Контрольные вопросы

1.Основные функции операционных систем.

2.Каковы общие принципы организации структуры и функцио­ нирования операционных систем?

3.Раскройте сущность файловой системы.

4.Операционная система MS DOS, ее особенности и возможности.

5.Особенности ОС Windows, ее эволюционные изменения, стан­ дартный графический интерфейс.

6.Стандартный интерфейс Windows и общие технологические принципы работы в этой ОС.

7.Основные характеристики операционной системы UNIX.

8.Операционная система Linux.

9.Новые возможности операционной системы Windows Vista.

ЛЕКЦИЯ 7

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР

Информационное обеспечение (ИО) САПР включает в себя со­ вокупность сведений, необходимых для поддержания процесса авто­ матизированного проектирования, а также традиционные средства формирования и обновления информационных массивов, алгоритмы оптимального размещения и поиска информации.

Назначение ИО: организация хранения информации; поиск ин­ формации; обеспечение защиты информации от несанкционирован­ ного доступа; удобство и своевременность представления необходи­ мых сведений непосредственному исполнителю для проектирования.

Основная задача ИО САПР - удовлетворение информационных потребностей проектировщика и отдельных компонентов САПР.

Как отмечалось ранее, основу ИО САПР составляет банк данных (БНД) - сложная информационно-программная система, состоящая из одной или нескольких баз данных (БД), системы управления базами данных (СУБД), баз знаний (БЗ) и экспертных систем (ЭС).

§1. Б а з ы д а н н ы х

В общем случае базой данных (БД) называют совокупность данных из какой-либо предметной области, организованных опре­ деленным образом. БД играют особую роль в современном мире. Все, с чем мы ежедневно сталкиваемся в жизни, скорее всего, заре­ гистрировано в той или иной базе.

Данные, которыми пользуются проектировщики в процессе своей работы, можно подразделить.

2. Входные данные - исходная информация, необходимая для проектирования: содержание технического задания (параметры про­ ектируемого объекта, технические нормативы, специальные условия); материалы инженерных изысканий (геодезических, инженерно-геоло­ гических, экологических и др.); нормативно-справочная информация

(содержание стандартов и норм проектирования, сведения справочно­ го характера о материалах, строительных конструкциях, типовых про­ ектных решениях); сведения, отражающие инженерный опыт, вопросы теории и описания методов расчета;

2.Промежуточные данные, которые накапливаются в ходе работы САПР и могут быть исходными для другого процесса.

3.Выходные данные - это результаты проектирования, а имен­ но: принятые проектные решения, проектные документы.

Конечно, вся эта информация может храниться и на бумаге, но современным средством хранения и обработки БД является компь­ ютер, и в дальнейшем речь будет идти о компьютерных БД.

Компьютерная Б Д - это файл (или файлы) специального формата, содержащий информацию, структурированную заданным образом, предназначенную для длительного хранения во внешней памяти ЭВМ и постоянного применения. Доступ к компьютерной БД возможен, как со стороны пользователей, так и со стороны при­ кладных программ.

База банных может полностью храниться на одном компьютере {локальная БД) или различные части одной базы данных хранятся на нескольких компьютерах, объединенных сетью {распределенная БД).

Применение баз данных в САПР позволяет решать следующие проблемы организации и ведения больших массивов информации:

1)сокращение избыточности, т.е. сокращение дублирования ин­ формации, в идеале - один экземпляр; 2) обеспечение целостности, т.е. наличие в БД лишь достоверных данных; 3) разграничение дос­ тупа пользователей к данным и обеспечение секретности; 4) обеспе­ чение независимости представления данных в прикладных про­ граммах от типов запоминающих устройств и способов их физиче­ ской организации; 5) возможность расширения БД.

1. Основные структуры данных

При построении компьютерной БД используется структури­ рованная совокупность данных. Структуры данных, обрабатывае­ мых ПО САПР, чрезвычайно разнообразны. Поэтому эффективная реализация методов и алгоритмов автоматизированного проектиро­ вания требует глубокого знания основных способов представления

данных в ЭВМ. Рассмотрим основные способы структурирования данных.

Элементарными структурами данных являются константа и пе­ ременная. Константа характеризуется фиксированными именем, типом и значением. Переменная имеет фиксированное имя и тип, но переменное значение.

Массив- конечное множество переменных единого фиксиро­ ванного типа, объединенных единым фиксированным именем. Ссыл­ ка на отдельные переменные массива осуществляется посредством имени массива и одного или нескольких индексов. Эта структура на­ ходит широкое применение в ПО подсистем машинной графики и диалогового взаимодействия человека и ЭВМ, а также при реали­ зации численных методов в прикладных программных комплексах.

Запись — структура данных, позволяющая группировать дан­ ные различных типов. Запись состоит из ряда поименованных по­ лей, каждое поле определяется как переменная, массив или запись более низкого уровня иерархии, обладающая своими полями с раз­ ными типами данных. Доступ к информации, содержащейся в запи­ си, осуществляется с помощью составных имен.

Таблица - объединение структур данных типа «запись». Таблица аналогична двухмерному массиву, но ее столбцы (поля) могут иметь разные типы. Примеры некоторых типов полей приведены в табл. 7.1.

Фрейм- структура данных для преставления знаний в кон­ кретных предметных областях. Подобно записи, фрейм состоит из отдельных полей (ячеек), заполненных содержательными понятия­ ми предметной области. Поля фрейма связаны между собой отно­ шениями, реализованными обычно в виде отдельных процедур.

Пример фрейма. Для представления знаний о сборной ж/б плите пе­ рекрытия может использоваться фрейм ПЛИТА. Поля этого фрейма - тип (пустотная, ребристая, плоская), высота, нагрузка, класс бетона, класс арматуры, назначение (гражданское или промышленное здание) и дру­ гие. Отношениями в этом фрейме будут уравнения, составляющие мате­ матическую модель плиты. Фреймы ПЛИТА, КОЛОННА и другие, объе­ диненные в сеть, составляют модель предметной области САПР «Строи­ тельные конструкции».

Существуют и другие структуры данных: стек, очередь, список, дерево, а комбинация рассмотренных структур позволяет организо­ вывать новые структуры.

При построении компьютерной БД следует отметить два уров­ ня представления данных: физический и логический.

Физический уровень отражает способ хранения и структуру дан­ ных с учетом их расположения на носителях информации в запоми­ нающих устройствах ЭВМ.

На логическом уровне данные представляются в виде, удобном для использования в прикладных программах или непосредственно проектировщиками при отборе нужной информации.

2. Модели представления данных

Модель данных - формализованное описание, отражающее со­ став и типы данных, а также взаимосвязи между ними.

По способам установления связей между данными (на логиче­ ском уровне) различают модели:

♦иерархическую,

♦реляционную,

♦сетевую и др.

Иерархическая модель была исторически первой для описа­ ния данных в БД. В ней структура отражаемых связей между дан­ ными представляется в виде дерева (рис. 7.1). Дерево или древовид­ ная структура иерархической модели - это ориентированный граф, не содержащий циклов. В иерархической БД связи направлены только от верхних вершин к нижним. В ориентированном графе вы­ деляют такие типы вершин, как корень и лист.

Корень - это вершина, имеющая одну или несколько исходя­ щих дуг (ветвей дерева) и ни одной входящей. Лист - это вершина, имеющая одну или несколько входящих дуг и ни одной исходящей. Вершину графа, не являющуюся ни корнем, ни листом, называют

узлом ветвления.

Корень

/

Рис. 7.1. Иерархическая модель

Основные понятия данной модели: запись (или сегмент) и ие­ рархические отношения. Сегментом называются вершины дерева. Иерархическое отношение (ветвь дерева) соединяет 2 типа записей: родительской и порожденной и представляет собой множество свя­ зей между экземплярами записей этих двух типов. В иерархической

структуре связи направлены только от верхних вершин к нижним, обратные связи отсутствуют. Между родительской и порожденны­ ми записями может существовать отношение - «один ко многим» или «один к одному».

На рис. 7.1. показана типичная иерархическая структура, в ко­ торой исходный родительский элемент (Фирма А) порождает дру­ гие элементы (виды продукции), причем эти элементы, в свою оче­ редь, порождают следующие элементы (технологические схемы TCI, ТС2, ТСЗ), а они соответственно - цены продукции (500, 600, 350, 400, 450).

Достоинства модели: высокая скорость манипулирования дан­ ными; низкие затраты на реализацию БД.

Недостатки: отсутствие математической основы построения модели; неполнота модели, т.к. не каждая предметная область может быть представлена этой моделью; неравнозначность данных, так как данные на нижних уровнях иерархического дерева подчинены дан­ ным на верхних уровнях; возможность представления связей только «один к одному» и «один ко многим»; сложность обновления БД.

Примером иерархической структуры в виде дерева служит схема управления большинства организаций.

2.2.Сетевая модель данных

Всетевой модели данные и их связи имеют структуру произ­ вольного графа. Здесь порожденный узел может иметь два (или бо­ лее) родительских. Сетевая структура содержит логические связи «один ко многим», «многие к одному», «многие ко многим». Наибо­ лее известными примерами использования сетевых моделей явля­ ются сетевые графики, широко применяемые в организации управ­ ления, или глобальная сеть Интернета. Иллюстрацией этой модели является пример, приведенный на рис. 7.2.

Достоинства модели: возможность эффективной реализации по затратам памяти и оперативности; более высокий уровень пол­ ноты по сравнению с иерархической моделью.

Недостатки: отсутствие математической теории построения модели; высокая сложность и жесткость БД.

Карьеры

Рис. 7.2. Сетевая модель упрощенной БД производства

железобетонных плит

2.3. Реляционная модель данных

Реляционная модель данных является простейшей и наиболее привычной формой представления данных в виде таблицы (или не­ скольких, связанных между собой таблиц), состоящей из фиксиро­ ванного числа столбцов и некоторого переменного числа строк (рис. 7.3). Столбцы в реляционной БД принято называть полями (иногда их называют атрибутами объекта), а строки - записями. Поля образуют структуру БД, а записи составляют ту информацию, которая в ней содержится. Каждое поле таблицы имеет свое уни­ кальное имя и тип данных (см. табл. 7.1). Записи БД могут включать незаполняемые при вводе поля. Их значения могут быть получены в результате выполнения арифметических или других операций.

Такая форма представления данных привычна для специали­ ста, пользующегося различной справочной литературой, (например СНИПы в строительном проектировании).

Достоинства реляционной модели данных: наличие строгой математической теории построения модели; полнота модели; рав­

нозначность данных; сравнительная простота инструментальных средств ее поддержки и обновления.

Недостатки', жесткость структуры данных; запрет дублика­ тов строк; зависимость скорости работы от размера БД; большие затраты на реализацию модели. Пример реляционной БД приведен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Реляционная модель данных

В теории множеств таблице соответствует термин отношение (relation), который и дал название модели. Для нее имеется развитый математический аппарат- реляционное исчисление и реляционная алгебра, где для БД определены такие теоретико-множественные операции, как объединение, пересечение, соединение и другие.

Реляционная алгебра позволяет описывать последовательность операций над отношениями (таблицами), а реляционное исчисление - вид выходного документа. Оперирование отношениями предполагает просмотр всех записей в таблицах.

2.4. Ключевые поля и типы связей

Сила реляционных БД заключается в том, что в них можно бы­ стро найти и связать данные из разных таблиц. Для этого каждая таблица должна содержать одно или несколько полей, однозначно идентифицирующих каждую запись в таблице. Это называется клю­ чевым полем таблицы или первичным ключом.

Ключ - уникальное имя записи.

Можно выделить три типа ключевых полей:

1.Ключевые поля счетчика можно задать таким образом, что­ бы при добавлении каждой записи в таблицу в это поле автоматиче­ ски вносилось порядковое число. При удалении записи это число не восстанавливается, тем самым сохраняется однозначная идентифи­ кация записей.

2.Простой ключ: если поле содержит уникальные значения, такие как коды или инвентарные номера, то это поле можно опре­ делить как ключевое.

3.Составной ключ: в случаях, когда невозможно гарантировать уникальность значений каждого поля (например, поля ФАМИЛИЯ), существует возможность создать ключ, состоящий из нескольких по­ лей (например, ФАМИЛИЯ+ИМЯ+ОТЧЕСТВО).

Бывают и вторичные ключи, которые могут и не быть уникаль­ ными (т.е. допускаются повторы). Эти ключи служат для организа­ ции поиска по определенным полям. Например в БД «Адресная книга» поле ТЕЛЕФОН может быть вторичным ключом.

Существует также понятие внешнего ключа. С помощью внеш­ них ключей устанавливаются связи между таблицами.

Межтабличная связь - отношение, установленное между поля­ ми (столбцами) двух таблиц. Добавив поле кода из одной таблицы

вдругую (см. рис. 7.3) и определив связь, можно работать с данными из обеих таблиц.

Связи между объектами обусловлены смыслом задачи и не за­ висят от произвола разработчика БД. Основные типы связей в ре­ ляционной БД: «один к одному» (1:1); «один ко многим» (1:N); «многие к одному» (N: 1); «многие ко многим» (N:M). При отноше­ нии «один-к-одному» запись в таблице А может иметь не более одной связанной записи в таблице В, и наоборот (рис. 7.4).

В связи с отношением «один-ко-многим» каждой записи в таблице А могут соответствовать несколько записей в таблице В, а запись в таблице В не может иметь более одной соответствую­ щей ей записи в таблице А (рис. 7.5).