«Учебник по курсу «Информатика»

Вид материала

Содержание

Внешние запоминающие устройства.
Накопители на жестких и гибких магнитных дисках.
Приводы CD и DVD.
Перезаписываемые DVD
Базы данных
Система управления базами данных
Система баз данных
Независимость данных от программ
Целостность данных.
Целостность транзакций
Поддержание журнала аудита или журналирование
Безопасность данных.

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8

Струйные принтеры.

В одно и то же время независимо друг от друга HP и Canon разработали технологию термической печати с помощью чернил. Они вывели на рынок свои разработки под марками IncJet — термоструйная (НР) и BubbleJet — пузырьковоструйная (Canon). Несмотря на то, что скорость и качество печати с тех пор существенно выросли, а все современные принтеры печатают теперь в цвете, основополагающие принципы печати с течением времени почти не изменились.

Наряду с упомянутыми термоструйными технологиями используется и еще одна механическая технология печати, основанная на применении пьеэоэлементов. Ее можно встретить лишь в принтерах фирмы Epson.

Современный струйный принтер работает следующим образом: шаговый мотор протягивает через принтер бумагу; одновременно с этим поперек листа в горизонтальном направлении движется печатающая головка, приводимая в движение тем же шаговым мотором. Через микроотверстия, которые называются соплами, на бумагу выпрыскиваются чернила. В результате согласованного движения бумаги и печатающей головки, в нужное время и в нужное место «выстреливающей» строго определенное количество капель, на бумаге возникает изображение.

Рассмотрим, чем отличается термическая печать от пьезоэлектрической.

При термической печати чернила из сопла выталкиваются за счет быстрого нагревания чернил. Для этого в канале каждого сопла имеется термоэлемент (резистор) размером примерно 30х30 мкм. Когда к нему прикладывается напряжение, он моментально разогревается до температуры примерно 300°С. Это приводит к возникновению парового пузырька в канале сопла и скачкообразному повышению давления в нем, которое можно сравнить с микровзрывом. Он-то и выбрасывает из сопла каплю чернил.

После того как паровой пузырек вытолкнул каплю из сопла, она со скоростью 54 км/ч устремляется на бумагу. В этот момент напряжение перестает подаваться на термоэлемент, в канале сопла возникает разрежение, которое засасывает очередную порцию чернил, выстреливаемую в следующий момент. Весь процесс — от прикладывания напряжения к термоэлементу до засасывания очередной порции чернил и готовности к следующему «выстрелу» — длится менее 80 микросекунд. Величина этого промежутка и определяет скорость печати головки, то есть максимальное количество капель, выдаваемых ею за единицу времени.

В 1984 году, появились первые принтеры Epson на пьезоэлементах. Электромеханические печатающие головки на пьезоэлементах имеют сложную конструкцию и требуют больших затрат при изготовлении, чем термоструйные, производство которых из кремниевых пластин обходится намного дешевле. Впрочем, эти затраты оправдываются большим сроком эксплуатации. Сегодня практически только Epson производит принтеры с печатающими головками на пьезокристаллах. Они не нагревают чернила, следовательно, внутри сопел не образуется «нагар», как это происходит при термической печати. Фактически пьезоголовку можно сравнить с миниатюрным механическим насосом.

Из самого названия становится понятно, что главную роль в печатающей головке данного типа играют пьезокристаллы. Они имеют свойство деформироваться при прикладывании к ним электрического напряжения. Механическая деформация кристалла используется для создания в сопле давления, необходимого для выталкивания чернил. В каждое сопло устанавливается пьезокристалл в форме диска. В зависимости от полярности (плюс или минус) приложенного напряжения этот диск изгибается либо в одном, либо в другом направлении. При этом пьезокристалл давит на мембрану, которая, в свою очередь, выталкивает из сопла чернила. Процесс деформации длится всего пять микросекунд, что позволяет добиться очень высокой скорострельности» печатающей головки и производительности принтера в целом.

Лазерные принтеры.

В отличие от струйных принтеров, принимающих и печатающих изображение построчно, лазерный принтер предварительно готовит к печати сразу всю страницу. Вот почему он должен иметь оперативную память большого объема. Когда вы посылаете на печать рисунок, он сначала «переводится» на нужный язык, используемый принтером. Затем принтер преобразовывает полученные данные в растровое изображение, и выводит на печать.

За перенос тонера на бумагу отвечает светочувствительный барабан (фотобарабан), поверхность которого покрыта слоем специального материала, например селеном. Предварительно при помощи коротрона или вала первичной зарядки он заряжается отрицательным зарядом. Чтобы обеспечить первичный заряд фотобарабана, к коротрону прикладывается высокое напряжение, в результате чего вокруг него возникает мощное поле, сообщающее заряд. Использование вместо коротронов вала первичной зарядки позволяет исключить необходимость создания полей высокого напряжения, что предотвращает возникновение ядовитого озона. Такое решение снижает срок службы фотобарабана, поскольку вал зарядки должен входить с ним в контакт, тем самым изнашивая поверхность.

Селен обладает следующей особенностью: там, куда попадает луч света, рисующий изображение, заряд нейтрализуется, причем граница между заряженными и нейтрализованными участками остается достаточно резкой. Источниками излучения являются светодиоды, или лазер, который направляет свой луч на фотобарабан через призму и систему зеркал, таким образом формируя изображение.

Тонер, используемый в лазерных принтерах, содержит частички железа и также имеет отрицательный заряд. Он переносится на фотобарабан магнитным валиком и прилипает только к нейтрализованным участкам, как бы проявляя невидимое изображение. Для того чтобы изображение перенеслось на бумагу, она должна иметь положительный заряд. Его сообщает листу бумаги заряжающий вал, находящийся под напряжением. После этого при вращении фотобарабана на положительно заряженный лист бумаги переносится отрицательно заряженный тонер и формируется изображение. Однако процесс печати еще не завершен, так как тонер не закреплен на листе. Процесс фиксации происходит в блоке термофиксации, где бумага подвергается кратковременному нагреву до температуры около 200°С. При этом смолы, содержащиеся в тонере, расплавляются и надежно прилипают к листу. Тончайшие волоски, через которые проходит бумага на выходе из принтера, снимают с нее остаточный заряд и нейтрализуют листы, чтобы они не слипались друг с другом.

Цветные лазерные принтеры имеют конструкцию (несмотря на некоторое сходство) намного сложнее, чем черно-белые. Разница заключается в том, что цветной принтер работает с четырьмя цветами, а это значит, что для каждого из них должен быть как минимум один картридж. Соответственно фотобарабан или лента переноса освещаются четырежды по одному разу для каждого цвета.

Внешние запоминающие устройства.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) определяют один из основных ресурсов компьютера - объем внешней памяти для длительного хранения программного обеспечения и данных. Поскольку практически вся информация хранится и накапливается в этих устройствах, то их называют накопителями.

К основным характеристикам ВЗУ обычно относят:

1. максимальный объем хранимой информации;

2. скорость передачи информации;

3. среднее или максимальное время доступа.

Все эти характеристики во многом определяются одной – плотностью записи информации на магнитном носителе.

Накопители на жестких и гибких магнитных дисках.

Первая в истории дисковая система хранения данных - RАМАС (Random Ассеss Меthоd of Ассоunting and Control) - была анонсирована IВМ 13 сентября 1956 года. На 50 дисках диаметром 24 дюйма можно было хранить 5 Мб данных! Время доступа составляло 1с.

Принцип действия накопителей на магнитных дисках (НМД) основан на магнитной записи - воспроизведении сигнала на магнитном носителе.

Накопитель на жестких магнитных дисках - это пакет дисков (1-5), которые представляют собой керамические, стеклянные или алюминиевые (чаще всего) пластины, на которые нанесен слой ферромагнетика (феррит бария, изотропный оксид бария, сплавы хрома, кобальт и т.п.).

Любой ферромагнетик отличается тем, что, попав во внешнее магнитное поле, намагничивается и становится магнитом. Если учесть, что магнитное поле имеет полярность, соответствующую направлению движения тока, то, подавая на головку то положительное, то отрицательное напряжение, можно создавать точечные участки с магнитными полями различной полярности (домены), которые будут соответствовать единицам или нулям.

Запись данных на жесткий диск компьютера осуществляется следующим образом. Контроллер жесткого диска получает с системной шины очередную порцию байт и делит их на отдельные биты. Биты записываются последовательно путем подачи на головку чтения-записи положительного (для 1) или отрицательного (для 0) напряжения, в результате чего на диске появляются намагниченные зоны той или иной полярности.

Обратная операция — чтение. При чтении головка отключается от внешнего питания, а проносящиеся с большой скоростью мимо нее магнитные домены в точном соответствии с законом Фарадея возбуждают в ней слабый положительный или отрицательный ток, который интерпретируется контроллером жесткого диска или как единица, или как ноль. Дальше контроллер пакует последовательность единиц и нулей в группы и передает на шину порциями по 16 бит (IDE-шина – 16-битная).

На рисунке представлена упрощенная кинематическая схема механической части НЖМД. В герметичном металлическом корпусе (на рис. не показан) с большой скоростью вращается пакет дисков 1. Головки чтения - записи 2 закреплены на подвижном позиционере 3, который вращается вокруг оси 5. Балансир 4 обеспечивает динамическую балансировку коромысла с головками, необходимую для минимизации времени перемещения головок.

А

Вид А

5

4

2

3

2

1

1

Схема устройства НЖМД.

Кроме того, балансир является частью электромагнитной системы точного позиционирования головок, которая обеспечивает их расположение на требуемом цилиндре - совокупности пространства на всех дисках, доступного для чтения - записи без перемещения головок.

Цилиндр — условный термин. На самом деле никаких цилиндров, как реальных физических объектов, не существует. Существуют только дорожки. Дорожка диска (track) — это просто определенного радиуса окружность, состоящая из расположенных на одинаковом расстоянии друг возле друга магнитных доменов. У 3,5—дюймовой дискеты 80 дорожек, у жесткого диска во много раз больше. Как получаются дорожки? В дисководе 3,5— дюймовой дискеты это делается следующим образом. Блок головок (а их у дискетного дисковода— две) перемещается так называемым шаговым двигателем, расстояние между шагами строго фиксированное. Эти шаги и определяют дорожки дискеты. С жестким диском все сложнее. Один из критериев оценки жесткого диска — поверхностная плотность записи, которая определяется путем перемножения двух величин количества дорожек на дюйм (Тгасk Рег Inch — ТРI) и количества битов (магнитных доменов) на дюйм дорожки (Вits Рег Inch — ВРI) — и выражается в Мбит/дюйм² или Гбит/дюйм². TPI современных дисков так велика (порядка 30 тыс. дорожек на дюйм и больше, то есть дорожки расположены очень близко друг от друга), что позиционирование головок над поверхностью диска при помощи шагового двигателя практически невозможно. Для наведения головки на конкретную дорожку применяется другой способ — механизм обратной связи, заключающийся в том, что в какой-то области диска записана специальная информация (сервокоды) о номерах дорожек. Существуют различные варианты реализации этого механизма. Например, «вспомогательный клин», когда сервокоды записаны в специальных «клиньях», как бы врезанных в дорожки. Наиболее быстрый способ построения обратной связи - «специализированный диск», когда поверхность одного из дисков полностью отдается под сервокоды. В этом случае одна из головок постоянно сообщает контроллеру информацию о том, какая дорожка под ней находится. Дорожки дисков, из которых состоит “пакет”, помещенных в блок головок и цилиндров (Head Disk Assembly - HDA), имеют свои номера, и все дорожки с одинаковым номером называются цилиндром. Головки чтения / записи также нумеруются; нумерация начинается с самой нижней. Например, блок, в котором смонтированы четыре диска, имеет восемь головок — по две для каждого диска (для нижней и верхней сторон). Нижняя головка самого нижнего диска имеет номер 0, верхняя головка этого же диска — номер 1, нижняя головка следующего диска имеет номер 2 и т. д. Верхняя головка самого верхнего диска будет иметь номер 7, а если в этом блоке используется система обратной связи со «специализированным диском», то эта головка будет называться сервоголовкой, поскольку будет обслуживать поверхность с записанными сервокодами. Сервокоды записываются в заводских условиях, и если они будут каким-либо образом повреждены, это приведет к невосстановимой потере соответствующих дорожек.

Каждая дорожка диска разбивается на сектора. Опять же для простоты рас смотрим 3,5—дюймовую дискету. Если мысленно разбить ее исходящими из центра лучами на 18 равных сегментов, то тем самым каждая дорожка окажется поделенной на 18 равных частей, которые называются секторами. Емкость одного сектора — величина постоянная. Все диски всех компьютеров имеют полезную емкость одного сектора, равную 512 байт. Реальная емкость одного сектора несколько больше, чем 512 байт, поскольку программа форматирования в начале каждого сектора записывает его заголовок, или префикс (header или prefix), а в конце — прицеп, или суффикс (trailer или suffix). Префикс используется для того, чтобы головка точно определяла начало сектора и его номер, а суффикс — для хранения контрольной суммы, позволяющей проверять целостность данных в секторе. Общая размерность сектора вместе с заголовком и прицепом (которые создаются при форматировании) равна 571 байт. Следует отметить, что сектора являются элементарными ячейками хранения данных.

Приводы CD и DVD.

Первоначально приводы CD служили только для чтения информации, записанной на сменных компакт-дисках. Их аббревиатура (CD-ROM) взята по аналогии с обозначением части памяти компьютера, доступной только для чтения информации. Первые компакт-диски создавались для цифровой записи музыкальных произведений. Это обстоятельство определило такие важные характеристики компакт-дисков, как их размер, метод кодирования данных, использование единой спиральной дорожки и скорость вращения, которые должны обеспечивать скорость передачи данных около 150 Кбайт/с для получения качественного стереозвучания. Это число и принято за “единичную” (1x) скорость. Если время звучания аудиокомпакт-диска, который создавался в расчете на запись 9-й симфонии Бетховена длительностью 72-73 минуты, “перевести” в байты, то получится примерно 640 Мбайт (150*72*60/1024=640).

Компакт-диск представляет собой диск диаметром 120 мм, выполненный из прозрачной пластмассы (поликарбоната) с тонким промежуточным слоем зеркально отражающего свет материала (алюминия). Цифровая информация на мастер-диске наносится за один технологический сеанс и в последствии изменена быть не может. Для записи используется лазер, луч которого выжигает в зеркальном слое отдельные участки (питы), которые соответствуют логическим 0, и оставляет нетронутыми участки, соответствующие 1. Ширина впадин составляет 0,83 мкм, а шаг дорожки – 1,6 мкм. С мастер-диска делают матрицу, которую затем используют для тиражирования дисков. Считывание информации осуществляется также при помощи лазерного луча (меньшей мощности), который либо отражается от зеркальных участков и регистрируется фотодетектором, либо, попадая во впадины, рассеивается.

Приводы CD-ROM монтируются в отсек стандартного размера на передней панели системного блока. Своего собственного контроллера они не имеют и подключаются к общему с НЖМД интерфейсному кабелю. Обработка данных производится программным путем с помощью соответствующего драйвера.

Помимо обычных компакт-дисков используются однократно записываемые (CD-R) и перезаписываемые (CD-RW) компакт-диски. В первом случае на поликарбонатную основу наносится активный записываемый слой. В настоящее время для его изготовления используются лишь два материала: красители цианин и фталоцианин. Следующий слой является отражающим и, как правило, он выполняется из золота или серебра, т.к. у этих материалов теплопроводность ниже чем у алюминия. При записи CD-R краситель меняет свои свойства (темнеет) под воздействием лазерного луча, что и позволяет записать информацию. Впоследствии считывающее устройство может различать более и менее темные участки на поверхности диска, читая таким образом информацию.

Технология записи CD-RW аналогична технологии получения перезаписываемых DVD (см. ниже).

В последние годы в компьютерную технику стали внедряться цифровые универсальные диски – DVD (Digital Versatile Disk). Обеспечивая единый способ хранения фильмов, звукозаписей и компьютерных данных, технология DVD относится к следующему поколению технологии хранения информации на оптических компакт-дисках и в будущем, по-видимому, станет общепринятым стандартом.

DVD-диски получают по такой же, но несколько модифицированной, лазерной технологии. Главная особенность DVD заключается в их большой емкости (4,7 - 17 Гб). Такие цифры достигаются за счет нескольких факторов.

Во-первых, в приводах DVD применяется лазер с меньшей длиной волны (вместо 780нм – 650 или 635 нм). Это дает возможность получать (и использовать) углубления меньшего размера (0,4 мкм) и меньший шаг дорожки (0,74 мкм). Получаемая поверхностная плотность записи информации позволяет располагать на одной стороне как минимум 4,7 Гб информации (DVD-5).

Во-вторых, у DVD поверх основного отражающего слоя может находиться второй – полупрозрачный. Данные записываются на оба слоя. Работая на одной частоте, лазер считывает информацию с полупрозрачного слоя, работая на другой - получает данные с нижнего. В результате емкость одностороннего двухслойного возрастает до 8,5 Гб (DVD-10).

В спецификациях DVD предусматривается возможность создания и использования двухсторонних дисков (DVD-10) и (DVD-18). Двусторонний диск изготавливается просто: т.к. толщина одностороннего DVD может составлять 0,6 мм, два диска соединяют тыльными сторонами. Максимальная емкость такого диска может достигать 17 Гб (DVD-18).

Перезаписываемые DVD состоят из нескольких слоев: нижней пластины из поликарбоната, двух диэлектрических слоев, между которыми находится слой данных и отражателя. Слой данных, так называемый Phase-Change-материал (Ag-In-Sb-Te-легирование), под воздействием высокой температуры изменяет свое состояние от аморфного (плохо отражающего) до кристаллического (хорошо отражающего). При записи лазерный луч разогревает точечное пространство на Phase-Change-материале до температуры выше точки плавления (500 – 700С). При остывании эта область будет находиться в аморфном состоянии. Если же слой данных нагреть только до 200С, то он снова перейдет в кристаллическое состояние. Различая участки с разными коэффициентами отражения, можно считывать данные бит за битом. Если же перевести весь слой данных в кристаллическое состояние, то вся информация будет стерта.

Оба диэлектрических слоя служат в качестве охлаждающего материала и предотвращают испарение. Благодаря хорошему отводу тепла после каждого импульса лазера быстро устанавливается аморфное состояние, что важно для обеспечения высокой скорости записи данных.

Компьютер как программируемая система. Понятие ресурса. Понятие вычислительной системы и информационно-вычислительной системы.

Работа компьютера возможна только в том случае, если существует программа, состоящая из последовательности команд процессора, описывающая последовательность действий, необходимых для достижения результата. При этом программа должна быть доступна процессору, следовательно, она должна находиться в оперативной памяти, и процессору должен быть известен адрес первой команды программы. Каким образом программа может оказаться в оперативной памяти? Она может быть записана туда с периферийного устройства, либо находиться в памяти постоянно. В зависимости от типа компьютера процесс начальной загрузки компьютера может выполняться по-разному. Рассмотрим последовательность действий для типового персонального компьютера. При включении компьютера в процессоре автоматически устанавливается адрес первой команды в программе, записанной в той части оперативной памяти, информация в которой не меняется никогда, даже при выключении компьютера. Такая память называется ПЗУ- постоянное запоминающее устройство, адреса этой памяти являются частью адресов оперативной памяти. Программа, записанная в ПЗУ, предназначена для начальной инициализации компьютера и загрузки других программ с внешних устройств ввода-вывода. Она записывается с помощью специальных технических средств на заводе-изготовителе и называется BIOS. (Рис.1)

Записывая на внешние устройства различные программы можно обеспечить разные виды работ одного и того же компьютера без внесения в него каких бы то изменений оборудования. Чаще всего первая программа, которая загружается с внешних устройств, предназначена для организации среды выполнения программ по требованию пользователя компьютера. Такая программа называется операционной системой. Вместо операционной системы может быть загружена любая другая программа, например, программа установки операционной системы. Эта программа служит для записи операционной системы на диск с какого-нибудь другого устройства (обычно, оптического диска) и ее настройки для управления конкретным компьютером. На один и тот же компьютер могу быть установлены различные операционные системы и даже несколько различных операционных систем. В этом случае при загрузке пользователь выбирает, какая именно операционная система будет загружена. Операционная система организует взаимодействие пользователя с компьютером, обеспечивает загрузку и выполнение одной или нескольких программ, указанных пользователем, и обеспечивает доступ этих программ к внешним устройствам, памяти и данным. Все эти элементы, а также сами выполняемые программы называются ресурсами, а сама операционная система предназначена для управления этими ресурсами. Все ресурсы можно разделить на технические и информационные. Существует две группы задач, предназначенных для решения на компьютере – выполнение большого объема вычислений и доступ к хранящейся на внешних устройствах информации больших объемов. Совокупность технических и программных средств для решения задач первой группы называют вычислительной системой, а для решения задач второй группы – информационно-вычислительной системой. Различия между этими системами заключаются в характеристиках технических средств и наборах алгоритмов выполняемых программ, в том числе и алгоритмов операционной системы.

Информационные ресурсы ИВС. Понятие файла и файловой системы. Файл — поименованная совокупность байтов. Файловая система — порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на ссылка скрыта в компьютерах, а также в другом ссылка скрыта оборудовании: ссылка скрыта, ссылка скрыта и т. п.

Все виды информации в компьютере и на внешних устройствах представлены в форме двоичных чисел. Перевод символьной, графической и другой информации в форму двоичных чисел называется кодированием. Двоичные числа кодов могут иметь различный размер, однако минимально адресуемым является 8-ми разрядное двоичное число, называемое байтом. Для удобства использования байты группируются. Например, все байты кодов символов какого-то документа. Такие группы байтов образуют единицы хранения. Размещенные на внешних устройствах эти группы называются файлами. Файлом называется поименованная совокупность байт. Сами файлы могут быть сгруппированы по каким-либо признакам, например, все файлы операционной системы или все документы по проекту и размещены в отдельных папках. Папка представляет собой файл, содержимое которого описывает находящиеся в этой папке файлы. Папка, как и любой файл, имеет свое имя и так же, как и любой файл, может быть указана в какой-либо другой папке. Таким образом, образуется некоторая структура хранения (Рис.2). Для доступа к файлам, их поиску, чтению, записи и других операций используют некоторый набор программ, входящих в состав операционной системы. Помимо файлов для работы этих программ может быть необходима специальная информация, в которой описываются характеристики и состояние внешнего устройства. Совокупность этих программ, информация и характеристиках и состоянии внешних устройств, а также файлы с их организацией на внешнем устройстве называют файловой системой. В зависимости от методов организации хранения файлов, методов доступа к ним и физических характеристик внешних устройств существует множество файловых систем. Каждая файловая система имеет свои характеристики и ограничения. Так, например, в различных файловых системах имена файлов могут иметь различные ограничения на длину имени, виды символов, из которых может составляться имя, количество имен одного и того же файла и т.д. А в зависимости от типа внешнего устройства мы можем по разному получать доступ к тому или иному файлу. В любой файловой системе все файлы могут делиться на обычные файлы, файлы-каталоги (папки) и специальные файлы. Специальными файлами называются файлы, связанные или ассоциируемые с устройствами, например, клавиатурой. На самой клавиатуре никаких файлов хранить нельзя, но в виде файла можно читать последовательность символов, вводимых с нее. Так как в файлах может храниться информация различной природы (тексты, рисунки, музыка, программы и т.д.), то желательно как-то различать файлы с разным типом информации. Для этого кроме имени файла используется расширение имени, которое может занимать от 0 до 3 байт. Существует набор «стандартных» расширений – txt, doc, exe, jpg и т.д., которые предполагают вполне определенные действия при попытке доступа к файлу. Например, если мы обращаемся к файлу с расширением «exe», операционная система предполагает, что в таком файле хранится программа и пытается выполнить все действия, необходимые для выполнения этой программы. При обращении к файлу «txt» операционная система считает, что в файле находится текстовая информация и запускает программу работы с текстовыми файлами, чтобы с помощью этой программы произвести обработку указанного файла. Для каждого расширения файла может быть указана своя программа обработки этого файла. Кроме имени и расширения у каждого файла существует еще несколько характеристик, предназначенных для разных целей. Например, все файлы имеют характеристику «Дата создания», которая используется, если мы просим файловую систему найти все файлы, созданные в какой-то конкретный день или какой-то диапазон дат. А характеристика «Только для чтения» не позволяет случайно внести изменения в файл. Доступ к файлам на внешних устройствах происходит существенно медленнее, чем доступ к байтам в оперативной памяти компьютера. Для снижения негативных последствий данного факта применяются специальные методы и средства, которые называются опережающим чтением, кэшированием и буферизацией. Опережающее чтение производится при первом обращении к файлу. Сама обратившаяся к файлу программа может не содержать в данный момент времени команд чтения информации из файла, а файловая система сама читает порцию информации из файла в надежде, что в ближайшее время такая команда в программе появится, т.е. это программный способ оптимизации доступа к файлам. Кэширование представляет собой процесс, когда при чтении информации с внешнего устройства в специальную память устройства читается не только запрошенная информация, ни и весь физический блок хранения информации на устройстве, несмотря на то что в этом блоке может присутствовать информации не только затребованного файла, но и других файлов. При дальнейшем обращении к данным файла информация устройством берется не с медленного устройства, а из памяти кэша, если таковая там присутствует, что уменьшает время доступа. Таким образом, кэш является физической оптимизацией доступа к информации. Буферизация представляет собой процесс, при котором в оперативную память читаются или заносятся программой несколько последовательных порций информации файла. Каждая порция информации размещается в своей области памяти, называемой буфером. Совокупность буферов образуют буферный пул. В процессе работы содержимое буфера может быть изменено на новую порцию информации по мере необходимости. Таким образом, буферизация является программным способом оптимизации доступа.

Интерфейс — совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы. Интерфейсы взаимодействия ИВС. Пользовательский интерфейс. Сетевой интерфейс.

Передача информации от источника к потребителю в вычислительных системах осуществляется в соответствии с некоторыми наборами правил. Для разных пар источников и потребителей информации существует свой набор таких правил. Совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы называют интерфейсом. Чаще всего производители стремятся к тому, чтобы реализовать элементы системы с взаимодействием по какому-то из стандартных интерфейсов, чтобы при подключении элемента не возникало проблем обмена информацией в существующей системе. Такими стандарными интерфейсами являются, например, интерфейс общей шины, интерфейс последовательного или параллельного порта, USB-интерфейс и т.д. Помимо интерфейса между техническими средствами компьютера существует также интерфейс взаимодействия пользователя компьютера с работающими на нем программами. Принципиально различаются два вида пользовательского интерфейса – консольный и графический. Консольный интерфейс предусматривает такой способ взаимодействия пользователя с компьютером, при котором пользователь вводит информацию как бы с печатной машинки. Графический интерфейс более богат на способы взаимодействия. Он включает в себя не только ввод команд и данных, но и выбор варианта из возможных, предложенных программой, графический ввод информации, наглядное отображение результатов своего воздействия на работу программы и т.д. Сами результаты работы программы могут быть представлены не только в форме чисел и сообщений, но и форме графиков, диаграмм, показаний графических приборов и т.п. Особым видом интерфейса является сетевой интерфейс, позволяющий организовать взаимодействие подсоединенных к сети компьютеров.

Алгоритм — точный набор ссылка скрыта, описывающих порядок действий исполнителя для достижения результата ссылка скрыта за конечное время. Понятие программы. Программа - термин, в переводе означающий «предписание», т.е. предварительное описание предстоящих событий или действий. Компьютерная программа — последовательность ссылка скрыта, предназначенная для исполнения устройством управления ссылка скрыта. Программа — данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы ссылка скрыта в целях реализации определенного ссылка скрыта. Языки программирования.

Как мы уже говорили, компьютер является программно управляемой системой. Выполняемые компьютером программы должны точно описывать последовательность действий, необходимых для решения конкретной задачи. Разработка любой программы начинается с разработки алгоритма решения соответствующей задачи. Алгоритм — точный набор ссылка скрыта, описывающих порядок действий исполнителя для достижения результата ссылка скрыта за конечное время. Таким образом, алгоритм должен обладать свойствами однозначности, достижимости и конечности. Описание алгоритма должно выполняться на языке, понятном разработчику алгоритма и позволяющем сделать алгоритм наглядным для его анализа и понимания другими разработчиками. Разговорный язык не подходит для этих целей, т.к. в нем присутствует неопределенность и двусмысленность. Существует два вида средств для разработки алгоритмов – языковые и графические (Рис.3). Под языковыми средствами понимается некоторый формальный язык, каждое предложение которого однозначно интерпретируется и может быть выполнено многократно с одинаковым результатом. Графические средства представляют собой набор графических изображений стандартно возможных действий с правилами соединения этих изображений и возможностью описания объектов воздействия и операций. Такие описания алгоритмов называют блок-схемами. Как и любое графическое изображение, блок-схемы более информативны и проще для восприятия, чем алгоритмы, написанные на формальном языке (или псевдоязыке). Алгоритмы используются для разработки программ. Программа — данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы ссылка скрыта в целях реализации определенного ссылка скрыта. Она должна представлять собой последовательность ссылка скрыта, предназначенная для исполнения процессором компьютера. Однако, написание программы в формате команд процессора является занятием достаточно трудоемким и привязывает программу к компьютеру, процессор которого содержит именно такой набор команд. Для повышения производительности разработчиков программ и обеспечения переносимости программ с компьютера с одной системой команд на компьютер с другой системой команд были разработаны специальные языки для написания программ по алгоритмам – алгоритмические языки программирования. При этом программа, написанная на алгоритмическом языке, может быть автоматически переведена на язык команд процессора с помощью специальной программы – компилятора, а сам процесс преобразования в этом случае называется компиляцией. В принципе, преобразование программы, написанной на алгоритмическом языке, возможно в любой другой формальный язык, который не обязательно должен быть языком команд процессора. Такой процесс называется трансляцией, а программа, выполняющая трансляцию – транслятором. С помощью транслятора становится возможным написание отдельных частей программы на разных алгоритмических языках с последующей трансляцией этих частей в какой-то один промежуточный язык и последующей компиляцией всех частей в язык команд процессора. Наконец, существует еще один метод, с помощью которого может быть выполнена работа написанной нами программы – симуляция и эмуляция. Симуляция предполагает воспроизведение поведения программы. Симулироваться может как текст программы на языке программирования высокого уровня программирования, так и текст программы на языке инструкций процессора. Эмуляция предполагает точное моделирование поведения не только программы, но и всей системы. Это позволяет выполнять программы, написанные для одной системы, в другой системе. Например, программы, написанные для мобильных телефонов, могут отлаживаться на обычном персональном компьютере. Существует множество алгоритмических языков программирования. Это определяется множеством сфер применения компьютеров и, как следствие, множеством классов решаемых на компьютере задач. Среди этого множества можно отметить такие языки, как: Fortran (Formula translator), ориентированный на написание программ, решающих научные или вычислительные задачи; COBOL, предназначенный для разработки бизнес-приложений; Pascal, язык общего назначения; С, являющийся стандартным процедурным языком программирования. Существенным упрощением разработки программ является наличие библиотек стандартных программ. Эти библиотеки можно разделить на системные и прикладные. К системным библиотекам относятся такие библиотеки, в которых содержатся стандартные программы для выполнения работы с устройствами и файлами, программы работы с памятью, т.е. те стандартные программы, которые работают с ресурсами системы. Прикладные библиотеки обычно включают в себя реализацию различных математических вычислений: интегрирование, статистическая обработка, различные преобразования и т.п. Особое место занимают библиотеки, в состав которых входят программы, предназначенные для организации интерфейса между программой и пользователем, а также библиотеки построения графических изображений. Библиотеки могу быть встроены в состав компилятора или подключаться в процессе компиляции или связывания (линковки), а также подключаться к программе в процессе ее выполнения – динамические библиотеки. Наличие библиотек позволяет сократить время разработки программ за счет повторного использования ранее написанных программ, реализующих необходимые нам функции. Таким образом, любая программа может находиться в нескольких формах представления: в форме алгоритма, программы на алгоритмическом языке программирования, программы на промежуточном языке программирования и программы на языке команд процессора.

Программное обеспечение компьютера. Типовой состав программного обеспечения ИВС.

Набор программ, записанных на компьютере, составляет программное обеспечение данного компьютера (Рис.4). Все программы при этом можно разделить на: системное программное обеспечение и прикладные программы. К системному программному обеспечению относятся: операционная система, программы тестирования компьютера и периферийных устройств, программы обслуживания вычислительной системы (системы резервного копирования информации, программы дефрагментации дискового пространства и т.п.). Прикладные программы предназначены для решения конкретных задач и представляет собой довольно обширную группу. В зависимости от назначения компьютера в эту группу могут входить, например, программы автоматизации управления предприятием или системы бухгалтерского учета, программы для проектирования и дизайна изделий и конструкций или программы обработки текстов и верстки полиграфической продукции, программы, моделирующие различные физические процессы, или программы, имитирующие реакцию на управление транспортными средствами. Отдельную группу составляет программное обеспечение, предназначенное для разработки программ – инструментальные средства. К ним относятся все программы, предназначенные для поддержки и автоматизации разработки программного обеспечения: компиляторы, трансляторы, средства тестирования и отладки, средства разработки и анализа алгоритмов, системы поддержки версий, библиотеки стандартных программ и т.п. Часть программ из всего программного обеспечения компьютера начинает выполняться автоматически при загрузке компьютера, часть начинает выполняться автоматически по заранее заданному расписанию. Начало работы третьих программ инициирует пользователь компьютера, операционная система или какая-то другая программа, работающая на данном компьютере или на компьютере сети. В зависимости от назначения компьютера состав его программного обеспечения может быть различным. При этом чаще всего в составе программного обеспечения присутствуют операционная система, набор прикладных программ для выполнения задач и набора вспомогательных программ, необходимых для выполнения типовых работ (тестирование компьютера и его внешних устройств, архивация информации и т.п.).

Системное программное обеспечение. Операционные системы. Операционная система — комплекс управляющих и обрабатывающих ссылка скрыта, которые, с одной стороны, выступают как ссылка скрыта между ссылка скрыта ссылка скрыта и ссылка скрыта, а с другой стороны — предназначены для управления устройствами, управления ссылка скрыта, эффективного распределения ссылка скрыта между вычислительными процессами и организации надёжных вычислений. Это определение применимо к большинству современных ОС общего назначения.

Основным элементом системного программного обеспечения является операционная система. Наиболее популярными на данный момент времени являются операционные системы семейства Microsoft Windows и операционные системы класса UNIX, особенно Linux и MacOS. Эти ОС относятся к классу универсальных операционных систем разделения времени. Практически все реализации операционных систем перечисленных систем поставляются в виде специально подготовленных для установки на жесткий диск компьютера специально подготовленных наборов программ, включающих в себя специальную программу установки операционной системы. Помимо самой операционной системы, в наборы включаются также: программы, предназначенные для работы с текстовыми и мультимедийными файлами (изображения, звук, видео); программы для работы в сети (браузер, почтовая программа и т.п.); простейшие офисные программы (калькулятор, календарь, заметки и т.п.), а также утилиты поддержки работы системы. Все операционные системы по их применению можно разделить на системы разделения времени, системы пакетной обработки и системы реального времени. Кроме того, они могут быть универсальными и специализированными. Системы разделения времени предназначены для выполнения программ под управлением пользователя. К ним относятся все перечисленные выше системы. Системы пакетной обработки ориентированы, прежде всего, на выполнение программ с большим количеством вычислений. Такие системы предназначены для работы на высокопроизводительных компьютерах. К таким системам можно отнести Solaris, VMS, серверные решения UNIX и Microsoft. Системы реального времени предназначены для использования в системах управления физическими объектами. К таким системам относятся RTOS, NUCLEUS, QNX, OS-9 и другие. Особым классом операционных систем являются встраиваемые операционные системы. Они используются в таких устройствах как мобильные телефоны, коммуникаторы, планшетные устройства. К ним относятся Palm OS, Windows Mobile, Symbain OS, Android, Maemo и другие.

Пользовательское программное обеспечение.

Основным применением вычислительных систем является автоматизация труда человека. В настоящее время сложно найти такую область деятельности человека, где не нашли бы применения вычислительные системы. Для каждого вида деятельности человека разработаны и продолжают разрабатываться новые программы. Рассмотрим, например, программы, предназначенные для автоматизации труда инженера. Для выполнения инженерных расчетов может быть использован пакет Mathcad или ANSYS. Кроме того, существует огромное количество специализированных программ для разных видов инженерных расчетов. Для конструирования можно использовать CAD-системы: AutoCAD, P CAD, SolidWorks и т.д. Для изготовления документации могут быть использованы офисные системы, например, Microsoft Office.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Базы данных

Основные понятия и определения

Термин «база данных» (database) был введен в обиход в области вычислительной техники примерно в 1962 году. Этот термин страдает от обилия различных интерпретаций, например,

«База данных - это самодокументированное собрание интегрирорванных данных».
«База данных - это централизованное хранилище данных, обеспечивающее хранение, доступ, первичную обработку и поиск информации».
«База данных – это совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, независимая от прикладных программ».

Система управления базами данных (СУБД) - приложение, обеспечивающее создание, хранение, обновление и поиск информации в базах данных. СУБД осуществляют взаимодействие между базой данных и пользователями системы, а также между базой данных и прикладными программами, реализующими определенные функции обработки данных.

«Базой данных» часто упрощённо или ошибочно называют СУБД. Нужно различать набор данных (собственно базу данных) и программное обеспечение, предназначенное для организации и ведения баз данных (СУБД).

Система баз данных (или банк данных в отечественной терминологии) - совокупность одной или нескольких баз данных и комплекса информационных, программных и технических средств, обеспечивающих накопление, обновление, корректировку и многоаспектное использование данных в интересах пользователей.

Термин «база данных» может быть понят только в контексте СУБД путем перечисления основных правил (или требований), которым должны подчиняться базы данных, чтобы называться базами данных. Выполнение этих требований возлагается на СУБД.

Самодокументированность. База данных должна иметь словарь данных – специальное отведенное место в базе данных, которое используется для хранения информации о самой базе данных. Словарь данных может содержать информацию: об архитектуре базы данных, о хранимых процедурах, о пользовательских привилегиях, и др.

Независимость данных от программ. Структура данных должна быть независима от программ, использующих эти данные, чтобы данные можно было добавлять или перестраивать без изменения программ.

Целостность данных. В общем случае целостность данных означает корректность данных и их непротиворечивость. Для обеспечения целостности накладывают ограничения целостности. В частности, эти ограничения могут иметь вид логических выражений, значения которых всегда должны быть «истина». Если значение хотя бы одного логического выражения ограничения целостности данных принимает значение «ложь», то имеет место быть нарушение целостности данных. Ограничения такого вида иногда называют бизнес-правилами. Примеры ограничений: вес детали должен быть положительным; цвет детали должен быть «Красный», «Синий» или «Зеленый»; возраст родителей не может быть меньше возраста их биологического ребенка.

Целостность транзакций. В повседневной практике транзакцией называют банковскую операцию, состоящую в переводе денежных средств с одного счета на другой. В базах данных

под транзакцией понимается неделимая с точки зрения воздействия на базу данных последовательность операторов манипулирования данными (чтения, удаления, вставки, модификации), приводящая к одному из двух возможных результатов: либо последовательность выполняется, если все операторы правильные, либо вся транзакция откатывается, если хотя бы один оператор не может быть успешно выполнен. Обработка транзакций гарантирует целостность информации в базе данных. Таким образом, транзакция переводит базу данных из одного целостного состояния в другое. Поддержание механизма транзакций – показатель уровня развитости СУБД. Корректное поддержание транзакций одновременно является основой обеспечения целостности базы данных. Термин транзакционность означает, что СУБД сама обеспечивает проверку выполнения всей последовательности взаимосвязанных операций и восстанавливает исходное состояние в случае ошибки на одной из промежуточных стадий.

Изолированность. Основу изолированности в многопользовательских системах, где с одной базой данных параллельно могут работать несколько пользователей или прикладных программ, также составляют транзакции. Одна из основных задач СУБД – обеспечение изолированности, т.е. создание такого режима функционирования, при котором каждому пользователю казалось бы, что база данных доступна только ему. Такую задачу СУБД принято называть параллелизмом транзакций.

Поддержание журнала аудита или журналирование. Все операции, выполняемые в СУБД, должны регистрироваться (или записываться) на физическом и логическом уровне в терминах событий, происходящих в базе данных. Для каждого изменения в структурах хранилища заводится отдельная запись, описывающая изменяемую структуру и собственно изменение. Это выполняется способом, позволяющим повторить изменение или, при необходимости, отменить изменение и вернуть все в исходное состояние. Записи хранятся в специальном файле, который называется журналом транзакций.

Восстановление. Восстановление представляет собой процесс воспроизведения в базе данных изменений, описанных в записях журнала, или возврат базы данных к состоянию до этих изменений. Воспроизведение записей журнала называется фазой REDO (или наката) восстановления. Обращение изменений записей журнала называется фазой UNDO (или отката) восстановления. Другими словами, процедура восстановления обеспечиваете для транзакции и всех соответствующих записей журнала либо полное воспроизведение, либо полную отмену.

Восстановление принимает простую форму в случае отмены отдельной транзакции, когда она откатывается, и база данных не испытывает никаких последствий. Более сложную форму имеет восстановление в случае сбоя, когда выходит из строя сервер базы данных (по какой бы то ни было причине), и журнал транзакций необходимо восстановить с целью возврата базы данных в состояние, согласованное с точки зрения транзакций. Это означает, что для всех транзакций, зафиксированных на момент сбоя, необходимо выполнить накат, чтобы результаты этих транзакций были отражены в базе данных. А для всех незавершенных на момент сбоя транзакций необходимо выполнить откат, чтобы результаты этих транзакций не были записаны в базу данных.

Безопасность данных. Защита данных от несанкционированной случайной или намеренной модификации, разрушения или раскрытия.

Поддержка языков баз данных. Для работы с базами данных используются специальные языки, называемые языками баз данных. В ранних СУБД (иерархических и сетевых) поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. В современных СУБД (реляционных) поддерживается язык SQL (Structured Query Language), содержащий все необходимые средства для работы с базами данных, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс.

Масштабируемость.

Производительность.

К основным функциям СУБД относятся:

Непосредственное управление данными во внешней и оперативной памяти и обеспечение эффективного доступа к данным в процессе решения задач.
Поддержание целостности данных и управление транзакциями.
Ведение системного журнала изменений в базе данных, что обеспечивает восстановление базы данных после технического или программного сбоя.
Реализация поддержки языка описания данных и языка запросов к данным.
Обеспечение безопасности данных.
Обеспечение параллельного доступа к данным нескольких пользователей.

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журналирование,
процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,
подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД,
сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.