Кафедра автоматического управления. Введение

Предисловие

СОДЕРЖАНИЕ

ББК 32.965 я 7

УДК 681.518 (076)

Ганьшин Д.А., Антипова М.А.

Конспект лекций

Систем управления

Информационное обеспечение

Кафедра автоматического управления

Д.А.Ганьшин, М.А.Антипова

для студентов специальностей

53 01 03 «Автоматическое управление в технических системах»
и 53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических
системах»

Минск 2005

УДК 681.518 (076)

ББК 32.965 я 7

Г 19

Р е ц е н з е н т:

профессор кафедры электротехники Военной академии Республики Беларусь,

кандидат техн. наук, доцент. В.Е. Гурский

Г 19 Информационные обеспечение систем управления: Конспект лекций для студентов спец. 53 01 03 «Автоматическое управление в технических системах» и 53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических системах» всех форм обучения / Д.А Ганьшин, М.А. Антипова,– Мн.: БГУИР, 2005. – 61 с.

ISBN 985–444–503–8.

Конспект лекций включает следующие разделы: предисловие, ведение, дореляционная организация БД, основные понятия и функции СУБД, внутренняя организация СУБД, реляционный подход к организации БД, описание языка программирования БД – SQL, вопросы организации доступа прикладных программ к серверу БД и проектирование реляционных БД классическим методом нормализации отношений и более современным методом – семантического моделирования.

Представленный материал соответствует рабочей программе курса и излагается в соответствии с предоставленным количеством часов на изучение каждого раздела.

© Ганьшин Д.А, Антипова М.А

ISBN 985–444–503–8 © БГУИР, 2005

Предисловие4

Введение6

1. Дореляционная организация БД .. 8

2. ПОНЯТИЕ СУБД. ФУНКЦИИ. ВНУТРЕННЯЯ АРХИТЕКТУРА. 12

2.1. Функции СУБД. Типовая организация СУБД. 12

2.2. Типовая организация современной СУБД.. 17

3. ВНУТРЕННЯЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РЕЛЯЦИОННЫХ СУБД.. 18

3.1. Организация внешней памяти. 18

3.2. Управление транзакциями. 22

3.3. Изолированность пользователей. 23

3.3.1. Синхронизационные захваты.. 24

3.3.2. Метод временных меток. 28

4.4. Журнализация изменений БД.. 28

4. РЕЛЯЦИОННЫЙ ПОДХОД К ОРГАНИЗАЦИИ БАЗ ДАННЫХ.. 30

4.1.Недостатки реляционного подхода к организации БД. 30

4.2.Общие понятия реляционного подхода к организации БД. 31

4.2.Фундаментальные свойства отношений. 33

4.3.Реляционная модель данных. 34

4.4.Базисные средства манипулирования реляционными данными. 35

4.4.1.Реляционная алгебра. 36

4.4.2.Реляционное исчисление. 37

4.5. Выводы.. 38

5. ЯЗЫК SQL. 39

5.1. Общие сведения. 39

5.2. DDL: Операторы создания схемы базы данных. 40

5.3. DML. Операторы манипулирования данными. 41

6. Организация доступа прикладной программы к серверу базы данных.. 42

6.1. Общие сведения. 42

6.2. Использование специализированных библиотек и встраиваемого SQL. 43

6.3. CLI – интерфейс уровня вызовов. 45

6.4. ODBC – открытый интерфейс к БД на платформе MS Windows. 46

6.5. JDBC - мобильный интерфейс к базам данных на платформе Java. 47

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЛЯЦИОННЫХ БД.. 48

7.1. Постановка задачи проектирования. 48

7.2. Проектирование реляционных баз данных с использованием нормализации 49

7.3. Семантическое моделирование данных, ER-диаграммы.. 56

Литература.. 62

Предметом изучения курса «Информационное обеспечение систем управления» являются системы управления базами данных (СУБД).

В настоящее время программное обеспечение систем автоматизации в частности и систем управления в целом в большинстве случаев разрабатывается на базе или с использованием современных СУБД. Эта тенденция связана с потребностью в обработке и хранении больших объемов различных видов информации. Наибольшее практическое применение имеет создание СУБД для научной, отраслевой, экономической, технической, производственной информации.

Цель изучения данного курса – получение и систематизация знаний об основных идеях и методах создания современных реляционных систем управления базами данных. В курсе лекций не рассматривается какая-либо одна популярная СУБД, а представленный материал в равной степени относится к любой современной системе. Как показывает опыт, без знания основ проектирования баз данных трудно на профессиональном уровне работать с конкретными системами, как бы хорошо они не были документированы.

Вводная часть курса посвящена основным различиям между файловыми системами и системами управления базами данных. На основе анализа возможностей современных файловых систем выделяются области применения, в которых достаточно использовать только файлы, а также те области, для которых необходимы базы данных.

В первой части рассматриваются основные характеристики ранних дореляционных систем, вводятся некоторые ключевые для баз данных понятия.

Во второй части курса обсуждаются базовые функции системы управления базами данных и приводится ее типовая организация, а также затрагиваются вопросы организации современных СУБД.

Третья часть курса посвящается внутренней организации современных многопользовательских реляционных СУБД. Рассматриваются методы организации внешней памяти баз данных и применяемые структуры данных. Вводится понятие транзакции и анализируются известные способы управления асинхронно выполняемыми транзакциями. Обсуждаются потребности в журнализации изменений баз данных и связь алгоритмов журнализации с политикой управления буферами оперативной памяти. Наконец, рассматриваются способы применения журнальной и архивной информации для восстановления баз данных после различных сбоев.

Четвертая часть курса содержит информацию о реляционном подходе к проектированию БД. Вводятся основные понятия теории создания реляционных моделей данных, рассматриваются свойства отношений и два базовых механизма манипулирования данными: реляционная алгебра и реляционное исчисление.

В пятой части в общих чертах рассматривается язык запросов реляционных баз данных – SQL (Structured Query Language). Обсуждаются способы использования SQL при программировании прикладных систем и приводятся основные операторы для создания схем баз данных и манипулирования непосредственно самими данными.

В шестой главе частично рассмотрены вопросы практического программирования, освещены проблемы использования специализированных библиотек и встраиваемого SQL, описаны некоторые открытые интерфейсы, созданные для разработчиков на платформе MS Windows.

Седьмая глава затрагивает вопросы проектирования реляционных БД, в ней излагаются основные принципы нормализации, на которых основан классический метод разработки БД, а также описывается и более современный подход к проектированию реляционных баз данных, основанный на использовании семантических моделей данных.

С начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее применения.

Первое направление – применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, установлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.

Второе направление (которое непосредственно касается темы курса) – это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. В самом широком смысле информационная система представляет собой программный комплекс, функции которого состоят в поддержке надежного хранения информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно сложную структуру.

Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т.д.

Второе направление возникло несколько позже первого. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники компьютеры обладали ограниченными возможностями в области памяти. Понятно, что можно говорить о надежном и долговременном хранении информации только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электрического питания. Оперативная память этим свойством обычно не обладает. В начале использовались два вида устройств внешней памяти: магнитные ленты и барабаны. При этом емкость магнитных лент была достаточно велика, но по своей физической природе они обеспечивали последовательный доступ к данным. Магнитные же барабаны (они больше всего похожи на современные магнитные диски с фиксированными головками) давали возможность произвольного доступа к данными, но были ограниченного размера.

Указанные ограничения не были очень существенными для численных расчетов. Даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти, чтобы программа работала как можно быстрее.

С другой стороны, для информационных систем, в которых потребность в текущих данных определяется пользователем, наличие только магнитных лент и барабанов явилось неудовлетворительным фактором. Достаточно представить себе покупателя билета, который стоя у кассы должен дождаться полной перемотки магнитной ленты. Также одним из естественных требований к информационным системам является средняя скорость выполнения операций.

Вероятно, именно требования к вычислительной технике со стороны нечисленных приложений вызвали появление съемных магнитных дисков с подвижными головками, что явилось революцией в истории развития вычислительной техники. Эти устройства внешней памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны, обеспечивали удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволяла иметь практически неограниченный архив данных.

С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти. До этого каждая прикладная программа, которой требовалось хранить данные во внешней памяти, сама определяла расположение каждой порции данных на магнитной ленте или барабане и выполняла обмены между оперативной и внешней памятью с помощью программно–аппаратных средств низкого уровня (машинных команд или вызовов соответствующих программ операционной системы). Однако такой режим работы не позволяет или очень затрудняет поддержание на одном внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации данных во внешней памяти. Конечно, недостатки очевидны, но первый шаг был сделан и именно он послужил толчком к дальнейшему развитию автоматизированных систем управления информацией, разработке теоретического материала и прикладных программных продуктов в данной области.