Файл: Вычислительные системы: состав и свойства.pdf

Цель кодирования информации – повышение скорости передачи и обработки данных, защита информации от искажений, надежное хранение информации, удобство физической реализации [^[20]].

Компьютер в вычислительной системе может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму [^[21]].

Все числа на компьютере представляются с помощью нулей и единиц. Компьютеры, ЭВМ в вычислительной системе работают в двоичной системе счисления. Ввод чисел и вывод их для чтения может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.

Вследствие технических особенностей компьютер применяет метод счета, в котором задействованы только две цифры 0 и 1. Например, до пяти он считает следующим образом: 1, 10, 11, 100, 101. Данные числа являются двоичными. Таким образом двоичное число 10 соответствует десятичному 2.

Элемент памяти, содержащий один двоичный разряд, называется битом. Один бит является слишком маленькой единицей информации, так как он содержит только два значения: 0 и 1, что слишком мало для использования в одной операции. Поэтому биты группируют в байты.

Единица информации, состоящая из восьми битов, называется байтом. Для большего значения используются следующие единицы:

• слово – 2 байта или 16 бит;
• двойное слово – 4 байта или 32 бита;
• учетверенное слово – 8 байт или 64 бита;
• параграф – 16 байт.

Двоичные числа обладают существенным недостатком – выглядят они слишком длинно и громоздко. Для этого были введены шестнадцатеричные числа, которые предназначены для более компактного записывания двоичных чисел.

В технической документации, электрических схемах и программах могут применяться разные способы представления чисел:

Двоичные (binary) числа – каждая цифра означает значение одного бита (0 или 1), старший бит всегда слева, после числа ставится бука «b». Например, 1010 0101b.

Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа – каждая тетрада представляется одним символом 0, ..., 9, А, В, ..., F. Такое представление может обозначаться по-разному. Например, число A5h может быть и как 0хА5, в зависимости от синтаксиса программирования. Незначащий ноль (0) добавляется слева от старшей шестнадцатеричной цифры, изображаемой буквой, чтобы различать числа и символические имена.

Десятичные (decimal) числа – каждый байт (слово, двойное слово) представляется обычным числом, а признак десятичного представления (букву «d») обычно опускают. Байт из предыдущих примеров имеет десятичное значение 165. В отличие от двоичной и шестнадцатеричной форм записи по десятичной трудно в уме определить значение каждого бита, что иногда приходится делать.

Восьмеричные (octal) числа – каждая тройка бит (разделение начинается с младшего) записывается в виде цифры 0 – 7, в конце ставится знак «0». То же самое число будет записано как 245о. Восьмеричная система неудобна тем, что байт нельзя разделить поровну, но зато цифры привычные [^[22]].

В качестве международного стандарта для кодирования символов принята кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange), которая кодирует первую половину символов с числовыми кодами от 0 до 127. При этом коды от 0 до 32 отведены функциональным клавишам.

Национальные стандарты кодировочных таблиц включают международную часть кодовой таблицы без изменений, а во второй половине содержат коды национальных алфавитов, символы псевдографики и некоторые математические знаки. В настоящее время существуют пять различных кодировок кириллицы (КОИ8-Р, Windows. MS-DOS, Macintosh и ISO), что вызывает дополнительные трудности при работе с русскоязычными документами [^[23]].

Внутримашинное информационное обеспечение – это совокупность данных, хранящихся во «внешней» памяти ЭВМ, подлежащих автоматизированной обработке, накоплению, поиску и передачи в виде, удобным для восприятия вычислительными системами. Это базы и банки данных, файлы (массивы).

Большинство данных в ЭВМ имеют организацию, которая получила название базы данных (БД). В целом отдельная база данных представляет собой таблицу данных.

База данных – файл данных, для определения и обращения, к которому используются средства управления базой данных. Также можно применить более объемное определение базы данных, что подразумевает собой самодокументированное собрание интегрированных записей.

База данных является самодокументированной (self-describing), если она содержит, в дополнение к исходным данным пользователя, описание собственной структуры. Это описание называется словарем данных (data dictionary), каталогом данных (data directory), метаданными (meta data) [^[24]].

Интегрированность записей проявляется в стандартной иерархии данных, которая выглядит следующим образом: биты объединяются в байты, или символы; символы группируются в поля; из полей формируются записи; записи организуются в файлы.

В зависимости от вида организации данных различают следующие основные модели представления данных в базе: иерархическую, сетевую, реляционную.

Иерархические модели данных имеют древовидную структуру, когда каждому узлу соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту соответствует один входной и несколько выходных сегментов. Каждый сегмент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающимся от корневого сегмента.

Сетевая модель базы данных во многом подобна иерархической. Отличие заключается в том, что в сетевой модели для сегментов допускается несколько входных сегментов без входов с точки зрения иерархической структуры. Сегменты данных в сетевых базах данных могут иметь множественные связи с сегментами старшего уровня.

Реляционной моделью базы данных называется модель, в которой средства управления базами данных поддерживают реляционную (табличную) структуру данных. Данная модель позволяет представить все данные как двумерный массив в виде таблиц, соответствующих какому-то определенному объекту или действию, называемому сущностью. Основой реляционных баз данных является таблица.

Банк данных — это система специальным образом организованных данных, а также технических, программных, языковых и организационно – методических средств, предназначенных для коллективного использования пользователями при решении разных задач.

Основные требования, предъявляемые к банкам данных:

• сведение к минимуму дублирования в хранении данных;
• прямой и коллективный доступ к данным;
• защита данных от несанкционированного доступа;
• адаптация данных к развитию информационного обеспечения;
• обеспечение регламентированных и нерегламентированных запросов;
• минимизация затрат на создание и хранение данных, поддержание их в актуальном состоянии.

Организация файлов в вычислительной системе представляет собой совокупность однородной, жестко организованной и поименованной информации, расположенной на машинном носителе. Это могут быть файлы данных и программные файлы, постоянные и текущие (переменные) файлы, промежуточные и выходные файлы.

Применяется традиционная, локальная, пофайловая организация внутримашинного обеспечения, которая используется при небольших объемах информации, предполагает жесткую привязку файлов к отдельным несложным задачам и исключает установление связи между файлами и коллективную работу в диалоге.

Внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации, чаще всего с подвижными носителями. Сюда входят устройства магнитной памяти, оптической и магнитооптической памяти. Накопители на жестких магнитных дисках являются главными устройствами дисковой памяти большинства компьютеров [^[25]]. Хотя сейчас распространение также получают твердотельные накопители.

Главной характеристикой накопителей является емкость хранения, измеряемая в килобайтах (КБайт), мегабайтах (МБайт), гигабайтах (ГБайт) и терабайтах (Тбайт).

Существуют следующие основные файловые системы: FAT, NTFS, HPFS, ОС UNIX, файловые системы CD-ROM [^[26]].

Файловая система FAT: FAT32 – замена FAT16. Файловая система FAT16 была разработана еще до создания MS DOS. Ее название – таблица расположения файлов (File Allocation Table). Отражает физическую организацию файловой системы, к основным характеристиками которой можно отнести максимальный размер поддерживаемого тома (жесткого диска или раздела на жестком диске), не превышающий 4095 Мбайт.

Среди преимуществ FAT16 можно отметить следующие:

• поддерживается операционными системами MS DOS и всеми версиями Windows, а также операционными системами UNIX;
• существует большое число программ, позволяющих исправлять ошибки в этой файловой системе и восстанавливать данные;
• при возникновении проблем с загрузкой с жесткого диска система может быть загружена с флоппи – накопителя;
• данная файловая система достаточно эффективна для томов объемом менее 256 Мбайт;

К основным недостаткам FAT16 относятся следующие:

• корневой каталог не может содержать более 512 символов. Использование длинных имен файлов существенно сокращает число этих элементов;
• FAT16 поддерживает не более 65 536 кластеров, а так как некоторые кластеры зарезервированы операционной системой, то число доступных кластеров составляет 65 524;
• не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;
• не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие;
• на дисках большого объема теряется много места за счет того, что используется максимальный размер кластера. Место под файл выделяется исходя из размера не файла, а кластера;

Основным отличием FAT 32 от FAT16 является изменение размера логического раздела диска. При этом, если при использовании FAT16 с 2-гигабайтными дисками требовался кластер размером в 32 Кбайт, то в FAT32 кластер размером в 4 Кбайта подходит для дисков объемом от 512 Мбайт до 8 Гбайт. Это соответствие означает более эффективное использование дискового пространства – чем меньше кластер, тем меньше места требуется для хранения файла и, как следствие, диск становится фрагментированным.

Среди преимуществ FAT32 можно отметить следующие:

• выделение дискового пространства выполняется более эффективно, особенно для дисков большого объема;
• корневой каталог в FAT32 представляет собой обычную цепочку кластеров и может находиться в любом месте диска;
• за счет использования кластеров меньшего размера (4Кбайта на дисках объемом до 8 Гбайт) занятое дисковое пространство обычно 10 – 15% меньше, чем под FAT16;
• является более надежной файловой системой. Загрузочная запись содержит ряд критичных для файловой системы данных;

Основные недостатки FAT32:

• размер тома при использовании FAT32 под Windows 2000 ограничен 32 Гбайт;
• тома FAT32 недоступны из многих операционных систем, которые поддерживают FAT;
• не поддерживается резервная копия загрузочного сектора;
• не поддерживается встроенная защита файлов и их сжатие.

Файловая система NTFS (New Technology File System) – надежность и безопасность. Данная система характеризуется рядом значительных усовершенствований и изменений, существенно отличающих ее от других файловых систем. Файлы также хранятся в каталогах, но в отличие от FAT, работа на дисках большого объема происходит намного эффективнее.

Имеются средства для ограничения в доступе к файлам и каталогам. Введены механизмы, существенно повышающие надежность файловой системы. Сняты многие ограничения на максимальное количество дисковых секторов и/или кластеров.

При проектировании системы NTFS уделили особое внимание на следующие характеристики.

Надежность. Особенно актуально для высокопроизводительных вычислительных систем.

Увеличенная функциональность и возможность расширения. Реализованы дополнительные возможности: отказоустойчивость, эмуляция других файловых систем, мощная модель безопасности, параллельная потоковая обработка данных, создание файловых атрибутов, определяемых пользователем.

Гибкость. Модель распределения дискового пространства в NTFS обладает большой гибкостью. Размер кластера может изменяться от 512 байт до 64 Кбайт. Он представляет собой число, кратное внутреннему кванту распределения дискового пространства. Размер тома в 2 Тбайта является практическим пределом для физических и логических томов NTFS.

При использовании томов в NTFS можно устанавливать права доступа, ограничения к файлам и каталогам. В Windows, начиная с 2000 версии появилось поддержка сжатие файлов и каталогов, расположенных на NTFS томах. Сжатые файлы доступны для чтения и записи любыми Windows – приложениями. Алгоритм сжатия в NTFS разработан с учетом поддержки кластеров размером до 4Кбайт. При большем размере кластера функции сжатия NTFS недоступны.