Phần cứng và phần mềm máy tính

Máy tính được thiết kế để thực hiện những thao tác tuân theo một tập những câu lệnh do người dùng viết ra, gọi là chương trình.

Các máy tính có cấu tạo chung bên trong như trên hình 1.1. Người dùng sử dụng bàn phím, chuột hoặc những thiết bị nhập dữ liệu khác để đưa thông tin vào máy tính. Bộ xử lý (processor) là một phần của máy tính kiểm soát tất cả các phần khác. Bộ xử lý nhận dữ liệu vào và lưu chúng ở bộ nhớ (memory). Nó nhận biết các lệnh của chương trình. Nếu ta muốn cộng hai giá trị, bộ xử lý sẽ lấy hai giá trị đó từ bộ nhớ và gửi đến khối xử lý số học lôgic (ALU). Khối này thực hiện phép cộng và bộ xử lý lưu kết quả vào bộ nhớ. Trong khi xử lý, bộ xử lý và khối số học lôgic sử dụng một lượng bộ nhớ nhỏ gọi là bộ nhớ trong (internal memory). Phần lớn dữ liệu được lưu ở bộ nhớ ngoài (external memory) như đĩa cứng, đĩa mềm, chúng cũng nối với bộ xử lý. Bộ xử lý, bộ nhớ trong và ALU gọi chung là khối xử lý trung tâm hay CPU.

Trong chương trình, ta thường lệnh cho máy tính in kết quả tính toán lên màn hình hay máy in nối với máy tính và là những thiết bị xuất dữ liệu.

Phần mềm chứa những chỉ dẫn hoặc lệnh mà ta muốn máy tính thực hiện. Phần mềm có thể được viết bằng nhiều ngôn ngữ và cho nhiều mục đích. Những chương trình thực hiện những thao tác chung, thường được nhiều người sử dụng gọi là những phần mềm công cụ. Hệ điều hành là tập hợp các chương trình giúp người dùng giao tiếp với máy tính. Hệ điều hành tạo một môi trường thuận tiện cho người dùng “giao tiếp” được với máy tính, thực hiện những chương trình ứng dụng như các bộ biên dịch ngôn ngữ lập trình, các phần mềm công cụ... Hệ điều hành gồm một số chương trình cho phép thao tác với file như in, sao chép, hiển thị danh sách file... Những hệ điều hành hiện đại như Windows còn giúp máy tính nhận biết và quản lý công việc của rất nhiều thiết bị ngoại vi nối kèm với máy tính như các thiết bị nhập, xuất dữ liệu, màn hình, máy in, máy quét ảnh, loa, các máy quan trắc chuyên dụng...

Thông thường hiện nay các chuyên gia lập chương trình viết ra rất nhiều chương trình để máy tính thực hiện, từ những chương trình đơn giản để giải các bài toán nhỏ, tính toán một vài giá trị, đến những chương trình đồ sộ xử lý thông tin phức tạp, thông minh, giải những bài toán khoa học kĩ thuật lớn, chế bản văn bản, thiết kế đồ họa, các chương trình nghe nhạc, xem phim, trò chơi, truy cập Internet. Những chương trình tương đối lớn và phức t&# 7841;p thường được gọi là những phần mềm. Người dùng máy tính có thể sử dụng những chương trình đó. Ngày nay chúng ta có cảm giác rằng máy tính làm được tất cả mọi việc. Tuy nhiên, phải nhớ rằng tất cả những gì máy tính làm được là do nó làm việc theo một chương trình do con người tạo ra.

Thực hiện một chương trình máy tính

Thực hiện một chương trình máy tính thường còn được gọi tắt là chạy chương trình. Khi người dùng máy tính muốn nó làm một việc gì đó, thí dụ giải một bài toán, thì người dùng phải viết ra một chương trình để cho máy thực hiện. Người lập trình thường viết các chương trình máy tính bằng ngôn ngữ bậc cao với những câu lệnh giống như những câu tiếng Anh, dễ học và sử dụng. Ngôn ngữ Fortran cũng thuộc loại đó. Mỗi một bước ta muốn máy tính thực hiện phải được mô tả ra theo một cú pháp ngôn ngữ đặc thù (language syntax). Tuy nhiên, chương trình ta viết như vậy vẫn phải được một chương trình chuyên (bộ biên dịch - compiler) dịch thành ngôn ngữ máy thì máy tính mới hiểu và thực hiện được. Khi compiler dịch các dòng lệnh ta viết, nó tự động tìm các lỗi dịch, hay lỗi cú pháp (syntax error), tức các lỗi về chính tả, các dấu phân cách... Nếu chương trình viết ra có lỗi dịch, bộ biên dịch sẽ thông báo để người viết chương trình sửa. Sau khi đã sửa hết lỗi, ta chạy lại chương trình bắt đầu từ bước dịch. Một khi dịch xong, một chương trình soạn thảo liên kết (linkage editor program) sẽ thực hiện việc hoàn tất sẵn sàng cho bước thực hiện. Chính là ở bước này các lệnh ta viết được thực hiện trong máy tính. Lỗi chương trình cũng có thể xuất hiện trong bước này, gọi là lỗi trong khi chạy chương trình (run-time error) hay lỗi lôgic. Những lỗi này không liên quan tới cú pháp của lệnh, mà liên quan tới lôgic của các lệnh, chỉ lộ ra khi máy tính thực thi câu lệnh. Thí dụ, lệnh

là một câu lệnh đúng, bảo máy tính lấy $A$ chia cho $B$ và gọi kết quả là $X$. Tuy nhiên, giả sử nếu $B$ bằng không, phép tính chia cho số không là phép tính sai, không có nghĩa và ta được thông báo lỗi chạy chương trình. Các lỗi lôgic không phải bao giờ cũng được thông báo. Thí dụ, nếu trong chương trình thay vì chia một số cho 0.10 ta viết thành nhân với 0.10, khi chạy chương trình sẽ chẳng có lỗi nào được thông báo, nhưng đáp số bài toán, tức kết quả mà ta mong đợi, sẽ là sai.

Quy trình giải bài toán trên máy tính

Nhìn chung công việc giải một bài toán bằng máy tính gồm năm bước sau:

1) Phát biểu bài toán một cách rõ ràng.

2) Mô tả thông tin nhập vào và xuất ra.

3) Giải bài toán bằng tay đối với tập dữ liệu đơn giản.

4) Phát triển cách giải bài toán thành dạng tổng quát.

5) Kiểm tra đáp số với nhiều tập dữ liệu khác nhau.

Bây giờ ta minh họa năm bước trên qua thí dụ bài toán tính giá trị trung bình của một tập số liệu thực nghiệm.

Bước 1: Ta phát biểu bài toán một cách rõ ràng như sau: “Tính trị số trung bình của tập các g iá trị số liệu thực nghiệm”.

Bước 2: Chỉ ra cụ thể số liệu vào và ra là gì, hình thức ra sao. Nếu có tờ ghi một số giá trị của số liệu, đòi hỏi nhập vào máy qua bàn phím, khi nào hết số liệu thì gõ giá trị 0.0 để báo hết, sau đó mới tính trị số trung bình và in ra kết quả là trị số trung bình đó. Vậy thì phải mô tả ở bước 2 như sau: “Đầu vào là chuỗi các giá trị số thực khác không. Đầu ra là giá trị trung bình, sẽ là một số thực được in trên màn hình”. Giả sử nếu đầu vào là một số số liệu như trên nhưng đã được ghi vào một tệp (file) trong ổ cứng, quy cách ghi cũng có những đặc điểm nhất định, thì bước mô tả vào và ra sẽ hoàn toàn khác và cách giải cũng sẽ khác. Khi đó ta phải mô tả rõ cách thức số liệu ghi trong file. Thí dụ, ta có thể mô tả dữ liệu đầu vào và đầu ra như sau: Dữ liệu đầu vào là một chuỗi số thực được ghi trong file văn bản có tên là SOLIEU.DAT với quy cách ghi như sau: dòng trên cùng ghi một số nguyên chỉ số phần tử của chuỗi, các dòng tiếp sau lần lượt ghi các số thực, mỗi số trên một dòng.

Bước 3: Dùng máy tính tay tính thử với một tập đơn giản gồm năm số liệu: thí dụ:

Tập số liệu này và kết quả sẽ được dùng để kiểm tra ở bước 5.

Bước 4: Trong bước này ta khái quát lại những thao tác cần làm ở bước 3. Tuần tự những thao tác này để dẫn đến giải được bài toán chính là thuật giải hay thuật toán (algorithm). Ta sẽ mô tả tuần tự từ đầu đến cuối quá trình giải. Chia quá trình thành một số khối và liệt kê những khối đó ra. Sau này chương trình máy tính sẽ tuần tự thực hiện các khối chia đó. Trong mỗi khối ta lại chi tiết hóa thêm ra đến mức có thể chuyển thành những lệnh máy tính. Vậy ở đây đã áp dụng hai phương pháp: phân khối và chi tiết hóa từng khối. Với bài toán đang xét, trường hợp dữ liệu đầu vào cần nhập từ bàn phím, ta chia thành ba khối:

- Nhập các giá trị số và lấy tổng của chúng.

- Chia tổng cho số giá trị.

- In trị số trung bình.

Cụ thể hóa từng khối sẽ dẫn tới giả trình của chương trình như sau:

1. Cho tổng của các giá trị bằng không.

2. Cho số số liệu vào bằng không.

3. Nhập vào từng giá trị và kiểm tra chừng nào giá trị nhập vào còn khác số 0.0 thì:

- Cộng thêm giá trị đó vào tổng.

- Cộng thêm 1 vào số số liệu.

4. Chia tổng cho số số liệu để được giá trị trung bình.

5. In giá trị trung bình.

Vì thuật giải đã được mô tả khá chi tiết, ta chuyển thuật giải đó thành chương trình như sau:

PROGRAM TGTTB

INTEGER DEM

REAL X, TONG, TB

TONG = 0.0

DEM = 0

5 READ*, X

IF (X .NE. 0.0) THEN

TONG = TONG + X

DEM = DEM + 1

GOTO 5

END IF

TB = TONG / REAL(DEM)

PRINT 6, TB

6 FORMAT (1X, 'TRUNG BINH BANG ' , F6.2)

STOP

END

Bước 5: Trong bước này ta thử chạy chương trình đã viết với tập số liệu đã được thử bằng cách tính tay ở mục 3. Đầu ra trên màn hình máy tính phải như sau:

***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.***

Ngoài ra, ta có thể chạy thử với một số tập số liệu khác nhau để tin chắc vào tính đúng đắn lôgic và hoàn hảo của chương trình đã xây dựng.

Những khái niệm thuật giải và giả trình trên đây có ý nghĩa rất quan trọng. Cách giải, phương pháp giải một bài toán chính là thuật giải. Các bài toán khoa học kĩ thuật thực hiện trên máy tính thường có thuật giải là những phương pháp của toán học hoặc của các khoa học chuyên ngành mà người lập trình đã biết. Một số nhiệm vụ, bài toán khác có thể có cách giải xuất phát từ kinh nghiệm thực tế, từ cách suy nghĩ lôgic thường ngày của chúng ta.

Thí dụ, khi giải phương trình bậc hai $a{x}^2+\text{bx}+c=0$ bằng máy tính, ta có thể tính giá trị của biệt thức $\Delta$. Sau đó tùy giá trị của $\Delta$ có thể là: phương trình vô nghiệm, $\Delta =0$ phương trình có một nghiệm kép và $\Delta >0$ phương trình có hai nghiệm riêng biệt mà đưa ra thông báo kết quả. Trong thí dụ này, thuật toán là phương pháp quen thuộc mà chúng ta đã học trong đại số.

Một thí dụ khác: Có một danh sách sinh viên cùng với điểm của môn thi. Sắp xếp lại danh sách đó sao cho người có đi̓ 5;m thi cao hơn thì ở dòng trên. Ta có thể làm như sau:

Tạm thời xem người thứ nhất là người đứng đầu danh sách. Dùng ngón tay trỏ dõi theo từng người còn lại, kể từ người thứ hai cho đến hết danh sách, nếu ai có điểm thi cao hơn thì chuyển người đó lên đầu danh sách và người đang ở đầu danh sách chuyển xuống chỗ của người vừa được thay. Kết quả ta được danh sách mới với người có điểm thi cao nhất ở dòng đầu. Nhưng từ dòng thứ hai đến dòng cuối cùng của danh sách có thể thứ tự vẫn còn lộn xộn.

Bây giờ ta chỉ còn việc sắp xếp lại từ dòng thứ hai trở đi. Ta theo dõi từ người thứ ba cho đến người cuối cùng, nếu ai có điểm thi cao hơn thì được đưa lên dòng thứ hai và người đang ở dòng thứ hai sẽ bị đưa xuống dòng của người vừa thay thế. Kết quả là người ở dòng thứ hai trong danh sách mới sẽ là người có điểm thi cao thứ nhì. Nhưng từ dòng thứ ba đến cuối danh sách vẫn còn lộn xộn.

Tiếp tục, ta phải sắp xếp lại danh sách kể từ dòng thứ ba theo đúng cách như trên. Lặp lại công việc như vậy cho đến dòng trước dòng cuối cùng, ta sẽ được danh sách hoàn chỉnh sắp xếp theo thứ tự giảm dần của điểm thi.

Ta thấy, trong trường hợp này thuật giải của bài toán chính là cái cách mà chúng ta có thể vẫn thường làm trong thực tế đời sống khi phải sắp xếp lại danh sách theo thứ tự nhưng không dùng máy tính. Và cách làm “bằng tay” này cũng có thể được áp dụng làm thuật toán cho các loại bài toán sắp xếp trong máy tính.

Chúng tôi giới thiệu chi tiết hai thí dụ vừa rồi cốt là để sinh viên ý thức được rằng tư duy thuật giải, suy nghĩ về cách giải là bước quan trọng nhất khi bắt tay vào xây dựng chương trình máy tính. Có xác định được thuật giải thì mới nói đến việc lập được chương trình để giải bài toán trên máy tính.

Còn giả trình giống như những lời chỉ dẫn về phương pháp, cách giải cho ai đó tuần tự thực hiện các bước của thuật giải bài toán để dẫn tới kết quả. Bạn hãy tưởng tượng trong đời sống nếu bạn muốn nhờ ai đó thực hiện một nhiệm vụ. Nếu nhiệm vụ đó không quá tầm thường, thì thường ít ra bạn phải giải thích tóm tắt yêu cầu, tuần tự thực hiện nhiệm vụ cho người ta - bạn đã đặt chương trình cho người ta thực hiện. Như vậy, ta thấy thực chất giả trình đã là một chương trình, chỉ có điều nó được viết ra ngắn gọn bằng vài câu, vài kí hiệu quen dùng, chưa được viết bằng một ngôn ngữ lập trình cụ thể mà thôi. Một chương trình máy tính viết bằng ngôn ngữ Fortran hay bất kỳ một ngôn ngữ nào khác chẳng qua chỉ là những lời chỉ dẫn này được viết theo qui ước kí hiệu để máy tính hiểu được mà làm thay cho ta.

Những chương trình Fortran hoàn chỉnh

Chương trình TGTTB ở mục trước có thể là một thí dụ về một chương trình hoàn chỉnh. Như vậy ta thấy một chương trình hoàn chỉnh bắt đầu bằng lệnh PROGRAM chỉ sự bắt đầu của chương trình. Dạng tổng quát của lệnh này như sau:

PROGRAM Tên chương trình

trong đó tên chương trình là một xâu ký tự gồm từ một đến sáu ký tự, bắt đầu bằng chữ cái và chỉ chứa các chữ cái la tinh và chữ số. Kết thúc chương trình là hai lệnh:

STOP

END

Lệnh PROGRAM và lệnh STOP là các lệnh tùy chọn, có thể không nhất thiết phải có. Nếu ta không viết ra, chúng có thể được chương trình dịch tự thêm vào. Phần thân chương trình gồm tất cả các lệnh khác nhằm thực hiện bài toán được giải và chia thành hai nhóm: nhóm các lệnh thực hiện (executable statement) và nhóm các lệnh không thực hiện (non-executable statement) hay gọi là các lệnh mô tả, lệnh khai báo. Nhóm các lệnh mô tả phải nằm ở phía trên c ủa thân chương trình.

Như vậy các chương trình Fortran có thể có cấu trúc tổng quát như sau:

PROGRAM Tên chương trình

Các lệnh không thực hiện (Non-executable statements)

Các lệnh thực hiện (Executable statements)

STOP

END

Trong chương trình tính giá trị trung bình của chuỗi số thực ở thí dụ trên, ta thấy sau từ khóa PROGRAM là tên chương trình - đó là cụm chữ TGTTB. Nhóm các lệnh không thực hiện (những lệnh mô tả) gồm 2 lệnh:

INTEGER DEM

REAL X, TONG, TB

còn nhóm lệnh thực hiện gồm các lệnh ở tiếp sau hai lệnh trên:

TONG = 0.0

DEM = 0

5 READ*, X

IF (X .NE. 0.0) THEN

TONG = TONG + X

DEM = DEM + 1

GOTO 5

END IF

TB = TONG / REAL(DEM)

PRINT 6, TB

6 FORMAT (1X, 'TRUNG BINH BANG ' , F6.2)

Những lệnh thực hiện thường là những lệnh gán, lệnh tính toán các phép tính, lệnh chuyển điều khiển, đọc, ghi số liệu và một số lệnh khác. Cuối cùng chương trình có lệnh STOP và END.

Trong thực tế có thể có những chương trình lớn hơn rất nhiều, gồm hàng nghìn dòng lệnh và có cấu trúc phức tạp. Nhưng ta vẫn thấy nó có phần đầu, phần thân và phần cuối, trong phần thân chương trình cũng chỉ có hai nhóm lệnh giống như trong chương trình đơn giản trên đây.

Quy cách soạn thảo một chương trình Fortran

Các chương trình Fortran được soạn thảo nhờ một bộ soạn thảo (editor) hoặc phần mềm soạn văn bản nào đó. Các lệnh của một chương trình được viết thành các dòng nối tiếp nhau, mỗi lệnh trên một dòng mới. Trên màn hình soạn thảo chuẩn

Nhãn lệnh là những số nguyên dương, khác không, dùng để chỉ số hiệu của dòng lệnh. Chỉ những dòng lệnh nào cần được chuyển điều khiển tới bởi những dòng lệnh khác mới nhất thiết phải có nhãn lệnh. Dấu nối dòng lệnh có thể là bất cứ ký tự nào ngoài ký tự trống và số không, thường người ta hay dùng dấu * hoặc dấu +, để chỉ rằng dòng hiện tại là phần nối tiếp của lệnh ở dòng trên đó. Trong các dòng lệnh có thể có những ký tự trống để dễ đọc. Trong chương trình soạn thảo có thể có những dòng ghi chú (comment lines); những dòng này không thuộc nội dung chương trình, không được dịch khi dịch chương trình, mà chỉ có tác dụng gợi nhớ cho người lập trình khi theo dõi kiểm tra chương trình. Tất cả các dòng ghi chú phải bắt đầu bằng một chữ cái, thường người ta dùng chữ C (chữ cái đầu tiên của từ comment), đứng ở cột thứ nhất của các cột dùng để ghi nhãn. Trong sách này s̒ 9; luôn sử dụng chữ cái C để đánh dấu dòng ghi chú trong các chương trình.

Xây dựng một chương trình máy tính nói chung là một công việc khó và đòi hỏi tính cẩn thận, tỉ mỉ. Kinh nghiệm cho thấy rằng ngay cả đối với người lập trình thành thạo, khi viết một chương trình dù đơn giản vẫn có thể mắc lỗi, trong đó có cả những lỗi không ngờ tới. Do đó, ở một số sách dạy ngôn ngữ lập trình, người ta còn khuyên người học ngay từ đầu chú ý luyện thói quen, hay phong cách (style) soạn thảo chương trình. Một chương trình đẹp là chương trình tính đúng và nhanh cái mà ta cần tính, nhưng đơn giản, dễ hiểu và sáng sủa về cách trình bày. Trong tài liệu này dần dần cũng sẽ có những chỉ dẫn, những lời khuyên quan trọng cho người học rèn luyện phong cách soạn chương trình. Chịu khó rèn luyện những thói quen tốt cũng góp phần giúp chúng ta tiến xa.

Bài tập

1. Nếu dùng chữ C làm dấu nối dòng lệnh thì có được không?

2. Các nhãn trong chương trình có cần tăng dần không?

3. Nêu các bước giải bài toán sắp xếp chuỗi số nguyên nhập từ bàn phím theo thứ tự lớn dần. Viết giả trình cho bài toán đó.