16.Целостность и сохранность баз данных.
Поддержание целостности базы данных может рассматриваться как защита данных от неверных изменений или разрушений (не путать с незаконными изменениями и разрушениями, являющимися проблемой безопасности). Современные СУБД имеют ряд средств для обеспечения поддержания целостности (так же, как и средств обеспечения поддержания безопасности).
Выделяют три группы правил целостности:
Целостность по сущностям.
Целостность по ссылкам.
Целостность, определяемая пользователем.
Целостность сущности состоит в том, что любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого отношения, т.е., другими словами, любое отношение должно обладать первичным ключом. Целостность ссылок состоит в обеспечении целостности данных – это средство защиты от «висящих» записей (записей в подчиненной таблице, не имеющих соответствующих записей в главной таблице). Поддержка целостности по ссылкам обеспечивает целостность БД при изменении и удалении кортежей (записей). Целостность, определяемая пользователем или администратором, это дополнительные правила поддержки целостности данных.
Организация эвм и систем
Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов;
функциональная и структурная организация процессора;
организация памяти ЭВМ;
основные стадии выполнения команды; организация прерываний в ЭВМ;
организация ввода-вывода; периферийные устройства;
архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов;
параллельные системы;
понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах.
Основные характеристики, области применения ЭВМ различных классов
Тактовая частота — более мелкая единица измерения, чем операции в секунду.
Надежность — это способность ЭВМ при определенных условиях выполнять требуемые функции в течение заданного времени (стандарт ISO (Международная организация стандартов) -2382/14-78).
Точность ~ возможность различать почти равные значения.
Традиционно электронную вычислительную технику подразделяют на аналоговую и цифровую.
В аналоговых вычислительных машинах (АВМ) обрабатываемая информация представляется соответствующими значениями аналоговых величин: тока, напряжения, угла поворота какого-то механизма и т.п.
В настоящее время под словом ЭВМ обычно понимают цифровые вычислительные машины, в которых информация кодируется двоичными кодами чисел.
Академик В.М. Глушков указывал, что существуют три глобальные сферы деятельности человека, которые требуют использования качественно различных типов ЭВМ.
Первое направление является традиционным — применение ЭВМ для автоматизации вычислений.
Вторая сфера применения ЭВМ связана с использованием их в системах управления (не только вычисления, но и автоматизирует сбор данных и распоряжается результатом обработки. Именно здесь появился дисплей как средство человеко-машинного взаимодействия.)
мини-ЭВМ. Именно они стали использоваться для управления отраслями, предприятиями, корпорациями. Машины нового типа удовлетворяли следующим требованиям:
были более дешевыми по сравнению с большими ЭВМ,
гибкость настроек
Были прозрачны пользователям.
Сокращается доля вычислений ( сейчас 10% от всего). Используются для обработки звуков, текстов, графики.
Третье направление связано с применением ЭВМ для решения задач искусственного интеллекта ( не точного результата, а осреднённого), Примеров подобных задач много: задачи робототехники, доказательства теорем, машинного перевода текстов с одного языка на другой, планирования с учетом неполной информации, составления прогнозов, моделирования сложных процессов и явлений и т.д. Необходим параллелизм в вычислениях.
Болшие ЭВМ (база данных, удалённый доступ) предназначена для использования в сетях в качестве крупных серверов с ПЭВМ.
В 1990 г. В России была создана программа ЕС ЭВМ, заимствовавшая архитектуру IBM 360/370. Россия подписала договор с IBM, что она может производить аналоги.
Средние ЭВМ – в финансовых структурах из-за безопасности данных.
Супер ЭВМ – при решении задач проектирования, где натуральные эксперименты дорогостоящие ( для крупных, вычислительных задач.
ЭВТ – встраиваемые микропроцессоры, вплоть до однокристальных ЭВМ (в телефонах).
Мощные машины – для обслуживания крупных серверов баз данных.
Кластерные структуры – вычислительные машины, объединяющие несколько серверов для удобства распределения ресурсов.
Сервер – вычислительная машина, управляющая определёнными ресурсами в сети (серверы-приложений)
Рабочая станция для профессионалов.
функциональная и структурная организация процессора;
Узлы вычислительной система:
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – выполняет операции
Устройство управления (УУ) – организует процесс выполнения программ
Память – место хранения программ и данных
Внешнее устройство для ввода и вывода (ВУ)
УУ берёт из памяти команду и подключает для её выполнения АЛУ и ВУ.
Действия выполняются под управлением программы, находящейся в памяти - классическая организация вычислительной системы, известная под названием неймановской архитектурыДругим типом архитектуры является т.н. гарвардская архитектура, в которой память программ и память данных разделены и имеют собственные адресные пространства и способы доступа к ним.
ЭВМ могут иметь свою архитектуру, но содержат эти базовые элемента и могу содержать дополнительные:
модульность – способ построения компьютера на основе набора модулей. Модуль – функционально законченный блок, реализующий функцию
Магистральность – способ соединения между модулями шиной (входные и выходные устройства соединяются шиной. Магистральность компьютера состоит из шин.
Микропрограммируемость – принцип программного управления, которые распространяется и на реализацию Устройства управления. УУ строится как и весь компьютер, только на микро-уровне.
Назначение и состав процессора
Структура центрального процессора Intel 8086 можно разделить на на 2 логических блока
Блок исполнений (обеспечивает обработку команд)
Блок интерфейса шин (управляет обменом данными между блока исполнений и памятью)
Блок исполнений входит АЛУ, УУ и регистры.
Регистры общего назначения - это 16-разрядные регистры АХ, ВХ, СХ, DX, каждый из которых состоит из двух 8-разрядных регистров, например, АХ состоит из АН (старшая часть) и AL (младшая часть).
Функция регистра определяется командами, но есть и стандартные функции:
AX – для временного хранения данных (регистр аккумулятор), часто используется для выполнения сложения и т.д.
BX – для хранения адреса данных, так же вычислительный регистр.
CX – счётчик, число повторений одной команды
DX – Для расширителя памяти, для вычислений повышенной точности.
Регистры указателя (BB, SI, DI, SP, IP) – для хранения адресов памяти
IP хранит адрес ячейки памяти, содержащей начало следующей команды
Регистры сегментов – 16-разрядные регистры, позволяющие организовать память в виде совокупности 4-ёх различных сегментов.
CS – сегмент кода (команд)
DS – сегмент данных
SS – сегмент стека
ES – сегмент дополнительной области памяти, используемой для хранения данных.
Регистр флагов – 16-разрядные регистр, определяющие код условия, состояние микропроцессора. Биты называются флагами.
OF (переполнение) – объём результатов превышает размер ячейки назначения – 1
DF (направление) - 0 – инкрементация, 1 –декрементации
IF (признак разрешения прерывания) - прерывания разрешены, если IF=1. Если IF=0, то распознаются лишь немаскированные прерывания;
Для Pentium допускается параллельное выполнение пары простых команд, наличие двух независимых двухканальных множественно-ассоциативных кэшей для команд и для данных, обеспечивающих выборку данных для двух операций в каждом такте.
организация памяти ЭВМ;
Логическую память можно представить в виде последовательных ячеек, каждая из которых имеет свой номер (адрес).
Память вычислительной системы представляет собой иерархию запоминающих устройств (внутренние регистры процессора, различные типы сверхоперативной и оперативной памяти, диски, ленты), отличающихся объемом, средним временем доступа и стоимостью хранения данных в расчете на один бит.
Таким образом, в основе иерархии памяти современных вычислительных систем лежит принцип «стоимость/производительность».
Кэш-память – способ организации совместного функционирования двух типов ЗУ, отличающихся между собой качеством, который уменьшает время доступа к данным за счёт копирования в быстрое ЗУ наиболее часто используемую информацию из медленного ЗУ.
Вначале читается быстрое ЗУ, если там нет нужных данных, то ищется в медленном и копируется в быстрое ЗУ. В кеш копируется не один элемент данных, к которому произошло обращение, а целый блок (на случай если понадобятся соседние данные)
Виртуальная память – метод управления памятью компьютера, позволяющий выполнять программы, требующие больше оперативной памяти, чем есть в компьютере, путём автоматического перемещения частей программы между основной памятью и вторичным хранилищем.
Физически память делится на внутреннюю и внешнюю.
Внутренняя память выполняется, чаще всего, в виде микросхем высокой степени интеграции.
Оперативная память – энергозависимая (данные уничтожаться при отсутствии электричества), для временного хранения файлов
ПЗУ (Постоянно запоминающее устройство) – не энергозависимая, для хранения управляющих работой ЭВМ программ.
Внешней называют память на магнитных (жесткие и гибкие диски), оптических носителях (CD-ROM) и т.п.
Дисковые накопители в зависимости от среды носителя и по применяемому методу записи (чтения) данных на (с) поверхность (и) могут подразделяться на магнитные, оптические и магнитооптические.
Дисковая память
Перед использованием диск форматируется, в результате форматирования на поверхности образуются окружности(дорожки). Дорожки разбиваются на определённые участки(секторы). Данные любого размера размещаются в секторах с фиксированным размером, а дисковые операции записи и считывания производятся с целыми секторами.
Основные стадии выполнения команды; организация прерываний в ЭВМ
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC.
CISC (Intel x86 Pentium, IBM, IBM360) – мало регистров, большое количество машинных команд
RISC (рабочие станции, сервера) – упращённый набор команд для быстродействия, больше регистров чем в CISC
Функционирование процессов в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует одной команды программы. Завершив цикл для текущей команды, процессор переходит к выполнению рабочего цикла для следующей команды программы.
Рабочий цикл начинается с распознавания состояния процессора «счёт» или «ожидание»
Проверка прерываний
«Ожидание» - программа не выполняется, ожидает прерывание.
«Счёт» - управление передаётся управляемой программе.
3а) Если прерывание отсутствует, то последовательно выполняются этапы рабочего цикла:
1) выборка очередной команды
2) подготовка операндов
3) обработка операндов в АЛУ
4) запоминание результатов.
Потом процесс переходит к циклу следующей команды и всё повторяется
3б) Если прерывание, то регистр прерывания устанавливается на «1», говорящий о том, что процессор занят прерывание
-запоминает текущие состояние
-запускает обработчик прерывания
При выполнении команд формируются признаки операции, которые используются для условного перехода. Если этот признак соответствует условию перехода, то процессор переходит по адресу перехода, если нет, то выбирается следующая по порядку команда.
Классификация ПО. ОС
ПО:
Системные (ОС, ядро управляющая ресурсами ЭВМ);
Служебные (антивирусы и драйвера)
Прикладные (программы общего назначения)
Инструментальные ( для разрабокти)
Две функции ОС:
1)Предоставление расширенной машины, с которой легче работать, чем с реальной машиной.
2) Системы управление ресурсами – механизм, управляющий ресурсами ЭВМ. Его задача так управлять ресурсами, чтобы обеспечить максимальное функционированость использования р
1) Планирует ресурсы (сколько нужно ресурсов)
2) Отслеживает (занят ли ресурс или нет)
организация ввода-вывода; периферийные устройства;
Физическая среда, по которой передаются сигналы, несущие информацию, может быть различной, в частности в качестве такой среды используются различного вида кабели или линии связи.
Интерфейс – совокупность технических (каналы связи) и программных средств, обеспечивающих информационное взаимодействие Функциональных Элементов (ФЭ).
Протокол - это совокупность правил, определяющих взаимодействие ФЭ системы.
Каналы ввода-вывода это средства сопряжения, позволяющие расширять функциональные возможности ВС, за счет подключения различного периферийного оборудования, и обеспечения коммуникации с другими компьютерами.
Принтеры:
Все печатающие устройства можно разделить на последовательные, строчные и страничные. В каждой группе можно выделить устройства ударного (impact) и безударного (non-impact) действия. По используемой технологии печати различают матричные, струйные, лазерные и LED-принтеры.
Матричные
вертикальный ряд игл вколачивают с ленты в бумагу, формируя последовательно символ за символом
Достоинства: низкая стоимость расходуемых материалов
Недостатки: Медленно, шумно
Струйные
Сопла (канальные отверстия) разбрызгивают чернила, не касаясь бумаги. Сопла меньше, чем иглы, поэтому их больше и картинка чётче.
Лазерные и LED-принтеры
Изображение формируется лазером (нагреваются нужные места) и переносится на бумагу
Плоттеры
Устройство, позволяющее представлять выводимые из ЭВМ данные в форме рисунков и графиков на бумаге (м.б и принтер быть плоттером).
Модем
Модем – устройство для передачи и приёма информации по какому-либо каналу. Для передачи информации модем накладывает её на высокочастотный сигнал и передаёт на принимающий модем. Принимающий модем выделяет полезный сигнал и предстаёт информацию на нём в цифровом виде.
Протокол - это совокупность правил, определяющих взаимодействие ФЭ системы. (чтобы модемы понимали друг друга)
Модемы бывают:
WinModem (часть функций модем отдаётся ЦП, поэтому дешёвые и простые) и т.д
Видеосистемы
Видеосистема состоит из двух элементов: видеокарта и монитор
Монитор соединён с видеокартой.
Режимы работы видеосистемы: графический и тестовый.
Существует два режима видеосистемы: графический и тестовый.
Графический отличается тем, что видеокарта управляет каждым пикселем, изменяя их цвет и мерцание. Тестовый: на экране отображаются только символы.
Видеокарта является промежуточным элементом между монитором и системой ЭВМ.
Изображение строится по программе, исполняемой ЦП. Видеокарты должна иметь по крайней мере 2 интерфейса – один для связи с монитором, другой для связи с процессором и памятью ЭВМ
архитектурные особенности организации ЭВМ различных классов
Появление USB решило многие проблемы:
Минимизация кабелей
Преодоление ограничение производительности
USB – последовательная шина подключения внешних периферийных устройств, обеспечивающая двунаправленную передачу информацию.
FiriWire – высокопроизводительная шина, которая имеет больше пропускную способность, чем в USB/
Интерфейсы по способу передачи:
Параллельные (биты передаются по нескольким линиям связи)
Последовательные (биты передаются друг за другом обычно по одной ЛС – линии связи).
Удалённость соединяемых устройств (чем длиннее кабель, тем ниже предел его пропускной способости)
USB и FiriWire реализуют древовидную типологию, в которой внешние устройства могут быть как оконечными, так и разветвлёнными.
Параллельные системы (типовые вычислительные структуры и ПО)
Типичным представителем мультипроцессорной системы является представленная компанией AMD в 2002 МПВС (основой для построения высокопроизводительных рабочих станций и серверов, нацеленных на обработку больших массивов данных, аудио- и видеопотоков в реальном времени, многозадачность, а также повышенные вычисления с плавающей запятой)
Особое внимание здесь приобретает способ передачи данных от ЦП по системной шине и оптимизация работы системной памяти.
Производительности способствовала память DDR, объём до 4 гб, позволило увеличить пропускную способность по шине
Более чем одна операция:
Параллелизм;
Конвейеризация;
Одновременная работа всех элементов структур, осуществляющая решение различных задач.
Конвейеризация – разделение функции на более мелкие части (ступени) и выделение для каждой из них отдельного блока аппаратуры. Например, разделим одну команды на 5 ступеней, каждая из которых выполняется за 1 единицу времени, так 100 команд, выполнится за 100*5=500 единиц времени, а при конвейеризации за 5+99=104.
Рассмотрим пятиступенчатый конвейер:
А – считывание команды в процессор (If)
Б – выбор операнда (ID)
В – вычисление (EX)
Г – обращение к памяти (MEM)
Д – Запоминает результата (WB)
Возникает конфликт, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения другой предыдущей команды.
Матричные вычислительные системы
Общее УУ, генерирующее поток команд и большое число процессорных элементов, работающих параллельно и обрабатывающий каждая свой поток данных. Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительности всех процессорных элементов.
Ассоциативные вычислительные системы
То же самое, что и в матричных. Только здесь информация на обработку поступает не от ОЗУ и ЗУ, а от ассоциативных ЗУ, где информация в них выбирается не по адрему, а по содержанию.
Понятие о многомашинных и многопроцессорных вычислительных системах.
Многомашинная вычислительная система – система, включающая в себя 2 или более ЭВМ.
По характеру связей между ЭВМ ММВС можно разделить на три типа: или слабосвязанные; прямосвязанные; сателлитные.
В косвен¬но-связанных системах связь между ЭВМ осуществляется только на информационном уровне. Такая организация связей обычно используется в тех случаях, когда необходимо повысить надежность комплекса путем резервирования ЭВМ, например Две ЭВМ решают что-то одновременно, но результаты показывала только одна ЭВМ, если она выключалась(сломалась), то результаты показывает вторая.
Прямосвязанные ММВС обладают существенно большой гибкостью. В ММВС су¬ществуют три вида связей (рис.7.5): общее ОЗУ (ООЗУ); прямое управление, иначе связпроцессор - процессор;
Связь через ООЗУ значительно сильнее связи через ВЗУ, вследствие того, что про¬цессоры имеют прямой доступ к ОЗУ, хотя тоже информационная.
Непосредственная связь между процессорами - канал прямого управления - может быть не только информационной, но и командной.
Связь через адаптер канал - канал обеспечивает достаточно быстрый обмен инфор-мацией между ЭВМ, при этом обмен может производиться большими массивами инфор¬мации. Для ММВС с сателлитными связями ЭВМ характерным является не способ связи, а принципы взаимодействии ЭВМ, например, Основная ЭВМ (чаще более высокопроизводительная) предназна¬чена для основной обработки информации. Сателлитная (подчиненная меньшей произво¬дительности) осуществляет организацию обмена информацией основной ЭВМ с перифе¬рийными устройствами, ВЗУ, удаленными абонентами и т.д
Многопроцессорные вычислительные машины – система, включающая в себя два или более процессоров, имеющих общую ПО, общие перифирийные устройства и работающие по управлением одной ОС. Каждый процессор может иметь индивидуальные, доступные только ему ОЗУ и периферийные устройства.
Следует отметить, что МПВС в аппаратном плане значительно более сложны чем ММВС. При этом основная функция по организации вычислительного процесса возлагается на ОС, что значительно осложняет ее построение.
Достоинства:
Высокая производительность за счёт возможности гибкой организации параллельной обработки информации и более полной загрузки всего оборудования.
Существует три типа структурной организации МПВС: с общей шиной; с перекрестной коммутацией; с многовходовыми ОЗУ.
1. С общей шиной: все устройства соединяются общей шиной, по которой передаётся информация, адреса.
Достоинства: простота, доступность ОЗУ для всех устройств.
Недостатки: Невысокое быстродействие (обмен только между двумя устройствами).
2. С перекрёстной коммутацией: связывает друг с другом любую пару устройств, нарушение какой-то связи приводит не к выходу из строя всего комплекса, а отключение устройства
3. С многовходовым ОЗУ: всё, что связанно с коммутацией устройств, осуществляется в ОЗУ. Модули ОЗУ имеют число входов, равное числу устройств.