Tin học - Chương 1: Máy tính căn bản

CHƯƠNG 1. MÁY TÍNH CĂN BẢN

1.1.    Khái quát về máy tính điện tử

Máy vi tính là thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hiện nay, có mặt tại mọi nơi với người sử dụng rộng lớn. Máy tính hay là máy vi tính, máy điện toán, là những thiết bị hay hệ thống dùng để tính toán hay kiểm soát các hoạt động mà có thể biểu diễn dưới dạng số hay quy luật lôgic.

Máy tính được lắp ghép bởi các thành phần có thể thực hiện các chức năng đơn giản đã định nghĩa trước. Quá trình tác động tương hỗ phức tạp của các thành phần  này tạo cho máy tính một khả năng xử lý thông tin. Nếu được thiết lập chính xác (thông thường bởi các chương trình máy tính) máy tính có thể mô phỏng lại một số khía cạnh của một vấn đề hay của một hệ thống. Trong trường hợp này, khi được cung cấp một bộ dữ liệu thích hợp nó có thể tự động giải quyết vấn đề hay dự đoán trước sự thay đổi của hệ thống.

Từ "máy tính" (computers), đầu tiên, được dùng cho những người tính toán số học, có hoặc không có sự trợ giúp của máy móc, nhưng hiện nay nó hoàn toàn có  nghĩa là một loại máy móc. Đầu tiên máy tính chỉ giải các bài toán số học, nhưng máy tính hiện đại làm được nhiều hơn thế.

Máy tính có thể trực tiếp mô hình hóa các vấn đề cần được giải quyết, trong khả năng của nó các vấn đề cần được giải quyết sẽ được mô phỏng gần giống nhất với những hiện tượng vật lý đang khai thác. Ví dụ, dòng chuyển động của các điện tử có thể được sử dụng để mô hình hóa sự chuyển động của nước trong đập. Những chiếc máy tính tương tự (analog computer) giống như thế đã rất phổ biến trong thập niên 1960 nhưng hiện nay còn rất ít.

Trong phần lớn các máy tính ngày nay, trước hết, mọi vấn đề sẽ được chuyển thành các yếu tố toán học bằng cách diễn tả mọi thông tin liên quan thành các số theo hệ nhị phân (hệ thống đếm dựa trên các số 0 và 1 hay còn gọi là hệ đếm cơ số 2). Sau đó, mọi tính toán trên các thông tin này được tính toán bằng đại số Bool (Boolean algebra).

Các mạch điện tử được sử dụng để miêu tả các phép tính Bool. Vì phần lớn các phép tính toán học có thể chuyển thành các phép tính Bool nên máy tính điện tử đủ

nhanh để xử lý phần lớn các vấn đề toán học (và phần lớn thông tin của vấn đề cần giải quyết đã được chuyển thành các vấn đề toán học). Ý tưởng cơ bản này, được nhận biết và nghiên cứu bởi Claude E. Shannon - người đã làm cho máy tính kỹ thuật số (digital computer) hiện đại trở thành hiện thực.

Máy tính không thể giải quyết tất cả mọi vấn đề của toán học. Alan Turing đã sáng tạo ra khoa học lý thuyết máy tính trong đó đề cập tới những vấn đề mà máy tính có thể hay không thể giải quyết.

Khi máy tính kết thúc tính toán một vấn đề, kết quả của nó được hiển thị cho người sử dụng thấy thông qua thiết bị xuất như: bóng đèn, màn hình, máy in,...

1.2.    Phân loại máy tính

1.2.1.    Theo mục đích sử dụng

-   Siêu máy tính

-   Siêu máy tính cỡ nhỏ

-   Mainframe

-   Máy chủ doanh nghiệp

-   Máy tính mini

-   Máy trạm (workstation)

-   Máy tính cá nhân (PC)

-   Máy tính để bàn (Desktop)

-   Máy tính xách tay (Laptop)

-   Máy tính bảng con

-   Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá nhân (PDA)

-   Máy tính tháo lắp

1.2.2.    Theo mức cải tiến công nghệ

Một cách phân loại máy tính ít mơ hồ hơn là theo mức độ hoàn thiện của công nghệ. Những chiếc máy tính có mặt sớm nhất thuần túy là máy cơ khí. Trong thập niên 1930, các thành phần relay cơ-điện đã được giới thiệu vào máy tính từ ngành công nghiệp liên lạc viễn thông. Trong thập niên 1940, những chiếc máy tính thuần túy điện

tử đã được chế tạo từ những bóng điện tử. Trong hai thập niên 1950 và thập niên 1960, bóng điện tử dần dà được thay thế bởi bóng bán dẫn, và từ cuối thập niên 1960 đầu thập niên 1970 là bởi mạch tích hợp bán dẫn (chíp bán dẫn, hay IC) cho đến hiện nay.

Một hướng nghiên cứu phát triển gần đây là máy tính quang (optical computer) trong đó máy tính hoạt động theo nguyên lý của ánh sáng hơn là theo nguyên lý của các dòng điện; đồng thời, khả năng sử dụng DNA trong công nghệ máy tính cũng đang được thử nghiệm. Một nhánh khác của việc nghiên cứu có thể dẫn công nghiệp máy tính tới những khả năng mới như tính toán lượng tử, tuy rằng nó vẫn còn ở giai đoạn đầu của việc nghiên cứu.

1.2.3.    Theo đặc trưng thiết kế

Các máy tính hiện đại đã liên kết các đặc trưng thiết kế chính được phát triển bởi nhiều người đóng góp trong nhiều năm. Các đặc trưng này phần lớn không phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của công nghệ. Các máy tính hiện đại nhận được khả năng tổng thể của chúng theo cách mà các đặc trưng này tác động qua lại với nhau. Một số đặc trưng quan trọng được liệt kê dưới đây:

a)   Kỹ thuật số và kỹ thuật tương tự

Một quyết định nền tảng trong việc thiết kế máy tính là sử dụng kỹ thuật số (digital) hoặc sử dụng kỹ thuật tương tự (analog). Các máy tính kỹ thuật số (digital computer) tính toán trên các giá trị số rời rạc (discreet value) hoặc giá trị tượng trưng (symbolic value), trong khi đó máy tính tương tự (analog computer) tính toán trên các tín hiệu dữ liệu liên tục (continuous data signal). Bắt đầu từ thập niên 1940, máy tính kỹ thuật số đã trở nên phổ biến hơn mặc dù máy tính tương tự vẫn được sử dụng cho một số mục đích đặc biệt như trong kỹ thuật robot và việc kiểm soát các lò xyclôtrôn. Các thiết kế khác dùng tính toán xung lượng và tính toán lượng tử cũng hiện hữu nhưng chúng được sử dụng cho các mục đích đặc biệt hoặc vẫn đang trong vòng thử nghiệm.

b)   Nhị phân và Thập phân

Một phát triển quan trọng trong thiết kế tính toán kỹ thuật số là việc sử dụng hệ nhị phân như là hệ thống số đếm nội tại. Điều này đã bãi bỏ những yêu cầu cần thiết trong các cơ cấu kỹ thuật phức tạp của các máy tính sử dụng hệ số đếm khác, chẳng

hạn như hệ thập phân. Việc áp dụng hệ nhị phân đã làm cho việc thiết kế trở lên đơn giản hơn để thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic.

c)   Khả năng lập trình

Khả năng lập trình của máy tính, nghĩa là cung cấp cho nó một tập hợp các chỉ  thị để thực hiện mà không có sự điều khiển vật lý đối với nó, là một đặc trưng thiết kế nền tảng của phần lớn các máy tính. Đặc trưng này là một sự mở rộng đáng kể khi các máy tính đã được phát triển đến mức nó có thể kiểm soát động luồng thực hiện của chương trình. Điều này cho phép máy tính kiểm soát được thứ tự trong sự thực thi các chỉ lệnh trong chương trình dựa trên các dữ liệu đã được tính ra.

Điểm nổi bật chính trong thiết kế này đó là nó đã được đơn giản hóa một cách đáng kể với việc áp dụng các phép tính số học theo hệ đếm nhị phân để có thể mô tả hàng loạt các phép tính logic.

d)   Lưu trữ

Trong quá trình tính toán, máy tính thông thường cần phải lưu trữ các giá trị trung gian để có thể sử dụng trong các tính toán sau đó. Khả năng thực hiện của máy tính phần lớn phụ thuộc vào tốc độ đọc các giá trị từ bộ nhớ và tốc độ ghi vào bộ nhớ, cũng như dung lượng bộ nhớ. Ban đầu bộ nhớ chỉ được sử dụng cho các giá trị trung gian, nhưng từ thập niên 1940 thì chính bản thân chương trình cũng có thể được lưu  trữ theo cách này. Điểm nổi trội này đã dẫn đến việc ra đời của những chiếc máy tính có sẵn chương trình đầu tiên của thế hệ máy tính ngày nay.

1.2.4.    Theo năng lực sử dụng

Có lẽ cách tốt nhất để phân loại các thiết bị máy tính là theo năng lực nội tại của nó, hơn là theo việc sử dụng, sự hoàn thiện công nghệ hay các đặc trưng thiết kế. Máy tính có thể chia làm ba dạng chính dựa theo năng lực sử dụng:

a)     Các thiết bị có một mục đích chỉ có thể thực hiện duy nhất một chức năng (ví  dụ cỗ máy Antikythera năm 87 trước công lịch, và máy dự báo thủy triều của Lord Kelvin năm 1876).

b)    Các thiết bị có mục đích đặc biệt có thể thực hiện một số chức năng hữu hạn (ví dụ động cơ vi phân số 1. - Difference Engine No 1 - của Charles Babbage năm 1832  và máy phân tích vi phân của Vannevar Bush năm 1932).

c)     Các thiết bị có mục đích không nhất định là các dạng máy tính sử dụng ngày nay.

d)    Các máy tính có mục đích không nhất định còn được gọi là các máy loại Turing hoàn tất và điều này được sử dụng như khả năng ngưỡng để định nghĩa các máy tính hiện nay.

e)     Các máy tính có sẵn chương trình: Thiết kế "chương trình có sẵn", được định nghĩa bởi kiến trúc Von Neumann, cuối cùng đã cho phép máy tính khai thác tiềm năng "mục đích không nhất định" của chúng. Bằng cách lưu trữ chương trình trong bộ nhớ, chúng có thể nhanh chóng "nhảy" từ chỉ thị này tới chỉ thị khác dựa trên kết quả của một điều kiện như đã được định nghĩa sẵn trong chương trình. Các điều kiện này thông thường lượng giá các dữ liệu đã được tính toán bởi chương trình và cho phép chương trình trở thành động hơn. Thiết kế này cũng hỗ trợ vào khả năng tự động viết lại chương trình ngay trong khi nó đang thực thi - một đặc trưng rất mạnh nhưng cần sử dụng một cách cẩn thận. Các đặc trưng này là nền tảng cho các máy tính hiện đại.

f)      Các máy tính có mục đích đặc biệt: Các máy tính có mục đích đặc biệt (special- purpose computer) đã được phổ biến trong thập niên 1930 và đầu thập niên 1940 nhưng vẫn chưa bị thay thế hoàn toàn bởi các máy tính có mục đích không nhất định.

g)     Các máy tính có một mục đích: Các máy tính có một mục đích (single-purpose computer) là loại xuất hiện sớm nhất của thiết bị máy tính. Khi được cung cấp dữ liệu, nó có thể tính kết quả của một hàm đơn giản đã được thiết lập trong cơ chế của nó.  Các máy tính có mục đích không nhất định gần như đã thay thế hoàn toàn các máy tính có một mục đích và, do đó, đã phát sinh một lĩnh vực hoạt động mới của loài người: phát triển phần mềm. Các máy tính có mục đích không nhất định cần phải được lập trình với một bộ chỉ thị liên quan đến phần mềm máy tính. Việc thiết kế các thiết bị tính toán có một mục đích hay có mục đích đặc biệt hiện nay là những bài tập khái niệm thuần túy bao gồm các phần mềm thiết kế.

1.2.5.    Theo hình thức hoạt động

Máy tính có thể được phân loại tùy theo cách thức người dùng vận hành. Có hai loại chính: kiểu xử lý tuần tự (batch processing) và kiểu xử lý tương tác (interactive = rocessing).

1.3.    Phần cứng máy tính

Là các thiết bị điện tử có thể nhìn thấy, cảm nhận được bằng các giác quan như: các thiết bị nhập xuất, RAM, CPU,…

Căn cứ vào chức năng lưu trữ và xử lý thông tin, máy tính được tổ chức từ 3 khối chính như sau:

-   Khối nhập, xuất

-   Khối xử lý

-   Khối lưu trữ

1.3.1.    Đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

Là bộ phận đầu não của máy tính, đóng vai trò xử lý dữ liệu thông qua việc thực hiện các lệnh của các chương trình nằm trong bộ nhớ chính.

1.3.2.    Thiết bị nhập (Input Devices)

Là thiết bị cho phép nhập thông tin từ bên ngoài vào máy tính. Thiết bị nhập chuẩn (là bàn phím (Keyboard). Ngoài ra còn có thiết bị nhập phụ khác như: máy quét (scanner), mouse, camera,...

1.3.3.    Thiết bị xuất (Output Device)

Là thiết bị cho xuất thông tin sau khi được máy tính xử lý. Thiết bị chuẩn là màn hình (monitor). Ngoài ra còn có các thiết bị phụ như: máy in (printer), máy vẽ (plotter),…

1.3.4.    Bộ nhớ và thiết bị lưu trữ:

a)   Bộ nhớ chính (gồm bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài)

Là nơi lưu trữ thông tin để máy tính sử dụng trong quá trình xử lý thông tin. Bộ nhớ chính được chia làm hai loại:

ROM: Có thể đọc mà không ghi thông tin lên đĩa. Là bộ nhớ dành riêng để chứa các phần mềm và thông tin do nhà sản xuất định sẵn

RAM: Có thể đọc, ghi thông tin. Dùng để lưu trữ thông tin tạm thời. Khi tắt máy, mất điện nội dung thông tin trong bộ nhớ này sẽ bị mất

b)   Thiết bị lưu trữ

Có sức chứa vô hạn và thông tin không bị mất khi không cung cấp điện. Khi cần xử lý thông tin trong bộ nhớ ngoài thì các thông tin này sẽ được nạp vào bộ nhớ chính (main memory) là Ram sau đó chuyển đến CPU. Do truy cập tuần tự và phải qua trung gian nên tốc độ truy xuất thông tin trên bộ nhớ ngoài chậm hơn so với bộ nhớ trong. Tốc độ truy xuất còn tùy thuộc vào từng loại thiết bị, chậm nhất là băng từ ->đĩa mềm>...

1.4.    Phần mềm máy tính

Là các chương trình để máy tính hoạt động. Có thể ví phần cứng như là phần xác còn phần mềm là phần hồn của máy tính. Phần mềm có hai loại phần mềm cơ bản và phầm mềm ứng dụng.

1.4.1.    Phần mềm hệ thống

Là hệ thống chương trình giúp người sử dụng làm việc với các ứng dụng cũng như sử dụng phần cứng của máy một cách thuận tiện và hiệu quả. Các hệ điều hành hiện đang được sử dụng hiện nay trên thế giới là: MS Windows, UNIX, Linux…

1.4.2.    Phần mềm ứng dụng

Là các chương trình hỗ trợ của hệ điều hành, thực hiện các công việc theo yêu cầu người sử dụng. Bao gồm các chương trình dịch, các hệ cơ sở dữ liệu, phần mềm mạng, phần mềm đồ họa phần mềm quản lý và các phần mềm chuyên dụng khác.

1.4.3.    Các giao diện với người sử dụng

Hệ điều hành DOS có giao diện với người sử dụng là hệ thống lệnh. Còn hệ điều hành Windows nói chung và các hệ điều hành khác sử dụng giao diện là cửa sổ, thân thiện với người sử dụng hơn.

1.5.      Đơn vị lưu trữ thông tin

Đơn vị để đo thông tin gọi là Bit. Một bit tương ứng với một chỉ thị hoặc một thông báo nào đó về một sự kiện có trong hai trạng thái có số đo khả năng xuất hiện đồng thời là Tắt(Off) / Mở (On) hay Đúng (True) / Sai (False).

Ví dụ: Một mạch đèn có hai trạng thái là:

-   Tắt (Off) khi mạch điện qua công tắt là hở

-   Mở (On) khi mạch điện qua công tắt là đóng

Số nhị phân sử dụng sai số hạng 0 và 1. Vì khả năng sử dụng hai số 0 và 1 là như nhau nên một chỉ thị gồm một chữ số nhị phân có thể xem như là chứa đơn vị thông tin nhỏ nhất.

Bit là viết tắt của Binary digit. Trong tin học, người ta sử dụng các đơn vị đo thông tin lớn như sau:

Bảng đơn vị đo thông tin

Một nhóm 8 bit được gọi là một Byte (B)

1 Kilobyte(KB) = 210  B = 1.024 Bytes 1 Megabyte (MB) = 220  B = 1.048.576 Bytes = 1.024KB 1 Gigabyte (GB) = 230  B = 1.073.741.824 Bytes = 1.024MB 1 Terabyte (TB) = 240  B = 1.099.511.627.776 Bytes = 1.024GB 1 Petabyet (PB) = 250 B = 1.125.899.906.842.620 Bytes = 1.024TB 1 Exabyte (EB) = 260  B = 1.152.921.504.606.850.000 Bytes = 1.024PB

1.6.    Các hệ thống đếm trong tin học

1.6.1.    Hệ thập phân

Hệ thập phân (hay hệ đếm cơ số 10) là một hệ đếm có 10 ký tự (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) dùng chỉ số lượng. Những con số này còn được dùng cùng với dấu phân cách thập phân – để định vị phần thập phân sau hàng đơn vị. Con số còn có thể được dẫn đầu bằng các ký hiệu "+" hay "-" để biểu đạt số dương và số âm.

1.6.2.    Hệ nhị phân

Hệ nhị phân (hay hệ đếm cơ số 2) là một hệ đếm dùng hai ký tự để biểu đạt một giá trị số, hai ký tự đó là 0 và 1; chúng thường được dùng để biểu đạt hai giá trị hiệu điện thế tương ứng (có hiệu điện thế, hoặc hiệu điện thế cao là 1 và không có, hoặc thấp là 0). Do có ưu điểm tính toán đơn giản, dễ dàng thực hiện về mặt vật lý, chẳng hạn như trên các mạch điện tử, hệ nhị phân trở thành một phần kiến tạo căn bản trong các máy tính đương thời.

 Số nhị phân và bảng chữ cái: Các chữ cái đều có một mã số gọi là mã ASCII. Khi lưu trữ, máy tính sẽ chuyển mã ASCII của chữ cái này sang hệ nhị phân sau đó  lưu trữ dãy nhị phân này.

1.6.3.    Hệ thập lục phân

Trong toán học và trong khoa học điện toán, hệ thập lục phân (hay hệ đếm cơ số 16, tiếng Anh: hexadecimal) là một hệ đếm có 16 ký tự, từ 0 đến 9 và A đến F (chữ  hoa và chữ thường như nhau).

Ví dụ, số thập phân 79, với biểu thị nhị phân là 01001111, có thể được viết thành 4F trong hệ thập lục phân (4 = 0100, F = 1111).

Bảng liệt kê sau đây chỉ ra cho chúng ta từng ký tự số của hệ thập lục phân, cùng với giá trị tương ứng của nó trong hệ thập phân, và một dãy bốn ký tự số tương đương trong hệ nhị phân.

1.7.    Một số kỹ thuật xử lý sự cố máy tính căn bản

Trong quá trình xử lý sự cố máy tính, mỗi người có sự xử lý chuẩn đoán sự cố khác nhau trong thực hiện kiểm tra khác nhau. Một số dựa vào khả năng phán đoán, suy đoán một số người làm theo hướng dẫn của người đi trước, bạn bè đồng nghiệp để chuẩn đoán sự cố.

Bước 1: Nhận diện vào sự cố: Thông thường bạn không nhận diện được ra vấn đề, không thể tìm hướng giải quyết sự cố để nhận biết được tình trạng máy tính xảy ra sự cố. Bạn hỏi ngay người dùng máy tính trước lúc xảy ra sự cố có làm các bước sau không:

-   Máy tính xảy ra hiện tượng gì, như thế nào

-   Máy có thường xuyên xảy ra tình trạng thế không

-   Máy có cài đặt phần mềm nào mới không

Bước 2: Kiểm tra hệ thống: Trước khi tiến hành cần kiểm tra hệ thống máy, các phụ kiện lắp đặt trong Case, các kết nối như Card màn hình, bàn phím, chuột (Keyboard) vv… màn hình các phụ kiện khác. Các vấn đề về sự cố có khả năng xảy ra sự cố từ các thiết bị. Sau khi kiểm tra các thiết bị hệ thống vẫn hoạt động bình thường mà vẫn chưa xử lý được chuyển sang bước tiếp theo.

Bước 3: Tìm các tác nhân gây lên sự cố: Các nguyên nhân sự cố máy tính, hỏi chính những người sử dụng máy tính đó cung cấp thông tin về sự chính xác làm những gì trước khi sự cố xảy ra để từ đó suy đoán được lại những sự việc trước đó để tìm nguyên nhân.

-   Khởi động lại máy tính bước này là quan trọng để xác định được phần nào máy tính của bạn để tập trung vào tìm kiếm và giải quyết các phần cần có những kỹ năng, kỹ thuật và những công cụ giải quyết khác nhau.

-   Bước tiếp theo này chủ yếu tìm hiểu nguyên nhân dựa vào kinh nghiệm của  từng cá nhân kỹ thuật viên.

Bước 4: Thiết lập: Kiểm tra các thiết lập về phần cứng trong CMOS và trong bộ quản lý thiết lập hệ thống, tạo các trình điều khiển thiết bị và cập nhật tất cả card cắm trên máy tính.

Bước 5: Các thay đổi: Khi thấy lỗi một phần cứng hay phần mềm trên máy tính, hãy xác định điều gì đã thay đổi trước khi vấn đề xảy ra.

Bước 6: Ghi lại thông tin về sự cố: Sự cố là môi trường học tập hữu ích, có thể học được rất nhiều khi đối phó với đủ loại lỗi. Hãy ghi lại tất cả các cảnh báo lỗi và

phương pháp khắc phục, qua đó bạn sẽ có một cuốn sổ chỉ dẫn các phát hiện và xử lý lỗi máy tính.

Bước 7: Nếu không giải quyết được vấn đề: Sau khi xác định nguyên nhân mà bạn không giải quyết được vấn đề, đặt máy tính về tình trạng ban đầu rồi mới tiếp tục giải quyết theo những hướng khác.

Bước 8: Yêu cầu trợ giúp: Mọi điều hiển nhiên trong chúng ta không ai có thể giải quyết được mọi sự cố, những sự cố phát sinh mới chưa từng gặp và không thể tìm ra nguyên nhân. Khi đó cần tìm đến sự giúp 

Rated 4.6/5 based on 28 votes