Методические рекомендации и задания для лабораторных работ по дисциплине «Вычислительные системы»

Методические рекомендации и задания для лабораторных работ по дисциплине «Вычислительные системы»

Методические рекомендации и задания для лабораторных работ

по дисциплине «Вычислительные системы».

Кафедра Информационных технологий в экономике.

Автор доцент Л.Л.Ткачев.

1. Введение.

В настоящее время широкое распространение получила технология

параллельных баз данных. Эта технология обеспечивает множеству

процессоров доступ к единственной базе данных, что позволяет также

достичь более высокого уровня пропускной способности транзакций,

поддерживать большее число одновременно работающих пользователей и

ускорить выполнение сложных запросов.

Существуют три различных типа архитектуры, которые поддерживают

параллельные базы данных:

Симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью (Shared

Memory SMP Architecture). Эта архитектура поддерживает единую базу

данных, работающую на многопроцессорном сервере под управлением одной

операционной системы. Увеличение производительности таких систем

обеспечивается наращиванием числа процессоров, устройств оперативной и

внешней памяти.

Архитектура с общими (разделяемыми) дисками (Shared Disk

Architecture). Эта архитектура поддерживает единую базу

данных при работе с несколькими компьютерами, объединенными в

кластер (обычно такие компьютеры называются узлами кластера),

каждый из которых работает под управлением своей копии операционной

системы. В таких системах все узлы разделяют доступ к общим дискам,

на которых собственно и располагается единая база данных.

Производительность таких систем может увеличиваться как путем

наращивания числа процессоров и объемов оперативной памяти в каждом узле

кластера, так и посредством увеличения количества самих узлов.

Архитектура без разделения ресурсов (Shared Nothing Architecture).

Как и в архитектуре с общими дисками, в этой архитектуре

поддерживается единый образ базы данных при работе с несколькими

компьютерами, работающими под управлением своих копий операционной

системы. Однако в этой архитектуре каждый узел системы имеет

собственную оперативную память и собственные диски, которые не

разделяются между отдельными узлами системы.

Практически в таких системах разделяется только общий

коммуникационный канал между узлами системы. В случае кластерной

организации несколько компьютеров или узлов кластера работают с

единой базой данных.

Параллельные базы данных находят широкое применение в системах

обработки транзакций в режиме on-line, системах поддержки принятия

решений и часто используются при работе с критически важными для

работы предприятий и организаций приложениями, которые

эксплуатируются по 24 часа в сутки.

Базы данных занимают лидирующее положение в области информационных

технологий, они становятся неотъемлемой частью жизни современного человека.

Развитие систем управления этими процессами идет по пути интеграции в

единое целое, и огромным шагом к этому является использование стандарта

обработки информации с помощью структурированного языка запросов SQL. В

настоящее время акцент делается на использование сетевых информационных

технологий, базирующихся на архитектуре клиент/сервер.

Понятие БД можно применить к любой связанной между собой информации,

хранимой и организованной особым способом - как правило, в виде таблиц.

При этом возникает необходимость выполнения следующих операций с БД:

1. добавление новой информации в существующие файлы БД

2. добавление новых пустых файлов в БД

3. изменение (модификация) информации в существующих файлах БД.

4. поиск информации по БД

5. удаление информации из существующих файлов БД

6. удаление файлов из БД

Компьютерная информационная система представляет собой программный

комплекс, задачи которого состоят в поддержке надежного хранения БД в

компьютере, выполнении преобразования информации и соответствующих

вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого

интерфейса. Объемы вводимой и хранимой информации довольно велики, а сами

БД имеют достаточно сложную структуру.

Основным назначением БД в первую очередь является быстрый поиск

содержащейся в ней информации.

Существует большое количество программ, которые предназначены для

организации информации, помещения ее в таблицы и манипуляции с нею, такие

программы получили название СУБД. Основная особенность СУБД - это наличие

средств для ввода и хранения не только самих данных, но и описаний их

структуры.

К функциям СУБД относят следующие:

управление данными непосредственно в БД - функция, обеспечивающая

хранение данных, непосредственно входящих в БД, и служебной информации,

обеспечивающей работу СУБД;

управление данными в памяти компьютера - функция, связанная в первую

очередь с тем, что СУБД работают с БД большого размера. В целях ускорения

работы СУБД используется буферизация данных в оперативной памяти

компьютера. При этом пользователь СУБД использует только необходимую для

его конкретной задачи часть БД, а при необходимости получает новую

«порцию» данных;

управление транзакциями - функция СУБД, которая производит ряд операций

над БД, как единым целым. Как правило, такие операции производятся в

памяти компьютера. В первую очередь транзакции необходимы для поддержания

логической целостности БД в многопользовательских системах. Если

транзакция (манипуляция над данными) успешно выполняется, то СУБД вносит

соответствующие изменения в БД. В обратном случае ни одно из сделанных

изменений не влияет на состояние БД;

управление изменениями БД протоколирование - функция, связанная с

надежностью хранения данных, то есть возможностью СУБД восстанавливать

состояние БД в аварийных ситуациях, например, при случайном выключении

питания или сбое носителя информации. Очевидно, что для восстановления БД

нужно располагать дополнительной информацией, по которой и осуществляется

восстановление. С этой целью ведется протокол изменений БД, в который

перед манипуляциями с данными делается соответствующая запись. Для

восстановления БД после сбоя СУБД используется протокол и архивная копия

БД - полная копия БД к моменту начала заполнения протокола.

Современные СУБД основываются на использовании моделей данных (МД),

позволяющих описывать объекты предметных областей и взаимосвязи между

ними. Существуют три основные МД и их комбинации, на которых

основываются СУБД: реляционная модель данных (РМД), сетевая модель

данных (СМД), иерархическая модель данных (ИМД).

Основное различие между этими моделями данных состоит в способах

описания взаимодействий между объектами и атрибутами. Взаимосвязь

выражает отношение между множествами данных. Используются взаимосвязи

«один к одному», «один ко многим» и «многие ко многим». «Один к одному»

- это взаимно однозначное соответствие, которое устанавливается между

одним объектом и одним атрибутом. Например, в определенный момент

времени в одной ЭВМ используется один определенный процессор. Номеру

выбранной ЭВМ соответствует номер выбранного процессора. «Один ко многим»

- одно-многозначное соответствие, которое устанавливается между одним

объектом и многими атрибутами. Например, один пользователь для решения

различных задач использует различные языки программирования. «Многие ко

многим» - это соответствие между многими объектами и многими

атрибутами. Например, на множество ЭВМ может одновременно работать

множество пользователей. Взаимосвязи между объектами и атрибутами

удобно представлять в виде графов и гиперграфов.

Сетевые модели данных (СМД) базируются на табличных и графовых

представлениях: вершинам графа обычно сопоставляются некоторые данные,

которые представляются таблицами, а дугам - типы связей.

В СМД элементарные данные и отношения между ними представляются в виде

ориентированной сети (вершины - данные, дуги - отношения).

В БД с сетевой структурой данных поддеревья могут иметь любое число

корневых. Фактически сетевая БД состоит из набора записей и множества

связей между этими записями. Примерный перечень операций для сетевых БД

может быть следующим:

1. найти запись по заданному признаку;

2. перейти от предка к потомку по указанной связи;

3. перейти от потомка к предку по некоторой связи;

4. создать новую запись или удалить существующую;

5. модифицировать заданную запись;

6. включить в связь или исключить из связи;

7. переставить в другую связь.

Иерархическая модель данных (ИМД) основана на понятии деревьев.

Каждое дерево состоит из одного «корневого» и упорядоченного набора из

нуля или более связанных с ним поддеревьев. Вершина дерева ставится в

соответствие совокупности атрибутов данных, характеризующих некоторый

объект. Целостность связи между ними поддерживается автоматически.

В таких БД поддерживаются следующие операторы манипулирования данными:

1. найти дерево БД по заданному признаку;

2. перейти от одного дерева к другому;

3. перейти от записи внутри дерева или в порядке обхода иерархии (сверху

вниз, слева направо);

4. вставить новую запись в указанную позицию;

5. удалить текущую запись.

Реляционные базы данных.

Реляционную модель можно представить как особый метод рассмотрения данных,

содержащий и собственно данные (в виде таблиц), и способы работы и

манипуляции с ними (в виде связей). Реляционная модель предполагает три

концептуальных элемента: структура, целостность и обработка данных. В этих

элементах есть свои специальные понятия, на которые следует обратить

внимание.

Таблица рассматривается как непосредственное «хранилище» данных.

Традиционно в реляционных системах таблицу называют отношением. Строку

таблицы называют кортежем или записью, а столбец – атрибутом или полем. При

этом атрибуты имеют уникальные (в пределах отношения) имена.

Основными операциями, с помощью которых модифицируется база данных,

являются: включение, удаление и модификация. Эти операции применяются к

кортежам.

Основное достоинство реляционного подхода - его простота и доступность.

Пользователи абстрагированы от физической структуры памяти. Это позволяет

эксплуатировать БД без знания методов и способов ее построения.

Как уже говорилось выше, в реляционной модели данных есть возможность

определения одного атрибута или их множества в качестве ключа

отношения. Это свойство позволяет формировать запросы к базе данных

очень компактно, что делает реляционную модель очень простой для

разработчика прикладного программного обеспечения.

С другой стороны, вся информация, которая должна храниться и

использоваться представляется в табличной форме, что является характерной

чертой представления информации в реляционных базах данных, а в

частности, в их разновидности - табличных базах данных.

2. Общие положения.

Ниже изложены основные теоретические положения и приемы их

практической реализации при организации информационной базы данных в

СУБД FOXPRO и Excel на ПЭВМ типа IBM PC.

Сформулированы контрольные задания для реализации студентом

конкретной базы данных на основе информации, близкой ему по роду

деятельности или интересов.

В процессе выполнения лабораторной работы студент должен по каждому

контрольному заданию:

. написать точную формулировку заданной команды (или нескольких

команд) управления, обеспечивающую получение от системы требуемой

информации;

. в произвольной форме описать ожидаемую реакцию системы для своего

варианта исходных данных. Описание реакции системы должно быть

точным, не дающим возможности неоднозначного его толкования.

Например, в задании 2 требуется описать структуру созданной базы

данных. В качестве ответа следует привести имена полей, их тип и

длину. Объяснить смысл каждой из этих характеристик, обосновать

задание типа и длины поля. (Пример базы данных приведен на Рис.1).

В задании 3 требуется просмотреть все записи базы данных. При

описании реакции системы следует полностью привести информацию из исходных

данных с указанием имен полей, в которых эта информация записывается,

затем требуется просмотреть записи, удовлетворяющие заданному условию.

Это означает, что в команде управления нужно задать условие, имеющее

смысл для введенных исходных данных, например, «выдать наименование

продукции с ценой менее 200 условных единиц за штуку», сформировать

команду для этого условия, а при описании результата указать либо

номера записей, удовлетворяющих этому условию, либо дать конкретный

перечень наименований продукции, удовлетворяющий заданному условию.

Иными словами, описание реакции системы должно быть однозначным и

исчерпывающим по смыслу.

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что приводимые в

каждом пункте задания подсказки типов используемых команд дают лишь

условное, а не точное их написание. Точное написание команды - задача

студента. Каждая команда пишется в отдельной строке, исполнение каждой

команды на ЭВМ происходит после нажатия клавиши «ENTER».

Для облегчения понимания студентом принципов организации

информации в типовой системе управления базой данных (СУБД) при

объяснении в качестве информационной базы рассматривается библиотечный

каталог, смысл организации и назначение которого предельно ясно любому

студенту.

Контрольные задания ориентированы на биржевую информацию, пример базы

данных для которой приведен на рис.1.

Поняв из пояснительного раздела настоящих указаний принципы работы

с библиотечным каталогом и биржевой информацией, студент самостоятельно

должен применить знания к созданию базы данных из другой информационной

области знаний.

Для эффективной работы с информацией в ПК разработаны специальные

программные средства, называемые системами управления базами данных -

(СУБД), которые позволяют вводить, проверять, систематизировать и

обрабатывать информационные данные, быстро находить нужную информацию

и распечатывать в виде отчетов.

Система FoxPro - одна из широко распространенных СУБД,

предназначенная для эффективной обработки больших баз данных,

обладающая развитыми средствами программирования.

В последних версиях системы Windows в рамках программного комплекса

Microsoft Office широкое распространение получили программные средства

обработки данных Access и Excel.

Основные принципы работы с СУБД рассматриваются на примере FoxPro в

командном режиме, дающем наиболее ясное понимание смысла выполняемых

функций, и на примере Excel в режиме меню.

Подавляющее большинство современных СУБД основано на реляционной

модели представления данных, сущность которой заключается в

представлении данных в виде таблиц таким образом, что ко всем данным

при их обработке пользователь имеет прямой доступ, т.е. данные при

построении базы иерархически не структурированы.

В отличие от иерархических баз реляционная база дает большую

свободу пользователю как при создании, так и при работе с базой, но

требует больших ресурсов ЭВМ.

Поля и записи.

Для ввода и вывода информации из СУБД при ее создании необходимо

определить поисковые ключевые признаки, позволяющие определять

принадлежность информации к конкретному понятию. Такие ключевые

поисковые признаки называются полями. Количество и виды полей

определяются пользователем в зависимости от его представлений об

информационном назначении создаваемой СУБД. Это важный момент,

поскольку всякая дальнейшая работа с информацией возможна только в

пределах понятий, заданных совокупностью полей.

Для пояснений сказанного рассмотрим библиотечный каталог - это

информационная база, позволяющая найти нужную книгу среди множества

других. Как создать такую базу? Каковы ее ключевые признаки - поля? А

это зависит от нашего воображения. Можно искать книгу по названию,

можно по автору, можно по месту расположения на стеллажах и т.д.

Введем следующие поисковые признаки: фамилия автора, название, год

издания, номер стеллажа, номер ячейки на стеллаже, имеется ли книга

на месте или выдана, фамилия пользователя, дата возврата. Эти

понятия и будут полями в нашей базе. В каждом поле содержатся конкретные

данные - в поле авторов перечислены фамилии и т.д. Совокупность

данных одного информационного сообщения по всем полям наз. записью.

(в нашем случае запись - это все данные об одной книге.) При

задании каждого поля нужно указать его название латинскими буквами,

максимальную длину данных в символах (длина поля) и тип данных(тип

поля). Данные могут быть следующих типов - символьный (character),

числовой(numeric), дата(date), логический(logical),

примечание(memo).

Данные символьного типа это любая последовательность символов.

Числовые данные могут быть двух видов: целые и вещественные.

Вещественные числа содержат дробную часть, отделяемую от целой

десятичной точкой, для них задается точность представления.

Поле даты имеет всегда длину 8 символов. Дата задается в Европейском

(Set Date German) - ЧЧ.ММ.ГГ, или американском (Set Date American) -

ММ/ЧЧ/ГГ формате.

Данные логического типа имеют значения да(yes) и нет(no). В

математической логике они называются соответственно истина (True) и

ложь (False). Эти понятия использует система, индицируя состояние

логического поля буквами T и F. Длина логического поля равна 1. Для

хранения больших фрагментов текста в базах данных предусмотрены поля

Страницы: 1, 2