Những nguyên lý cơ bản và cấu trúc tổng quát của hệ xử lý thông tin tự động
|
|
I.
NHỮNG NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ CƠ BẢN
Alan
Mathison Turing (1912 - 1954) là một nhà toán học người
Anh đã đưa ra một thiết bị tính
đơn giản gọi là máy Turing. Về lý
thuyết, mọi quá trình tính toán có thể
được thì đều có thể mô
phỏng lại trên máy Turning. Máy Turning gồm có
(xem hình vẽ 2.1): -
Một bộ điều khiển trạng thái
hữu hạn (finite control), trong đó có các
trạng thái đặc biệt như trạng thái
khởi đầu và trạng thái kết thúc. -
Một băng ghi (tape) chứa tín hiệu trong các
ô. - Một đầu đọc (head) và ghi có thể di chuyển theo 2 chiều trái hoặc phải một đơn vị.
Hình
2.1 Sơ đồ máy Turing Ðầu
đọc/ghi mang chức năng thông tin nối
giữa Bộ điều khiển hữu hạn
và băng ghi. Ðầu bằng cách đọc
dấu hiệu từ băng và cũng dùng nó
để thay đổi dấu hiệu trên băng.
Bộ kiểm soát vận hành theo từng bước
riêng biệt; mỗi bước nó thực
hiện 2 chức năng tùy thuộc vào trạng
thái hiện tại của nó và tín hiệu
hiện tại của băng: 1.
Ðặt bộ điều khiển ở trạng
thái ban đầu q1, băng trắng và đầu
đọc/ghi chỉ vào ô khởi đầu. 2.
Nếu: (a)
trạng thái hiện tại q trùng với
trạng thái kết thúc qo thì máy sẽ dừng. (b)
ngược lại, trạng thái q sẽ
chuyển qua q, tín hiệu trên băng s thành s và
đầu đọc dịch chuyển sang
phải hoặc trái một đơn vị. Máy
hoàn thành xong một bước tính toán và
sẵn sàng cho bước tiếp theo.
Năm
1946, nhà toán học Mỹ John Von Neumann (1903 - 1957)
đã đề ra một nguyên lý máy tính
hoạt động theo một chương trình
được lưu trữ và truy nhập theo
địa chỉ. Nguyên lý này được trình
bày ở một bài báo nổi tiếng nhan đề:
Thảo luận sơ bộ về thiết
kế logic của máy tính điện tử .
Nội dung nguyên lý Von Neumann gồm : -
Máy tính có thể hoạt động theo một
chương trình đã được lưu
trữ. Theo
Von Neumann, chúng ta có thể tập hợp các
lệnh cho máy thi hành theo một chương trình
được thiết kế và coi đó như
một tập dữ liệu. Dữ liệu này
được cài vào trong máy và được
truyền bằng xung điện. Ðây là một
cuộc cách mạng mới cho máy tính nhằm tăng
tốc độ tính toán vào thời đó vì trước
kia máy chỉ có thể nhận được các
lệnh từ băng giấy hoặc bìa đục
lỗ và nạp vào bằng tay. Nếu gặp bài
toán lặp lại nhiều lần thì cũng
tiếp tục bằng cách nạp lại một
cách thủ công như vậy gây hạn chế
trong tính toán sử dụng. -
Bộ nhớ được địa chỉ hóa Mỗi
dữ liệu đều có một địa
chỉ của vùng nhớ chứa số liệu
đó. Như vậy để truy nhập dữ
liệu ta chỉ cần xác định địa
chỉ của nó trên bộ nhớ. -
Bộ đếm của chương trình Nếu
mỗi câu lệnh phải dùng một vùng nhớ
để chứa địa chỉ của câu
lệnh tiếp theo thì không gian bộ nhớ
sẽ bị thu hẹp. Ðể khắc phục
hạn chế này, máy được gắn
một thanh ghi để chỉ ra vị trí
của lệnh tiếp theo cần được
thực hiện và nội dung của nó tự
động được tăng lên mỗi
lần lệnh được truy cập. Muốn
đổi thứ tự lệnh ta chỉ cần
thay đổi nội dung thanh ghi bằng một
địa chỉ của lệnh cần được
thực hiện tiếp. II.
CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA HỆ XỬ LÝ THÔNG
TIN TỰ ÐỘNG Mỗi
loại máy tính có thể có các hình dạng
hoặc cấu trúc khác nhau, tùy theo mục đích
sử dụng nhưng, một cách tổng quát, máy
tính điện tử là một hệ xử lý
thông tin tự động gồm 3 phần chính: *
Ðơn vị xử lý trung ương (CPU - Central
Processing Unit) *
Khối bộ nhớ (Memory): để chứa chương
trình và dữ liệu *
Khối vào ra (Input/Output): bao gồm màn hình, máy
in, bàn phím,...
Phần
cứng có thể được hiểu
đơn giản là tất cả các phần
trong một hệ máy tính mà chúng ta có thể
thấy hoặc sờ được. Phần
cứng gồm các thiết bị máy có thể
thực hiện các chứa năng sau: *
Nhập dữ kiện vào máy (input) *
Xử lý dữ kiện (processing) * Xuất dữ kiện/ thông tin (output) a. Sơ đồ cấu trúc phần cứng
Hình
2.2 Sơ đồ cấu trúc phần cứng b.
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
thông tin dùng để lưu trữ các chương
trình hệ thống, chương trình điều
khiển việc nhập xuất cơ sở
(ROM-BIOS : ROM-Basic Input/Output System). Thông tin được
giữ trên ROM thường xuyên ngay cả khi
mất điện. Bộ nhớ này được
các công ty sản xuất máy tính cài đặt
sẵn trên máy thường có kích cỡ 16
KB(loại IBM PC XT), hoặc 32 KB, 64 KB (loại IBM PC
AT). Người sử dụng máy tính không
thể tự thay đổi nội dung thông tin
trong ROM. -
RAM (Random Access Memory) là Bộ nhớ truy xuất
ngẫu nhiên, được dùng để lưu
trữ dữ kiện và chương trình trong quá
trình thao tác và tính toán. RAM có đặc điểm
là nội dung thông tin chứa trong nó sẽ
mất đi khi mất điện hoặc tắt
máy. Dung
lượng bộ nhớ cho các máy tính hiện
nay (loại PC AT 486 trở lên) thông thường vào
khoảng 4 MB, 8 MB, 16 MB, 32 MB hoặc 64 MB và có
thể hơn nữa. Bộ
nhớ ngoài: như đĩa từ, băng
từ ... Ðể lưu trữ thông tin và có
thể chuyển các tin này
qua máy tính khác, người ta sử dụng các
đĩa, băng từ như là các bộ
nhớ ngoài. Các bộ nhớ này có dung lượng
chứa lớn, không bị mất đi khi không có
nguồn điện. Trên các máy vi tính phổ
biến hiện nay có các loại đĩa từ
sau: -
Ðĩa cứng (hard disk) : có nhiều loại dung lượng
từ vài trăm đến vài ngàn MB, đến
nay đã có đĩa cứng hơn 10 GB. - Ðĩa mềm (floppy disk) : phổ biến có 2 loại đĩa có đường kính 5.25 inches (dung lượng 360 KB hoặc 1.2 MB) và loại 3.5 inches (dung lượng 720 KB hoặc 1.44 MB)
Hình
2.3 Ðĩa máy tính loại 3.5 in và 5.25 in. -
Ðĩa quang (Compact disk): loại 4.72 inches có dung lượng
vào khoảng 600 MB. Ðĩa quang thường
chỉ được đọc và không ghi
được (CD-ROM) là thiết bị phổ
biến với các phần mềm phong phú mang
nhiều thông tin, hình ảnh, âm thanh không thể
thiếu được trong các phương
tiện đa truyền thông (multimedia). Tốc
độ quay của đĩa mềm 5.25 in.
khoảng 300 vòng/phút, đĩa 3.5 in. khoảng 600
vòng/phút. Tốc độ quay của đĩa
cứng rất cao thường đạt trên 3600
vòng/phút. Vì vậy, thông tin chứa trên đĩa
cứng sẽ được truy cập nhanh hơn
trên đĩa mềm rất nhiều. Hiện
nay trên thị trường còn có loại
đĩa nén, có kích thước như loại
đĩa 1.44 MB, nhưng có dung lượng đến
100 MB và dễ dàng mang đi các nơi. c.
Bộ xử lý trung ương (CPU) Bộ
xử lý trung ương chỉ huy các hoạt
động của máy tính theo lệnh và thực
hiện các phép tính. CPU có 3 bộ phận chính:
khối điều khiển, khối tính toán
số học và logic, và một số thanh ghi. · Khối
điều khiển (CU: Control Unit) là trung tâm điều
hành máy tính. Nó có nhiệm vụ
giải mã các lệnh, tạo ra các tín hiệu
điều khiển công việc của các bộ
phận khác của máy tính theo yêu cầu của
người sử dụng hoặc theo chương
trình đã cài đặt. · Khối
tính toán số học và logic (ALU: Arithmetic-Logic
Unit) bao gồm các thiết bị
thực hiện các phép tính số học
(cộng, trừ, nhân, chia, ...), các phép tính logic
(AND, OR, NOT, XOR) và các phép tính quan hệ (so sánh
lớn hơn, nhỏ hơn, bằng nhau, ...) ·
Các thanh ghi (registers) được gắn chặt
vào CPU bằng các mạch điện tử làm
nhiệm vụ bộ nhớ trung gian. Các thanh ghi
mang các chức năng chuyên dụng giúp tăng
tốc độ trao đổi thông tin trong máy tính. Ngoài
ra, CPU còn được gắn với một
đồng hồ (clock) hay còn gọi là bộ
tạo xung nhịp. Tần số đồng
hồ càng cao thì tốc độ xử lý thông
tin càng nhanh. Thường thì đồng hồ
được gắn tương xứng với
cấu hình máy và có các tần số dao động
(cho các máy PC 386 DX trở lên) là 33 MHz, 66 MHz, 100
MHz, 120 MHz, 133 MHz, ... hoặc cao hơn. d. Các thiết bị xuất / nhập
Hình
2.4 Các bộ phận của một máy tính Các
thiết bị nhập thông tin chính: - Bàn
phím (Keyboard): là thiết bị nhập dữ
liệu và câu lệnh, bàn phím máy vi tính phổ
biến hiện nay là một bảng chứa 104 phím
có các tác dụng khác nhau. Có thể chia làm 3 nhóm phím chính:
Hình
2.5 Bàn phím +
Nhóm phím đánh máy: gồm các phím chữ, phím
số và phím các ký tự đặc biệt (~,
!, @, #, $, %, ^,&, ?, ...). +
Nhóm phím chức năng (function key): gồm các phím
từ F1 đến F12 và các phím khác như +
Nhóm phím đệm số (numeric keypad) như
NumLock (cho các ký tự số), CapsLock (tạo các
chữ in), ScrollLock (chế độ cuộn màn hình)
thể hiện ở các đèn chỉ thị. Ngoài
3 phím có đèn chỉ thị trên ta còn các nút
điều khiển sau: -
Phím Shift: kèm với các phím chữ sẽ tạo
ra chữ in hoa hoặc thường, đổi phím
số thành các ký hiệu tương ứng trên
nó. -
Phím -
Phím Enter: nút thi hành lệnh hoặc xuống hàng. -
Phím Space: thanh dài nhất, tạo ký tự
rỗng. -
Phím PrintScreen: nút in nội dung màn hình ra giấy. -
Phím Pause: dừng thi hành chương trình. -
Phím Ctrl (Control) và Alt (Alternate): là phím dùng để
phối hợp các phím khác tùy chương trình
sử dụng. -
Phím Esc (Escape): phím thoát, được dùng khi có
chỉ định rõ. -
Phím Tab: phím nhảy cách, thường 8 khoảng
(khoảng nhảy có thể khác đi tùy chương
trình hay người sử dụng định). - Con chuột (Mouse): là thiết bị cần thiết phổ biến hiện nay, nhất là các máy tính chạy trong môi trường Windows.
Con
chuột có kích thước vừa nắm tay di
chuyển trên một tấm phẳng (mouse pad) theo
hướng nào thì dấu nháy hoặc mũi tên
trên màn hình sẽ di chuyển theo hướng
đó tương ứng với vị trí của
của viên bi hoặc tia sáng (optical mouse) nằm dưới
bụng của nó. Một số máy tính có con
chuột được gắn trên bàn phím. Hình 2.6 Con chuột
-
Máy quét (scanner): là thiết bị dùng để
nhập văn bản hay hình vẽ, hình chụp vào
máy tính. Thông tin nguyên thủy trên giấy sẽ
được quét thành các tín hiệu số
tạo thành các tập tin ảnh (image file). Scanner
đi kèm với phần mềm để nhận
diện các tập tin ảnh hoặc văn
bản. -
Digitizer: dùng để nhập dữ liệu đồ
họa theo tọa độ X-Y vào máy tính, thường
được dùng trong vẽ bản đồ. -
Bút quang (Light pen): dùng nhập điểm bằng
cách chấm lên màn hình. -
Touch screen: màn hình đặc biệt có thể dùng
ngón tay để chạm lên các điểm. Các thiết bị xuất thông tin chính:
-
Màn hình (Screen hay Monitor): là thiết bị xuất
chuẩn, dùng để thể hiện thông tin
cho người sử dụng xem. Thông
tin được thể hiện ra màn hình
bằng phương pháp ánh xạ bộ nhớ
(memory mapping), với cách này màn hình chỉ
việc đọc liên tục bộ nhớ và
hiển thị (display) bất kỳ thông tin nào
hiện có trong vùng nhớ ra màn hình. Vì vậy
để xuất thông tin ra màn hình ta chỉ
cần xuất ra vùng nhớ tương ứng. Hình
2.8 Màn hình -
Trong chế độ văn bản, màn hình
thể hiện 80 cột ký tự (đánh số
từ 0 - 79) và 25 dòng (đánh số từ 0 - 24). -
Trong chế độ đồ họa, màn hình
được chia thành các phần tử ảnh
(pixel: picture element). Ðộ phân giải màn hình
được xác định bằng tích số
kích thước chiều ngang và chiều cao tính
theo phần tử ảnh. Tích số này càng
lớn thì màn hình càng mịn, rõ nét. Màn
hình phổ biến hiện nay trên thị trường
là màn hình màu SVGA.
-
Máy in (printer): là thiết bị xuất để
đưa thông tin ra giấy. Máy in phổ biến
hiện nay là loại máy in ma trận điểm
(dot matrix) loại 9 kim và 24 kim, máy in phun mực, máy
in laser trắng đen hoặc màu. Giấy in thường dùng là loại giấy in 80 cột (in được 80 ký tự, in nén được 132 ký tự) và loại giấy in khổ rộng in được 132 cột (in 132 ký tự, in nén 256 ký tự). Cả 2 loại giấy in đều có khả năng in 66 dòng/trang.
- Máy
vẽ (plotter): loại máy đặc biệt dùng
các bút màu để vẽ đồ họa,
chữ ... -
Ðĩa từ, băng từ (diskette, tape) ... : dùng
để chứa thông tin xuất
Muốn
giải một bài toán trên máy tính điện
tử người ta cần một chương trình
hay phần mềm hướng dẫn máy tính
thực hiện các thao tác cần thiết. Trước
khi giới thiệu phần mềm ta cần
hiểu các bước để giải một bài
toán trên máy tính. a.
Các giai đoạn giải một bài toán trên máy
tính điện tử Ðể
giải quyết một bài toán trên máy tính điện
tử, cần qua các giai đoạn: ·
Tìm hiểu mục tiêu chính của bài toán:
số liệu nhập và kết quả xuất. ·
Xây dựng một chuỗi thao tác tính toán theo
tuần tự, gọi là thuật giải. ·
Lập chương trình diễn tả chi tiết
các bước tính theo thuật giải ·
Nhập chương trình vào máy tính, thông
dịch và chạy thử để sửa
chữa lỗi ·
Thực hiện giải bài toán với số
liệu thu thập được và ghi nhận
kết quả ·
Thử nghiệm với nhiều trường
hợp khác nhau của bài toán ·
Phân tích kết quả và hoàn chỉnh chương
trình Trong các bước trên, việc thiết kế thuật toán là giai đoạn quan trọng nhất. b.
Thuật toán (algorithm) Ðịnh
nghĩa: Thuật toán là một phương pháp
trình bày các bước giải quyết một
hay nhiều bài toán theo một tiến trình xác
định. Thuật
toán có các đặc tính sau: -
Tính xác định: Các thao tác của thuật toán
là rõ ràng và chắc chắn thực hiện
được để dẫn đến
kết quả nào đó. -
Tính hữu hạn và dừng: thuật toán
phải có một số bước giải
nhất định và cuối cùng
phải có kết thúc ở điểm dừng. -
Tính kết quả: Với dữ liệu hợp lý,
thuật toán phải cho kết quả thỏa yêu
cầu. -
Tính phổ dụng: Thuật toán phải giải
được nhiều bài toán có cùng cấu trúc
với các dữ liệu khác nhau và
đều dẫn đến một kết
quả mong muốn. -
Tính hiệu quả: Thuật giải phải
đơn giản, dể hiểu trong các bước
giải, tối thiểu hoá bộ
nhớ và thời gian thực hiện. -Tính
hình thức: Các bước trong thuật toán là máy
móc, nghĩa là nó phải thực
hiện đúng như quy định mà không
cần biết đến mục tiêu cuối cùng. Thuật
toán có thể diễn giải một cách trực
quan bằng lưu đồ (flowchart). Lưu đồ
được sử dụng thông dụng trong
việc trình bày các bước cần thiết
để giải quyết vấn đề qua các
hình khối khác nhau và dòng dữ liệu giữa
các bước được chỉ định
đi theo các đường mũi tên. Một số qui ước ký hiệu lưu đồ:
Ví
dụ 2.1: Thuật toán giải phương trình
bậc nhất : ax + b = 0, ta đi qua các bước: - Bước
1: Nhập vào 2 hệ số a và b. - Bước
2: Xét điều kiện a = 0 ? Nếu
đúng là a = 0, thì đi đến bước 3.
Nếu không, nghĩa là a ( 0, thì đi đến
bước 4. - Bước
3: Xét điều kiện b = 0 ? Nếu
b = 0, thì báo phương trình có vô số
nghiệm. Ði đến bước 5. Nếu
- Bước
4: Thông báo phương trình có một nghiệm
duy nhất là x = - b/a. - Bước
5: Ngưng dứt thuật toán Ví dụ 2.2 Với bài toán như trong ví dụ 2.1, ta có thể trình bày với lưu đồ sau:
c.
Khái niệm và phân loại phần mềm Phần
mềm là một bộ chương trình các
chỉ thị điện tử ra lệnh cho máy
tính thực hiện một điều nào đó
theo yêu cầu của người sử dụng.
Chúng ta không thể thấy hoặc sờ
được phần mềm, mặt dầu ta có
thể hiển thị được chương
trình trên màn hình hoặc máy in. Phần mềm có
thể được ví như hồn của máy
tính mà phần cứng của nó được
xem như phần xác. Có 2 loại phần mềm
cơ bản: +
Phần mềm hệ điều hành (Operating
System Software): là một bộ các câu lệnh để
chỉ dẫn phần cứng máy tính và các
phần mềm ứng dụng làm việc với
nhau. Phần mềm hệ thống phổ biến
hiện nay ở Việt nam là MS-DOS và Windows. Ðối
với mạng máy tính ta cũng có các phần
mềm hệ điều hành mạng (Network
Operating System) như Novell Netware, Unix, Windows NT, ... +
Phần mềm ứng dụng (Application Software):
rất phong phú và đa dạng, bao gồm
những chương trình được viết
ra cho một hay nhiều mục đích ứng
dụng cụ thể như soạn thảo văn
bản, tính toán, phân tích số liệu, tổ
chức hệ thống, bảo mật thông tin,
vẽ đồ họa, chơi games, ...
KHÁI
NIỆM VỀ MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER
NETWORKS) ---
oOo --- Một
hệ thống gồm nhiều máy tính được
kết nối nhau qua cáp truyền tin và có thể
làm việc đồng thời với nhau gọi
là mạng máy tính (Computer Networks). Ưu điểm
của việc nối mạng là: ·
Chia xẻ tài nguyên máy tính: bộ nhớ,
phần mềm, dữ liệu, máy in, ... ·
Trao đổi thông tin giữa các trạm làm
việc (workstations) nhanh chóng, tiết kiệm
thời gian và bảo đảm an toàn dữ
liệu. Hệ
điều hành mạng (Networks Operating System - NOS)
của mạng máy tính thường là các hệ
phổ biến như UNIX, NOVELL NETWARE và WINDOWS NT. Dựa
vào khoảng cách nối kết, người ta phân
biệt 2 loại: +
Mạng cục bộ (Local Area Networks - LAN) là
mạng máy tính nối với nhau trong một không
gian hẹp như một phòng, tòa nhà, trường
học, xí nghiệp,... +
Mạng diện rộng (Wide Area Networks - WAN) để
chỉ một loạt các máy hoặc các LAN
được nối với nhau trên một
phạm vi lớn hơn như liên tỉnh, liên vùng,
quốc gia hay đa quốc gia. Sơ đồ một mạng cục bộ đơn giản:
Các
máy tính làm việc trên mạng cục bộ bao
gồm: -
Máy chủ (File Server) : là một máy tính có bộ
nhớ lớn, tốc độ truy xuất cao và
có khả năng chứa nhiều tài nguyên. Máy
chủ hệ điều hành mạng và các chương
trình chung cho toàn mạng như các phần mềm
xử lý dữ liệu, văn bản, phần
mềm chuyên dụng, các phần mềm an toàn và
bảo mật,... mỗi hệ thống mạng
phải có ít nhất 1 máy chủ. -
Trạm làm việc (WorkStation): là các máy tính con
được nối với nhau và vào
máy chủ. Người làm việc trên các
Trạm có thể sử dụng tài nguyên trên máy
chủ và chia xẻ dữ liệu cho các đồng
nghiệp. -
Các thiết bị khác như máy in, máy vẽ,...
các máy này có thể nối trực tiếp vào
máy chủ hoặc trạm làm việc tùy theo nhu
cầu làm việc của hệ thống. Có
nhiều phương pháp kết nối máy tính
với nhau theo cấu hình mạng (Topology). Mỗi
loại đều có ưu khuyết điểm
riêng. Thông dụng có các kiểu nối: -
Kiểu Tuyến (Bus): Tất cả máy tính
nối với nhau theo một đường dây
chung.
Sơ
đồ một LAN nối theo kiểu tuyến -
Kiểu Sao (Star): Tất cả các máy nối thành
hình sao quanh máy chủ.
Sơ
đồ một LAN nối theo kiểu sao -
Kiểu Vòng (Ring) : Tất cả máy được
nối vào một đường dây vòng chung.
Sơ
đồ một LAN nối theo kiểu vòng Ngoài
ra, ta có thể kết nối mạng theo kiểu
phối hợp giữa tuyến và sao, hoặc
giữa vòng và tuyến. Khi đó, file server sẽ
được nối với thiết bị
gọi là hộp cổng nhiều nhánh multiport hub
cho phép kết nối cáp dẫn với trạm làm
việc theo các cấu hình thiết kế khác
nhau. Người
làm việc trên mạng bao gồm: Người
quản trị mạng (Network supervisor): là người
giữ vai trò quản lý toàn
bộ hệ thống mạng, chịu trách
nhiệm cài đặt, sửa chữa, bảo trì
mạng và toàn quyền phân phối tài nguyên truy
xuất trên mạng cho người sử
dụng. Người
sử dụng mạng (Network Users): là người
làm việc trên từng Trạm làm
việc riêng rẽ, có quyền sử dụng các
tài nguyên trên mạng với một số
quyền hạn nhất định mà người
giám thị mạng cho phép. Nhóm trên mạng (Group): là tập hợp một số người sử dụng có cùng chung một số yêu cầu sử dụng, chia xẻ và do đó được giám thị mạng cung cấp quyền như nhau |
(phím di chuyển từng điểm), phím PgUp (lên
trang màn hình), PgDn (xuống trang màn hình), Insert (chèn),
Delete (xóa), Home (về đầu), End (về
cuối), ...
BackSpace: lùi điểm nháy đồng thời xóa
ký tự đứng trước nó.
,
thông báo phương trình vô nghiệm. Ði đến
bước 5.
