Представление элементарных данных

Данные   – это сведения, характеризующие некоторую систему, явление, процесс или объект, представленные в определенной форме и предназначенные для дальнейшего использования.

Данные выступают в качестве формы представления содержания информации (набор числовых значений, график, текстовое описание и др.) и используются для решения конкретных задач, т.е. имеют высокую прагматическую значимость.

Для представления значений элементарных данных в памяти компьютера используется машинное слово.

Машинное слово –количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение.

Машинное слово объединяет запоминающие элементы, служащие для записи 1 бита информации, в единую ячейку памяти. Количество объединяемых элементов кратно 8, т.е. целому числу байт. Доступ к машинному слову в операциях записи и считывания осуществляется по номеру ячейки памяти, который называется адресом ячейки.

Запоминающие устройства, в которых доступ к данным осуществляется по адресу ячейки, где они хранятся, называются памятью с произвольным доступом (RAM – random access memory ), в русской литературе это устройство носит название оперативной памяти.

Основные типы данных:

1. Символьный тип. Машинное слово делится на группы по 8 бит, в которые и записываются двоичные коды символов. Возможны операции математических отношений, определения символа по коду и наоборот, порядок следования.

2. Целые числа со знаком. Старший бит отводится под запись знака числа (0 соответствует «+», 1 – «–»), а остальные – под запись прямого (для положительного) или обратного (для отрицательного) двоичного кода числа. Определены операции математических отношений, сложение, вычитание, умножение, целочисленное деление, остаток от целочисленного деления.

3. Вещественные числа. При записи число переводится в нормализованную форму с выделением и отдельным хранением знака мантиссы, знака порядка, порядка и мантиссы. Формат вещественных чисел базируется на экспо­ненциальной форме записи: A = m × p^k, где m – мантисса в нормализованной форме – правильная дробь, после запятой цифра отличная от нуля; р – основание системы счисления; k – порядок числа.

Над вещественными числами определены все арифметические операции и операции математических отношений.

4. Логические данные.   Могут принимать одно из двух значений 0 – False (ложь) и 1 – True (истина). Для представления выделяется 1 байт в младший разряд которого помещается значение. Над логическими данными определены операции: математические отношения, логическое умножение (конъюнкция Ù) – and, логическое сложение (дизъюнкция Ú) – or, логическое отрицание (Ø) – not.

Значения элементарных данных формируются в ходе исполнения программы и имеют физическое представление в оперативной памяти. Идентификаторы существуют только на уровне логического представления и используются для обозначения в тексте программы, а при трансляции программы с языка программирования в машинный код имена заменяются номерами ячеек, в которых данные размещаются.

Устройства внешней памяти

Магнитные диски

Данные на магнитном диске запоминаются в виде намагниченных областей, записываемых на окружностях вокруг центра диска. Каждая из концентрических окружностей представляет собой дорожку, а каждая дорожка делится на равные сегменты, называемые секторами. Каждый сектор содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула, которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением и записью. После данных идет код исправления ошибок. Между соседними секторами находится межсекторный интервал.

Головка чтения-записи движется от внешнего края диска к центру, останавливаясь над дорожкой, которая содержит информацию, необходимую компьютеру, диск продолжает двигаться, когда нужный сектор окажется под головкой она читает или пишет данные по мере продвижения сектора. Диск вращается с постоянной угловой скоростью.

Поверхность диска содержит намагниченные частички металла. Каждая частичка имеет северный и южный полюс. Головка чтения-записи может прикладывать магнитное поле к группе этих частиц, изменяя их полярность (изменение полярности отвечает значению «1», а отсутствие изменения – «0»). В дисководах для гибких дискет головка касается поверхности диска. Минимальная площадь поверхности диска, которая может сохранять такие изменения магнитного потока называется магнитным доменом. При считывании данных домены влияют на магнитное поле головки, электроника дисководов усиливает эти слабые возмущения, превращая их в «0» и «1», которые затем поступают в микросхемы памяти.

У жестких дисков более высокая плотность записи данных, что требует меньшую головку чтения-записи, расположенную близко к поверхности диска на воздушной подушке. Диски – твердые алюминиевые (стеклянные) пластины, покрытые оксидным или металлизированным покрытием. Жесткие диски могут иметь 2, 4, 6 и более пластин. Стороны пластин нумеруются, начиная с нуля. Так как головки движутся над поверхностями пластин параллельно, все головки позиционируются на данную дорожку одновременно. Файл записывается на определенную дорожку каждой стороны диска, и как только запишутся дорожки всех дисков, головки переходят на другую дорожку. Объединение всех дорожек с определенным номером на всех сторонах пластин образуют цилиндр того же номера.

Оптические диски

CD- ROM (Compact Disk Read Only Memory – память на компакт диске, используемая только для чтения). Компакт-диск не делится на дорожки, данные записаны по спирали и разбиты на секторы. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байт, первые 12 из которых одинаковые, и обозначают начало сектора, следующие 3 байта содержат номер сектора, последний байт – тип диска. Затем данные 2048 байт и заканчивается сектор 288 байтами, где находится код исправления ошибок.

Компоненты дисковода CD-ROM

1.

осуществляют бесконтактное оптическое считывание цифровых данных с поверхности диска

Лазерный полупроводниковый диод.

2. Фотодетектор.

3. Оптическая система.

4. Двигатель, осуществляющий вращение

диска и  перемещение элементов

системы считывания.

Цифровая информация представленачередованием впадин (питов), выполненных на поверхности диска и неповрежденных частей дорожки – площадок. Поверхность диска покрыта тонким отражающим слоем металла (алюминия).

Чтение осуществляется посредствам лазерного диода, создающего лазерный луч, который перемещается по спиральной дорожке. Если луч попадает на впадину, то он поглощается и рассеивается, не попадая на фотодетектор (логический «0»), если попадает на площадку, то отражается через оптическую систему на фотодетектор (логическая «1»). Диск вращается с постоянной линейной скоростью.

При оценке скорости считывания с компакт-диска за эталон принята величина 150 Кбайт/с (CD-ROM 1x).

CD- R. Запись производится на чистый диск путем «прожигания» в определенной последовательности поверхности диска мощным лучом лазера. В результате получается компакт-диск, который можно использовать и в дисководе CD-ROM. Записать информацию можно только один раз, прочитывать много раз. Чтение осуществляется лазером меньшей мощности. Для изготовления отражающего слоя в CD-R используется золото, затем слой красителя. При записи под действием лазерного луча слой красителя в определенных местах, нагревается и темнеет – логический «0», в остальных местах остается прозрачным, отражающим – логическая «1».

CD- RW. Чистый диск покрывается сплавом (Ag-In-Sb-Te): серебра, индия, сурьмы и теллура, который имеет 2 состояния: кристаллическое и аморфное, отличающиеся отражательной способностью. Устройства записи снабжены лазером с тремя вариантами мощности: высокая – лазер расплавляет сплав, переводя из кристаллического состояния (высокая отражающая способность) в аморфное (низкая отражающая способность), получается впадина; средняя – сплав расплавляется в кристаллическое состояние, впадина превращается в площадку; низкая – лазер определяет состояние материала (считывание информации).

Физические изменения диска ограничивают время его эксплуатации.

DVD диски имеют схожую структуру и форму записи данных, отличаются лишь длиной волны считывающего луча и плотностью записи данных на диск, в результате на диск такого же размера (12 см в диаметре), помещается гораздо больше данных. Следующее поколе­ние оптических дисков основано на дальней­шем увеличении плотности записи. Используется технология основанная на применении «синих» лазеров с длиной волны 405 нм.

Сравнительные характеристики оптических дисков:

Тип диска	Длина волны лазерного луча, нм	Минималь-ный размер питов, мкм	Расстояние между витками, мкм	Максимальный объем информации
CD	780	0,83	1,6	650-720 Мб
DVD	650	0,4	0,74	4,7/8,5/9,4/ 17Гб
BD (AOD)	405	0,15	0,32	15-27 Гб

Флэш-память

Флэш-память – это устройство, основанное на кристаллах электрически перепрограммируемой памяти, выполненное на одной микросхеме (кристалле) и не имеющее подвижных частей.

SmartMedia – основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, емкость до 128 Мбайт, скорость передачи данных (600 Кбайт/с) используется в цифровой фотографии и носимых МР3-устройств.

CompactFlash (CF) – разработан для цифровой фотографии, емкость до 3 Гбайт, скорость обмена до 2 Мбайт/с.

USB Flash Drive – последовательный интерфейс с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Работает как обычный накопитель – хранит файлы, воспроизводит музыку и сжатое видео, запускает приложения, возможно редактирование и создание файлов на устройстве. Емкость до 3 Гбайт. Среднее время доступа к данным – 2,5 мс.

PC Card (PCMCIA ATA) – основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость – 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

Miniature Card (MC) – карточка флэш-памяти, предназначена,  в основном, для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт.

Модели данных

Существуют три основные модели данных. Основное различие между этими моделями состоит в способах описания взаимосвязи между множествами данных. Возможны следующие виды взаимосвязи «один к одному» – реляционная модель, «один ко многим» – иерархическая модель, и «многие ко многим» – сетевая модель.

Реляционная модель

В соответствии с реляционной моделью база данных представляется в виде совокупности таблиц, над которыми могут выполняться операции, формулируемые в терминах реляционной алгебры и реляционного исчисления. В реляционной модели операции над объектами базы данных имеют теоретико-множественный характер. Пусть задан набор множеств D ₁, D ₂,..., D_k. Декартовым произведением множеств D ₁, D ₂,..., D_k (обозначается как D ₁ ´ D ₂´... ´ D _k) называется множество кортежей (v ₁, v ₂,..., v _k) длины k, таких что, v ₁ принадлежит D ₁, v ₂ принадлежит D ₂ и т.д.

Отношением называется некоторое подмножество декартова произведения одного или более множеств, представленное в виде таблицы, столбцы которой – поля, а строки – записи.

Данное отношение представляет собой реляционную модель данных.

Поле –единая, неделимая единица информации, которая характеризуется идентификатором – именем, типом – соответствует типу компонент и размером – максимальное количество символов.

Запись –совокупность логически связанных полей, описывающих какой-либо один объект (представляет собой кортеж v ₁, v ₂,..., v_k).

Основными операциями, с помощью которых модифицируется база данных, где данные представлены в виде реляционной модели являются: включение, удаление и исправление данных.

Достоинства: простота; независимость данных; гибкость; возможность создания непроцедурных запросов.

Недостатки: отсутствуют связи между записями, большой объем базы.

Применение: автоматизированные информационно-поисковые системы.

Иерархическая модель

Иерархическая модель данных основана на понятии деревьев, состоящих из вершин и ребер. Вершина дерева ставится в соответствие совокупности данных, характеризующих некоторый объект. Первую вершину называют корневой вершиной. Структура иерархической модели удовлетворяет следующим условиям:

1) иерархия начинается с корневой вершины;

2) каждая вершина соответствует одному или нескольким объектам;

3) на уровнях с большим номером находятся зависимые вершины;

4) вершина предшествующего уровня является начальной для новых зависимых вершин;

5) зависимая вершина соединена только с одной вершиной предыдущего уровня;

6) корневая вершина может быть связана с одной или несколькими зависимыми вершинами;

7) доступ к каждой вершине происходит через корневую вершину по единственному пути.

8) существует произвольное количество вершин каждого уровня.

Достоинства: простота использования, обеспечение быстрого поиска, наглядность.

Недостатки: иерархическая упорядоченность усложняет операции удаления и включения; доступ к любой вершине возможен лишь через корневую вершину.

Применение: дерево каталогов, адресация страниц в Интернете, генеалогические деревья.

Сетевая модель

В сетевой модели данных элементарные данные и отношения между ними представляются в виде ориентированной сети (вершины – данные, дуги – отношения). Помещенная в базу данных запись может существовать самостоятельно, а также являться детальной или главной записью. Главная и детальная записи одного набора связываются с помощью указателей в цепь и образуют упорядоченную последовательность. Могут быть предусмотрены дополнительные указатели, связывающие каждую детальную запись набора непосредственно с ее главной записью, а также указатели, обеспечивающие обход записей в обратном направлении. Главные и детальные записи одних наборов могут быть одновременно главными и детальными записями других наборов. Таким образом, из записей базы данных и наборов может быть сконструирована база данных произвольно сложной структуры.

Достоинства: быстрота обработки данных.

Недостатки: сложность организации базы данных, возможна потеря независимых данных.

Применение: гипертекстовые технологии, технология WWW.