Учебный материал / Кафедра экономики и менеджмента / Основы информационных технологий. Курс лекций

разрядном кодировании символов, получила название универсальной — UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Несмотря на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход на данную систему долгое время сдерживался из-за недостаточных ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования. Для индивидуальных пользователей это еще больше добавило забот по согласованию документов, выполненных в разных системах кодирования, с программными средствами, но это надо понимать как трудности переходного периода.

Кодирование графических данных Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение,

напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром (рис. 1.3).

Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графических данных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основные цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется системой RGB по первым буквам названий основных цветов.

Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из основных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов.

Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, M) и желтый (Yellow, У). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие компоненты можно применять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей.

Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается четырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полноцветным ( True Color).

Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color.

При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно передать только 256 цветовых оттенков. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия в том, что, поскольку 256 значений совершенно недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только

его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. Разумеется, эта палитра должна прикладываться к графическим данным — без нее нельзя воспользоваться методами воспроизведения информации на экране или бумаге (то есть, воспользоваться, конечно, можно, но из-за неполноты данных полученная информация не будет адекватной: листва на деревьях может оказаться красной, а небо — зеленым).

Кодирование звуковой информации Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее

поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но если говорить обобщенно, то можно выделить два основных направления.

Метод FM {Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют спещ1альные устройства — аналогово-цифровые преобразователи {АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи {ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время, данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.

Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (хотя не только для них). В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

-3-

Понятие базы данных.

База данных — это организованная структура, предназначенная для хранения информации.

В те годы, когда формировалось понятие баз данных, в них хранились только данные. Однако сегодня большинство систем управления базами данных (СУБД) позволяют размещать в своих структурах не только данные, но и методы (то есть программный код), с помощью которых происходит взаимодействие с потребителем или с другими программно-аппаратными комплексами. Таким образом, мы можем говорить, что в современных базах данных хранятся отнюдь не только данные, но и информация.

С понятием базы данных тесно связано понятие системы управления базой данных – это

комплекс программных средств, предназначенных для создания структуры новой базы, наполнения ее содержимым, редактирования содержимого и визуализации информации. Под визуализацией информации базы понимается отбор отображаемых данных в соответствии с заданным критерием, их упорядочение, оформление и последующая выдача на устройство вывода или передача по каналам связи.

Структура простейшей базы данных

Сразу поясним, что если в базе нет никаких данных (пустая база), то это все равно полноценная база данных. Этот факт имеет методическое значение. Хотя данных в базе и нет, но информация в ней все-таки есть — это структура базы. Она определяет методы занесения данных и хранения их в базе. Простейший «некомпьютерный» вариант базы данных — деловой ежедневник, в котором каждому календарному дню выделено по странице. Даже если в нем не записано ни строки, он не перестает быть ежедневником, поскольку имеет структуру, четко отличающую его от записных книжек, рабочих тетрадей и прочей писчебумажной продукции.

Базы данных могут содержать различные объекты, но, забегая вперед, скажем, что основными объектами любой базы данных являются ее таблицы. Простейшая база данных имеет хотя бы одну таблицу. Соответственно, структура простейшей базы данных тождественно равна структуре ее таблицы.

Мы знаем, что структуру двумерной таблицы образуют столбцы и строки. Их аналогами в структуре простейшей базы данных являются поля и записи. Если записей в таблице пока нет, значит, ее структура образована только набором полей. Изменив состав полей базовой таблицы (или их свойства), мы изменяем структуру базы данных и, соответственно, получаем новую базу данных.

Свойства полей базы данных

Поля базы данных не просто определяют структуру базы — они еще определяют групповые свойства данных, записываемых в ячейки, принадлежащие каждому из полей. Ниже перечислены основные свойства полей таблиц баз данных на примере СУБД Microsoft Access.

•Имя поля — определяет, как следует обращаться к данным этого поля при автоматических операциях с базой (по умолчанию имена полей используются в качестве заголовков столбцов таблиц).

•Тип поля — определяет тип данных, которые могут содержаться в данном поле.

•Размер поля — определяет предельную длину (в символах) данных, которые могут размещаться в данном поле.

•Формат поля — определяет способ форматирования данных в ячейках, принадлежащих полю.

•Маска ввода — определяет форму, в которой вводятся данные в поле (средство автоматизации ввода данных).

•Подпись — определяет заголовок столбца таблицы для данного поля (если подпись не указана, то в качестве заголовка столбца используется свойство Имя поля).

•Значение по умолчанию — то значение, которое вводится в ячейки поля автоматически (средство автоматизации ввода данных).

•Условие на значение — ограничение, используемое для проверки правильности ввода данных

(средство автоматизации ввода, которое используется, как правило, для данных, имеющих числовой тип, денежный тип или тип даты).

•Сообщение об ошибке — текстовое сообщение, которое выдается автоматически при попытке ввода в поле ошибочных данных (проверка ошибочности выполняется автоматически, если задано свойство Условие на значение).

•Обязательное поле — свойство, определяющее обязательность заполнения данного поля при наполнении базы;

•Пустые строки — свойство, разрешающее ввод пустых строковых данных (от свойства Обязательное поле отличается тем, что относится не ко всем типам данных, а лишь к некоторым, например к текстовым).

•Индексированное поле — если поле обладает этим свойством, все операции, связанные с поиском или сортировкой записей по значению, хранящемуся в данном поле, существенно ускоряются. Кроме того, для индексированных полей можно сделать так, что значения в записях будут проверяться по этому полю на наличие повторов, что позволяет автоматически исключить дублирование данных.

Например, для данных, представляющих действительные числа, важным свойством является количество знаков после десятичной запятой. С другой стороны, для полей, используемых для хранения рисунков, звукозаписей, видеоклипов и других объектов OLE, большинство вышеуказанных свойств не имеет смысла.

Типы данных

Текстовый — тип данных, используемый для хранения обычного неформатированного текста ограниченного размера (до 255 символов).

Поле Мемо — специальный тип данных для хранения больших объемов текста (до 65 535 символов). Физически текст не хранится в поле. Он хранится в другом месте базы данных, а в поле хранится указатель на него, но для пользователя такое разделение заметно не всегда.

Числовой — тип данных для хранения действительных чисел.

Дата/время — тип данных для хранения календарных дат и текущего времени.

Денежный — тип данных для хранения денежных сумм. Теоретически, для их записи можно было бы пользоваться и полями числового типа, но для денежных сумм есть некоторые особенности (например, связанные с правилами округления), которые делают более удобным использование специального типа данных, а не настройку числового типа.

Счетчик — специальный тип данных для уникальных (не повторяющихся в поле) натуральных чисел с автоматическим наращиванием. Естественное использование — для порядковой нумерации записей.

Логический — тип для хранения логических данных (могут принимать только два значения, например Да или Нет).

Поле объекта OLE — специальный тип данных, предназначенный для хранения объектов OLE, например мультимедийных. Реально, конечно, такие объекты в таблице не хранятся. Как и в случае полей MEMO, они хранятся в другом месте внутренней структуры файла базы данных, а в таблице хранятся только указатели на них (иначе работа с таблицами была бы чрезвычайно замедленной).

Гиперссылка — специальное поле для хранения адресов URL для Web-объектов Интернета. При щелчке на ссылке автоматически происходит запуск браузера и воспроизведение объекта в его окне.

Мастер подстановок (вложение) — это не специальный тип данных. Это объект, настройкой которого можно автоматизировать ввод данных в поле так, чтобы не вводить их вручную, а выбирать из раскрывающегося списка.

Тема: Модели данных

План:

1.Трёхуровневая модель организации баз данных.

2.Иерархическая модель.

3.Сетевая модель.

4.Реляционная модель. Первичный и внешний ключи.

5.Постреляционная модель.

6.Объектно-ориентированная модель.

7.Объектно-реляционная модель. Многомерная модель.

-1-

Трёхуровневая модель организации баз данных.

Данные – это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию и др.

Данные не обладают определенной структурой, они становятся информацией лишь тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть наделяет их смысловым содержанием. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели.

Модель данных – это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие осмысленные данные и взаимосвязь между ними.

С другой стороны, любая база данных состоит из элементов данных (реквизитов) и связей между ними. Значит, чтобы организовать данные в базу, необходим предварительный процесс моделирования, то есть должна быть разработана схема, позволяющая изобразить связи между элементами данных. Такую схему принято называть моделью данных. Таким образом,

модель данных – это систематизация разнообразной информации и отражение ее свойств по содержанию, структуре, объему, связям, динамике с учетом удовлетворения информационных потребностей всех категорий пользователей. Модель данных является ядром базы данных.

После того, как была выработана концепция базы данных и системы управления ее, специалисты, начиная с 1971 года, стали работать над общей архитектурой и терминологией базы данных. Вопросы, касающиеся того, как должна быть устроена база данных, были решены не сразу. В течение ряда лет велись научные исследования в этом направлении, предлагались различные способы реализации.

Врезультате многократных обсуждений предлагаемых решений в 1978 году учеными была принята трехуровневая система организации данных, предложенная Национальным Институтом стандартизации – ANSI (American National Standards Institute) и Комитетом по планированию выпуска стандартов и технических условий

–SPARC Соединенных штатов Америки.

Всоответствии с принятой концепцией предлагается выделять три уровня абстракции представления данных: внешний, концептуальный и внутренний (рис. 1). Хотя идеология ANSI/SPARС не стала стандартом, она представляет основу для

понимания основных функциональных особенностей баз данных и систем управления базами данных (СУБД).

Основное внимание в этом подходе сконцентрировано на необходимости воплощения независимости каждого уровня для изоляции программ от особенностей представления данных на более низком уровне.

То есть цель этого представления – отделение пользовательского представления базы данных от ее физического представления.

Фундаментальным моментом в этом подходе является выделение трех уровней абстракции, то есть трех различных уровней абстракции описания элементов данных:

§внешний уровень – это тот, на котором представляют данные пользователи;

§концептуальный уровень служит для отображения данных внешнего уровня на внутренний и обеспечивает необходимую независимость данных разных уровней друг от друга;

§на внутреннем уровне данные воспринимаются СУБД и операционной системой. Внешний уровень – это самый верхний уровень, который отражает

представление конечного пользователя о конфигурации данных (более подробно о типах пользователей баз данных будет изложено в последней лекции).

Концептуальный уровень – это объединяющее представление данных, используемых всеми пользовательскими приложениями, работающими с данной базой.

Концептуальный уровень – это попытка представить требования к базе со стороны организации. И этот уровень не должен содержать никаких сведений о методах хранения данных. Здесь должны быть отражены:

§ все сущности, включаемые в базу, их атрибуты и связи;

§накладываемые на данные ограничения;

§семантическая информация о данных;

§информация о мерах обеспечения безопасности и поддержки целостности данных.

Внутренний уровень служит для адаптации концептуальной модели к конкретной СУБД. Другими словами, внутренняя уровень – это представление базы данных со стороны СУБД, и на этом уровне описывается, как данные должны храниться в компьютере. А потому на этом уровне требуется, чтобы проектировщик привел свойства и ограничения концептуальной модели в соответствие с выбранной моделью реализации базы данных. Внутренний уровень предназначен для достижения оптимальной производительности и обеспечения оптимального использования дискового пространства. На этом уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы. Здесь хранится такая информация:

§распределение дискового пространства для хранения данных и индексов;

§описание подробностей хранения данных;

§сведения о размещении записей;

§сведения о сжатии данных и методах их шифрования.

База данных, создаваемая на этом уровне, имеет средний уровень абстракции и характеризуется аппаратной независимостью и программной зависимостью, то есть она зависит от программного обеспечения базы данных. А потому любые изменения в программном обеспечении СУБД потребуют изменений во внутренней модели, для того чтобы она соответствовала требованиям СУБД.

Вдействительности ниже внутреннего уровня находится еще уровень физического представления данных, то есть физический уровень, на котором описываются способы хранения информации на носителях, например, на винчестерах. Другими словами, физический уровень – это собственно данные, хранящиеся на внешних носителях информации и расположенные в файлах или страничных структурах. Этот уровень контролируется операционной системой, но под управлением СУБД. Здесь требуется определить, как устройства физического хранения, так и методы доступа, необходимые для извлечения данных с физического носителя. База данных, создаваемая на этом уровне, имеет самый низкий уровень абстракции и характеризуется аппаратной и программной зависимостью.

Предложенная архитектура позволяет обеспечить логическую и физическую независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других, работающих

сэтой же базой данных. А физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с конкретной базой. Логическая независимость устанавливается между 1 и 2 уровнями, а физическая между 2 и 3. Именно этого не хватало при использовании файловых систем.

Всоответствии с трехуровневой архитектурой существует три различных типа схем базы данных. На самом высоком уровне имеется несколько внешних схем

данных, которые соответствуют разным представлениям	пользователей.	На
концептуальном уровне описываются все элементы и связи	между ними.	Для

каждой базы данных имеется только одна концептуальная схема. Внутренняя схема является полным описанием данных внутреннего уровня и содержит определение

хранимых записей: методы представления, описание полей данных, сведения об индексах и схемах хеширования данных. СУБД отвечает за установление соответствия между этими тремя типами схем, а также за проверку их непротиворечивости.

-2-

Иерархическая модель.

Иерархическая модель появилась впервые в результате обобщения структур данных языка Кобол. В иерархических моделях основная структура представления данных имеет форму дерева. На самом высшем (первом) уровне иерархии находится только одна вершина, которая называется корнем дерева. Эта вершина имеет связи с вершинами второго уровня, вершины второго уровня имеют связи с вершинами третьего уровня и т.д. Связи между вершинами одного уровня отсутствуют. Следовательно, данные в иерархической структуре не равноправны – одни жестко подчинены другим. Доступ к информации возможен только по вертикальной схеме, начиная с корня, так как каждый элемент связан только с одним элементом на верхнем уровне и с одним или несколькими на низком.

Примером иерархической структуры может служить книга, как иерархическая последовательность букв, которые объединяются в слова, слова – в предложения, предложения – в параграфы, затем в главы и т.д.

С точки зрения теории графов иерархическая модель представляет собой древовидный граф (перевернутое дерево), упрощенный вид которого показан на рис. 2.

Реальный пример иерархической модели данных представлен на рис. 3 и 4.

Над иерархически организованными данными определенны следующие операции:

Добавить в базу данных новую запись.

Изменить значение данных предварительно извлеченной записи.

Удалить некоторую запись и все подчиненные ей записи.

Извлечь запись; в этой операции допускается задание условий выборки, например, извлечь сотрудников с окладом более 200 тысяч руб.

Иерархическая модель является наиболее простой, поэтому исторически она появилась первой. К достоинствам иерархической модели данных относится: достаточно эффективное использование памяти и неплохие временные показатели выполнения операций над данными. Однако, удобна эта модель в основном для работы с иерархически организованной информацией. Недостатками иерархической модели являются достаточно сложные логические связи и соответствующая громоздкость в обработке данных.

Первые системы управления базами данных, появившиеся в середине 60-х годов, позволяли работать с иерархической базой данных. Наиболее известной была иерархическая система IMS фирмы IBM. Известны также другие системы: PC/Focus, Team-Up, Data Edge и наши: Ока, ИНЭС, МИРИС.

-3-

Сетевая модель.

Дальнейшим развитием иерархической модели является сетевая. Сетевая модель – это структура, у которой любой элемент может быть связан с любым другим элементом (рис. 5). Реальный пример иерархической модели представлен на рис. 6.

Рис. 5. Представление связей в сетевой модели данных

Рис. 6. Пример сетевой модели данных

Сетевая база данных состоит из наборов записей, которые связаны между собой так, что записи могут содержать явные ссылки на другие наборы записей. Тем самым наборы записей образуют сеть. Связи между записями могут быть произвольными, и эти связи явно присутствуют и хранятся в базе данных.

Над данными в сетевой базе могут выполняться следующие операции:

Добавить – внести запись в базу данных.

Извлечь – извлечь запись из базы данных.

Обновить – изменить значение элементов предварительно извлеченной записи.

Удалить – убрать запись из базы данных.

Включить в групповое отношение – связать существующую подчиненную запись с записью-владельцем.

Исключить из группового отношения – разорвать связь между записьювладельцем и записью-членом.

Переключить – связать существующую подчиненную запись с другой записью-владельцем в том же групповом отношении.

Первоначально сетевая модель замышлялась как инструмент для программистов. В качестве базового языка программирования был выбран Cobol. Одна из первых сетевых моделей данных, разработанная группой CODASYL, была предложена в 1969 г. и развивалась до 80-х годов. К известным сетевым системам управления базами данных относятся: DBMS, IDMS, TOTAL, VISTA, СЕТЬ, СЕТОР, КОМПАС и др.