06第四章179.ppt

4.3 软件设计方法,4.3.1 面向数据流的设计方法 （data flow-oriented design method）,什么是面向数据流的设计？ Beginning with a fundamental system model (requirement analysis) , information may be represented as a continuous “flow” that undergoes（经历） a series of transforms (processes) as it evolves from input to output. The data flow diagram (DFD) is used as a graphical tool to depict information flow. Data flow-oriented design defines a number of different “mappings” that transform information flow into software structure.,面向数据流的设计就是根据业务过程，不断地细化数据流图。 规划阶段的细化在表达清楚需求后终止；设计阶段的细化在可以表达清楚软件结构（可以编写程序了）时终止。 从业务过程（问题域）到数据流图（问题域的数据流表达）到软件结构（问题解）的过程，就称为“映射” 的过程。 - defines a number of different “mappings”,面向数据流的设计通常又叫做结构化设计（structured design）。是目前使用最广泛的软件设计方法之一。,面向数据流设计的步骤,（1）确定数据流的类型。 （2）绘制并逐步细化数据流图（对于数据密集、关系复杂的应用问题，要建立数据字典，绘制实体-关系图）。 （3）根据数据流图，绘制并逐步细化软件结构图，直至程序结构图。 （4）将对应于数据流的软件结构进行过程化描述（绘制每个模块的流程图）。, 面向数据流设计的应用,A data flow-oriented approach to design is particularly powerful when no formal data structure exists. For example, microprocessor control applications; complex numerical analysis procedures; process control; and many engineering and scientific software applications do not require sophisticated（复杂） data structures and are difficult to model with data structure-oriented design. A data flow approach solves this difficulty nicely.,4.3.1.1 数据流的类型,对于一个应用问题，不论系统的数据流如何庞大和复杂，一般都可以分成两种类型，即 变换流（transform flow） 和 事务流（transaction flow） 很多情况下，一个大型系统常常既有变换流，又有事务流，称之为混合流。,（1）变换流,变换流的数据流图是一个线形结构，由输入、变换和输出三部分组成。全部变换过程就是把数据的外部表示逐步变成内部（便于软件处理的）表示，最后再把处理结果还原成外部表示（提供分析和应用）。,（2）事务流,事务流的数据流图与变换流类似，也包括三个部分，它由输入、 事物处理和输出组成。不同的是，它是一个并行或分支结构，根据输入的特性（条件），选择一个或多个事务处理的路径，进而产生处理的结果。,（3）混合流,示例：输水道（自然河流 / 人工渠道）中水流调控的变换流和事务流,4.3.1.2 面向数据流的设计,(1) 数据字典设计 由于数据流图不足以完整地描述软件设计的对象属性和内容，所以，一般情况下数据流图必须与数据字典配套使用。,（2）绘制实体-关系图,实体-关系图（Entity-Relationship Diagram E-R D） 是表示数据对象及其关系的图形语言。 数据对象是现实世界中省略了功能和行为的实体。应用问题中的任何数据对象都不是孤立的，它们之间存在各种形式的关联，称之为关系。关系分为一对一、一对多、多对多等。,CASE 水利数据实体关系,E-R D在实际应用时，会根据应用领域和实际需要作适当的修改和扩充。E-R D只是描绘（depict）实体间的关系，并不显示实体的属性，为了使水利数据实体关系图有更直观的效果，在这个CASE中增加了“属性”项，用 表示。,“政区”（包括实体及属性）与其它水利实体的关系,（3）根据 E-R D 创建数据库（表）,表结构 政区数据（表） 字段名 标识符 数据类型及长度 可否为空值 单位 是否主键 是否外键 代码 district_code C(4) 否 是 名称 district_name C(8) 否 人口 population N(4) 万 面积 area N(5) KM2 水库数据（表） 字段名 标识符 数据类型及长度 可否为空值 单位 是否主键 是否外键 代码 reservior_code C(4) 否 是 名称 reservior_name C(8) 否 所属政区 district_code C(4) 是 容量 volume N(5) 万米3,（4） 数据流图绘制,采购子系统数据流图,采购子系统的软件结构图 （structure chart）,（6）面向数据流的设计过程,请参考 “采购子系统” 的软件结构图，将大学教材购销系统数据流图中的销售子系统数据流图转换成软件结构图。当然，也可以思考作为示例的销售子系统数据流图、采购子系统数据流图、采购子系统软件结构图是否合理，并提出修改意见。,思考题7 绘制软件结构图,4.3.2 面向数据结构的设计方法 （data structured-oriented design）,面向数据结构的设计与面向数据流的设计的不同 面向数据流的设计来源于软件的模块化和功能分解概念，即软件结构对应于数据的变换或事务的处理。 面向数据结构的设计则是根据问题的数据结构定义一组映射，把问题的数据结构转换为问题解的软件（或程序）结构。它着重于问题的数据结构，把软件（程序）结构设计成与问题的数据结构对应，不强调模块定义。因此，这种结构容易理解，也容易修改。,面向数据结构设计的步骤,（1）确定数据结构的特征。 （2）用顺序、选择和重复三种数据结构来描述数据的 关系。 （3）把问题的数据结构映射为软件的控制结构。 （4）细化软件的控制结构 （5）将对应于数据结构的软件控制结构进行过程化描 述（绘制模块流程图）。 请注意这里讨论的数据结构与“数据结构”课程所 讨论的数据结构的不同！？,面向数据结构设计的应用,Data structured-oriented design may be successfully applied in applications that have a well-defined, hierarchical structure of information. Typical examples include: Business and financial applications System applications CAD/CAM In addition, applications from the engineering-scientific domain, computer-aided instruction, combinatorial problem solving, and many other areas may be amenable（更适合） to data structured-oriented design.,4.3.2.1 Jackson 开发方法,Jackson把问题的数据结构分成三种类型，图解如下： （1）顺序结构 A B C D （2）选择结构 A B C,（3）重复结构 A B* C D,示例：磁带文件数据结构的 Jackson 图解 文件 文件头 文件体 表示文件包含两个元素 组* 表示文件体包含多个组 记录* 表示组包含多个记录 A型记录 B型记录 表示记录只能是A型或B型,4.3.2.2 Jackson方法的开发过程,4.3.2.2.1 步骤 （1）研究问题环境，确定要处理问题的数据结构 （2）把数据结构转换成软件结构 （3）细化软件结构 用基本操作来定义要完成的任务，并把 每个基本操作分配到程序结构合适的元素 （模块）中去，以获得带有操作的最终程序 结构。,4.3.2.2.2 示例磁带记录处理软件,第一步：确定磁带记录的文件结构 文件 文件头 文件体 组* 记录* A型记录 B型记录,第二步：生成软件结构 处理文件 处理文件头 处理文件体 处理组* 处理记录* 处理A型记录 处理B型记录,第三步：细化并产生最终软件结构 处理文件 1，2，3，4，12 3，11 处理文件头 处理文件体 5，6，7 处理组* 8 处理记录* 3 1,2,12 含义 参见教材P112 9 处理A型记录 处理B型记录 10,PROC_FILE seq open file; read file; PROC_HEADER seq display file header; read file; PROC_HEADER end PROC_BODY seq zeroise group count (GC); zeroise A count (AC); zeroise B count (BC); PROC_GROUP iter while not EOF increment GC; PROC_REC iter while not EOF select type A PROC_TYPEA increment AC; or type B PROC_TYPEB increment BC; read file; PROC_REC end PROC_GROUP end PROC_BODY end close file; display totals; stop; PROC_FILE end,第四步：程序流程（伪代码 pseudo code ）,（1）多个数据结构的处理,例如两个磁带记录文件的合并和对一个磁带记录文件处理后输出处理结果就是多个数据结构的处理问题。以后者为例，问题域在输入数据结构的基础上增加了一个输出数据结构。,4.3.2.3 特殊结构的处理*,文件摘要 组标识 类型总计 组 数* A总计 B总计,则程序结构应作出相应的调整： 处理文件 处理文件头 处理文件体 生成类型总计 处理组* 生成 生成 并给出标识 A总计 B总计 处理记录* “输出”对应的程序结构 处理A型记录 处理B型记录,（2）结构次序冲突的处理,如果从一个“卡片文件”上读入一个n*m的矩阵A然后输出一个“打印文件”，该文件是一个 m*n的矩阵B，那么这个问题就是结构次序冲突问题。 卡片文件： a11 a12 a1m . an1 an2 anm 打印文件： b11 b12 b1n . bm1 bm1 bmn 显然，这里，输入结构的次序与输出结构的次序不一致（冲突），就数据处理而言，这是一个矩阵转置（重新排序）问题。,为了解决这个问题，除了建立输入和输出两个程序结构与输入，输出数据结构对应外，还要增加一个程序结构用于对输入矩阵的排序。 数据结构 程序结构 读入卡片文件 卡片文件 排序（从n*m到m*n） 打印文件 输出打印文件,（3）结构边界冲突的处理,例如：读入一条纸带上的电报电文信息，经分析后，输 出一个分析结果报告。 假定：A）纸带上的信息格式（数据结构）为： * * * EOB * * * EOB 大于12个字符为超长 组结束符 ZZZZ * * * * * ZZZZ * 一个电报结束符 EOB * * ZZZZ EOB EOF 纸带文件结束符,B）分析报告（数据结构）格式为： Telegrams Analysis 报告头 Telegram1 15 words of whole 2 oversize 电报1的分析结果 Telegram2 106 words of whole 13 oversize 电报2的分析结果 Telegram3 42 words of whole 0 oversize 电报3的分析结果 End Analysis 报告尾,这个例子中数据结构的边界冲突表现在，输入是以“组”为基本数据结构，输出则以“电报”为基本数据结构。由于“组”与“电报”之间的不对应（一个组并不一定包含整数个电报；一个电报也不一定由整数个组所组成；一个电报不一定从组的起始处开始；组的起始处也不一定是一个电报的开始），因此造成了边界冲突。 第一层 第二层 第三层 第四层 纸带 组 字 字符 (1,s) (1,b) (1,r) 报告 电报 字 字符 (1,g) (1,c) (1,r) 显然，冲突是由第二层的不对应造成的！,冲突处理办法：增加中间文件,纸带 P1 中间文件 P2 报告 从纸带读入信息 从中间文件读入信息 产生中间文件 分析后产生报告 根据上述处理方法，最后生成P1和P2的程序结构，如教材 P119的图3-84和图3-85所示。,4.3.2.4 应用实例,与数据表内容无关的数据编辑界面设计（方案1）,通过 “数据字典” 实现数据编辑程序设计与数据表内容无关,数据表字典 字段表字典 中文含义 表文件名 中文含义 字段名 所属数据表文件名 水源表 IrrIBSource 。 泵站表 IrrBIPumpingStation 泵站编码 pump-code IrrBIPumpingStation 河流表 IrrBIReach 泵站名称 pump-name IrrBIPumpingStation 水库表 IrrBIResevoir 所在河流编码 river-code IrrBIPumpingStation 。 上级泵站编码 upperPump-code IrrBIPumpingStation 泵站类型 pumpStation-code IrrBIPumpingStation 装机容量 capacity IrrBIPumpingStation 机组台数 setnumber IrrBIPumpingStation 。,与数据表内容无关的数据编辑界面设计（方案2）,思考题 8 软件设计实例 按照4.3.2.4节介绍的应用实例的要求，编制一个程序实现实例要求的数据编辑功能。 要求：1 提交源程序清单 2 提交可执行的程序 3 给出一个设计报告 4 只要定义两个数据表 5 数据表的结构、内容可以自己定义 6 其它？,把信带给加西亚,美西战争爆发后，美国必须立即与西班牙的反抗军首领加西亚取得联系。人们只知道加西亚在古巴的丛林中，但是，没有人知道他在古巴的确切位置。因此无法通过信件和电话与他取得联系。怎么办呢？有个人对当时的美国总统麦金利说，有一个名叫罗文的人有办法找到加西亚。于是，麦金利总统写了一封信，亲手交给罗文。罗文拿了信，把它装进一个油布做的袋子，封好，吊在胸口，划着一艘小船，四天之后在古巴上岸，消失于丛林之中。三个星期后，罗文徒步穿越丛林，从古巴的另一边出来，他把信交给了加西亚。 这件事，几乎被世界上的所有语言所翻译。纽约中央火车站（Union Station）曾把它印刷1500万份分发给乘客。 对于这件事，要强调的只有一点，就是罗文接过麦金利总统写的信后，并没有问 “加西亚在什么地方？”。,4.3.3 快速原型化设计方法,4.3.3.1 原型定义,（1）它是一个实际的工作系统，并不只是一个主意或图样。 （2）它可能没有完整的生命周期，因为其结局可能是在生命 周期的某一阶段结束后立即被抛弃。当然，也存在另一 种结局，就是成为最终系统。 （3）原型可能贯穿于软件的整个生命周期，即从需求分析开 始，直到成为最终产品。 （4）不论用于什么目的，原型的建立必须又快又省。 （5）原型是一个包含修改和评价在内的完整的重复过程，可 能只在生命周期的某一阶段内重复，也可能在整个生命 周期的各个阶段重复。,4.3.3.2 原型的应用范围,原型开发可以用于软件生命周期的不同阶段，也可以替代生命周期的部分或全部过程。 （1）分析和确定用户需求。 （2）作为软件设计的一种工具（通过原型快速验证软件设计的正 确性和效性）。 （3）作为一种解决不确定性问题的工具（试试看）。 （4）作为一种实验工具。 （5）在一个系统研究或开发之中，作为一种支持的运载工具 （软件只是某一项工作中的次要或辅助的工作）。 （6）作为实现一次性应用的一种经济的方法。 （7）作为软件维护的辅助工具（通过原型检验算法、功能、性能 等修改的正确性）。 （8）作为一种开发方法，将初始原型演化为最终系统。,4.3.3.3 原型法的分类,Prototype systems are sometimes classified as throwaway prototypes （抛弃式原型） or evolutionary prototypes（演化式原型）.,（1） 抛弃式原型开发,抛弃式原型开发最主要的要求是快速开发。因为该原型只在一个有限的阶段使用，而不着重考虑诸如效率、结构、可维护性、错误处理和文档编制等质量问题。原型甚至可以在一个不是目标系统所要求的环境上完成。什么是抛弃式原型开发最重要的？是过程本身，而不是产品（为什么？）。所以，抛弃式原型开发的工作量，应集中在对原型是否满足功能需求的苛刻评价上（为什么？），而不是它的设计。,（2）演化式原型开发,演化方法的目的在于逐步地把一个系统引进到一个机构内，使它适应于由于机构使用系统后产生不可避免的改变。 在演化式原型开发中，一个系统的形成和发展是逐步的。因此，最初的原型通常不必满足整个应用要求，但必须使用户能够完整地执行一项或多项任务。用户一旦对这些任务及它们怎样影响其它任务了解得更多时，系统的更多部分就可以被设计、实现，并与现有的系统集成。,4.3.3.4 原型法开发的过程,The phases of a prototype approach differ from those of a traditional system life cycle because the approaches have different assumptions. The traditional system life cycle assumes users understand the requirements, and that the main issue is to guarantee that requirements are followed in a disciplined（约定） way.,Prototyping assumes users either cannot say exactly what the proposed system should do or would have difficulty evaluating a written specification. Using a highly iterative approach, it proceeds by building a succession of “quick and dirty” versions of the system. The users look at each iteration and suggest improvements, continuing this way until they know what they want. At this point, they and the technical staff decide how to complete the project.,4.3.3.5 原型法开发的优缺点,(1) 优点 Building prototypes is much easier today than it was in the past because programming technology is much better. In particular, DBMSs, 4GLs, and CASE systems all contain screen generators,report generators, and data dictionaries that make it easier to set up a model applications quickly. Furthermore, because these same tools may be used for building the production version of the system, the transition from a prototype to a running system is much easier than it once was. 还有吗？,CASE工具一般可以分为两类：支持工程管理活动的工具，例如配置管理、成本估算、调度、文档工具等；支持开发活动的工具，包括设计、辅助程序设计、测试、维护工具等。 在面向对象的开发中，UML是常用的CASE工具。UML提供的十种视图（类、对象、包、构件、实施、用例、顺序、协作、状态和活动）可以帮助开发人员快速建模。目前有些软件工具可将 UML 的视图直接转换成程序结构。,（2）缺点,Using prototypes has disadvantages, however. The process of developing a prototype may require greater involvement（投入） and commitment（信任） by key users who are already busy with their regular work. Continual changes while analyzing succeeding（不断替换） versions of the prototype may be difficult for these users. The succession（延续） of rapid changes may also require an unusual level of skill and commitment（投入） by the SE professionals. This process can be frustrating（挫伤） because the users are often saying that the prototype is not right. It can also be stressful（巨大压力） because rapid iterations imply frequent deadlines in producing the next version（暗示下一个版本的寿命也不会长）. - 需求方问题,On the other hand, system developers often find building prototypes exciting because they produce tangible results quickly and get considerable feedback about their accomplishments.（为自己获得的成就而沾沾自喜） - 开发方问题还有吗？,CASE STUDY,水闸 CAD 软件设计过程,水闸计算机辅助设计系统设计的主要过程,1设计依据 2设计方法 3系统设计 4算法设计 水闸总体布置、水力设计及渗流计算 水闸稳定及结构计算 图形设计 5模块设计 数据流 控制流 接口 实现实例 6样机（原型）设计 7设计评审,1 设计（主要)依据,中华人民共和国水利电力部 水闸设计规范 1985 江苏省水利勘测设计研究院 平原地区水闸CAD系统分析说明书 1995 江苏省水利勘测设计研究院 水闸设计流程 1999 谈松羲 水闸设计 水利电力出版社 1986 华东水利学院 水闸设计 上海科技出版社 1983 华东水利学院 水工钢筋混凝土结构 水利电力出版社 1975 江苏省水利工程总队 秦淮新河枢纽工程节制闸设计书 1978 江苏省水利工程总队 新江都东闸工程设计书 1977 江苏省水利勘测设计研究院 河海大学 水闸CAD系统立项论证报告 1998 齐治昌、谭庆平 软件工程 高等教育出版社 1997 郑人杰、殷人昆 实用软件工程 清华大学出版社 1997 黄君洲、陈金水 ActiveX Automation 在CAD系统开发中的应用 河海大学学报 2000.5 李 凌、陈金水 CAD系统与数据库数据传递的方法与技术 水利水电科技进展 2000.3,2 设计方法（思想）, 水利工程CAD系统目前还未见成熟的商品化软件，其主要原因是水利工程专业性强，应用范围窄及规范不够严格、具体。国内大部分水利工程CAD系统的最好应用也只是行业推广，每次推广应用都不可避免地存在适应性修改问题。针对这种情况，我们认为水利工程CAD系统应具备可扩充性，而且可扩充性应尽量由工程设计人员实现，也就是说工程设计人员应能自主地对CAD系统进行二次开发。因此，水利工程CAD系统的功能模块之间应松散耦合，系统的控制流程可根据情况进行重组。水闸布置形式繁多，具体的结构类型也多种多样，而且因地而异，细节处理更为随意。一个CAD系统要面面具到，考虑全部因素是非常困难，甚至是不可能的。因此，“水闸CAD系统”应成为一个“枚举型”设计系统，而不是“通用型”设计系统。这样的系统便于修改和扩充，也更能增强对计算机技术不断发展和更新的适应性。,2 设计方法（软件运用方式）, 水闸CAD系统的最主要目的是用计算机设计替代手工设计，它还不能成为一个 “ 智能 ” 设计系统。因此，CAD系统的基本模式仍然是沿袭手工设计的过程和方法，有些局部处理措施、细节说明、判定决策等仍然由工程设计人员通过人机交互进行。,2 设计方法（软件架构） “水闸CAD系统” 采用 “结构化方法” 和 “快速原形化方法” 结合，并适当考虑 “面向对象方法” 的思想体系进行开发。 因此，“水闸CAD系统”应在“结构化方法”指导下，进行详细的系统分析与设计，然后利用“快速原型化方法”尽快制作出比较完善的样机，再通过不断的 “对话”（评审），逐步地使CAD系统符合水闸设计的要求。,3 系统设计,（1） 软硬件平台及其关系,（2） 数据流与控制流设计（面向对象方法）,用 RDBMS 模拟 OODBMS，实现“水闸CAD”系统的控制流程可重组机制：,（3） 图形设计方法,图形设计本来就有很多特殊性，再加上 “水闸CAD系统” 的图形开发工作量非常大，因此，图形设计分两步进行，相应的开发平台也不同。 图形的开发阶段采用Auto LISP语言编写图形绘制程序，采用对应的DCL（对话控制语言）编写人机界面。由于Auto CAD R14内嵌的Auto LISP是解释型语言，因此程序调试非常方便，使开发阶段的工作能集中在图形功能的实现和设计正确性的验证上（原型）。当功能要求和正确性均被确认之后，再用 Visual BASIC 语言改写程序。改写阶段仅仅是程序设计的问题，与图形设计要求无关。由于Visual BASIC具有方便、快捷的界面设计工具，既能解释运行，也能编译运行，因此，程序开发效率高、执行速度快，同时便于推广应用。,Visual BASIC 图形程序设计方法的研究,Microsoft为Windows环境下的软件集成提供了一个称为ActiveX Automation的工具，而Visual BASIC则是第一个使用ActiveX Automation的开发工具，同时Auto CAD支持ActiveX Automation。这样就为Visual BASIC通过ActiveX Automation使用Auto CAD的图形功能提供了方便。,Visual BASIC通过ActiveX Automation与Auto CAD集成的步骤：, 设置对象变量，并与 Auto CAD 链接 (link) 示例： Dim acadapp as Object Private Sub Form-Load () 在Load-Form或其它子程序中建立Auto CAD对象 Set acadApp = GetObject(“autocad.application”) 获取Auto CAD对象 acadapp.Visible = True End Sub,利用Document Object访问Auto CAD中的 绘图文件（ .DWG）,示例： Dim acaddoc as Object Set acaddoc = acadApp.ActiveDocument Dim dwgname As String dwgname = “C:acadr14samplecampus.dwg” acaddoc.Open dwgname,调用Auto CAD的绘图命令绘图,示例：绘制一条直线段 Dim P1(0 to 1) As Double Dim P2(0 to 1) As Double P1, P2存放直线段的起点和终点坐标 Dim lineobj As Object acadapp.ActiveDocument.New(line.dwg) acadapp.Visible = True P1(0)=2 P1(1)=4 P2(0)=6 P2(1)=8 Set lineobj = acadapp.ActiveDocument. ModelSpace.AddLine(P1, P2),4 算法设计,（1） 算法设计内容 波浪高度计算 单宽流量计算 水力计算 消能计算 闸室稳定计算 闸基渗流计算 底板计算 方案咨询 闸墩计算 排架计算 闸室设计 胸墙计算 进口段设计 工作桥计算 消力池设计 公路桥计算 结构计算 护坦海漫设计 便桥计算 上下游连接段设计 闸门选型 岸墙翼墙设计 启闭机选型 方案咨询 基础稳定计算 基础设计 岸墙稳定计算 基础处理措施 方案咨询,（2）算法设计示例（消力池几何尺寸计算）,消力池深度计算 = 0h”c-(hs+Z) 依据： 谈松曦 水闸设计 P158 其中： 0 ：水跃淹没系数 h”c： 跃后水深 hs ： 出池河床水深 Z ：出池水面落差,消力池长度计算 Lsj = Ls+Lj 依据： 华东水利学院 水闸设计 P43 其中： Ls：斜坡段投影长度 ：水跃长度修正系数 Lj：水跃角度,Py r×hd t = k2 × r1 依据： 水闸设计规范 P56 其中： k2 ：消里池底板安全系数 Py ：扬压力 hd ：消力池内水深 r ：水的重度 r1 ：消力池底板材料重度 说明：消力池底板末端厚度可取 t/2，消力池全部厚度 应不小于 0.5m。,消力池厚度计算, 跌坎计算 跌坎长度： Lm = ？ 跌坎高度： a = ？,图形设计（原型法）,（1） 图形设计内容,（2） 图形设计示例（消力池结构图）,消力池结构图包括结构平面图（俯视图）、纵剖面图（顺水流方向）和透视图。在绘制消力池钢筋图、水闸纵剖面图和水闸三维造型图时，需要引用消力池结构图。 下图所示的是消力池的俯视图、纵剖面图和透视图。 消力池俯视图,5 模块设计,流程设计示例 1 水闸闸墩结构图设计模块 模块名称： 闸墩结构图绘制模块 模块代码： M04-01-02-02 程序文件名：M04-01-02-02.LSP 开发环境： Auto LISP、DCL 流程 ：,输入