билет 3

Процесс преобразования отношений базы данных (БД) к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация предназначена для приведения структуры БД к виду, обеспечивающему минимальную логическую избыточность, и не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение физического объёма базы данных.[1] Конечной целью нормализации является уменьшение потенциальной противоречивости хранимой в базе данных информации. Как отмечает К. Дейт,[2] общее назначение процесса нормализации заключается в следующем:

исключение некоторых типов избыточности;

устранение некоторых аномалий обновления;

разработка проекта базы данных, который является достаточно «качественным» представлением реального мира, интуитивно понятен и может служить хорошей основой для последующего расширения;

упрощение процедуры применения необходимых ограничений целостности.

Устранение избыточности производится, как правило, за счёт декомпозиции отношений таким образом, чтобы в каждом отношении хранились только первичные факты (то есть факты, не выводимые из других хранимых фактов).

Роль нормализации в проектировании реляционных баз данных

При том, что идеи нормализации весьма полезны для проектирования баз данных, они отнюдь не являются универсальным или исчерпывающим средством повышения качества проекта БД. Это связано с тем, что существует слишком большое разнообразие возможных ошибок и недостатков в структуре БД, которые нормализацией не устраняются. Несмотря на эти рассуждения, теория нормализации является очень ценным достижением реляционной теории и практики, поскольку она даёт научно строгие и обоснованные критерии качества проекта БД и формальные методы для

усовершенствования этого качества. Этим теория нормализации резко выделяется на фоне чисто эмпирических подходов к проектированию,[3] которые предлагаются в других моделях данных. Более того, можно утверждать, что во всей

сфереинформационных технологий практически отсутствуют методы оценки и улучшения проектных решений, сопоставимые с теорией нормализации реляционных баз данных по уровню формальной строгости.

Нормализацию иногда упрекают на том основании, что «это просто здравый смысл», а любой компетентный профессионал и сам «естественным образом» спроектирует полностью нормализованную БД без необходимости применять теорию зависимостей.[4] Однако, как указывает К. Дейт, нормализация в точности и является теми принципами здравого смысла, которыми руководствуется в своём сознании зрелый

проектировщик, то есть принципы нормализации — это формализованный здравый смысл. Между тем, идентифицировать и формализовать принципы здравого смысла — весьма трудная задача, и успех в её решении является существенным достижением.[4]

Нормальные формы

В создании и развитии теории нормализации принимали участие многие учёные. Однако

первые три нормальные формы и концепцию функциональной зависимости предложил Э. Кодд.[4]

Первая нормальная форма (1NF)

Переменная отношения находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда в любом допустимом значении отношения каждый его кортеж содержит только одно значение для каждого из атрибутов.

В реляционной модели отношение всегда находится в первой нормальной форме по определению понятия отношение. Что же касается различных таблиц, то они могут не быть правильными представлениями отношений и, соответственно, могут не находиться в

1НФ.

Вторая нормальная форма (2NF)

Переменная отношения находится во второй нормальной форме тогда и только тогда, когда она находится в первой нормальной форме, и каждый неключевой атрибут неприводимо (функционально полно) зависит от ее потенциального ключа.

Третья нормальная форма (3NF)

Переменная отношения находится в третьей нормальной форме тогда и только тогда, когда она находится во второй нормальной форме, и отсутствуют транзитивные функциональные зависимости неключевых атрибутов от ключевых.

Нормальная форма Бойса — Кодда (BCNF)

Переменная отношения находится в нормальной форме Бойса — Кодда (иначе — в усиленной третьей нормальной форме) тогда и только тогда, когда каждая ее нетривиальная и неприводимая слева функциональная зависимость имеет в качестве своего детерминанта некоторый потенциальный ключ.

Четвёртая нормальная форма (4NF)

Переменная отношения находится в четвёртой нормальной форме, если она находится в нормальной форме Бойса — Кодда и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Пятая нормальная форма (5NF)

Переменная отношения находится в пятой нормальной форме (иначе — в проекционносоединительной нормальной форме) тогда и только тогда, когда каждая нетривиальная зависимость соединения в ней определяется потенциальным ключом (ключами) этого отношения.

Доменно-ключевая нормальная форма (DKNF)

Шестая нормальная форма (6NF)

Переменная отношения находится в шестой нормальной форме тогда и только тогда, когда она удовлетворяет всем нетривиальным зависимостям соединения. Из определения следует, что переменная находится в 6НФ тогда и только тогда, когда она неприводима, то есть не может быть подвергнута дальнейшей декомпозиции без потерь. Каждая переменная отношения, которая находится в 6НФ, также находится и в 5НФ.

Вопрос 3

Понятие сегмента и сегментной адресации. Регистр. Типы программ: программы типа EXE, программы типа COM.

Сегментная адресация памяти — схема логической адресации памяти компьютера в архитектуре x86. Линейный адрес конкретной ячейки памяти, который в некоторых режимах работы процессора будет совпадать с физическим адресом, делится на две части: сегмент и смещение. Сегментом называется условно выделенная область адресного пространства определённого размера, а смещением — адрес ячейки памяти относительно начала сегмента. Базой сегмента называется линейный адрес (адрес относительно всего объёма памяти), который указывает на начало сегмента в адресном пространстве. В результате получается сегментный (логический) адрес, который соответствует линейному адресу база сегмента+смещение и который выставляется процессором на шину адреса.

Селектором называется число (в x86 — 16-битное), однозначно определяющее сегмент. Селектор загружается в сегментные регистры.

В реальном и защищённом режимах x86-процессора функционирование сегментной адресации отличается.

Сегментная адресация в реальном режиме

В реальном режиме процессора всё адресное пространство делится на одинаковые сегменты размером 65536 байт. База каждого последующего сегмента смещена относительно базы предыдущего на 16 байт (т. н. параграф). Таким образом, сегменты частично перекрывают друг друга. (Например, байт 17 сегмента 2 — это также и байт сегмента 3, и байт сегмента 1.)

Селектор 16-разрядный и задаёт номер сегмента. Учитывая, что сегменты следуют друг за другом с постоянным интервалом в 24=16 байт, очень легко выяснить линейный адрес сегмента, умножая его на 16.

Сегментная адресация в защищённом режиме (селекторная адресация)

В защищённом режиме процессора адресное пространство задачи делится на сегменты различных размеров с различными базами. Для определения базы и размера сегментов служат дескрипторы сегментов, хранящиеся в дескрипторных таблицах (GDT и LDT).

Здесь сегменты № 3 и № 11 указывают на одну и ту же область. Такие сегменты называются алиасными (англ. Alias). Сегмент № 7 охватывает сегменты № 1, № 2, № 3 и № 11. Сегмент № 5 указывает на GDT, позволяя её изменять (это никак не относится к GDT — её настоящий дескриптор хранится в регистре GDTR (показан жёлтым)). Адресация через локальную таблицу дескрипторов (LDT) происходит аналогично.

Селектор также 16-разрядный, но делится на три части: RPL (биты 0-1), TI (бит 2) и номер дескриптора ([биты 3-15).

RPL — см.: Сегментная защита памяти;

TI определяет дескрипторную таблицу (GDT или LDT при 0 или 1 соответственно), из которой выбирается дескриптор; номер дескриптора — порядковый номер в дескрипторной таблице. Так как размер

дескриптора равен восьми байтам, а номер дескриптора начинается с третьего бита, то можно адресовать дескриптор (если надо), просто обнулив RPL и TI.

Регистр процессора — блок ячеек памяти, образующий сверхбыструю оперативную память (СОЗУ) внутри процессора; используется самим процессором и большой частью недоступен программисту: например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд (англ.), к которому программист обратиться не может.

Имеются также регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы, например, управляющие регистры и теневые регистры дескрипторов сегментов. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Существуют также так называемые регистры общего назначения (РОН), представляющие собой часть регистров процессора, использующихся без ограничения в арифметических операциях, но имеющие определенные ограничения, например в строковых. РОН, не характерные для эпохи мейнфреймов типа IBM/370[1] стали популярными в микропроцессорах архитектуры X86 — i8085, i8086 и последующих[2].

Специальные регистры[3] содержат данные, необходимые для работы процессора — смещения базовых таблиц, уровни доступа и т. д.

Часть специальных регистров принадлежит устройству управления, которое управляет процессором путём генерации последовательности микрокоманд.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти (даже если кеш-память содержит нужные данные), но объём оперативной памяти намного превосходит суммарный объём регистров (объём среднего модуля оперативной памяти сегодня составляет 1-4 Гб[4], суммарная «ёмкость» регистров общего назначения/данных для процессора Intel 80386 и более новых 32 битов * 8 = 256 бит).

Архитектура x86

IP (англ. Instruction Pointer) — регистр, обозначающий смещение следующей команды относительно кодового сегмента.

IP — 16-битный (младшая часть EIP)

EIP — 32-битный аналог (младшая часть RIP) RIP — 64-битный аналог

Сегментные регистры — регистры, указывающие на сегменты.

CS (англ. Code Segment), DS (англ. Data Segment), SS (англ. Stack Segment), ES, FS, GS

Вреальном режиме работы процессора сегментные регистры содержат адрес начала 64Kb сегмента, смещенный вправо на 4 бита.

Взащищенном режиме работы процессора сегментные регистры содержат селектор сегмента памяти, выделенного ОС.

CS — указатель на кодовый сегмент. Связка CS:IP (CS:EIP/CS:RIP — в защищенном/64битном режиме) указывает на адрес в памяти следующей команды.

Регистры данных — служат для хранения промежуточных вычислений.

RAX, RCX, RDX, RBX, RSP, RBP, RSI, RDI, R8 — R15 — 64-битные

EAX, ECX, EDX, EBX, ESP, EBP, ESI, EDI, R8D — R15D — 32-битные (extended AX)

указательные — хранят указатели на специальные области памяти (указатель текущей операции, указатель базы, указатель стека); сегментные — хранят адреса и селекторы сегментов памяти;

управляющие — хранят информацию, управляющую состоянием процессора, а также адреса системных таблиц.

Счётчик команд

IP (англ. Instruction Pointer) — регистр, содержащий адрес-смещение следующей команды, подлежащей исполнению, относительно кодового сегмента CS в процессорах семейства x86.

Регистр IP связан с CS в виде CS:IP, где CS является текущим кодовым сегментом, а IP — текущим смещением относительно этого сегмента. Регистр IP является 16-разрядным регистром-указателем. Кроме него, в состав регистров этого типа входят SP (англ. Stack Pointer — указатель стека) и BP (англ. Base Pointer — базовый указатель).

Принцип работы

Например, CS содержит значение 2CB5[0]H, в регистре IP хранится смещение 123H.

Адрес следующей инструкции, подлежащей исполнению, вычисляется путем суммирования адреса в CS (сегменте кода) со смещением в регистре IP: 2CB50H + 123H = 2CC73H

Таким образом, адрес следующей инструкции для исполнения равен 2CC73H. При выполнении текущей инструкции процессор автоматически изменяет значение в регистре IP, в результате чего регистровая пара CS:IP всегда указывает на следующую подлежащую исполнению инструкцию.

EIP

Начиная с процессора 80386 была введена 32-разрядная версия регистра-указателя — EIP (англ. Instruction Pointer). В данном случае IP является младшей частью этого регистра (первые 16 разрядов). Принцип работы EIP в целом схож с работой регистра IP. Основная разница состоит в том, что в защищённом режиме, в отличие отреального режима, регистр CS является селектором (селектор указывает не на сам сегмент в памяти, а на его дескриптор сегмента в таблице дескрипторов).

RIP

В 64-разрядных процессорах используется свой регистр-указатель инструкций — RIP. Младшей частью этого регистра является регистр EIP. На основе RIP в 64-разрядных процессорах введён новый метод адресации RIP-relative. В остальном работа RIP

аналогична работе регистра EIP.

Программы типа .EXE

Структура программы типа .СОМ очень проста, а поэтому программист, которому нужно скомпилировать подобного сорта быструю утилиту, может сосредоточиться на логике программы и в минимальной степени вникать проблемы управления транслятором. Однако программы типа .СОМ имеют определенные недостатки, и поэтому наиболее серьезные программы на языке ассемблера в системе DOS написаны так, что их можно преобразовать в файлы типа .ЕХЕ.

Вто время как программы типа .СОМ имеют существенное ограничение на общий размер (не более 64 Кбайт в сумме на собственно программу, данные и стек), программы типа

.ЕХЕ могут быть практически неограниченного размера (в пределах доступной памяти компьютера). Хотя обычный программный загрузчик в системе DOS не использует этого достоинства файлов типа .ЕХЕ, но способность загружать отдельные части больших программ в разные участки памяти, а также благоприятная возможность выделить "чистый код" программы, который может разделяться несколькими задачами, -все это существенно в многозадачных средах типа Мicrosoft Windows.

Воперационной системе DOS загрузчик всегда вводит программу типа .ЕХЕ в память непосредственно над префиксом сегмента программы, хотя порядок сегментов программы, данных и стека может меняться. Файл типа .ЕХЕ содержит заголовок, или блок управляющей информации характерного формата. Размер заголовка определяется числом команд программы, настраиваемых во время загрузки, но всегда кратен 512 байт. До того как DOS передает управление программе, вычисляются начальные значения регистра сегмента программы CS и указателя команд IP, при этом используются информация о точке входа из заголовка файла типа .ЕХЕ, а также адрес загрузки программы. Эта информация извлекается из оператора ЕND исходного текста одного из модулей программы. Регистры сегмента данных DS и дополнительного сегмента ES указывают на префикс, таким образом, программа может обращаться к указателю блока окружения, хвосту команды и другой полезной информации, находящейся в РSР.

Начальное содержимое регистра сегмента стека SS и указателя стека SP устанавливается из заголовка. Эта информация берется из объявления сегмента с атрибутом SТАСК в исходном тексте программы. Пространство памяти, выделяемое под стек, может инициализироваться тем или иным значением в зависимости от определения сегмента стека.

Когда программа типа .ЕХЕ завершает свою работу, то она должна вернуть управление DOS с помощью прерывания Int 21Н с функцией 4СН.

Программа типа .ЕХЕ, поступающая на вход компоновщика, может состоять из большого числа отдельных объектных модулей. Допускается, чтобы каждый модуль использовал уникальное имя сегмента программы, а процедуры имени атрибут либо NEAR, либо FAR в зависимости от условий определения имени и размеров выполнимой программы. Программист должен заботиться о том, чтобы компонуемые вместе модули содержали только один сегмент с атрибутом SТАСК и только одну точку входа, определяемую

директивой ассемблера ЕND. Результатом работы компоновщика является файл с расширением .ЕХЕ, который можно немедленно запустить на выполнение.

Программы типа .COM

Программы типа .СОМ xранятся на диске в виде файлов, в которых содержится абсолютный образ машинных команд, предназначенных для выполнения. Так как файлы не содержат никакой настроечной информации, то они компактнее эквивалентных файлов типа .ЕХЕ, к тому же загружаются для выполнения немного быстрее. Заметим, что DOS не пытается выяснить, действительно ли файл типа .СОМ содержит выполнимую программу (здесь в отличие от файла типа .ЕХЕ нет признака, ни контрольной суммы). Система заносит любой файл с расширением .СОМ в память и передает ему управление.

Tак как программы типа .СОМ загружаются непосредственно над префиксом сегмента программы и, кроме того, не имеют заголовка, который может задавать другую точку входа, то их начальный адрес всегда составляет 0100H, что определено размером префикса. Максимальная длина программы типа .СОМ составляет 65536 байт минус длина префикса (256 байт) и обязательное слово стека (2 байта).

Когда управление передается программе типа .СОМ, все регистры указывают на префикс. В указатель стека SР, если позволяет память, помещается число 0FFFFН, в противном случае - максимальный адрес памяти минус 2 байта. (DOS при входе в программу помещает в стек нулевое слово.)

Несмотря на то что размер выполнимого файла типа .СОМ не может превзойти 64 К, существующие в настоящее время версии системы МS DOS выделяют программам типа

.СОМ в момент их загрузки всю область транзитных программ. Так как такие программы часто являются наследием раннего периода МS-DOS и необязательно корректны в отношений управления памятью, то операционная система делает наихудшее предположение и дает программам типа .СОМ все, что возможно. Если программа типа

.СОМ хочет использовать для возбуждения другого процесса функцию ЕХЕС, то сначала она должна сократить выделяемую ей память до минимума, обеспечивающего продолжение ее работы, обращая внимание при этом на сохранение стека программы. Когда программа типа .СОМ завершает выполнение, она возвращает управление операционной системе с помощью системного прерывания Int 21Н с функцией 4СН.

Прикладная программа типа .СОМ может компоноваться из многих отдельных объектных модулей. Все модули должны использовать одно и то же имя сегмента программы и имя класса, причем модуль с точкой входа по относительному адресу 0100Н внутри сегмента при компоновке должен быть первым. Кроме того, внутри программы типа .СОМ все процeдуры должны иметь атрибут NEAR (ближний), так как вся выполнимая программа постоянно находится в одном сегменте.

В процессе компоновки программы типа .СОМ компоновщик выдает на экран дисплея

сообщение:

Warning: no stack segment (Предупреждение: нет сегмента стека)

Это сообщение можно игнорировать. Результатом работы, компоновщика является файл типа .ЕХЕ, который до выполнения должен быть преобразован с помощью системной утилиты EXE2BIN в файл типа .СОМ.