Банки данных

Наиболее высокой формой организации информационного обеспечения для больших систем являются банки данных, представляющие собой совокупность средств для централизованного накопления и коллективного использования данных в САПР. Банк данных является проблемно-ориентированной информационно-справочной системой, которая обеспечивает ввод необходимой информации, автономное от конкретных задач ведение и сохранение информационных массивов и выдачу необходимой информации по запросу пользователя или программы. Банк данных может быть определен как система программных, языковых, организационных и технических средств, предназначенных для хранения и многоцелевого использования информации.

Банки данных должны обеспечивать:

сокращение времени поиска данных;

многократность использования данных;

простоту и удобство обращения к данным пользователей;

достоверность хранения данных.

Основными частями банка данных является база данных (БД), Представляющая собой систематизированные взаимосвязанные совокупности данных, и система управления базами данных (СУБД), обеспечивающая необходимые манипуляции с информационными массивами.

Множество данных, которые потенциально могут использоваться при функционировании САПР или являются запоминаемым результатом ее работы, образует БД системы.

База данных — сами данные, находящиеся в запоминающих устройствах ЭВМ и структурированные в соответствии с принятыми в данном банке данных правилами.

Система управления базами данных — совокупность программных средств, обеспечивающих функционирование банка данных. С помощью СУБД производятся запись данных в БД, их выборка по запросам пользователей и прикладных программ, обеспечивается защита данных от искажений и несанкционированного доступа и т. п.

Файлы данных чаще всего специально создаются для использования конкретными программами (подпрограммами), которые реализуют ввод данных из файла в строго определенной последовательности.

К недостаткам размещения данных, необходимых предметной САПР, в файлах данных можно отнести следующие.

Избыточность данных. Некоторые элементы данных, необходимых САПР, неизбежно используются во многих прикладных программах. Поскольку данные требуются нескольким прикладным программам, они часто записываются в несколько файлов, при этом одни и те же данные хранятся в разных местах. Такое положение называют избыточностью данных. Оно делает проблематичным обеспечение непротиворечивости данных и обусловливает еще один недостаток — сложность в управлении.

Проблемы непротиворечивости данных. Одной из причин нарушения непротиворечивости данных является их избыточность, что связано с хранением одной и той же информации в нескольких местах. При необходимости обновления информации ее нужно изменить во всех файлах, что бывает затруднительно. В результате об одном и том же объекте предметной области в разных местах хранится различная информация.

Ограничения по доступности данных. В современных условиях лицо

с соответствующими правами доступа должно иметь возможность

получить данные за приемлемый отрезок времени. Если же данные содержатся в разных файлах, доступность данных, комбинируемых из этих файлов, ограничена. —

Для решения вышеуказанных проблем были разработаны системы с базами данных, представляющими собой совокупность специально организованных данных, рассчитанных на применение в большом количестве прикладных программ конкретной предметной области, работа с которыми обеспечивается специальным пакетами

прикладных программ — системой управления базой данных с целью создания массивов данных, их обновления и получения справок. Основное отличие БД от файла данных состоит в том, что файл данных может иметь несколько назначений, но соответствует одному представлению о хранимых данных; БД также имеет несколько назначений, но соответствует различным представлениям о хранимых данных.

Программный модуль, входящий в состав САПР, при своей работе обращается за необходимой информацией не к какому-то массиву информации, как это имело место в автономных программах, а к СУБД. Последняя организует поиск необходимой информации в сложной информационной структуре — БД, упорядочивание и представление этой информации в необходимом объеме соответствующему модулю.

Различие в методах использования файлов данных и БД проиллюстрировано на рис. 4.1 и 4.2.

Основные требования к БД следующие:

• целостность данных — их непротиворечивость и достоверность;

• универсальность, т. е. наличие в БД всех необходимых данных и возможность доступа к ним в процессе решения проектной задачи;

• открытость БД для внесения в нее новой информации;

• наличие языков высокого уровня взаимодействия пользователей с БД;

• секретность, т. е. невозможность несанкционированного доступа к информации и ее изменений;

• оптимизация организации БД — минимизация избыточности

данных.

Одним из принципов построения САПР является информационная согласованность частей ее программного обеспечения, т. е. пригодность результатов выполнения одной проектной процедуры для использования другой проектной процедурой без их трудоемкого ручного преобразования пользователем. Отсюда вытекают следующие условия информационной согласованности:

• использование программами одной и той же подсистемы САПР единой БД;

• использование единого внутреннего языка для представления данных.

Комплексная автоматизация процесса проектирования объекта предполагает информационную согласованность не только отдельных программ подсистем САПР, но и самих подсистем между собой. Способом достижения этой согласованности является единство информационного обеспечения.

Основные способы информационного согласования подсистем САПР достигаются либо созданием единой БД, либо сопряжением нескольких БД с помощью специальных программ, которые перекодируют информацию, приводя ее к требуемому виду.

Сложность разработки БД определяется тем, что формирование структуры БД возможно только после разработки алгоритмов, реализуемых при проектировании. При этом необходимо, чтобы степень разработки алгоритмов была доведена до машинной реализации, так как структура БД должна учитывать специфику автоматизированного преобразования информации при решении проектных задач с целью эффективного использования вычислительной техники. Однако для разработки программ необходимы сведения о структуре БД. Следовательно, информационное обеспечение САПР и специальное программное обеспечение должны создаваться параллельно.

Информация, имеющая место при проектировании, может быть разделена на статическую и динамическую (рис. 4.3).

Статическая информация характеризуется сравнительно редкими изменениями и используется только в режиме чтения. К этой информации следует отнести данные технического задания на проектирование и справочные данные, которые характеризуются большим объемом. Формирование, загрузка и корректировка справочных данных осуществляются исключительно администратором базы данных, т. е. программистом системного профиля, формирующим БД. Объем данных технического задания на проектируемый объект значительно меньше объема справочных данных. Круг лиц, имеющих право вносить изменения в данные технического задания, более ограничен, чем круг лиц, имеющих право производить корректировку справочных данных.

Динамическая информация состоит из данных, накапливаемых для выполнения определенных процессов проектирования (промежуточные данные), и данных, представляющих собой результат проектирования при выполнении этих процессов. Промежуточные данные меняются при функционировании САПР. Вносить же коррективы в проектные результаты имеет право только главный конструктор проекта при соответствующем обосновании.

Широко используется в САПР фактографическая информация, составляющая основу БД. Эта информация представляет собой числовые и буквенные справочные данные о материалах, ценах, комплектующих изделиях, спроектированных в САПР объектах, их зарубежных и отечественных аналогах и т. п. Сюда же относятся данные, необходимые для выполнения расчетов: коэффициенты, таблицы, аппроксимированные графические зависимости и т.д.

При формировании БД в первую очередь надлежит исследовать информацию, необходимую для решения проектно-конструкторских задач. К этому исследованию следует подходить с двух позиций: с точки зрения полезности информации и с позиции эффективности обработки информации и пропускной способности вычислительной техники и человека.

Как уже отмечалось выше, части программного обеспечения и методы, осуществляющие управление базой данных, составляют СУБД, которая допускает множество различных представлений о хранимых данных, а также позволяет прикладным программам работать с БД без знания конкретного способа размещения данных в памяти ЭВМ. СУБД выступает как совокупность программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями и должна обеспечивать:

эффективное выполнение различных функций предметной области;

простоту физической реализации БД;

возможность централизованного и децентрализованного управления БД;

минимизацию избыточности хранимых данных;

предоставление пользователю по запросам непротиворечивой информации;

простоту разработки, ведение и совершенствование прикладных программ.

СУБД реализует два интерфейса:

• между логическими структурами данных в программах и БД;

• между логической и физической структурами БД.

Структурная схема СУБД приведена на рис. 4.4.

Манипулятор является ядром СУБД. В его функции входит управление компонентами системы, организация их взаимодействия и осуществление связи с операционной системой ЭВМ и администратором банка данных, выполнение основных операций над БД, контроль и защита целостности и секретности данных, редактирование вывода, кодирование (декодирование) и сжатие (расширение) данных, сбор статистики и ведение протокола.

Администратор банка данных осуществляет внешнюю координацию всей работы банка данных и выполняет действия, пока не поддающиеся формализации. Прежде всего он отвечает за разработку концептуальной модели предметной области, описывающей все представляющие интерес объекты и взаимосвязи. Концептуальная модель должна быть трансформирована в модель данных, поддерживаемую конкретной СУБД. Следовательно, администратору необходимо спроектировать логическую модель. Наконец, исходя из логической модели, он должен спроектировать физическую (внутреннюю) модель, которая будет обеспечивать требуемые операционные характеристики. Таким образом, в его функции входит создание БД, согласование требований пользователей, управление загрузкой баз, распределение паролей; общее управление работой банка данных (наблюдение за ходом работы, подключение новых пользователей, управление восстановлением при сбоях, принятие решений в случае нарушений секретности, анализ статистики, оценка и обеспечение эффективности работы БД); реорганизация БД (изменение схем, реорганизация баз); генерация и развитие СУБД.

Администратор и манипулятор выполняют свои функции, взаимодействуя с сервисными программами. Ряд сервисных программ допускает двойной запуск: автоматически со стороны манипулятора БД и вручную со стороны администратора, другие запускаются только администратором БД (например, программы моделирования БД). Администратор БД может пополнять набор новыми сервисными программами (контроля данных, измерения производительности и т.д.).

Сервисные программы осуществляют основные операции над БД, в частности сортировку, выборку данных, слияние, дополнение и изменение БД, редактирование ответов.

При функционировании банка данных различают следующие основные виды запросов к банку со стороны пользователей: на выдачу справок в виде показателей и документов для пользователей системы;

формирование и выдачу рабочих массивов для прикладных программ САПР;

выдачу рабочих массивов со стороны других банков данных;

пополнение или изменение БД;

ввод входных массивов.

Поступивший в банк данных запрос проходит этап предварительной обработки, на котором осуществляется синтаксический и логический контроль, включающий проверку пароля абонентов, недопустимых сочетаний признаков и т.д. При обнаружении ошибок запрос к дальнейшей обработке не принимается, а на печать выдается информация об ошибках.

Следующий этап — интерпретация запроса — состоит в распознавании вида запроса: на выдачу показателя и документов, на формирование рабочих массивов, на изменение или пополнение БД. На этом этапе запрос с языка запросов переводится на язык манипулирования данными.

В соответствии с поисковым предписанием происходят обращение к рабочей области в памяти и выборка искомых данных или корректировка данных в базе. Найденные в БД данные тщательно контролируются и анализируются, затем редактируются, а на печать выдается информация об ошибках.

Разработка банков данных и его основного инвариантного компонента, т. е. СУБД, представляет собой сложную задачу, требующую значительных затрат времени и предполагающую высокую квалификацию разработчиков в области системного программирования. В связи с этим при построении информационного обеспечения САПР конкретных технических объектов на основе банков данных необходимо сделать анализ существующих банков данных и принять для САПР один из уже разработанных. Однако и в этом случае необходимость использования такого сложного компонента, каким является банк данных, должна быть всесторонне обоснована. Следует иметь в виду, что информационное обеспечение САПР может быть организовано и на основе более простой, но специально разработанной информационной структуры, учитывающей специфику проектируемых технических объектов. Подобные ориентированные информационные структуры при относительной простоте и невысоких требованиях к конфигурации технических средств могут реализовать набор необходимых функций по обработке данных, для чего должно быть разработано необходимое программное обеспечение.

Такая альтернатива к использованию банков данных объясняется тем, что универсальные информационные системы в виде банков данных рассчитаны на решение задач с большей номенклатурой различных параметров и характеристик объектов, поэтому применение их при создании САПР с относительно небольшой номенклатурой данных иногда оказывается просто нецелесообразным, а порой и невозможным.

Одной из важнейших характеристик СУБД является модель данных, которая поддерживается СУБД. Как отмечалось, существуют три модели данных: иерархическая, сетевая и реляционная. Выбор той или иной модели данных для построения информационного обеспечения САПР зависит от требований, которые предъявляются к информационной базе создаваемой САПР.

Большое значение при выборе СУБД имеют средства взаимодействия пользователей с БД. Непрограммисты, а ими являются большинство пользователей САПР, взаимодействуют с БД с помощью языков манипулирования данными с использованием средств телеобработки. Тогда СУБД САПР должна включать в себя язык манипулирования данными, доступный непрограммисту, и средства доступа к данным через терминал.

Кроме того, при выборе для САПР той или иной СУБД следует учитывать следующие требования:

• возможность обеспечения мультипрограммного режима;

• независимость данных от конкретных пакетов программ;

• наличие средств, позволяющих сократить дублирование данных в информационной базе; возможность восстановления БД;

• совместимость СУБД с операционной системой ЭВМ и т.д.

Рациональная организация и функционирование банка данных возможны лишь при максимальном учете специфики информации, заносимой в БД. Если специфические особенности такой информации не учитываются, это приводит к значительному перерасходу машинной памяти и увеличивает затраты времени на обработку данных.

База данных организуется на основе принципов системного подхода. При этом предполагаются:

неизбыточность, данных;

независимость данных от программ решения задач;

выбор структур данных, ориентированных на все задачи, решаемые системой;

возможность дополнения, развития и обновления данных;

типизация алгоритмов обработки данных.

Организация, структура и состав БД зависят от информационных моделей проектируемых объектов, от методов получения проектных решений и от используемых в САПР технических и программных средств. С другой стороны, все перечисленные факторы зависят от структуры БД. Основной особенностью БД по сравнению с массивами записей является наличие связей между структурными единицами данных.

Базы данных иногда определяют как неизбыточную совокупность элементов данных. Однако в действительности для уменьшения времени доступа к данным во многих БД избыточность в незначительной степени присутствует. Некоторые записи повторяются для того, чтобы обеспечить возможность восстановления данных при их случайной потере. В этом случае говорят о минимальной избыточности БД.

Таким образом, БД можно определить как совокупность взаимосвязанных, совместно хранящихся данных при наличии такой минимальной избыточности, при которой допускается их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений. Для этого данные запоминаются так, чтобы они были независимы от прикладных программ, использующих эти данные. Для добавления новых или модификации существующих данных и для поиска данных в БД применяется стандартный набор управляющих алгоритмов.

База данных представляет собой постоянно развивающийся объект (к ней добавляются новые записи, а в существующие включаются новые элементы данных). С целью повышения эффективности функционирования БД изменяется и ее структура. Используемые на практике способы построения БД реализуются в виде иерархических (древовидных), сетевых или реляционных моделей (моделей отношений) данных.