计算机数据库结构应用原理.doc

计算机数据库结构应用原理 电子计算机的广泛应用, 给国民经济各行各业带来了巨大变化。在管理部门中应用电子计算机, 建立信息管理系统, 大大促进了现代化管理的进程。目前在国民经济各个部门中建立的自动化管理系统, 主要是电子计算机组成的信息管理系统网络。在信息管理系统网络中, 数据库的建立和使用, 是极其重要的环节, 对于不同的部门和课题, 要根据需求分析合理设计信息管理系统和数据库, 以便消耗最小的资源, 收到最佳的效果。数据库结构及其控制系统对于不同的设计者有许多可供选择的原则和条件, 最终取决于理性思索和技术水平的高低。本文根据国外最新的几种技术文献摘编整理, 供有志的同行研究参考。计算机与数据库在我们所学过的电子计算机结构原理中, 无论是那一代的电子计算机, 也无论是使用何种语言, 我们都可以发现, 在电子计算机与数据库之间, 有着极其密切的联系。仔细想想, 似乎可以这样说, 没有不建立数据库的电子计算机, 数据库是电子计算机运用的基础。计算机的基本结构由硬件组成。但是, 只有硬件而没有必要的程序, 它将什么事也干不了。为便于计算机运行、管理和维修而编制的各种程序, 统称为软件。数据库与软件也是不可分的, 要深入了解数据库的内函, 首先要了解计算机软件的应用和发展。计算机软件分为两大类, 一类为系统软件, 另一类为应用软件。所谓系统软件, 是指由计算机设计者提供的控制计算机所有资源, 使其统一自动运行并充分发挥最佳效能的操作指令。计算机资源有主机、工作站!端机、存贮器、输入输出设备和外围设备等。对于计算机的这些硬设备, 随着计算机的运用和发展, 其操作和运行也越来越复杂, 过渡到多程序、成批地运行, 没有固定的系统软件加以控制和调节, 计算机将不能有效地发挥功能。因而出现了各种语言。运用这些语言!或称高级语言, 更容于理解、学习和掌握, 当然, 对于不同语言还要有相应的汇编程序、编译程序和解释程序等0机器调试、故障检查维修、监控、诊断等, 也越来越复杂, 需要有固定的相适程序0操作系统。计算机的操作, 由用户直接通过控制台操作运行机器的手工操作方式,过渡到通过按扭进行多程序、成批操作, 自动运行, 系统化集中控制0 程序库。在计算机的发展中, 人们由用机器指令码!二进制编码, 到借助符号代替操作码, 大大前进了一步, 这是汇编语言阶段。但是, 机器只能识别机器码, 对用汇编语言写的程序必须经过翻译, 于是出现了编译程序和解释程序。为了扩大电子计算机的功能, 方便于用户操作, 对于各类程序, 还要在机器中设置一些标准子程序, 这些标准子程序就形成了程序库。应用软件, 是指用户利用电子计算机及其固有的系统软件, 为解决各种实际问题而研究编制的程序 编制应用软件要做很多工作。为了使用电子计算机设备来解决各种实际问题, 用户购置计算机并安装调试后, 首先要参加培训, 熟悉机器的性能、特征, 学会掌握和运用计算机本身所提供的系统软件, 懂得计算机的基本功能及操作方法, 然后, 遵循软件开发的程序, 编制各种应用程序, 包括相应的技术文件。应用软件的开发, 已逐步走上标准化、模块化和系统化的发展方向。各部门应用电子计算机, 都有一定的规章制度, 执行得最普遍的是电子计算机软件工程规范 这种规范的颁布和实施, 使电子计算机应用软件的开发, 实现标准化, 有助于软件的推广、交流和运用。用户为了利用电子计算机来解决实际问题, 要组织编制解决间题的程序, 这就是应用软件开发。按照软件工程规范的规定, 开发应用软件, 要进行可行性研究, 需求分析, 概要设计, 详细设计, 安装调试, 验收投入运行等阶段。软件投入运行后, 还要进行维护和不断改进, 使其发挥更大效能 任何较大软件的开发!一般源程序在1 2 2 2 行以上, 都应当把它看成是一项工程, 按软件工程规范的规定组织开发。计算机的作用和效能, 主要反映在开发应用软件投入使用, 取得效益。因此, 应用软件的开发和运用、是计算机发挥效能的关键。随着电子计算机硬件和软件的应用及发展, 计算机要处理的信息也越来越多。利用电子计算机设备!硬件 , 通过一定的程序!软件? 来处理各种信息, 进行情报检索和实现各种管理职能, 中间大量的是处理各种数据, 检索和打印报表资料。电子计算机中的这些数据和报表资料, 如何存贮、调用呢3 这就需要按一定的规律把它们组织起来, 以便检索迅速, 处理方便, 使用灵活, 这就是我们要研究的问题建立数据库。用户可以根据自己的需要建立电子计算机的各种数据库, 采取各种办法查询、显示、调用、修改数据库的内容, 输出、打印各种资料、表格等, 同时建立起数据库管理系统, 最终实现预定的管理职能。信息管理系统感利用电子计算机处理信息, 达到管理的目的, 建立的系统, 称为信息管理系统。目前,在国民经济中, 电子计算机主要应用于三大领域? 一是辅助设计, 二是辅助管理, 三是辅助制造。在这三大领域中, 任一领域的计算机应用, 都要进行信息处理, 尤其是在辅助管理领域中, 计算机管理的过程, 也就是信息处理的过程。利用电子计算机进行管理, 首先要建立信息处理系统。信息处理系统, 也可以叫信息管理系统。在管理系统中, 利用电子计算机联成网络, 实现各种管理职能, 即构成信息管理系统全国、部门或企业的各种管理系统, 都可以使用电子计算机, 并以一定的方式联网, 构成相应的信息管理系统 世界许多国家, 包括我国, 都正在大量建立!或已经建立了? 全国、部门和企业内的信息管理中心, 利用电子计算机及时、迅速、大量地处理各种信息, 极大地提高管理水平和效益 在现代战争中!如海湾战争? , 信息处理和控制显得尤为重要信息管理系统主要有以下九个部分组成主机和工作站或微机。一个信息管理系统, 可以由一个主机!大型机或中型机? 连接若干工作站!或终端机? 组成, 主机需要有机房, 工作条件要求较高, 一般要配在空调设备。一套主机连同若干终端机构成的信息管理系统, 一般成本较高, 操作要求严格, 工作效率也较好。在一些全国性的或范围大的部门管理系统内使用能发挥较好效能。对于一般的企业来说, 可以使用微机进行管理, 由若干台微机也可以连成网, 构成企业内的信息管理系统。这种方式成本较低, 使用灵活, 且易于实施!? 记忆设备。包括内存贮器和外存贮器一可换式或固定式的纸带、磁盘、磁带、磁鼓以及输入输出设备等。穿孔卡片、文字打印机、绘图机等均属于输入输出设备!1 ? 运算设备。指一大套程序, 或更确切地说是指成套程序设备 包括运算系统和系统程序、技术维护程序、运行调整程序和各种应用程序。应用程序要求能解算和处理国民经济中的各种管理问题, 如科学问题、经济间题和工程技术间题等。 传输设备。包括远距离传输信息的电报通路、电话通路、无线通路或专用信息传输线路 各种设备的配置, 要保证能够进行人机对话。 数据库及其控制系统 这种系统一般按信息的原则建立, 要求能够独立解决问题,能够在基本信息中检索和搜集到各种需要的数据 数据库有时也叫信息库, 要保证能提供足够数量的信息, 并与全系统的软、硬件设备相适应, 能协调、调整和跟踪。关于数据库及其控制系统的设计与建立是极杂复杂的问题, 对于不同的课题有不同的要求及原则, 它也是信息管理系统最灵活最重要的一部分。国外许多国家的经验证明, 数据库及其各控制系统已达到相当高的水平, 数据逻辑结构和实物结构都具有独立性, 数据库的设计要善于改变足够大的信息块之间的相互关系 同时, 它们的内部结构取决于各个控制系统, 不得任意改变其中单独的某一部分。1数据库结构原理在工业企业中, 可以利用现有的各种电子计算机和全套程序设备及数据库的控制系统,组成企业信息管理系统, 并且, 数据的存取有各种各样的方案, 目的是要寻求系统运用分时的最优标准。在设计信息管理系统数据库结构的阶段, 要考虑的最重要的参数有? 选取的数据!信息? 量, 选择!抽调? 时间和数据库修正数据的数量等。这些参数值组合的每一个方案, 取决于信息管理系统对其数据库结构的要求。在一般情况下, 从信息管理系统结构要求的观点看, 选择数据库最优结构的方法是没有的, 但是, 在将各种参数进行不同的组合时, 现有的计算技术设备和程序保证设备可满足上述要求。在大多数情况下, 信息管理系统数据库结构的设计要参考已经投入运用的系统, 对于数据库结构来说, 在系统投入使用以后还要计算它工作的主要指标, 并对改善这些指标的途径进行分析。数据库的设计原则和使用方法, 在很大程度上取决于所用计算系统的技术设备。在非常情况下, 当全部数据都存储于运算存储器时, 为了使咨询服务的时间达到最小, 必须建立最迅速的应用程序, 即使用的机制通道数量应达到最少, 外部记忆设备某些级别的数据交换速度较低!即比运算存储器的数据交换速度低? , 因而要求采用信息管理系统优化的不同标准。在信息管理系统中, 全套技术设备有四个主要组成部分? 外部记忆设备, 数据交换设备, 业务存储器和中心处理机。在运算存储器内, 除了解决实际问题的程序外, 还配置有运算系统和数据控制系统。评价信息管理系统数据库结构的标准之一是, 在进行咨询服务时由外部记忆设备抽调信息的时间消耗, 它取决于信息存取的数量、频率和设备的负荷在大多数情况下, 这一指数是随时间而变化的。在计算系统中, 信息交换时间与信息之间的关系具有阶跃函数的形式。在信息传递的过程中, 由于往外部记忆设备的其他磁体!穿孔带或磁盘? 传递发生终断, 从一个区段向另一个区段转换将发生急剧变化 显然,当一次向外部记忆设备传递的信息量增大时, 单位信息量!数据? 传输消耗的相对时间也将减少。必须指出, 当在实际系统中向外部记忆设备进行信息存取时, 不仅可以按规定的应用程序传送信息, 而且还可以传送辅助数据, 以及传送该程序工作不用的其他指标 设计者在设计系统的信息保证程序时, 其作用包括在各信息块之间对各种信息作如下分配, 即保证最充分利用每一次存取提供的信息。结果, 用助于缩短数据交换的相对时间运算存储器与外部记忆设备之间, 数据交换的总时间可分为三个主要组成部分!时间指标按处理机的平均效率计算运算系统排队等待服务时间!约两秒? 0系统程序执行时间, 由它来回答用户的咨询, 组织通道程序, 等待电子计算机通路和外部设备, 传递信息的检查和换码等!一至五十毫秒? 0把外部记忆设备的机动部件引入数据媒体需要的部件中数据交换的总时间可以缩短 如排队等待时间中可减少课题的优先服务, 或将外部设备划分为只为某种程序服务。电子计算机取决于数据库控制系统工作的外加负荷可以缩小, 因为可以拒绝用于某些辅助用途, 如数据库有关指标相应的保证作用, 防护非裁决性的存取, 咨询者对数据使用的控制等。媒体的引入时间, 可通过合理配置外部记忆设备中的各种数据存储器而尽可能缩小 数据存储器的配置, 要考虑这种不同存储器的使用强度, 使用方法及其组成结构。当各种组合运算的程序在开始进行咨询之前即为已知时, 如在设计能够依次运算的数据存储器时, 或设计记录式结构的存储器时, 应考虑能够同时接纳各种询查!调用。在实际条件下, 一次存取传输信息量的增加, 首先受下列因素限制? 运算存储器!缓冲部分的容量, 应用程序控制的存储器的运算部分, 各种形式运算系统的工作条件!即信息记录和交换的能力, 当系统中缓冲的信息交换量不能增加时, 可直接利用几个缓冲区的信息块来交换信息。在这里, 可建立应用程序链直接完成。如果存储器只是按顺序工作的形式设计的, 那么, 增加媒体的容量是合理的, 在这种情况下, 不仅可以提高信息交换的速度, 而且, 可以改善外部记忆设备容量的利用, 因为可减少信息按应用程序工作不必要的中间环节。当采用标准的数据库控制系统时, 可把相当一部分存储器容量和计算系统的资源, 用于完成一些辅助功能。采用层合的格式, 对各种指数进行合理的编码, 用表格速记结果, 与按原始信息的形式存储数据比较, 在大多数情况下, 可保证减少存储数据的存储器容量12 2 。减少数据交换时间的有效手段是, 对外部记忆设备的指数按混合使用机率的特征进行分类。按解算的各种实际问题的技术条件, 如果信息块中的数据是按顺序处理的, 那么, 采用按顺序的形式组织数据库是合理的0 这样, 可以得到相当简单的信息结构, 也就是说, 可采用分项搜索算法来处理数据信息。在电子计算机的运算系统的构成中, 顺序存取法的程序模型结构也很简单, 且运用的时间短, 在采用多功能的处理机时特别有效。虽然最广泛采用的直接存取的外部记忆设备一磁盘一能够保证迅速进行任意记录, 但是, 顺序处理可以缩减活动磁头变换的时间消耗!非生产的时间消耗。对各种数据采取顺序组织法, 可以减少在磁带中复制信息, 在许多情况下, 可用磁带代替磁盘, 大大减少系统的研制和运行费用。按顺序存取法运用成组数据方面的主要限制因素是, 将各种新的信息记录到存储媒体很复杂, 且要花费很长的时间才能选到数量不多的信息。为了按信息块内部的存取量记入新信息, 可建立预备位或建立信息溢出的引流场。当按系统的工作条件, 新信息的记录可以迭加时, 用顺序法存取信息块有满意的时间指标一新输入的信息可按基本信息块规定的程序处理, 并依次进行修正。在顺序存取的信息块中, 也可用类似的办法进行分类搜索, 取得令人满意的时间指标。对每种信息块的组织形式来说, 由于其外部记忆设备的特征不同, “ 大的” 信息组与“小的” 信息组这两个概念之间的准确界限也不同。例如, 设由: 组信息组成的信息块, 可在7 秒查阅完, 每一组信息的存取需要6 秒种, 则顺序选取各组信息的工作制度将是最理想的.可以通过编制索引, 建立各组信息之间的联系。由索引直接把各种信息组织起来!建立目录结构, 或开辟专门的区域!信息交换区或索引表。在索引中可说明需要的逻辑记录, 通过运用系统程序开发应用程序, 根据外部记忆设备收集实际资料, 其中包括作某些逻辑处理。为了选取索引中的每一组逻辑记录, 要求一次一次地向外部记忆设备传输数据, 并且可以通过计算该时刻运算存储器实际储存的信息, 减少数据交换的次数。为了缩减存储器中存储索引部分的容量, 可建立索引存储块, 这样做可将大量的逻辑记录设置于每一存储块内, 有很大的经济效果 但是, 其缺点是从存储块中搜索需要的记录信息程序较为复杂,此外 搜索的时间还可能增加。系统信息块在使用的过程中, 要考虑记录信息之间的附加逻辑关系, 在不改变基本信息块结构的情况下, 组织好新的信息组的输入。在这种情况下, 可有效运用索引记录结构。如果逻辑记录中实用信息量减少, 那么, 实际记录的每一组信息!其数量首先取决于外部记忆设备的参数? , 与采用一般的记录结构比其逻辑记录的范围显然要大得多。采用索引式的记录, 运用存储指数变长的格式, 要按一般的记录结构是很难实现的在许多情况下, 采用索引记录结构可缩短向外部记忆设备存取数据的次数, 因为可对各组管理信息进行预处理。此外, 可通过数据库的控制系统对这种信息加以运用, 分配于交换缓冲区内, 进行存取的兼容运算, 以及按照多因素标准组织信息搜索, 或为解决若干问题组织数据的同时搜索 与数据的顺序组织法比较, 上述记录信息的结构方案要求存储器容量较大, 程序保证系统比较复杂, 这样才能完成基本信息块的修正运算。系统的信息咨询服务工作, 应保证能够迅速存取各种记录信息或指数。为此, 要求采用各种搜索算法, 在采用各种办法组织信息块的情况下, 这些方法特征的比较列于表中。这种特征最明显地反映在数据库的处理方法中!共约统计了五万次记录, 是使用第三代中效率电子计算机运行记录的.显然, 顺序观察和直接寻址是很少用的, 其原因首先是这类搜索法需要察看的时间很长, 并且存储地址数码占相当大的存储器容量 在采用排序存储块的情况下, 可采用双向检索法代替顺序观察法, 这时可由整个存储块的中部!分成两段、四段等? 依次选取记录信息0 通过对标记进行分析以后, 确定搜索的修正区段, 逐步减少搜索长度。当存储块中没有实际的排序信息时, 可在树枝状结构记录信息之间组织关系描述存储,对这种数据文件, 可在双向检索的过程中同时予以观察!参看表。如果总的记录长度大大超过索引字段的长, 那么, 组织单个索引存储块和地址存储块是合理的, 这样可以方便于搜索到需要的各种记录信息。在有这种变址的情况下, 虽然搜索时需要比较的数码并不减少, 但是, 观察变址存储块时信息交换的运算次数可显着减少。采用多级变址是最有效的, 实现这一目标众所周知的办法之一, 是系统中运用的变址顺序组织法。这种组织数据信息的办法, 实质在于分三级变址? 在磁盘分出同位标磁道组和外记忆设备的磁道组, 按记录存址将索引标码连贯起来。变址顺序组织法, 无论是对任意记录的存取还是对信息进行须序处理, 在大多数情况下都能满足搜索的时间要求。但是, 如果系统的主要工作量在于对各种信息业务咨询服务!每秒钟可接受咨询5-100次, 例如利用系统预订旅客列车或飞机票席, 那么, 变址一顺序组织法将不能给出存取的必要时间指标。在信息管理系统的设计阶段, 如果信息块的通道联系为已知, 则可以对同一插孔使用频率最接近的一些信息进行分类。为了进行变址, 可采用一定的记录索引变换办法, 按规定地址记录信息, 同时, 变址的组织可以是非单位的, 即在索取必要的信息时, 可增加通道与信息块的主要字域连接, 防止信息滋流。对数据收集的各种组织形式及其工作方法, 作这样的比较分析, 有助于清楚地划分它们的运用范围。在自动开关中刻出整个可能决策的字区, 从相当程度上看是分级的, 但在大多数情况下, 当我们对交通运输系统的信息保证结构进行设计时, 这样做有可能对各种数据组织方案的服务进行比较分析。系统数据库结构的设计过程, 第一步, 要研究各种咨询服务和数据库的静态状况, 即不考虑系统发挥功能作用的过程中可能需要进行的各种修正 这种咨询特征与必要的记录数一样, 可由横座标轴的位置确定, 咨询服务速度的要求, 则由纵座标轴确定。然后, 再考虑信息块的变化动态, 对各种信息可根据三维关系的必要结构进行修正。当信息系统进行各种形式的咨询, 对数据的组织及其数据处理算法的要求发生矛盾时,设计人员应利用均衡系数!按每一种咨询加以规定? , 确定由数据库中选取信息的工作制度。可通过在数据库中组织多功能信息块, 然后按一定的工作制度!分级? 选择信息。某种数据组织方法的选择, 是由多方面的因素决定的, 但应选择通用的类型较为合理。例如, 变址一顺序组织, 不管是进行任意存取或顺序存取, 其时间指数在许多情况下都能达到满意的结果。在两级式的咨询服务的过程中, 信息的选择必须保证初级数据组织的信息, 与按次级所采取的数据组织选取的信息不发生矛盾。在大多数情况下, 当需要作大量的多种形式的咨询时, 信息结构的设计要求完成数据组织必要类型一系列的选择运算, 以尽可能适应系统各种应用课题的要求。如果要使信息结构的设计完全符合各方面的要求不可能, 那么, 可以建立附加信息块,供解决某些课题或课题组!某类课题? 使用。在这里, 尽管各种信息修正程序的组织很复杂, 要考虑各信息块之间的协调!运行? 间题, 在各信息块中, 一部分信息指数需要复制,但是, 在技术设备满载或某些信息块出现偏差的情况下, 可以提高系统功能的可靠性在数据库服务的程序包中, 可加入纠正错误指数的辅助模量。在多功能的信息管理系统中, 数据库的设计者应确定第一应用程序指数转换和处理的条件。转换监督的这种组织, 要依靠各个非标定存取指数来实现在信息管理自动化系统的研制和投入使用的过程中, 数据库的设计者应保证管理系统程序设备的基本功能。同时, 要把按统计学编制的服务程序接入数据库, 进行调整, 消除错误, 对原始数据的正确性进行检查, 对信息块的