thuật phần cứng (hardware engineering): nghiên cứu chế tạo các thiết bị, linh kiện điện tử, công nghệ vật liệu mới. hỗ trợ cho máy tính và mạng máy tính đẩy mạnh khả năng xử lý toán học và truyền thông thông tin.
- Kỹ thuật phần mềm (software engineering): nghiên cứu phát triển các hệ điều hành, ngôn ngữ lập trình cho các bài toán khoa học kỹ thuật, mô phỏng, điều khiển tự động, tổ chức dữ liệu và quản lý hệ thống thông tin. Ứng dụng của tin học Tin học hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành nghề khác nhau của xã hội từ khoa học kỹ thuật, y học, kinh tế, công nghệ sản xuất đến khoa học xã hội, nghệ thuật. như: - Tự động hóa văn phòng - Quản trị kinh doanh - An ninh, quốc phòng - Giáo dục, y học - Nông nghiệp v. Máy tính điện tử 1.
Lịch sử phát triển của máy tính điện tử Do nhu cầu cần tăng độ chính xác và giảm thời gian tính toán, con người đã quan tâm chế tạo các công cụ tính toán từ xưa: bàn tính tay của người Trung quốc, máy cộng cơ học của nhà toán học Pháp Blaise Pascal (1623 - 1662), máy tính cơ học có thể cộng trừ nhân chia của nhà toán học Đức Gottfried Wilhelmvon Leibniz (1646 - 1716), máy sai phân để tính các đa thức toán học, máy phân giải điều khiển bằng phiếu đục lỗ của Charles Babbage (1792 - 1871). Tuy nhiên, máy tính điện tử thực sự hình thành bắt đầu vào thập niên 1950 và đến nay đã trải qua 5 thế hệ được phân loại theo sự tiến bộ về công nghệ điện tử và vi điện tử cũng như các cải tiến về nguyên lý, tính năng và loại hình của nó. - Thế hệ 1 (1950 - 1958): máy tính sử dụng các bóng đèn điện tử chân không, mạch riêng rẽ, vào số liệu bằng phiếu đục lỗ, điều khiển bằng tay. Máy có kích thước rất lớn, tiêu thụ năng lượng nhiều, tốc độ tính chậm khoảng 300 - 3.000 phép tính mỗi giây.
Loại máy tính điển hình thế hệ 1 như EDVAC (Mỹ) hay BESM (Liên xô cũ). 3 - Thế hệ 2 (1958 - 1964): máy tính dùng bộ xử lý bằng đèn bán dẫn, mạch in. Máy đã có chương trình dịch như Cobol, Fortran và hệ điều hành đơn giản. Kích thước máy còn lớn, tốc độ tính khoảng 10.
Điển hình như loại IBM-1070 (Mỹ) hay MINSK (Liên xô cũ). - Thế hệ 3 (1965 - 1974): máy tính được gắn các bộ xử lý bằng vi mạch điện tử cỡ nhỏ có thể có được tốc độ tính khoảng 100.000 đến 1 triệu phép/s. Máy đã có các hệ điều hành đa chương trình, nhiều người dùng đồng thời hoặc theo kiểu chia thời gian. Kết quả từ máy tính có thể in ra trực tiếp ở máy in.
Điển hình như loại IBM 360 (Mỹ) hay EC (Liên Xô cũ). - Thế hệ 4 (1974 đến nay): máy tính bắt đầu có các vi mạch đa xử lý có tốc độ tính hàng chục triệu đến hàng tỷ phép/giây. Giai đoạn này hình thành 2 loại máy tính chính: máy tính cá nhân để bàn (Personal Computer - PC) hoặc xách tay (Laptop hoặc Notebook computer) và các loại máy tính chuyên nghiệp thực hiện đa chương trình, đa vi xử lý. hình thành các hệ thống mạng máy tính (Computer Networks), và các ứng dụng phong phú đa phương tiện.
- Thế hệ 5 (1990 đến nay): bắt đầu có các nghiên cứu tạo ra các máy tính mô phỏng các hoạt động của não bộ và hành vi con người, có trí khôn nhân tạo với khả năng tự suy diễn phát triển các tình huống nhận được và những hệ quản lý kiến thức cơ sở để giải quyết các bài toán đa dạng. Ngày nay, loài người đang bước vào cuộc cách mạng máy tính. Các máy tính, đặc biệt là máy vi tính xuất hiện khắp nơi, hoặc hỗ trợ hoặc thay thế hoàn toàn con người, thực hiện những việc do con người giao cho thông qua các chương trình do con người cài đặt cho chúng. Cấu trúc tổng quát của máy tính điện tử Một cách tổng thể thì máy tính điện tử (máy vi tính) bao gồm hai hệ thống: hệ thống các thiết bị được gọi là phần cứng và hệ thống các chương trình điều khiển, chương trình tiện ích được gọi là phần mềm.
Phần cứng của máy tính đảm nhận nhiệm vụ xử lý thông tin ở mức thấp nhất. Phần mềm của máy tính đảm nhận các chức năng điều khiển, thực hiện quá trình giao tiếp giữa người và máy, góp phần làm cho việc sử dụng máy tính trở nên linh hoạt. Phần mềm là linh hồn của máy tính. Phần cứng (hardware) Phần cứng gồm các thiết bị máy có thể thực hiện các chứa năng sau: * Nhập dữ liệu vào máy (input) * Xử lý dữ liệu (processing) * Xuất dữ liệu / thông tin (output) 4 Sơ đồ các thành phần của máy vi tính: Các thiết bị vào Khối xử lý trung tâm Các thiết bị ra INPUT CU OUTPUT (Input Devices) (Control Unit) (Output Devices) ALU (Arithmetic Logic Unit) Keyboard Monitor Mouse MAIN MEMORY Printer Scanner (Rom-Ram) Video AUXILIARY STORAGE (Bộ nhớ ngoài) Hình 2: Sơ đồ các thành phần của máy vi tính.
Bộ nhớ Bộ nhớ là thiết bị lưu trữ thông tin trong quá trình máy tính xử lý. Bộ nhớ bao gồm bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài. Bộ nhớ trong gồm ROM và RAM : - ROM (Read Only Memory) là bộ nhớ chỉ đọc, có khả năng lưu trữ các thông số của nhà sản xuất, các chương trình hệ thống, chương trình điều khiển việc nhập xuất cơ sở mà người sử dụng không thể can thiệp trực tiếp vào được. Các chương trình này sẽ tự động hoạt động và kiểm tra các thiết bị mỗi lần vận hành.
Ta chỉ có thể đọc thông tin trên ROM và không thể ghi hoặc xóa. Các thông tin trên ROM không bị mất đi sau khi tắt máy hoặc khi mất điện đột ngột.