Компютърни архитектури и бази данни

Компютърната архитектура отразява най-общите принципи на взаимодействие на хардуера и софтуера при организацията на изчислителния процес. Тя не разглежда конкретните конструктивни особености на компютъра, управлението и предаването на данните вътре в централния процесор и др. подобни. Терминът “архитектура” сред многото си други значения има значение и на “структура на нещо”. Именно това значение се употребява при описание на организацията на компютърните системи.
Компютърната архитектура е съвкупност от характеристики и параметри, определящи функционалната, логическа и структурна организация на компютрите. Това понятие включва принципите на построяване и функциониране на компютърните системи, заедно с основните програмни средства за работата му. Архитектурата на съвременните компютърни системи е многостепенна йерархия на апаратните и програмни средства, които изграждат системата.

Структура на компютърната система

Компютърът представлява интегрирана съвкупност от две взаимно допълващи се части - апаратна (hагdwаге) и програмна (sоftwаге). Всяка една от тях изпълнява определени задачи и не може да функционира самостоятелно. Основната задача на компютъра е да изпълнява необходимите изчисления, задавани от потребителя и оформени като програма (приложение). Последната се въвежда в паметта на компютъра, изчисленията се извършват в т.нар. процесор, след което резултатите се предоставят на потребителя. За подсигуряване на помощните действия по въвеждане и извеждане на информацията (данни и резултати) компютърът включва в състава си и относително самостоятелна входно-изходна (В/И) система. За повишаване на производителността и ефективността на компютърната обработка, както и на бързодействието на изчисленията, могат да бъдат заложени различни принципи при организацията на апаратните и програмните компоненти. Общата организация на компютъра е свързана с понятията - компютърна архитектура и компютърна система.
Функционалните възможности (табл.1) на една КС се определят от заложения архитектурен модел.

Централният процесор включва в своя състав аритметико-логическото устройство (АЛУ), управляващо устройство (УУ) и първич на памет (тя се състои от оперативна памет - ОП и постоянна памет - ПП). Някои автори дефинират ЦП като съставен само от АЛУ и УУ, когато разглеждат големи компютри. Напредъкът на полупроводниковите технологии рязко намали размерите на ЦП.
АЛУ извършва всички аритметични и логически операции в компютъра. Това става под управлението на УУ, което дешифрира инструкциите от програмата, запомнена в ОП, и определя последователностите от събития във всички устройства, необходими за изпълнението на тези инструкции. УУ има тактов генератор, който синхронизира всички действия чрез изпращане на електрически импулси. Честотата на тези импулси (измерва се в мегахерци - МНz) определя бързодействието на процесора (време за изпълнение на операциите и програмите).
В ОП (RАМ), която е вътрешна за ЦП, се съхраняват програми и данни. Процесът на въвеждане на данни в ОП се нарича “запис”, а извеждането от ОП -”четене”. В постоянната памет ПП (КОМ), от която може само да се чете, се съдържат специфични програми и данни, свързани с управлението на компютъра (за стартиране, инструкции за операционната система и др.).
Външната памет служи за трайно съхраняване на програми и данни, които не са в ОП (при изключено захранване, ОП губи своето съдържание), както и за архивиране на програми и информация.
Периферните (наричат се още “външни”) устройства са свързани към ЦП. Входните устройства са част от тях, чрез тях се въвеждат данните и се преобразуват в удобна за обработка от ЦП форма. Изходните устройства са периферни устройства, които позволяват компютъра да подава на потребителя информация в разбираема за него форма, или да я предава към други машини.
Щом компютрите изчисляват по-бързо, по-точно и по-сигурно от човека, логичен е въпроса: какво не могат? За сега те не могат самостоятелно да решат как да бъдат програмирани, как да осигурят входните данни, да интерпретират резултатите и да вземат решения, с други думи - да мислят, макар че в някои от тях вече има елементи на изкуствен интелект.
Организацията на изчислителния процес в компютрите със съхранявана програма се извършва от техните два главни компонента - апаратната част (hardwаге) и програмното осигуряване (softwaге). Докато в началото на 50-те години почти 90%от стойността на тогавашните компютри се падаха на хардуеъра, то сега по-голямата част от стойността се пада на софтуера.
Терминът “компютърна система” обeденява три съставни части - хардуер, включващ процесора, първичната и вторичната памет, входните и изходните устройства (наричат се обобщено външни или периферни устройства); софтуер; човека-потребител, активиращ системата.
Основните компоненти на компютърната система са: системно устройство, монитор, клавиатура и периферия (всички допълнителни устройства, които можем да включим към стандартната компютърна конфигурация).
Системното устройство е блок, към който са разположени почти всички важни елементи - централен процесор, памет, твърд диск, флопи-дисково устройство, компакт-диск устройство, захранващ блок и т.н. Основните задвижващи елементи са прикачени към една платка, наречена дънна платка или дъно.
Централният процесор (Сепtга1 Ргосеssог Unit) извършва всички пресмятания и контролира останалите компоненти на компютъра. Неговото качество е определящо за работата на РС (Регsопа1 Сотрutег - персонален компютър). Затова го наричат “мозък на компютъра”, а честотата му (бързина на извършване на операциите) се измерва в GНz. Централният процесор е интегрална схема, чип, разположен на дъното и се открива обикновено по големите радиатор и охлаждане над него, подобряващи топлообмена в кутията. Може и да няма такива, а да е разположен в специално гнездо (СЛОТ - електрически конектор към дъното), но тогава ще е видно името му върху корпуса на чипа. Популярни марки процесори са: Iпtе1, Репtium (пак е от сериите на Интел - фирма-гигант в производството на процесори), Моtого11а, Аhtlon, AMD и т.н.
Паметта е запомнящата среда, предназначена за съхраняването на информацията. Основните й функции са четене и запис, затова се характеризира със своето бързодействие. Важен критерий е нейният капацитет, задаващ максималното количество данни, което може да се съхранява едновременно в паметта. Делим я на вътрешна и външна. Вътрешната памет бива RАМ (Rапdom от ассеss mеmогу - памет с произволен достъп, оперативна памет) и RОМ (Read-only-mеmогу- памет само за четене). КОМ е постоянна памет, чип от дъното на компютъра, в който са разположени началните настройки на системата - ВIOS (Ваsic Input/Qutput sуstеm), тестовете на хардуера, които се стартират при включването на компютъра и др. Съдържанието на тази памет не се променя постоянно. То само може да се актуализира периодично, ако чипът е от тип Flash, но действието се извършва от специалисти /не е за масовия потребител/. Чрез програмата Setup, част от ВIOS-а и в която се влиза при началното зареждане на компютъра обикновено с натискане на клавиш DEL, се включват или изключват дадени устройства, както и се правят различни по-фини настройки за работата на компютърната система. Обикновено входът към нея се защитава с парола, за да се предотврати случаен достъп и неволни промени в параметрите. КОМ е енергонезависима памет, т.е съдържанието й не се губи дори при спиране на електрическото захранване. КАМ - в нея са непосредствено обработваните в момента данни, затова я наричаме още оперативна памет. Капацитетът й се мени чрез добавяне и премахване на модули памет в слотовете, предвидени за целта. Тази памет е енергозависима. Дори и при най-малък спад на тока, съдържанието й се губи, затова данните, с които работим, трябва периодично да се запомнят на други носители - твърд диск, дискета, компакт-диск или др. За съвременен компютър, стойностите за КАМ се движат в интервала 1-4 GВ. Всяка подмяна на хардуерни компоненти в един компютър с цел осъвременяването му, наричаме ЪПГРЕЙД (Uрgгаdе). Всяко обновяване/актуализация на програмите в него, наричаме ЪПДЕЙТ (Uрdаtе).
Кеш - това е специален тип много скъпа памет, затова само малки количества от нея се слагат към твърдия диск или процесора на компютъра с цел ускоряване на работата му.
Твърдият диск (HDD - Нагd disк drive) е херметически затворен в кутия и е мястото, където информацията се съхранява трайно. Капацитетът му се измерва в ОВ, като нормално е да е между 160 и 320 ОВ в един съвременен компютър. Възможно е дискът логически да се разделя на няколко независими дяла, като така се имитира наличието на няколко самостоятелни устройства.
Флопи-дисковото устройство (FDD- Floрру Disk drive или само флопи) е устройството за работа с дискети - преносими носители на информация, удобни, но с малък капацитет (1.44МВ) и поради това постепенно отпадащи от употреба.
СD (Соmрасt-disк - компакт диск) е масовият използван преносим носител на информация. Капацитетът му обикновено е 750 МВ. Записът е на оптичен принцип.
Ако дискът е от тип СD-R, той позволява еднократен запис или в рамките на няколко отделни сесии (поредни записи) може да се позапълни, но не позволява изтриване на данните от него /по-точно, те могат да се обявят за изтрити, с което стават вече недостъпни, но в действителност не освобождават място/. CD-RW позволява многократен запис и се ползва по начина, по който до скоро се употребяваше дискетата. DVD е друг тип оптичен диск, който има капацитет до 17GВ, но се ползва двустранно, за разлика от компакт-диска и лазерът, извършващ записа и четенето от него е с друга, по-къса дължина на вълната. Затова СD може да бъде прочетено от DVD устройство, но БУБ диск не може да се разпознае от СD-RОМ устройство. Устройствата могат да са само четящи или и позволяващи запис. Съществуват и комбинации от DVD-четец и СБ “записвачка”, наречени СотЬо-устройства. Монитор -това е другият важен компонент на компютърната система, екранът, на който виждаме резултата от работата си. Той е стандартното изходно устройство. Различаваме два основни вида - с електронно-лъчева тръба (СRТ - монитори) и LСD - с течни кристали, който е с по-малки размери и по-щадящ зрението. Мониторите се характеризират с дължината на диагонала си, измерен в инчове (както при телевизорите). Важна е и тяхната честота, измерена в херци и показваща скоростта на опресняване на екранното изображение. Колкото е по-голяма, толкова дразнението за очите е по-малко. 75-110 Нг са нормални стойности. Разделителната им способност, измерена в dрi (Dots рег inch) показва гъстотата на пикселите - екранните точки. По-голямата е гаранция за по-фино изображение.
Клавиатурата (Кеуbоагd) е стандартното входно устройство , чрез което подаваме на компютъра данните за обработка. Представлява клавишен блок.
Мишката (Моusе) представлява входно устройство, възпроизвеждащо движението й по гладка повърхност върху екрана. С нейна помощ можем да избираме елементи от предварително създадени менюта с команди. Улеснява работата в графична среда. Може да е механична - с топче от долната си страна (замърсява се лесно) или оптична - най-често ползваният вариант. Има и радиомишки, безжични варианти и т.н. Биват с един, два или три бутона.Често имат и топче за превъртане, наречено скролер. Варианти на мишки, които са само едно топче, движещото се с ръка или прозорче, по което пръстът очертава посоката на движение на показалеца по екрана (често при преносимите компютри), наричаме съответно трекбол и трекпад.
Принтер наричаме печатащото устройство, извеждащо информацията от компютъра на хартиен носител или фолио. Основно различаваме три вида: матрични -много шумни, ниско качество на изображението, използват омастилена лента при печата; мастилено-струйни - използват бързосъхнещо мастило, което се изпръсква под голямо налягане. Позволява качествено, цветно изображение, като последното се получава чрез различни комбинации на смесване само на трите основни цвята - червен, зелен и син. Някои касети могат да се презареждат с мастило или се купува изцяло нова. Принтерът е евтин, но консумативът е скъп; лазерен - качествен и бърз. Използва като средство за отпечатване на изображението (консуматив) черно, прахообразно вещество, наречено тонер, който също е скъп. Заедно с мастиления са най-ползвани в практиката. Разделителната способност (в dpi) и скоростта на печат са също важни характеристики, определящи избора на принтер.
Скенер наричаме входно устройство за графична информация. Биват ръчни и стационарни. Всяка информация, въведена чрез скенер, се възприема като картина, т.е. ако сканираме текст, той няма да може да се редактира, защото ще е като снимка. За целта се ползват специални програми за оптично разпознаване на текст, позволяващи той да се възприема като такъв. Най-добрите разпознават над 16 000 000 цвята. Отново разделителната способност (в dpi) е важна характеристика, като по-голямата такава е гаранция за по-качественото сканиране на изображението.
Микрофон - входно устройство за глас.
Тонколоии и слушалки - изходни устройства за звук.
Web- камера - входно устройство за предаване на образа в реално време. Използва се примерно при видео-конференции.

Организация и функциониране на компютърната система.
Прието е системата от функционални средства и взаимодействието между апаратната част и програмното осигуряване да се нарича функционална организация на компютърните системи. Тя определя принципите на функционирането им.
Принципите на функциониране на компютърните системи могат да се реализират посредством различни апаратни средства. Например, микропроцесорите могат да се реализират с различни набори от машинни команди, чрез които да се осъществява функционирането на компютрите. По малък на брой апаратно реализирани машинни команди изискват по-сложни програми за решавани на задачите, но конструкцията на електронните блокове е по-проста. Начинът, по който се реализира функционирането на компютърните системи (функционалната организация), се нарича структурна организация на компютърните системи. Отделните елементи, възли и устройства и програмните средства за организация на работата се наричат структурни елементи на компютърните системи.
Основни логически елементи на компютърните системи са:

• устройства за въвеждане на информация в компютърните системи;
• устройства за извеждане на информация (показване на резултати от обработката на
• информацията);
• устройства за съхраняване на информация в компютрите;
• устройства за обработка на информацията;
• устройства за управление на процесите в компютърните системи.

Това може да се нарече логическо ниво в структурата на компютърните системи.
Функционирането на компютърните системи с Фон Нойманова архитектура се основава на изпълнението на програма (последователност от команди), записана в паметта на компютрите. За да се изясни процесът на работа на компютърните системи е необходимо да се анализират функционалните характеристики на основните им логически елементи. Към основните логически устройства трябва да отнесем: централно процесорно устройство, памет, периферни устройства.
Компютърните системи са устройства за обработка на информация. Това изисква те да имат елементи за въвеждане и извеждане на информацията. За обработка на информацията са необходими устройства, които да извършват аритметични и логически действия, да подреждат данните и други. Информацията трябва да се съхранява за определено време (най-малкото докато трае обработката на данните). Обработката на информацията е процес на последователно изпълнение на голям брой операции, които трябва да са на разположение (в паметта) по време на работата на компютърните системи. Следователно, компютърът се нуждае от устройства за съхраняване на информацията. Накрая, трябва да съществува устройство, което да управлява всички компоненти на компютърната система. Тези логически елементи са свързани в една обща система, която функционира в съответствие с предварително утвърдени стандарти.
Програмата, записана в паметта на компютърните системи, представлява последователност от машинни команди, които може да изпълнява обработващото устройство. Машинните команди са със стандартизиран формат, което позволява бързото и лесно дешифриране и подготовка за изпълнение.

Характеристика на компютърната система

За съвременните компютърните системи е възприет йерархически модулен
принцип на организация. Най-общо, компютърните системи се състоят от отделни
елементи, възли, модули (блокове) и устройства. Всеки елемент е предназначен да
обработва единични електрически сигнали, съответстващи на битовете информация.
Възлите обезпечават едновременна обработка на група сигнали (група битове -
информационни   думи).   Те   са   изградени   от   елементи.    Модулите   реализират
последователност от операции за обработка на информационните единици (думи) -функционално обособена част (модул за избор на команда, модул за запис-четене и други). Модулите са изградени от възли. Устройствата са предназначени за изпълнение на последователност от логически свързани машинни команди.
Елементите на компютърните системи могат да се класифицират по различни признаци. Най-често се използват: типът на сигналите, които си обменят елементите; предназначение; технология на изготвяне и др.
В компютърните системи се използват два способа за физическо представяне на сигнали: импулсен и потенциален.
При импулсния способ за представяне на сигнали със значение единица за някаква двоична променлива се използва наличието на импулс (ток или напрежение), а за нулева стойност - отсъствие на импулс. Продължителността на импулсния сигнал не превишава един такт на синхронизиращите импулси.
При потенциалния (статически) способ, сигнал със значение единица на двоична променлива се представя чрез високо ниво на напрежението, а нулево значение с ниско ниво.
По   отношение   на   начина   на   предаване   на   информацията,   съществуват
последователно и паралелно предаване на информацията (последователен и паралелен код). При последователния код за предаване на информацията се използва единична линия (шина), в която сигналите, съответстващи на отделните разряди (битове) на данните, са разпределени във времето. Обработката на такава информация се извършва последователно, бит след бит. Този начин на предаване на информацията изисква по-прости апаратни средства.
Паралелният код на предаване на информацията предполага паралелна и едновременна обработка на всички разреди на данните, което се извършва чрез група линии (шини). По този начин се ускорява обработката на информацията, но се изискват по-сложни апаратни средства. В компютърните системи се използва и смесен начин на предаване на информацията (паралелно-последователен код). При това данните се предават на части. Отделните части се обработват последователно, а данните в една част се предават паралелно.
За да могат отделите възли, модули и устройства да работят съвместно е необходимо те да са съвместими. Съвместимостта между елементите в компютърните системи се разглежда на три нива: апаратна съвместимост, програмна съвместимост и информационна съвместимост.
Апаратната съвместимост (Нагdаге) изисква отделните възли и модули да имат еднаква  система   от   унифицирани   средства   за   свързване   помежду   си   (кабелни
конектори, слотове и др.). При това трябва да има определено съглашение между производителите на различни устройства, за съответствие между функциите на отделните линии в даден конектор.
Те трябва също така обменят съвместими сигнали - сигналите, генерирани или приемани от отделните възли и модули, да съответстват по напрежение, честота и други. Също така, по всички линии в дадено съединение, през които се пренасят данни трябва да има съгласуваност по отношение на нивата на напрежение, съответстващи на нулев или единичен бит информация.
Алгоритмите на взаимодействие между елементите в компютърните системи не трябва да предизвикват противоречия при обмяна на информацията - трябва да бъдат синхронизирани процесите на предаване и приемане на информацията. Това означава, че трябва да има договореност между производителите на различни устройства по отношение на формата на фронтовете на отделните сигнали и възможностите за синхронизацията им.
Програмната съвместимост (Softwаге) изисква програмите и данните обменяни между модулите и устройствата, да се интерпретират по един и същ начин. Когато има различия при интерпретацията на командите между микропроцесора и другите устройства, се разработват програми, които преобразуват (транслират) инструкциите, за да станат разбираеми за съответното устройство. Такива програми се разработват за всички периферни устройства и се наричат драйвери (driver).
Информационната съвместимост изисква правилна интерпретация на информацията. Тук значение имат кодовите таблици за представяне на символната информация, приетите стандарти за представяне на графична, звукова и видео информация и др.

Тема №12    Бази от данни - видове база данни.
Релационни бази данни.
I.    Същност на БД
Във ежедневието се натрупват големи обеми данни от различен характер, но свързани по определени признаци. За лесно опериране с тях, те се структурират по специален начин, така че лесно да се намира нужната информация, да се въвеждат нови и да се коригират вече въведени данни, да се извършват различни обработки.
За целта се използват БД. Предимството им пред стандартната файлова организация е, че данните за определена предметна област се въвеждат еднократно, а се използват многократно според нуждите на потребителя.
Предметна област - област от науката и практиката, която може да се алгоритмизира и подчини на определени правила.
БД- данни съхранени във файлове, в които информацията е разделена на записи, всеки един от които се състои от едно или повече полета.
За управление на операциите с БД се използва Системата за управление на база от данни (СУБД).
II.    Модели (структури) на БД
Достъпът до една база от данни зависи от заложената в нея структура. В зависимост от това се различават следните модели бази от данни:
Йерархичен /дървовиден/ - Данните се съхраняват в предварително определена
йерархия,   като   дървото   е   обърнато   с   корена   нагоре.   Множеството   се   разделя   на
подмножества по определени признаци, докато се стигне до най - малкия неделим елемент.
Предимството на този модел е бързият достъп до данните, но за създаването на пълна и работеща БД и осигуряването на връзките между тях се налага съхраняването на излишна информация, което не е желателно.
Мрежов модел - При този модел обектите от една предметна област са обединени в
“мрежа” (множество). БД се състои от няколко множества, а те от своя страна, съдържат записи. Една съвкупност от записи може да се разполага в една или повече мрежи.
Предимството на модела е бърз достъп до данните, а недостатъка - сложността на модела за работа.
Релационен модел - Данните се съхраняват в таблици (наричани още релации),
между които се осъществяват връзки. За това е достатъчно наличието на еднакви ключови полета в таблиците. Връзките се установяват непосредствено преди започване на работа. С тези БД се работи лесно, но операциите с данните се извършват по-бавно.
Достъпът до определена информация се осъществява чрез трите функции, които притежава всяка програма за управление на база данни:

1. Селекция - избиране на определени редове от таблицата.
2. Проекция - избиране на определени колони от таблицата.
3. Релация - свързване на данните от две и повече таблици.

Тези БД не предявяват особени изисквания към компютърната система. Това е причина за широкото използване на релационните БД в практиката.
а) Основни понятия
Таблицата се състои се от редове и колони, които при пресичането си образуват клетка. Във всяка клетка се записват стойности. Редовете се наричат записи, а колоните полета. Записите имат еднаква дължина, което означава, че всеки запис се състои от еднакъв брой полета, а дължината на всяко поле е с еднакъв брой байтове.
БД прилича на електроните таблици (ЕТ), тъй като и двата типа програми използват таблици за съхраняване на данните и притежават средства за автоматизираната им обработка. Основна разлика е, че в ЕТ всяко едно поле може да зависи от стойността на други полета, докато при таблиците в БД това е невъзможно.

Web design and SEO topics: RAM, база данни, Компютри, компютър

Reader's Comments

1. Системи за управление на база данни (СУБД) › Информационни технологии & Интернет | 20 Mar 2009 8:23 am

   [...] в информатиката или специалисти в предметна област на базата данни с опит в информационните [...]

2. Мрежови приложения на бази данни » Web Design Optimization | 20 Mar 2009 10:42 am

   [...] който взаймодеиства със СИСТЕМА ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА БАЗА ДАННИ, декодира и произвежда кода на HTML, използван за [...]

Leave a Comment