Dữ liệu, thông tin và biểu diễn dữ liệu trong máy tính: cùng một chuỗi bit, nhiều quy ước đọc | LUKATO AI
Tin học 10: khung năm chặng cho dữ liệu trong máy tính, từ nhị phân, hexa, kí tự, ảnh, âm thanh đến thiết bị và bit chẵn lẻ, kèm 14 phòng lab tương tác, sổ…
LUKATO AI · TIN HỌC 10 · DỮ LIỆU VÀ BIỂU DIỄN DỮ LIỆU
MỘT CHUỖI BIT · NHIỀU QUY ƯỚC ĐỌC
Dữ liệu trong máy tính là những chuỗi 0 và 1: điều làm nên ý nghĩa là quy ước đọc
- Cùng một dãy 01000001 , vì sao có lúc máy hiểu là số 65, có lúc là chữ A, có lúc là một điểm ảnh xám?
- Một bức ảnh 1024 nhân 768 điểm ảnh nặng bao nhiêu byte, và vì sao gấp đôi mỗi chiều lại nặng gấp bốn?
- Khi một bit bị lật trên đường truyền, máy có biết không, và có sửa lại được không?
Chuyên đề này gom các bài về dữ liệu, thông tin và cách máy tính biểu diễn dữ liệu vào một khung năm chặng : thu nhận, mã hóa, lưu trữ, xử lí, đọc lại. Mỗi bài đều quy về ba câu hỏi: quy ước là gì, tốn bao nhiêu bit, đọc lại bằng cách nào và có thể sai ở đâu. Em sẽ bật tắt bit, đổi cơ số từng bước, tô điểm ảnh, trộn màu, lấy mẫu một sóng âm, tính dung lượng, phân loại thiết bị và chơi trò bắt lỗi bit chẵn lẻ. Điều nào vượt ra ngoài chương trình được ghi là kiến thức bổ sung.
- ① 5 CHẶNG: thu nhận, mã hóa, lưu trữ, xử lí, đọc lại
- ② 3 CÂU HỎI: quy ước? bao nhiêu bit? đọc lại thế nào?
- ③ 6 KIỂU DỮ LIỆU: số nguyên, số thực, văn bản, ảnh, âm thanh, logic
- ④ QUY ƯỚC ĐƠN VỊ của chuyên đề: 1 byte = 8 bit; 1 KB = 1024 B
14
phòng lab thao tác: bật tắt bit, đổi cơ số, tô pixel, lấy mẫu, bắt lỗi…
12 bẫy
mỗi bẫy gắn với một chặng và một phòng lab
10 thẻ
thẻ gợi nhớ để lật và tự nói lại
12 bài
bài luyện chọn lọc và báo cáo học tập của riêng em
01
Bản đồ chuyên đề
Một chuỗi bit, nhiều quy ước đọc: khung năm chặng
Mở điện thoại ra: một bức ảnh, một bài hát, một tin nhắn, một thời khóa biểu. Trong bộ nhớ, các thứ ấy đều được lưu dưới dạng chuỗi 0 và 1. Máy không “biết” đâu là ảnh, đâu là bài hát. Cái khác nhau giữa chúng là một thỏa thuận về cách đọc, gọi là quy ước đọc : người ghi và người đọc phải dùng cùng một quy ước thì dữ liệu mới giữ được nghĩa. Mục này vẽ bản đồ cho cả chuyên đề.
Câu hỏi 1 · QUY ƯỚC
Nhóm bit này nghĩa là gì?
Mỗi kiểu dữ liệu có một cách đọc riêng: số nguyên đọc theo trọng số, kí tự đọc theo bảng mã, điểm ảnh đọc theo mã màu. Gọi tên quy ước trước khi làm bất cứ phép tính nào.
Câu hỏi 2 · SỐ BIT
Một phần tử tốn bao nhiêu bit, có bao nhiêu phần tử?
Dung lượng bằng số phần tử nhân số bit mỗi phần tử. Bài về ảnh, âm thanh, văn bản đều là phép nhân này rồi đổi đơn vị.
Câu hỏi 3 · ĐỌC LẠI
Ai giải mã, theo quy ước nào, sai ở đâu?
Đọc sai quy ước thì dữ liệu vẫn còn nguyên nhưng nghĩa khác đi. Một bit lệch trên đường truyền cũng làm kết quả đọc lại đổi khác.
Bảng năm chặng: bấm vào từng ô
Mỗi hàng là một kiểu dữ liệu, mỗi cột là một chặng trên hành trình của dữ liệu từ thế giới thật vào máy rồi trở lại với người dùng. Hai cột đầu trả lời câu hỏi 1, cột lưu trữ trả lời câu hỏi 2, hai cột sau trả lời câu hỏi 3. Bảng này là bản đồ của cả chuyên đề : mục 2 đi qua chặng thu nhận, mục 3 đến mục 6 đi qua chặng mã hóa và lưu trữ, mục 7 nói về chặng xử lí cùng thiết bị và chặng đọc lại.
KIỂU DỮ LIỆU
① THU NHẬN
② MÃ HÓA (quy ước)
③ LƯU TRỮ (số bit)
④ XỬ LÍ (thiết bị, phép toán)
⑤ ĐỌC LẠI (giải mã)
Số nguyên
Số thực
Văn bản
Ảnh
Âm thanh
Giá trị logic
↔ Bảng rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đủ năm chặng.
Bấm vào một ô để xem ô ấy nói gì, nằm ở bẫy nào và luyện ở phòng lab nào.
Sáu thuật ngữ nền
Các thuật ngữ gạch chân chấm trong chuyên đề là thẻ giải nghĩa: bấm hoặc rê chuột để xem. Em thử với các từ dưới đây.
bit byte mã hóa giải mã bảng mã điểm ảnh (pixel)
Cùng một chuỗi, nhiều cách đọc
Hãy bắt đầu bằng thứ nhỏ nhất: tám bit, tức một byte. Có 2^{8}=256 chuỗi khác nhau. Bản thân chuỗi không nói nó là gì. Nếu quy ước là số nguyên không dấu, chuỗi đọc thành một số từ 0 đến 255. Nếu quy ước là bảng mã ASCII, chuỗi trở thành một kí tự hoặc một mã điều khiển. Nếu quy ước là ảnh xám 8 bit, chuỗi là độ sáng của một điểm ảnh. Phòng lab 1 đặt cả ba cách đọc cạnh nhau để em thấy nghĩa đổi mà bit không đổi .
Dự đoán trước khi mở lab: tám bit 01000001 nếu đọc là số nguyên không dấu thì bằng bao nhiêu?
Phòng lab 1 · Một chuỗi, nhiều quy ước đọc DẠNG: BẬT TẮT BIT · BA CÁCH ĐỌC
Dự đoán, thao tác, kiểm tra. Chọn một mục tiêu, đoán bit nào cần bật, bấm bit để thử rồi đọc ba cách đọc ở phía dưới. Lab này gặp bẫy 1 và 5 .
Hai chỗ hay trượt ở chặng mã hóa
Bẫy 1: tin rằng một chuỗi bit chỉ có một nghĩa. Nghĩa đến từ quy ước đọc: khi đổi quy ước, cùng chuỗi bit cho ra số, kí tự hoặc độ sáng khác nhau.
Gặp ở: Lab 1 và 6 · Bài 7
Bẫy 5: nhầm giữa số tổ hợp của n bit và giá trị lớn nhất của n bit. Tám bit cho 256 tổ hợp nhưng giá trị lớn nhất là 255 vì dãy giá trị bắt đầu từ 0.
Gặp ở: Lab 1 và 5 · Bài 4
Có bao nhiêu chuỗi khác nhau từ 1, 2, 3, 4 bit? Em đoán quy luật rồi mở từng gợi ý.
Gợi ý 1
Một bit có hai chuỗi: 0 và 1. Hai bit có bốn chuỗi: 00, 01, 10, 11. Mỗi lần thêm một bit, mỗi chuỗi cũ sinh ra hai chuỗi mới (thêm 0 hoặc thêm 1).
Gợi ý 2
Vì mỗi lần thêm bit làm số chuỗi nhân đôi , số chuỗi của n bit là 2\times2\times\cdots\times2=2^{n}, tức 2,4,8,16 cho n=1,2,3,4.
Kết luận
n bit cho 2^{n} chuỗi. Nếu dùng chúng làm số nguyên không dấu thì đó là các số từ 0 đến 2^{n}-1. Với n=8: từ 0 đến 255.
Vì sao một khung cho cả chuyên đề
Các bài về dữ liệu nhìn bề ngoài rất khác nhau: đổi cơ số, tính dung lượng ảnh, đoán ý nghĩa của một con số đo, phân loại thiết bị. Nhưng các bài này đều quy về ba câu hỏi ở đầu mục. Khi đọc một bài, hãy gạch chân kiểu dữ liệu, xác định chặng đang bị hỏi, rồi chọn câu hỏi trong ba câu cần trả lời trước.
02
Chặng thu nhận · Bậc nghĩa
Dữ liệu, thông tin, tri thức và vòng đời năm chặng
Câu hỏi đầu tiên ở các bài về dữ liệu thường không phải “bao nhiêu bit” mà là “dữ liệu này đã có nghĩa chưa”. Một con số trên màn hình chưa phải là thông tin; nó thành thông tin khi ta biết nó đo cái gì. Mục này phân biệt ba bậc nghĩa, rồi cho dữ liệu đi một vòng qua năm chặng.
Hãy đứng ở quầy mượn sách của thư viện một trường học (tình huống minh họa, số liệu minh họa). Cuối mỗi ngày, thủ thư gõ vào máy số lượt mượn của ngày hôm đó: thứ Hai 18, thứ Ba 22, thứ Tư 31, thứ Năm 41. Máy lưu các số ấy, so với một mức quy định, rồi hiện lời nhắc có cần thêm người trực quầy hay không. Từ dãy số thủ thư gõ đến lời nhắc trên màn hình có ba bậc và năm chặng . Ba bậc nói về nghĩa , năm chặng nói về đường đi của dữ liệu.
Ba bậc: dữ liệu, thông tin, tri thức
BẬC 1 · DỮ LIỆU Các giá trị ghi nhận được (số, chữ, hình ảnh, âm thanh…): 18; 22; 31; 41 (bốn số trên tờ giấy ghi tay). Chưa nói đếm cái gì, ngày nào, ở đâu.
BẬC 2 · THÔNG TIN Ý nghĩa có được khi đặt dữ liệu vào ngữ cảnh và hiểu nó: thứ Năm thư viện có 41 lượt mượn, nhiều hơn thứ Hai 23 lượt .
BẬC 3 · TRI THỨC (kiến thức bổ sung) Hiểu biết khái quát rút ra từ nhiều thông tin và đã được kiểm chứng qua nhiều lần: qua nhiều học kì, trong tuần có hội sách, lượt mượn mỗi ngày thường vượt 30 nên cần thêm người trực quầy từ đầu tuần .
Chuyển từ bậc 1 sang bậc 2 cần ngữ cảnh (đếm cái gì, đơn vị gì, ngày nào) và một phép xử lí (so sánh, tính, tổng hợp). Chuyển từ bậc 2 sang bậc 3 cần nhiều lần quan sát và kiểm chứng để biết điều rút ra có dùng lại được ở lần sau hay không. Hai bậc đầu là khái niệm của chương trình; bậc 3 là kiến thức bổ sung để thấy bước đi tiếp theo của thông tin. Ba bậc này ứng với ba tiêu chí trong bảng sau.
Tiêu chí
Dữ liệu
Thông tin
Tri thức (bổ sung)
Có ngữ cảnh chưa?
Chưa: chỉ là giá trị
Có: gắn với đại lượng, thời điểm, đối tượng
Có, đã khái quát hóa và kiểm chứng
Dùng để làm gì?
Làm nguyên liệu để xử lí
Trả lời câu hỏi cụ thể
Giải thích, dự đoán, ra quyết định cho nhiều tình huống
Ví dụ ở thư viện
18; 22; 31; 41
Thứ Năm có 41 lượt mượn
Qua nhiều học kì, tuần có hội sách thường vượt 30 lượt mỗi ngày
Nhận xét của LUKATO về chất lượng
Thông tin tốt khi dữ liệu đầu vào tốt và cách xử lí phù hợp. Nếu thủ thư gõ nhầm 410 thay cho 41, phép so sánh chính xác vẫn cho lời nhắc sai. Vì vậy trước khi hỏi “kết quả là gì”, hãy hỏi “dữ liệu này đã đủ, đúng và kịp thời chưa”.
Bẫy 2 · dữ liệu, thông tin, tri thức là một
Câu nói “có dãy số là có thông tin” bỏ qua ngữ cảnh. Dãy 27; 31; 35 có thể là số lượt mượn, số học sinh hay giá tiền. Khi biết nó đếm gì, ở đâu, lúc nào thì dãy số mới trở thành thông tin. Mốc kiểm tra nhanh: bỏ ngữ cảnh đi mà nghĩa mất hết thì đó là dữ liệu.
Gặp ở: Lab 2 và 3 · Bài 1, 10 và 11
Vòng đời: năm chặng đi từ thế giới thật vào máy
Nhìn theo đường đi, dữ liệu trong máy tính đi qua năm chặng. Ở thu nhận , thiết bị vào (bàn phím, đầu đọc mã vạch, micro, cảm biến, máy ảnh) đo hoặc nhận dữ liệu. Ở mã hóa , dữ liệu được đổi thành chuỗi bit theo một quy ước. Ở lưu trữ , chuỗi bit được ghi vào bộ nhớ. Ở xử lí , bộ xử lí trung tâm tính toán, so sánh, tổng hợp; nếu cần gửi đi, dữ liệu được truyền qua mạng (LUKATO gom bước truyền vào chặng xử lí). Ở đọc lại , chuỗi bit được giải mã và thiết bị ra (màn hình, loa) cho người dùng thấy. Đó là cách phân loại của LUKATO, ghép từ mô hình quen thuộc nhập, xử lí, xuất: thu nhận ứng với nhập, xử lí ứng với xử lí, đọc lại ứng với xuất, còn mã hóa và lưu trữ là hai việc máy làm xen giữa.
↔ Hình rộng hơn màn hình: vuốt ngang để xem đầy đủ.
Hình 2.1. Năm chặng nằm trên một vòng: kết quả đọc lại có thể trở thành dữ liệu đầu vào cho lần xử lí sau.
Máy đếm được 41 lượt mượn và hiện dòng chữ “ngày đông, cần thêm người trực quầy”. Dòng chữ ấy là gì?
Phòng lab 2 · Phân loại dữ liệu, thông tin, tri thức DẠNG: KÉO THẢ HOẶC CHẠM ĐỂ PHÂN LOẠI
Dự đoán trước: có mấy mục trong chín mục dưới đây là tri thức? Hãy xếp từng mục vào đúng bậc: kéo thẻ vào ô, hoặc chạm thẻ rồi chạm ô. Khi đã xếp hết, bấm “Kiểm tra”. Lab này gặp bẫy 2 .
Ba câu tự hỏi để xếp bậc
Còn đúng nghĩa khi bỏ ngữ cảnh không? Không còn thì là dữ liệu. Có kết luận cụ thể cho một lần, một đối tượng? Đó là thông tin. Có quy tắc dùng lại được cho nhiều trường hợp, đã qua kiểm chứng? Đó là tri thức.
Vòng đời trong một ví dụ: bấm từng bước
Phòng lab 3 đi theo một con số ở quầy mượn sách qua sáu bước. Em kéo thanh số lượt để xem chuỗi bit và lời nhắc thay đổi ra sao, rồi bấm “Phát” để tự chạy.
Phòng lab 3 · Hành trình của một con số ở quầy mượn sách DẠNG: TRÌNH CHIẾU TỪNG BƯỚC
Dự đoán trước: nếu thủ thư gõ 41 lượt mượn thì byte lưu vào bộ nhớ là gì, và mức quy định 30 lượt cho lời nhắc gì? Kéo thanh số lượt rồi bước qua từng chặng để kiểm tra. Lab này gặp bẫy 2 và 3 .
Bẫy 3 · xử lí cơ học, không nhìn dữ liệu
“Ô trống thì điền 0” hoặc “chỉ cần xem số trung bình” là cách xử lí không nhìn vào dữ liệu. Nếu một ngày máy không lưu được số lượt mượn mà ta điền 0, trung bình cả tuần bị kéo thấp một cách giả tạo; ngược lại, một lần gõ nhầm 400 thay cho 40 sẽ đẩy trung bình lên cao. Ghép hai cột chiều cao mà một cột ghi bằng cm, cột kia bằng mét thì phần mềm vẫn tính ra một trung bình, nhưng con số ấy vô nghĩa. Điều cần làm là nhìn dữ liệu, hỏi mỗi cột đo bằng đơn vị nào, tìm hiểu vì sao có ô trống hoặc số bất thường, rồi mới quyết định giữ, sửa hay thu lại. Đây là kiến thức bổ sung ở mức khái niệm về chất lượng dữ liệu.
Gặp ở: Lab 3 · Bài 2, 3 và 11
Dữ liệu của người này có thể là thông tin của người khác không?
Có, vì “thông tin” phụ thuộc người nhận và ngữ cảnh. Với thủ thư, dãy 18; 22; 31; 41 là dữ liệu cần xử lí. Với một chương trình vẽ biểu đồ, chính báo cáo “thứ Năm có 41 lượt mượn” lại được đọc vào như dữ liệu đầu vào để vẽ. Vì vậy khi phân loại, hãy nói rõ xét từ góc nhìn của bước nào trong vòng đời. Trong các bài của chuyên đề, mỗi mục có ngữ cảnh đi kèm nên xếp bậc không bị mơ hồ.
Dữ liệu số và dữ liệu tương tự khác nhau thế nào?
Sóng âm, ánh sáng, nhiệt độ ngoài đời thay đổi liên tục (dạng tương tự). Máy tính lưu các giá trị rời rạc dưới dạng bit, nên phải số hóa : cứ sau một khoảng nhất định thì đo và ghi thành số. Ở mục 5 và mục 6 em sẽ thấy ảnh số hóa bằng điểm ảnh còn âm thanh số hóa bằng lấy mẫu.
03
Chặng mã hóa · Số nguyên
Nhị phân, hexa và n bit: hệ trọng số
Quy ước đầu tiên và đơn giản nhất là quy ước cho số nguyên: mỗi vị trí bit có một trọng số. Hiểu được quy ước này thì ba bài tưởng khác nhau (đổi nhị phân sang thập phân, đếm số tổ hợp của n bit, đọc mã hexa) trở thành một bài.
Máy tính dùng mạch điện có hai trạng thái bền vững, chẳng hạn có dòng điện hoặc không, điện áp cao hoặc thấp. Gọi hai trạng thái ấy là 1 và 0 , ta có một bit . Để biểu diễn số lớn hơn 1, người ta ghép nhiều bit lại và dùng hệ nhị phân : mỗi vị trí có một trọng số là lũy thừa của 2. Hệ thập phân của đời sống dùng mười chữ số và trọng số là lũy thừa của 10; hệ nhị phân dùng hai chữ số và trọng số là lũy thừa của 2; hệ thập lục phân (hexa) dùng mười sáu kí hiệu 0 đến 9, A đến F và trọng số là lũy thừa của 16. Cả ba hệ cùng một nguyên tắc: giá trị = tổng của (chữ số nhân trọng số) .