Thế giới máy tính thật hấp dẫn và cốt lõi của thế giới này là hai khái niệm quan trọng: ngôn ngữ nhị phân và ngôn ngữ máy. Những khái niệm này không chỉ cung cấp năng lượng cho mọi ứng dụng và thiết bị mà còn cung cấp một góc nhìn về cách máy tính xử lý và hiểu dữ liệu. Hãy cùng đi sâu vào những chủ đề này để đánh giá rõ hơn hoạt động bên trong của máy tính.
Nhị phân là ngôn ngữ cơ bản của máy tính. Đây là hệ thống số cơ số 2 chỉ sử dụng hai chữ số: 0 và 1. Mỗi chữ số trong số nhị phân được gọi là một bit, là đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong điện toán.
Tại sao nhị phân? Máy tính hoạt động bằng cách sử dụng hàng triệu linh kiện điện tử cực nhỏ gọi là bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn có thể ở trạng thái 'bật' hoặc 'tắt', tương ứng là 1 hoặc 0. Điều này làm cho nhị phân trở thành ngôn ngữ tự nhiên cho máy tính.
Trong hệ nhị phân, mỗi vị trí trong số nhị phân đại diện cho lũy thừa của 2, với bit có trọng số nhỏ nhất (ngoài cùng bên phải) đại diện cho \(2^0\) , bit tiếp theo đại diện cho \(2^1\) , v.v. Ví dụ: số nhị phân 1011 có thể được chuyển đổi thành số thập phân (hệ thống đánh số thông thường của chúng tôi là cơ số 10) như sau:
\( 1 \times 2^3 + 0 \times 2^2 + 1 \times 2^1 + 1 \times 2^0 = 8 + 0 + 2 + 1 = 11 \)Điều này minh họa cách số nhị phân là nền tảng cho điện toán, làm cơ sở để lưu trữ và xử lý tất cả các loại dữ liệu, từ số đến ký tự và thậm chí cả các tệp đa phương tiện phức tạp.
Trong khi nhị phân là ngôn ngữ của máy tính thì ngôn ngữ máy có thể được coi là ngôn ngữ lập trình gốc. Nó là tập hợp các chữ số hoặc bit nhị phân mà máy tính đọc và giải thích để thực hiện các thao tác. Ngôn ngữ máy dành riêng cho kiến trúc của từng máy tính, nghĩa là chương trình được viết bằng ngôn ngữ máy cho một loại máy tính có thể sẽ không hoạt động trên loại máy tính khác nếu không được sửa đổi.
Ngôn ngữ máy được tạo thành từ các hướng dẫn máy, là các lệnh cơ bản nhất được CPU của máy tính (Bộ xử lý trung tâm) hiểu được. Các hướng dẫn này có thể bao gồm các hoạt động như di chuyển dữ liệu giữa các vị trí bộ nhớ, thực hiện các phép tính số học và kiểm soát luồng thực thi của chương trình.
Hãy xem xét một ví dụ đơn giản để minh họa cách ngôn ngữ nhị phân và ngôn ngữ máy tương tác với nhau. Giả sử chúng ta muốn cộng hai số 2 và 3 trong một máy rất đơn giản (và giả định) sử dụng nhị phân cho các lệnh của nó.
Lệnh máy để "thêm" có thể được biểu diễn dưới dạng nhị phân là 0001. Các số 2 và 3 trong nhị phân lần lượt là 0010 và 0011. Toàn bộ hướng dẫn ngôn ngữ máy để cộng hai số này có thể trông giống như thế này:
\( \textrm{Hoạt động (Thêm)}: 0001 \ \textrm{Toán hạng 1 (2)}: 0010 \ \textrm{Toán hạng 2 (3)}: 0011 \ \)Khi CPU đọc chuỗi chữ số nhị phân này, nó sẽ hiểu chúng như một lệnh để cộng các số 2 và 3. Kết quả, 5, sau đó sẽ được lưu trữ hoặc sử dụng để xử lý tiếp.
Ngôn ngữ nhị phân và ngôn ngữ máy cung cấp một số lợi thế, bao gồm tốc độ và hiệu quả. Vì các ngôn ngữ này hoạt động ở mức cơ bản nhất của phần cứng máy tính nên chúng cho phép thao tác nhanh chóng và trực tiếp với các thành phần của máy tính.
Tuy nhiên, việc viết chương trình bằng ngôn ngữ máy rất phức tạp và dễ mắc lỗi. Nó cũng không thể di chuyển được giữa các loại kiến trúc máy tính khác nhau. Để giải quyết những hạn chế này, các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn như Python, Java và C++ đã được phát triển. Những ngôn ngữ này cho phép các lập trình viên viết mã ở định dạng dễ đọc hơn cho con người, sau đó được dịch sang ngôn ngữ máy bằng trình biên dịch hoặc trình thông dịch.
Ngôn ngữ nhị phân và ngôn ngữ máy là trung tâm của điện toán, cung cấp nền tảng cơ bản cho mọi hoạt động của máy tính. Việc hiểu các khái niệm cơ bản này sẽ mang lại cái nhìn sâu sắc về cách máy tính thực thi chương trình và xử lý dữ liệu. Bất chấp sự phức tạp của chúng và sự phát triển của các ngôn ngữ cấp cao hơn, ngôn ngữ nhị phân và ngôn ngữ máy vẫn cần thiết cho bất kỳ ai muốn tìm hiểu sâu hơn về khoa học máy tính và lập trình.
