Министерство науки и образования Российской Федерации

ГОУ ВПО

Дагестанский государственный технический университет

Методические указания

к выполнению лабораторных работ №1-4

по дисциплине

«Информационное обеспечение систем управления»

для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» и по дисциплине «Новые информационные технологии в системах управления» для студентов магистратуры направления 220400 - «Управление в технических системах» (для всех форм обучения).

Махачкала 2011

УДК 681.5.01(06)

Методические указания к выполнению лабораторных работ №1-4 по дисциплине «Информационное обеспечение систем управления» для студентов специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» и по дисциплине «Новые информационные технологии в системах управления» для студентов магистратуры направления 220400 – «Управление и информатика в технических системах» (для всех форм обучения). Махачкала, ДГТУ, 2011, с.43.

В методических указаниях приведены описание и порядок выполнения восьми лабораторных работ по курсам «Информационное обеспечение систем управления» и «Новые информационные технологии в системах управления». Содержание работ определено рабочей программой курса в соответствии с учебным планом специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах». В каждой лабораторной работе изложены краткие теоретические сведения, представлены задания и методики выполнения работ, приведены примеры выполнения работ в системе управления базами данных Microsoft Ассеss.

Составители: к.т.н., ст. преподаватель каф. УИТС У.А. Мусаева,

ассистент каф. УИТС В.Ш. Алимерденов.

Рецензенты: к.ф-м.н., доцент, зав.каф. Информатики Т.И. Исабекова

начальник отдела ААТ, ГУ ЦГА РД Мусаев Г.М.

Печатается по постановлению ученого Совета Дагестанского государственного технического университета от______________ 20__ г.

Введение

База данных – это файл специального формата, содержащий информацию, структурированную заданным образом.

Структура базы данных. Большинство баз данных имеют табличную структуру. Как мы знаем, в табличной структуре адрес данных определяется пересечением строк и столбцов. В базах данных столбцы называются полями, а строки – записями. Поля образуют структуру базы данных, а записи составляют информацию, которая в ней содержится. Для того чтобы легко усвоить понятие структуры базы данных, надо представить себе пустую базу, в которой пока еще нет никаких данных. Несмотря на то, что данных в базе нет, информация в ней все-таки есть. Это структура базы, т.е. набор полей. Они определяют, что будет записано в эту базу и, в каком виде.

Иерархическая модель.

Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев; более точно, из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева.

Тип дерева состоит из одного «корневого» типа записи и упорядоченного набора из нуля или более типов поддеревьев (каждое из которых является некоторым типом дерева). Тип дерева в целом представляет собой иерархически организованный набор типов записи [8].

Пример типа дерева (схемы иерархической БД) представлен на рис. 1.

Рис. 1. Пример схемы иерархической БД.

На рис. 1 ОТДЕЛ является предком для НАЧАЛЬНИК и СОТРУДНИКИ, а НАЧАЛЬНИК и СОТРУДНИКИ - потомки ОТДЕЛ. Между типами записи поддерживаются связи.

База данных с такой схемой могла бы выглядеть следующим образом (рис. 2, показан один экземпляр дерева) [8].

Все экземпляры данного типа потомка с общим экземпляром типа предка называются близнецами. Для БД определен полный порядок обхода - сверху-вниз, слева-направо.

Рис. 2. Реализация иерархической БД.

Примерами типичных операторов манипулирования иерархически организованными данными могут быть следующие [8]:

• Найти указанное дерево БД (например, отдел 42).

• Перейти от одного дерева к другому.

• Перейти от одной записи к другой внутри дерева (например, от отдела - к первому сотруднику).

• Перейти от одной записи к другой в порядке обхода иерархии.

• Вставить новую запись в указанную позицию.

• Удалить текущую запись.

Автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя. Заметим, что аналогичное поддержание целостности по ссылкам между записями, не входящими в одну иерархию, не поддерживается.

В иерархических системах поддерживалась некоторая форма представлений БД на основе ограничения иерархии. Примером представления приведенной выше БД может быть следующая иерархия (рис. 3) [8].

Рис. 3. Пример схемы иерархической БД.

Экземпляр дерева базы данных не обязательно должен содержать все свои сегменты. При необходимости можно добавлять или удалять экземпляры типов записей в соответствии с требованиями приложения.

Иерархическая структура реализует отношение ОДИН-КО-МНОГИМ между исходным и порожденным типами записей. Это отображение полностью функционально, т.к. дерево не может содержать порожденный узел без исходного узла (за исключением «корня»). Следовательно, отображения ОДИН-К-ОДНОМУ и ОДИН-КО-МНОГИМ могут непосредственно представляться иерархическими структурами. Однако для представления отображения МНОГИЕ-КО-МНОГИМ необходимо дублирование деревьев, а значит, реализация сложных связей требует больших затрат памяти.

Другой проблемой иерархий является невозможность хранения в БД порожденного узла без соответствующего исходного, т.е. в этом случае необходимо ввести пустой исходный узел. Соответственно удаление данного исходного узла влечет удаление всех порожденных узлов (поддеревьев), связанных в ним. Эти ограничения создают проблемы применения иерархической модели для некоторых приложений.

Сетевая модель. Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков. С точки зрения теории графов сетевой модели соответствует произвольный граф (возможно имеющий циклы и петли). В узлах графа помещаются типы записей, а ребра интерпретируются как связи между типами записей.

Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями, а если говорить более точно, из набора экземпляров каждого типа из заданного в схеме БД набора типов записи и набора экземпляров каждого типа из заданного набора типов связи [8].

Тип связи определяется для двух типов записи: предка и потомка. Экземпляр типа связи состоит из одного экземпляра типа записи предка и упорядоченного набора экземпляров типа записи потомка. Для данного типа связи L с типом записи предка Р и типом записи потомка С должны выполняться следующие два условия:

• каждый экземпляр типа Р является предком только в одном экземпляре L;

• каждый экземпляр С является потомком не более, чем в одном экземпляре L.

На формирование типов связи не накладываются особые ограничения; возможны, например, следующие ситуации [8].

А. Тип записи потомка в одном типе связи L1 может

быть типом записи предка в другом типе связи L2

(как в иерархии).

В. Данный тип записи Р может быть типом записи предка в любом числе типов связи.

С. Данный тип записи Р может быть типом записи потомка в любом числе типов связи.

D. Может существовать любое число типов связи с одним и тем же типом записи предка и одним и тем же типом записи потомка; и если L1 и L2 - два типа связи с одним и тем же типом записи предка Р и одним и тем же типом записи потомка С, то правила, по которым образуется родство, в разных связях могут различаться.

Е. Типы записи X и У могут быть предком и потомком в одной связи и потомком и предком - в другой.

F. Предок и потомок могут быть одного типа записи.

Простой пример сетевой схемы БД приведен на рис. 5.

Рис. 5. Пример схемы сетевой БД.

Примерный набор операций при использовании сетевой модели может быть следующим [8].

• Найти конкретную запись в наборе однотипных записей (инженера Петрова).

• Перейти от предка к первому потомку по некоторой связи (к первому сотруднику отдела 42).

• Перейти к следующему потомку в некоторой связи (от Петрова к Иванову).

• Перейти от потомка к предку по некоторой связи (найти отдел Петрова).

• Создать новую запись.

• Уничтожить запись,

• Модифицировать запись.

• Включить в связь.

• Исключить из связи.

• Переставить в другую связь и т. д.

Реляционная модель. В конце 60-х годов появились работы, в которых обсуждались возможности применения различных табличных даталогических моделей данных, т.е. возможности использования привычных и естественных способов представления данных. Наиболее значительной из них была статья сотрудника фирмы IBM д-ра Э. Кодда (Codd E.F. A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. CACM 13: 6, June 1970), где, вероятно, впервые был применен термин «реляционная модель данных».

Будучи математиком по образованию Э.Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение – relation (англ.) [2, 5, 7, 10].

Наименьшая единица данных реляционной модели – это отдельное атомарное (неразложимое) для данной модели значение данных. Так, в одной предметной области фамилия, имя и отчество могут рассматриваться как единое значение, а в другой – как три различных значения.

Доменом называется множество атомарных значений одного и того же типа. Так, на рис. 2.23 домен пунктов отправления (назначения) – множество названий населенных пунктов, а домен номеров рейса – множество целых положительных чисел.

Смысл доменов состоит в следующем. Если значения двух атрибутов берутся из одного и того же домена, то, вероятно, имеют смысл сравнения, использующие эти два атрибута (например, для организации транзитного рейса можно дать запрос «Выдать рейсы, в которых время вылета из Москвы в Сочи больше времени прибытия из Архангельска в Москву»), Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла: стоит ли сравнивать номер рейса со стоимостью билета?

Отношение на доменах D₁, D₂, ..., D_п (не обязательно, чтобы все они были различны) состоит из заголовка и тела. На рис. 6 приведен пример отношения для расписания движения самолетов.

Рис. 6. Отношение в реляционной модели.

Заголовок состоит из такого фиксированного множества атрибутов А₁, А₂, ..., А_п, что существует взаимно однозначное соответствие между этими атрибутами А_i и определяющими их доменами D_i = (i=1, 2, ..., n).

Тело состоит из меняющегося во времени множества кортежей, где каждый кортеж состоит в свою очередь из множества пар атрибут-значение (А_i:V_i), (i=1, 2, ..., n), по одной такой паре для каждого атрибута А_i в заголовке. Для любой заданной пары атрибут-значение (А_i:V_i) V_i является значением из единственного домена D_i, который связан с атрибутом А_i.

Степень отношения – это число его атрибутов. Отношение степени один называют унарным, степени два - бинарным, степени три – тернарным, ..., а степени n – n-арным,

Кардинальное число или мощность отношения – это число его кортежей. Кардинальное число отношения изменяется во времени в отличие от его степени.

Изменение кардинального числа отношения связано с изменением состояния отношения.

Поскольку отношение – это множество, а множества по определению не содержат совпадающих элементов, то никакие два кортежа отношения не могут быть дубликатами друг друга в любой произвольно-заданный момент времени. Пусть R – отношение с атрибутами А₁, А₂, ..., А_п. Говорят, что множество атрибутов К=(А_i, А_j, ..., А_k) отношения R является возможным ключом R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия [5].

1. Уникальность: в произвольный заданный момент времени никакие два различных кортежа R не имеют одного и того же значения для А_i, А_j, ..., А_k

2. Минимальность: ни один из атрибутов А_i, А_j, ..., А_k не может быть исключен из К без нарушения уникальности.

Каждое отношение обладает хотя бы одним возможным ключом, поскольку, по меньшей мере, комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из возможных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

Вышеупомянутые и некоторые другие математические понятия явились теоретической базой для создания реляционных СУБД, разработки соответствующих языковых средств и программных систем, обеспечивающих их высокую производительность, и создания основ теории проектирования баз данных. Однако для массового пользователя реляционных СУБД можно использовать неформальные эквиваленты этих понятий:

Отношение – Таблица (иногда Файл),

Кортеж – Строка (иногда Запись),

Атрибут - Столбец, Поле.

При этом принимается, что «запись» означает «экземпляр записи», а «поле» означает «имя и тип поля».

Математическое определение реляционной модели приводится в [10, 17].

Отношение рассматривается как подмножество декартова произведения доменов.

Декартовым произведение доменов D₁, D₂, ..., D_k

где …, называется множество всех кортежей длины k, т. е. состоящих из k элементов – по одному из каждого домена D_i.

Декартово произведение позволяет получить все возможные комбинации элементов исходных множеств – элементов рассматриваемых доменов.

Отношением К на множествах D₁, D₂, ..., D_k называется подмножество декартова произведения D=D₁ х D₂ х ...х D_K. Отношение R, определенное на множествах D₁,D₂, ..., D_K (причем не обязательно, чтобы эти множества были различными), есть некоторое множество кортежей арности k: (d_1.i1, d_2.i2, …, d_i,ik), таких, что d_1.i1 принадлежит D₁, d_2.i2 - D₂ и т.д.:

Элементами отношения являются кортежи. Арность кортежа определяет арность отношения. Поскольку отношение есть множество, то в нем не должны встречаться одинаковые кортежи и порядок кортежей в отношении несуществен.

Отношение может использоваться двояко:

1. для представления набора объектов;

2. для представления связей между наборами объектов.

Для представления набора объектов атрибуты интерпретируются столбцами отношения. Множество допустимых значений атрибута интерпретируется соответствующим доменом. Каждый кортеж отношения выполняет роль описания отдельного объекта из набора. Отношение выполняет роль описания всего набора объектов.

Отношение также используется для представления связей между наборами объектов. В этом случае кортеж в отношении К связь между объектами. Чтобы реализовать такую ситуацию, каждому столбцу отношения ставится в соответствие ключевой атрибут соответствующего набора объектов.

Список имен атрибутов отношения называется схемой отношения. Если отношение называется R и его схема имеет атрибуты с именами А₁, А₂, ..., А_k, то схема отношения

R(A₁, А₂, ..., А_k).

Реляционная база данных – это набор экземпляров конечных отношений. Схему реляционной БД можно представить в виде совокупности схем отношений

Другими словами - реляционная база данных - это совокупность отношений, содержащих всю информацию, которая должна храниться в БД. Однако пользователи могут воспринимать такую базу данных как совокупность таблиц. Так на рис. 7 показаны таблицы базы данных, построенные по инфологической модели базы данных «Питание» (прил. 4) [5].

Рис. 7. База данных «Питание».

1. Каждая таблица состоит из однотипных строк и имеет уникальное имя.

2. Строки имеют фиксированное число полей (столбцов) и значений (множественные поля и повторяющиеся группы недопустимы). Иначе говоря, в каждой позиции таблицы на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно атомарное значение или ничего.

3. Строки таблицы обязательно отличаются друг от друга хотя бы единственным значением, что позволяет однозначно идентифицировать любую строку такой таблицы.

4. Столбцам таблицы однозначно присваиваются имена, и в каждом из них размещаются однородные значения данных (даты, фамилии, целые числа или денежные суммы).

5. Полное информационное содержание базы данных представляется в виде явных значений данных, и такой метод представления является единственным. В частности, не существует каких-либо специальных «связей» или указателей, соединяющих одну таблицу с другой. Так, связи между строкой с БЛ=2 таблицы «Блюда» на рис. 7 и строкой с ПР=7 таблицы продукты (для приготовления Харчо нужен Рис), представляется не с помощью указателей, а благодаря существованию в таблице «Состав» строки, в которой номер блюда равен 2, а номер продукта - 7.

6. При выполнении операций с таблицей ее строки и столбцы можно обрабатывать в любом порядке безотносительно к их информационному содержанию. Этому способствует наличие имен таблиц и их столбцов, а также возможность выделения любой их строки или любого набора строк с указанными признаками.

Простейшие базы данных. Простейшие базы можно создавать, не прибегая к специальным программным средствам. Чтобы файл считался базой данных, информация в нем должна иметь структуру (поля) и быть форматирована так, чтобы содержимое соседних полей легко различалось. Простейшие базы можно создавать даже в текстовом редакторе «Блокнот», т.е. обычный текстовый файл при определенном форматировании тоже может считаться базой данных. Существует, по крайней мере, два формата текстовых баз данных: с заданным разделителем; с фиксированной длиной поля. Несмотря на «примитивность» таких текстовых баз данных, мощные системы управления базами данных позволяют импортировать подобные файлы и преобразовывать их в «настоящие» базы данных.

СУБД Access. Системы управления базами данных (СУБД) – это программные средства, с помощью которых можно создавать базы данных, наполнять их и работать с ними. В мире существует немало различных систем управления базами данных. Многие из них на самом деле являются не законченными продуктами, а специализированными языками программирования, с помощью которых каждый, освоивший данный язык, может сам создавать такие структуры, какие ему удобны, и вводить в них необходимые элементы управления. К подобным языкам относятся Clipper, Paradox, FoxPro и др. Необходимость программировать всегда сдерживала широкое внедрение баз данных в малом бизнесе. Крупные предприятия могли позволить себе сделать заказ на программирование специализированной системы «под себя». Малым предприятиям зачастую не по силам было не только решить, но даже и правильно сформулировать эту задачу. Положение изменилось с появлением в составе пакета Microsoft Office системы управления базами данных Access. С помощью Access обычные пользователи получили удобное средство для создания и эксплуатации достаточно мощных баз данных без необходимости что-либо программировать. В то же время работа с Access не исключает возможности программирования. Еще одним достоинством Access является интегрированность этой программы с Excel, Word и другими программами пакета Office. Данные, созданные в разных приложениях, входящих в этот пакет, легко импортируются и экспортируются из одного приложения в другое. Несмотря на появление новых технологий в области управления базами данных (БД) и новых систем управления БД (СУБД), Microsoft Access остается одним из наиболее популярных продуктов в этой области. Это прежде всего связано с тем, что Microsoft при создании новых версий сохраняет совместимость с предыдущими версиями. Кроме того, Microsoft Access предлагает пользователю дружественный интерфейс и во многих случаях обеспечивает интуитивное понимание пути решения поставленных задач и возникающих проблем.

В последнее время наибольшее распространение получили реляционные БД (РБД). В них информация хранится в одной или нескольких таблицах. Связь между таблицами осуществляется посредством значений одного или нескольких совпадающих полей.

Каждая строка таблицы в РБД уникальна. Для обеспечения уникальности строк используются ключи, которые содержат одно или несколько полей таблицы. Ключи хранятся в упорядоченном виде, что обеспечивает прямой доступ к записям во время поиска.

Для взаимодействия пользователя с БД используются СУБД. Современные СУБД содержат:

1. набор средств для поддержки таблиц и отношений между связанными таблицами;

2. развитый пользовательский интерфейс, который позволяет вводить и модифицировать информацию. Выполнять поиск и представлять информацию в текстовом или графическом виде;

3. средства программирования высокого уровня, с помощью которых можно создать собственные приложения.