基于新信息技術(shù)的軟件工程與UML教程課件：軟件設(shè)計

軟件設(shè)計任務(wù)一總體設(shè)計任務(wù)二詳細設(shè)計任務(wù)三編寫文檔習(xí)題

項目引導(dǎo)

軟件設(shè)計是對需求分析的結(jié)果進行軟件模塊設(shè)計和算法設(shè)計的過程，分為總體設(shè)計和詳細設(shè)計兩部分。本項目主要介紹總體設(shè)計和詳細設(shè)計的任務(wù)和過程、圖形工具，并重點介紹結(jié)構(gòu)化設(shè)計技術(shù)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。

知識目標(biāo)

(1)了解軟件設(shè)計的任務(wù)和過程。

(2)掌握軟件設(shè)計的圖形工具。

(3)掌握結(jié)構(gòu)化設(shè)計技術(shù)。

(4)掌握結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思路。

能力目標(biāo)

會運用軟件設(shè)計的圖形工具對小型軟件或網(wǎng)站進行總體設(shè)計、詳細設(shè)計，并完成總體設(shè)計說明書、詳細設(shè)計說明書。

任務(wù)一總體設(shè)計

總體設(shè)計又稱為概要設(shè)計或初步設(shè)計，基本目的就是回答“系統(tǒng)應(yīng)該如何實現(xiàn)”這個問題。這個階段有兩個任務(wù)：一是劃分出組成系統(tǒng)的物理元素——程序、文件、數(shù)據(jù)庫、人工過程和文檔等，但是每個物理元素仍然處于黑盒子級，即具體內(nèi)容將在以后仔細設(shè)計；二是設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)，也就是要確定系統(tǒng)中每個程序是由哪些模塊組成的，以及這些模塊相互間的關(guān)系。

總的來說，總體設(shè)計過程有以下三個步驟：

(1)分析員根據(jù)數(shù)據(jù)流圖尋找實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的各種不同的方案。

(2)分析員從供選擇的方案中選取若干個合理的方案，并為每個合理的方案準(zhǔn)備系統(tǒng)流程圖，列出組成系統(tǒng)的所有物理元素，進行成本/效益分析，制訂實現(xiàn)這個方案的進度

計劃。

(3)分析員綜合分析上述合理方案，從中選出一個最佳方案向用戶推薦。如果用戶接受了推薦的方案，分析員應(yīng)進一步為這個最佳方案設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)。

一、總體設(shè)計概述

概要設(shè)計也稱總體設(shè)計，其基本目標(biāo)是能夠針對軟件需求分析中提出的一系列軟件問題，概要地回答問題如何解決。例如，軟件系統(tǒng)將采用什么樣的體系構(gòu)架，需要創(chuàng)建哪些功能模塊，模塊之間的關(guān)系如何，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何，軟件系統(tǒng)需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供支持，需要采用什么類型的后臺數(shù)據(jù)庫等?？傮w設(shè)計過程通常由兩個主要階段組成：

①系統(tǒng)設(shè)計階段，確定系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案；

②結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，確定軟件結(jié)構(gòu)。

典型的總體設(shè)計過程包括下述九個步驟。

1．設(shè)想供選擇的方案

分析員根據(jù)需求分析階段得出的數(shù)據(jù)流圖，考慮各種可能的實現(xiàn)方案，并且力求從中選出最佳方案。常用的方法是：設(shè)想數(shù)據(jù)流圖中處理的各種可能的分組方法，拋棄在技術(shù)上行不通的分組方法，余下的分組方法代表可能的實現(xiàn)策略。

2．選取合理的方案

分析員從供選擇的方案中選取若干個合理的方案，通常至少選取低成本、中等成本和高成本的三種方案。在判斷合理方案時應(yīng)該考慮在問題定義和可行性研究階段確定的工程規(guī)模和目標(biāo)，有時可能還需要進一步征求用戶的意見。

對每個合理的方案，分析員都應(yīng)該準(zhǔn)備4份資料：

(1)系統(tǒng)流程圖；

(2)組成系統(tǒng)的物理元素清單；

(3)成本/效益分析；

(4)實現(xiàn)這個系統(tǒng)的進度計劃。

3．推薦最佳方案

分析員應(yīng)該綜合分析對比各種合理方案的利弊，推薦一個最佳的方案，并且為推薦的方案制訂詳細的實現(xiàn)計劃。

用戶和有關(guān)技術(shù)專家應(yīng)認真審查分析員所推薦的最佳系統(tǒng)，如果滿足用戶的需要，經(jīng)使用部門審批之后，將進入下一階段——結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4．功能分解

為實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)，必須設(shè)計出組成系統(tǒng)的所有功能，以及程序和文件(或數(shù)據(jù)庫)結(jié)構(gòu)。對程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通常分為兩個階段完成：首先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后進行過程設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計確定程序由哪些模塊組成，以及模塊間的關(guān)系；過程設(shè)計確定每個模塊的處理過程。結(jié)構(gòu)設(shè)計是總體設(shè)計階段的任務(wù)，過程設(shè)計是詳細設(shè)計階段的任務(wù)。

5．設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)是由模塊組成的層次系統(tǒng)，可以用層次圖或結(jié)構(gòu)圖來描繪。

在設(shè)計過程中，把系統(tǒng)模塊組織成良好的層次系統(tǒng)，頂層模塊調(diào)用它的下層模塊，每個下層模塊再調(diào)用更下層的模塊，最下層的模塊完成具體的功能。

6．設(shè)計數(shù)據(jù)庫

分析員在需求分析階段所確定的系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫課程中已詳細講述了設(shè)計數(shù)據(jù)庫的方法。

7．制訂測試計劃

在開發(fā)的早期考慮測試問題，能促使設(shè)計人員在設(shè)計時注意提高軟件的可測試性。

8．書寫文檔

書寫文檔記錄總體設(shè)計的結(jié)果，應(yīng)該完成的文檔通常有以下幾種：

(1)系統(tǒng)說明主要內(nèi)容包括用系統(tǒng)流程圖描繪的系統(tǒng)構(gòu)成方案，組成系統(tǒng)的物理元素清單，成本/效益分析，對最佳方案的概括描述，精化的數(shù)據(jù)流圖，用層次圖或結(jié)構(gòu)圖描繪的軟件結(jié)構(gòu)，用IPO圖或其他工具(例如PDL語言)簡要描述的各個模塊的算法，模塊間的接口關(guān)系，以及需求、功能和模塊三者之間的關(guān)系等。

(2)用戶手冊根據(jù)總體設(shè)計階段的結(jié)果，修改更正在需求分析階段產(chǎn)生的初步的用戶手冊。

(3)測試計劃，包括測試策略、測試方案、預(yù)期的測試結(jié)果、測試進度計劃等。

(4)詳細的實現(xiàn)計劃。

(5)數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)果。

9．審查和復(fù)審

分析員對總體設(shè)計的結(jié)果進行嚴(yán)格的技術(shù)審查，在技術(shù)審查通過之后再由用戶從管理角度進行復(fù)審。

二、軟件設(shè)計原理

1．模塊化

模塊是數(shù)據(jù)說明，可執(zhí)行語句等程序?qū)ο蟮募?，它是?gòu)成程序的基本構(gòu)件。每個模塊均有標(biāo)識符標(biāo)識。如過程、函數(shù)、子程序和宏等，都可作為模塊。

模塊化就是把程序劃分成獨立命名且可獨立訪問的模塊，每個模塊完成一個子功能，把若干模塊構(gòu)成一個整體，完成用戶需求。

設(shè)函數(shù)C(x)定義問題x的復(fù)雜程度，函數(shù)E(x)確定解決問題x需要的工作量(時間)。對于兩個問題P1和P2，如果C(P1)>C(P2)，顯然E(P1)>E(P2)。

根據(jù)經(jīng)驗，一個有趣的規(guī)律是C(P1+P2)>C(P1)+C(P2)，即如果一個問題由P1和P2兩個問題組合而成，那么它的復(fù)雜程度大于分別考慮每個問題時的復(fù)雜程度之和。

綜上所述，得到結(jié)論E(P1+P2)>E(P1)+E(P2)，這就是模塊化的根據(jù)。

由上面的不等式還能得出下述結(jié)論：當(dāng)模塊數(shù)目增加時每個模塊的規(guī)模將減小，開發(fā)單個模塊需要的成本(工作量)確實減少了；但是，隨著模塊數(shù)目增加，設(shè)計模塊間接口所需要的工作量也將增加。根據(jù)這兩個因素，得出圖4-1中的總成本曲線。

圖4-1模塊數(shù)目與成本的關(guān)系

2．抽象

抽象就是抽出事物的本質(zhì)特性而暫時不考慮它們的細節(jié)，即提取共性、忽略差異。軟件工程過程的每一步都是對軟件解法的抽象層次的一次精化。對于復(fù)雜系統(tǒng)，抽象也是自頂向下，逐步細化的，即由高層到低層，直至可直接實現(xiàn)。

3．逐步求精

逐步求精是解決復(fù)雜問題時采用的基本方法，也是軟件工程技術(shù)(如規(guī)格說明技術(shù)、設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù))的基礎(chǔ)。它將現(xiàn)實問題經(jīng)過幾次抽象(細化)處理，最后到求解域中只是一些簡單的算法描述和算法實現(xiàn)問題，即將系統(tǒng)功能按層次進行分解，每一層不斷將功能細化，到最后一層都是功能單一、簡單易實現(xiàn)的模塊。求解過程可以劃分為若干個階段，在不同階段采用不同的工具來描述問題。

4．信息隱藏和局部化

信息隱藏原理指出：在設(shè)計和確定模塊時，使得一個模塊內(nèi)包含的信息(過程和數(shù)據(jù))對于不需要這些信息的模塊來說，是不能訪問的，即模塊內(nèi)部的信息對于別的模塊來說是隱藏的。信息隱蔽為軟件系統(tǒng)的修改、測試及以后的維護帶來好處。

局部化是指把關(guān)系密切的軟件元素物理地放在一起，要求在劃分模塊時采用局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使大多數(shù)過程和數(shù)據(jù)對軟件的其他部分是隱藏的。局部化有助于實現(xiàn)信息隱藏。

5．模塊獨立

模塊獨立性是指每個模塊只完成系統(tǒng)要求的獨立子功能，并且與其他模塊的聯(lián)系最少且接口簡單。模塊獨立是模塊化、抽象、信息隱藏和局部化概念的直接結(jié)果。

模塊獨立性之所以重要，主要原因有兩方面：第一，有效的模塊化(即具有獨立的模塊)的軟件比較容易開發(fā)出來；第二，獨立的模塊比較容易測試和維護。

模塊的獨立程度可用兩個定性標(biāo)準(zhǔn)度量：耦合和內(nèi)聚。耦合衡量不同模塊彼此間互相依賴(連接)的緊密程度；內(nèi)聚衡量一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。以下分別詳細闡述。

1)耦合

耦合是對一個軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)不同模塊之間互連程度的度量。耦合強弱取決于模塊間接口的復(fù)雜程度，進入或訪問一個模塊的點，以及通過接口的數(shù)據(jù)。

模塊間的耦合程度強烈影響系統(tǒng)的可理解性、可測試性、可靠性和可維護性。

模塊的耦合有六種類型(低→高)：無直接耦合、數(shù)據(jù)耦合、標(biāo)記耦合、控制耦合、公共耦合和內(nèi)容耦合。

(1)無直接耦合：指兩模塊之間沒有直接關(guān)系。

(2)數(shù)據(jù)耦合：指兩模塊之間有調(diào)用關(guān)系，傳遞的是簡單的數(shù)據(jù)值，相當(dāng)于高級語言中的值傳遞。

(3)標(biāo)記耦合：指兩模塊之間傳遞的是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如高級語言中的數(shù)組名、記錄名、文件名等即為標(biāo)記，傳遞的是這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的地址。

(4)控制耦合：指一個模塊調(diào)用另一個模塊時，傳遞的是控制變量(如開關(guān)、標(biāo)志)。

(5)公共耦合：指通過一個公共數(shù)據(jù)環(huán)境相互作用的模塊間的耦合。公共數(shù)據(jù)環(huán)境可以是全程變量或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，共享的通信區(qū)、內(nèi)存、文件、物理設(shè)備等。

如果只有兩個模塊有公共環(huán)境，那么這種耦合有兩種可能：

①一個模塊往公共環(huán)境送數(shù)據(jù)，另一個模塊從公共環(huán)境取數(shù)據(jù)。這是數(shù)據(jù)耦合的一種形式，是比較松散的耦合。

②兩個模塊既往公共環(huán)境送數(shù)據(jù)，又從公共環(huán)境取數(shù)據(jù)。這種耦合比較緊密，介于數(shù)據(jù)和控制耦合之間。

(6)內(nèi)容耦合：是最高程度的耦合，當(dāng)一個模塊直接使用另一個模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)或通過非正常的入口而轉(zhuǎn)入另一模塊內(nèi)部或兩模塊間有一部分程序代碼重疊(僅在匯編語言中)時，這就是內(nèi)容耦合。

為了降低模塊間的耦合度，可采取以下措施：

(1)在耦合方式上降低模塊間接口的復(fù)雜性，包括接口方式、接口信息的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。

(2)在傳遞信息類型上盡量使用數(shù)據(jù)耦合，避免控制耦合，限制公共耦合，不使用內(nèi)容耦合。

2)內(nèi)聚

內(nèi)聚指模塊功能強度的度量，即一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程序的度量。一個模塊內(nèi)各元素(語句之間、程序段之間)聯(lián)系得越緊密，則它的內(nèi)聚性就越高。

內(nèi)聚性也有六種類型(低→高)：偶然內(nèi)聚、邏輯內(nèi)聚、時間內(nèi)聚、通信內(nèi)聚、順序內(nèi)聚和功能內(nèi)聚。

(1)偶然內(nèi)聚：指一個模塊內(nèi)的各處理元素之間沒有任何聯(lián)系，即使有聯(lián)系也是非常松散的。

(2)邏輯內(nèi)聚：指模塊內(nèi)執(zhí)行幾個邏輯上相同或相似的功能，通過參數(shù)確定該模塊完成哪一功能。

(3)時間內(nèi)聚：一個模塊包含的任務(wù)必須在同一段時間內(nèi)執(zhí)行，就稱時間內(nèi)聚，如初始化一組變量，同時打開或關(guān)閉若干個文件等。

(4)通信內(nèi)聚：指模塊內(nèi)所有處理元素都在同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上操作，或指各處理使用相同的輸入數(shù)據(jù)或產(chǎn)生相同的輸出數(shù)據(jù)，如完成“建表”、“查表”等。

(5)順序內(nèi)聚：指一個模塊中各處理元素都密切相關(guān)于同一功能且必須順序執(zhí)行，前一功能元素的輸出就是下一功能元素的輸入。

(6)功能內(nèi)聚：指模塊內(nèi)所有元素共同完成一個功能，缺一不可，因此模塊不可再分，如“打印日報表”。

耦合和內(nèi)聚是模塊獨立性的兩個定性標(biāo)準(zhǔn)，在軟件系統(tǒng)劃分模塊時，盡量做到高內(nèi)聚低耦合，提高模塊的獨立性。

6．啟發(fā)規(guī)則

啟發(fā)規(guī)則是在開發(fā)軟件過程中總結(jié)出來的原則，能幫助人們改進軟件設(shè)計，提高軟件質(zhì)量。啟發(fā)規(guī)則如下：

(1)改進軟件結(jié)構(gòu)，提高模塊獨立性。設(shè)計出軟件初步結(jié)構(gòu)后，通過模塊分解和合并，力求降低耦合提高內(nèi)聚，如多個模塊公有的一個子功能可獨立成一個模塊。

(2)模塊規(guī)模應(yīng)該適中。一個模塊的規(guī)模不過大，最好能在一頁紙內(nèi)寫完(60行語句左右)。

(3)深度、寬度、扇出和扇入都應(yīng)適當(dāng)。

①深度：軟件結(jié)構(gòu)中控制的層次。

②寬度：軟件結(jié)構(gòu)中同一層上模塊的最大數(shù)。

③扇出：一個模塊直接調(diào)用(控制)的模塊數(shù)目。平均扇出數(shù)通常是3個或4個。

④扇入：一個模塊直接被調(diào)用(控制)的模塊數(shù)目。扇入越大則共享該模塊的上級模塊數(shù)目越多，這是有好處的，但不能違背模塊獨立性原則。

圖4-2所示模塊示意圖中，其深度為5，寬度為7，扇出數(shù)最大為3，扇入數(shù)最大為3(如模塊D扇入數(shù)為1)。

圖4-2模塊示意圖

(4)模塊的作用域應(yīng)該在控制域之內(nèi)，模塊作用域和控制域示意圖如圖4-3所示。

圖4-3模塊作用域和控制域示意圖

修改軟件結(jié)構(gòu)可使作用域是控制域的子集，方法是：

①把判定點往上移，如把判定從模塊A移到模塊M中。

②把在作用域內(nèi)但不在控制域內(nèi)的模塊移到控制域內(nèi)，如把模塊G移到模塊A的下面，成為其直接的下級模塊。

(5)力爭降低模塊接口的復(fù)雜程度。模塊接口復(fù)雜是軟件發(fā)生錯誤的一個主要原因，應(yīng)該仔細設(shè)計模塊接口，使得信息傳遞簡單并且和模塊的功能一致。

(6)設(shè)計單入口單出口的模塊。設(shè)計單入口單出口的模塊是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的需求，可增強系統(tǒng)的理解性和維護性。

(7)模塊功能應(yīng)該可以預(yù)測。模塊的功能應(yīng)該能夠預(yù)測，但也要防止模塊功能過分局限。每一個模塊實現(xiàn)的功能應(yīng)該能夠預(yù)測，也要防止模塊功能過分局限。

三、總體設(shè)計圖形工具

1．層次圖和HIPO圖

層次圖用來描繪軟件的層次結(jié)構(gòu)，圖中的一個矩形框代表一個模塊，方框間的連線表示調(diào)用關(guān)系。圖4-4是正文加工系統(tǒng)的層次圖。

注意：層次方框圖表示組成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層次關(guān)系，與層次圖不同。

圖4-4正文加工系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

HIPO圖是“層次圖加輸入/處理/輸出圖”。在H圖(層次圖)里除了最頂層的方框之外，每個方框都加了編號。H圖中的每個方框?qū)?yīng)著一張IPO圖(輸入/處理/輸出圖)，用以描繪這個方框代表的模塊的處理過程。圖4-5是正文加工系統(tǒng)HIPO圖。

圖4-5正文加工系統(tǒng)HIPO圖

2．結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)圖和層次圖類似，也是描繪軟件結(jié)構(gòu)的圖形工具，圖中一個方框代表一個模塊，框內(nèi)注明模塊的名字或主要功能，方框之間的箭頭(或直線)表示模塊的調(diào)用關(guān)系。

在結(jié)構(gòu)圖中通常還用帶注釋的箭頭表示模塊調(diào)用過程中來回傳遞的信息，尾部是空心圓表示傳遞的是數(shù)據(jù)，實心圓表示傳遞的是控制信息。圖4-6是產(chǎn)生最佳解的結(jié)構(gòu)圖。

圖4-6結(jié)構(gòu)圖的例子——產(chǎn)生最佳解系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

四、結(jié)構(gòu)化設(shè)計技術(shù)

面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法的目標(biāo)是給出設(shè)計軟件結(jié)構(gòu)。在軟件工程的需求分析階段，通常用數(shù)據(jù)流圖描繪信息在系統(tǒng)中加工和流動的情況。面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法定義了一些不同的映射，利用這些映射可以把數(shù)據(jù)流圖變換成軟件結(jié)構(gòu)。通常所說的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法(SD方法)，也就是基于數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法。

1．基本概念

面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法把信息流映射成軟件結(jié)構(gòu)，信息流的類型決定了映射的方法。信息流有變換流和事務(wù)流兩種類型。

1)變換流

具有明顯的輸入、變換(或主加工)和輸出界面的數(shù)據(jù)流稱為變換流，如圖4-7所示。

圖4-7變換流

2)事務(wù)流

數(shù)據(jù)沿輸入通路到達一個處理T，這個處理根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類型在若干個動作序列中選出一個來執(zhí)行，這類數(shù)據(jù)流稱為事務(wù)流，如圖4-8所示。它完成下述任務(wù)：

(1)接收輸入數(shù)據(jù)(輸入數(shù)據(jù)又稱為事務(wù))；

(2)分析每個事務(wù)以確定它的類型；

(3)根據(jù)事務(wù)類型選取一條活動通路。

圖4-8事務(wù)流

2．設(shè)計過程

圖4-9說明了使用面向數(shù)據(jù)流方法逐步設(shè)計的過程。應(yīng)該注意，任何設(shè)計過程都不是機械的、一成不變的，設(shè)計需要判斷力和創(chuàng)造精神。

圖4-9設(shè)計過程

3．變換分析設(shè)計

第1步：復(fù)查基本系統(tǒng)模型。

第2步：復(fù)查并精化數(shù)據(jù)流圖。

第3步：確定數(shù)據(jù)流圖具有變換特性還是事務(wù)特性。

第4步：確定輸入流和輸出流的邊界，從而孤立出變換中心。

第5步：完成“第一級分解”。

第6步：完成“第二級分解”。

第7步：使用設(shè)計度量和啟發(fā)式規(guī)則對第一次分割得到的軟件結(jié)構(gòu)進一步精化。

4．事務(wù)分析設(shè)計

事務(wù)分析設(shè)計的步驟和變換分析的設(shè)計步驟大部分相同或類似，主要差別在于數(shù)據(jù)流圖到軟件結(jié)構(gòu)的映射方法不同。

事務(wù)流映射成軟件結(jié)構(gòu)包括一個接收分支和一個發(fā)送分支。映射出接收分支是從事務(wù)中心的邊界開始，把沿著接收通路的處理映射成模塊。發(fā)送分支的結(jié)構(gòu)包括一個調(diào)度模塊，它控制下層的所有活動模塊，然后把數(shù)據(jù)流圖中的每個活動通路映射成與它的流特征相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如圖4-10所示。

圖4-10事務(wù)分析的映射方法

5．設(shè)計優(yōu)化

(1)對軟件結(jié)構(gòu)進行精化：使用盡可能少的模塊。

(2)對運行時間的優(yōu)化：可在詳細設(shè)計階段、編寫程序過程中進行。

優(yōu)化方法遵循了一句格言：“先使它能工作，然后再使它快起來。”

五、教務(wù)管理信息系統(tǒng)總體設(shè)計

1．軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對希望中學(xué)教務(wù)管理信息系統(tǒng)的分析階段完成后，為了將系統(tǒng)分析階段提出的系統(tǒng)的邏輯方案轉(zhuǎn)換成可以實施的基于計算機和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的物理方案，概要設(shè)計主要考慮的是實現(xiàn)這個系統(tǒng)/子系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計幾個功能模塊，這些模塊由哪些程序組成以及它們之間以什么方式鏈接在一起構(gòu)成一個最好的系統(tǒng)機內(nèi)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)設(shè)計階段主要考慮的是計算機知識和應(yīng)用軟件開發(fā)經(jīng)驗。由系統(tǒng)的特性決定在系統(tǒng)設(shè)計過程中可以使用“自頂向下”的原則，將系統(tǒng)分為若干個模塊之后，可以用結(jié)構(gòu)圖來表達這些模塊之間的連接關(guān)系。

結(jié)構(gòu)圖中是用一個矩形來表示模塊的，模塊的名稱寫在矩形的里面，模塊結(jié)構(gòu)圖是用圖形的方法表示一個系統(tǒng)的輸入、輸出功能，以及系統(tǒng)模塊層次。模塊結(jié)構(gòu)圖主要包括兩方面內(nèi)容：

(1)模塊分層圖：表示自頂向下分解所得系統(tǒng)的模塊層次結(jié)構(gòu)。

(2)

IPO圖(輸入—處理—輸出圖)：用此圖描述一個模塊的輸入、處理和輸出內(nèi)容。

按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，希望中學(xué)教務(wù)管理信息系統(tǒng)/子系統(tǒng)從功能上可以劃分為教學(xué)安排管理、學(xué)生檔案管理、教師檔案管理、學(xué)生成績管理、考核評定管理、系統(tǒng)維護等六大部分。

從數(shù)據(jù)流程圖轉(zhuǎn)換為模塊結(jié)構(gòu)圖采用的是變換中心法。依據(jù)數(shù)據(jù)流程圖的頂層圖，轉(zhuǎn)化得到系統(tǒng)的總體功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4-11所示。

圖4-11希望中學(xué)教務(wù)管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在分解HIPO圖時，應(yīng)采用自頂向下逐步擴展的方法，先分解綜合性強、層次較少的模塊結(jié)構(gòu)，然后再根據(jù)需要一步一步擴充，因此，需要對第一輪的HIPO圖進行分解，直到每個單元功能模塊都能明確它的作用，如添加功能、查詢功能等，從而得到教務(wù)管理系統(tǒng)的HIPO圖，如圖4-12、圖4-13所示。

圖4-12希望中學(xué)教務(wù)管理信息系統(tǒng)HIPO圖圖4-13希望中學(xué)教務(wù)管理信息系統(tǒng)HIPO圖(頂層)

2．?dāng)?shù)據(jù)庫的概念設(shè)計

由需求分析階段的E-R圖得知，系統(tǒng)中涉及的實體有七個，其結(jié)構(gòu)如下：

年級組：年級組名稱、年級組組長姓名、年級組電話；

教師：教師工號、教師姓名、性別、出生年月、家庭住址、郵編、政治面貌、學(xué)歷、職稱、任教課程、備注；

班級：班級名、班主任姓名、教室編號、班級人數(shù)；

課程：課程編號、課程名、學(xué)分、學(xué)時；

學(xué)生：學(xué)號、班級編號、姓名、性別、出生年月、家庭住址、郵編、政治面貌、入學(xué)時間、備注；

獎懲：獎懲編號、獎懲標(biāo)志、獎懲名稱、獎懲日期、備注；

家長：家長姓名、稱謂、單位地址、單位電話。

該系統(tǒng)有八個聯(lián)系，包括七個一對多聯(lián)系和一個多對多聯(lián)系。其中一個多對多聯(lián)系有屬性，其屬性為：成績(分數(shù))。

任務(wù)二詳細設(shè)計

一、詳細設(shè)計概述詳細設(shè)計也叫程序算法設(shè)計，程序算法設(shè)計的目標(biāo)是對目標(biāo)系統(tǒng)作出精確的設(shè)計描述，其內(nèi)容包括確定模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和確定模塊內(nèi)部程序算法。程序算法設(shè)計結(jié)果將成為程序編碼的依據(jù)。

二、詳細設(shè)計圖形工具

1．程序流程圖

程序流程圖又稱為程序框圖，它是描述過程設(shè)計的方法。它是使用最廣泛，也是用得最混亂的一種方法。從20世紀(jì)40年代末到70年代中期，程序流程圖一直是軟件設(shè)計的主要工具。

程序流程圖的主要優(yōu)點是：對控制流程的描繪很直觀，便于初學(xué)者掌握。

程序流程圖的主要缺點如下：

(1)程序流程圖本質(zhì)上不是逐步求精的好工具，它誘使程序員過早地考慮程序的控制流程，而不去考慮程序的全局結(jié)構(gòu)。

(2)程序流程圖中用箭頭代表控制流，因此程序員不受任何約束，可以完全不顧結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的精神，隨意轉(zhuǎn)移控制。

(3)程序流程圖不易表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2．盒圖(N-S圖)

盒圖是由Nassi和Shneiderman提出的，故又稱為N-S圖。它有下述特點：

(1)功能域(即控制結(jié)構(gòu))明確，從盒圖上一眼就能看出來。

(2)不能任意轉(zhuǎn)移控制。

(3)很容易確定局部和全程數(shù)據(jù)的作用域。

(4)很容易表現(xiàn)嵌套關(guān)系，也可以表示模塊的層次結(jié)構(gòu)。

圖4-14給出了結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)的盒圖表示，也給出了調(diào)用子程序的盒圖表示方法。

圖4-14盒圖組成

3．PAD圖

PAD即問題分析圖(ProblemAnalysisDiagram)，自1973年由日本日立公司發(fā)明以后，已得到一定程度的推廣。它用二維樹形結(jié)構(gòu)的圖來表示程序的控制流。圖4-15給出了PAD圖的基本符號。

圖4-15PAD圖的基本符號

PAD圖的主要優(yōu)點如下：

(1)使用PAD圖設(shè)計出來的程序必然是結(jié)構(gòu)化程序。

(2)PAD圖所描繪的程序結(jié)構(gòu)十分清晰。圖中4-15最左面的豎線是程序的主線，即第一層結(jié)構(gòu)。隨著程序?qū)哟蔚脑黾樱琍AD圖逐漸向右延伸，每增加一個層次，圖形向右擴展一條豎線。PAD圖中豎線的總條數(shù)就是程序的層次數(shù)。

(3)用PAD圖表現(xiàn)程序邏輯，易讀、易懂、易記。PAD圖是二維樹形結(jié)構(gòu)的圖形，程序從圖中最左豎線上端的節(jié)點開始執(zhí)行，自上而下，從左向右順序執(zhí)行，遍歷所有節(jié)點。

(4)容易將PAD圖轉(zhuǎn)換成高級語言源程序，這種轉(zhuǎn)換可用軟件工具自動完成，有利于提高軟件可靠性和軟件生產(chǎn)率。

(5)

PAD圖可用于表示程序邏輯，也可用于描繪數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(6)

PAD?圖的符號支持自頂向下、逐步求精方法的使用。開始時設(shè)計者可以定義一個抽象的程序，隨著設(shè)計工作的深入而使用def符號逐步增加細節(jié)，直至完成詳細設(shè)計，如圖4-16所示。

4．判定表

當(dāng)算法中包含多重嵌套的條件選擇時，用程序流程圖、盒圖、PAD圖或過程設(shè)計語言(PDL)都不易清楚地描述，然而判定表卻能夠清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動作之間的對應(yīng)關(guān)系。

判定表一般由四個部分組成。其中，表的左上部分列出所有條件，表的左下部分是所有可能出現(xiàn)的動作，表的右上部分用于表示各種可能的條件組合，表的右下部分則是和每種條件組合相對應(yīng)的動作。這樣一來，判定表的右半部分的每一列實質(zhì)上就構(gòu)成了一條規(guī)則，它規(guī)定了與特定的條件組合相對應(yīng)的動作。

下面以航空公司飛機票價計算規(guī)則為例說明判定表的使用方法。

假設(shè)該公司飛機票價計算規(guī)則是：國內(nèi)乘客按規(guī)定票價計算，國外乘客按規(guī)定票價加倍計算。但中小學(xué)生憑學(xué)生證按規(guī)定票價半價優(yōu)惠，70歲以上老年乘客憑老年證或身份證按規(guī)定票價8折優(yōu)惠，殘疾人可根據(jù)殘疾人證明按8折優(yōu)惠。以上優(yōu)惠可按最優(yōu)折扣率計算，但不能重復(fù)計算。另外，身高不足1米的兒童可以免票。

該飛機票價計算問題的判定表如表4-1所列。其中，表中右上部分中的“T”表示它左邊那個條件成立，“F”表示條件不成立，空白表示這個條件成立與否并不影響對動作的選擇。表的右下部分中畫“Y”的標(biāo)記表示做它左邊的那項動作，空白表示不做這項動作。

5．判定樹

判定樹是判定表的變種，能清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動作之間的對應(yīng)關(guān)系。判定樹的優(yōu)點在于，它的形式簡單到不需任何說明，一眼就可以看出其含義。圖4-17是用判定樹表示計算行李費的算法。

圖4-17行李費的判定樹

6．過程設(shè)計語言(PDL)

PDL也稱偽碼，是一種類程序設(shè)計語言。一方面，PDL有嚴(yán)格的關(guān)鍵字外部語法，借用某種語言(如使用PASCAL、C語言)的語法控制框架，用于定義控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；另一方面，PDL使用某一自然語言的詞匯，靈活自由地表示實際操作和判定條件，以適應(yīng)各種工程項目的需要。

PDL具有以下特點：

(1)提供結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)說明和模塊化的特點；

(2)自然語言的自由語法；

(3)數(shù)據(jù)說明包括簡單和復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

(4)提供模塊定義和模塊調(diào)用的各種接口描述模塊。

PDL具有以下優(yōu)點：

(1)可作為注釋直接插在程序中間；

(2)

PDL的編輯和書寫可用普遍的正文編輯程序或文字處理系統(tǒng)；

(3)

PDL可以經(jīng)自動處理程序，生成程序源代碼。

三、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計

結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的概念最早由E.W.Dijkstra提出。1965年他在一次會議上指出：“可以從高級語言中取消GOTO語句。”1966年Bohm和Jacopini證明了，只用三種基本的控制結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)任何單入口單出口的程序，即順序、選擇和循環(huán)(見圖4-18)。

圖4-18程序流程圖的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計中通常還允許使用DO-UNTIL和DO-CASE兩種控制結(jié)構(gòu)，它們的流程圖如圖4-19所示。

圖4-19程序流程圖的結(jié)構(gòu)

使用結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的優(yōu)點如下：

(1)發(fā)出的程序結(jié)構(gòu)層次清晰；

(2)不使用GOTO語句，程序的靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)情況比較一致；

(3)控制結(jié)構(gòu)有確定的邏輯模式；

(4)可重用的代碼量大；

(5)程序的邏輯結(jié)構(gòu)清晰，有利于程序正確性證明。

四、教務(wù)管理信息系統(tǒng)詳細設(shè)計

1．程序流程圖

為了簡單明了地描述本系統(tǒng)的處理過程，采用了比較傳統(tǒng)的程序流程圖。這是一種早就使用的模式，用來描述程序執(zhí)行的邏輯過程。按照程序流程圖的方法，可以把系統(tǒng)的處理過程分為處理、判斷、輸入、輸出、起始和終止等幾個過程。

系統(tǒng)流程圖主要用符號的形式描述了所有的輸入輸出和處理過程以及數(shù)據(jù)流向。

(1)主界面操作流程圖如圖4-20所示。

(2)教師情況查詢程序流程圖如圖4-21所示。

圖4-20主界面程序流程圖圖4-21教師情況查詢流程圖

2．?dāng)?shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計

E-R模型所表示的全局概念結(jié)構(gòu)，是對用戶數(shù)據(jù)需求的一種抽象表示形式，它獨立于任何一種數(shù)據(jù)模型。為了實現(xiàn)用戶的需求，必須將概念結(jié)構(gòu)進一步轉(zhuǎn)化為與我們選用的具體機器上DBMS產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)，這就