第3章(基于计算机的系统)

第三章基于计算机的系统工程基于计算机系统工程的概念可行性研究系统模型与模拟系统规格说明与评审背景－基于计算机系统的引入计算机作为工具使用典型应用实例图3.1工厂自动化系统这一章讨论与软件项目密切相关的基于计算机的系统及计算机系统工程。工厂自动化系统库存系统信息系统制造系统材料传输系统制造单元数控机床输入/输出设备机器人过程文档数据库硬件软件人系统基于计算机的系统要素系统顶层抽象模型IPOIO类似于数学函数。P输入输出定义计算机系统工程是指与构造基于计算机系统有关的过程、方法和技术。它是一种问题求解活动。计算机系统工程师从用户定义的目标和约束条件出发，给出系统功能、性能、接口、设计约束条件和信息结构描述，并将它们分配到各系统要素予以实现。工作步骤•理解系统•确定系统范围、功能、性能、约束条件•寻找解决问题方案（多种）•分解功能，分配功能，权衡方案•撰写系统分析说明书•系统评审3.1计算机系统工程3.1计算机系统工程计算机系统工程的组成，如下：硬件工程软件工程人机工程数据库工程第三章计算机系统工程3.1.1硬件和硬件工程(简介)计算机系统离不开硬件及硬件系统。根据系统需求为硬件系统指派任务，产生硬件需求。根据硬件需求设计、制造或选择硬部件或设备。考虑硬件系统的功能和性能。认真考虑硬件之间的接口、硬件的标准化、硬件成本和维修服务等因素。硬件和硬件工程（续）硬件工程分为三个阶段(如图3.2,P88)第一阶段，即定义阶段的任务是：1）制定开发计划，经过评审确定项目成本预算和工程进度；2）进行详细需求分析，经过评审确定硬件规格说明。第二阶段，即开发阶段的任务是：1）设计分析，画出设计原理图；2）必要时建造原型并对原型进行测试；3）制造分析，画出生产图。第三阶段，即制造阶段的任务是：按照质量保证计划和要求生产硬件产品。产品通过一定的销售渠道出售，相应的服务机构负责产品维修、升级和扩充。3.1.2软件和软件工程系统对软件提出的功能和性能要求将成为软件需求分析的基础。系统的结构都可以用输入-处理-输出(IPO)模型表示。软件在IPO模型的各个部分都起着十分重要的作用。在IPO模型中，功能是软件执行一系列算法实现的。一个或几个算法的输出数据或控制信息可以作为另一个算法的输入。软件项目定义阶段的任务制定软件项目规划；软件需求分析和定义；确定软件性能和资源约束；为软件要素定义验收标准。软件开发阶段的任务是，将系统需求转换成可操作的系统要素，即软件。主要工作有软件总体结构设计和数据设计（任务是：设计模块结构，定义界面并建立数据结构，评审概要设计的质量）过程设计（详细描述软件规格说明中的每一个模块）编码（用适当的编成语言对详细描述模块进行编码，生成程序）。开发基于计算机软件系统步骤软件工程过程的最后阶段是软件的验证、提交和维护。软件验证的任务制定软件测试计划和过程、产生测试文档和测试题目；对软件的每个模块进行单元测试、验证模块的功能是否符合设计要求；对整个软件进行组装测试；对测试结果进行评审。测试通过后，提交软件，运行/维护。主要工作包括：对已经生成的记录和内部文档进行整理、分类、存档；开发用户手册，建立适当的配置控制机制；将软件提交给用户，必要时还应负责把软件安装到用户环境中。软件提交后，软件工程师的工作就从软件构造转向软件维护。3.1.3人机工程背景任何系统都是由人来使用的。例如，洗衣机等家用电器，计算机（操作系统）。人机界面的原则解决人机交互的问题，“人机交互友好”的问题设计步骤人机对话语言设计，即人机交互媒体。实现人机对话语言精确的定义语言的语法和语义，实现语言中的每一个动作和命令。例如，操作系统。活动分析。分析人机交互过程，评价人机交互过程中人的活动并根据“活动”设计需要计算机执行的“任务”。合理分配活动中，哪些任务由人完成，哪些任务由机器来完成。设计的步骤（续）动作定义和设计。活动由一系列动作构成的。根据人机交互活动，精确的定义人机界面的每一个动作的精确内容。这些动作是靠计算机去执行的。用户环境设计。将支撑人机界面的软件和硬件集成起来，构成一个用户环境。除此之外，还要考虑空间、光线、温度等方面的因素。原型设计。软件工程师根据用户要求设计原型，然后请用户一起对原型进行评审。以通过评审的原型为基础设计基于计算机系统的人机界面。不借助原型的帮助，软件工程师很难设计出用户满意的人机界面。3.1.4数据库工程背景任务步骤调查用户对信息需求和对信息处理的要求；进行可行性论证；提出成本预算和工作计划等。论证、选择和购置支持数据库系统的硬件和软件。特别是数据库管理系统(DBMS)。数据库设计与实现。根据需求分析和数据分析，产生需求和数据说明描述；然后进行逻辑和物理设计；最后进行数据库系统测试。数据库中的数据是按照系统确定的范围和用户的需要收集、整理、储存起来的。数据库管理人员是数据库工程的重要组成部分，参与上述步骤。综上所述，开发、运行和管理一个数据库系统确实是一项复杂的数据库工程。3.2可行性研究3.2.1引言可行性研究的动因可行性研究的内容包括经济可行性技术可行性法律可行性开发方案的选择性。经济可行性研究。进行成本效益分析，评估项目的开发成本，估算开发成本是否会超过项目预期的全部利润。分析系统开发对其它产品或利润的影响。比较项目开发的成本与从所开发系统得到的效益,包括可定量计算的效益和不可定量计算的效益。即“投入与产出”。技术可行性研究的任务技术可行性内容风险分析的任务：在给定的约束条件下，判断能否设计并实现系统所需功能和性能。资源分析的任务：论证是否具备系统开发所需的各类人员（管理人员和各类专业技术人员）、软件、硬件资源和工作环境等。技术分析的任务：当前的科学技术是否支持系统开发的全过程。可行性研究（续）法律可行性研究。研究在系统开发过程中可能设计的各种合同、侵权、责任以及各种与法律相抵触的问题。开发方案的选择性研究。提出并评价实现系统的各种开发方案。从中选择一种用于软件项目开发。其中，技术可行性评估是可行性研究的关键。可行性研究的目标：应能保证系统开发一定有明显的经济效益和较低的技术风险，一定没有各种法律问题以及其他更合理的系统开发方案。可行性研究的结果可作为系统规格说明的一个附件，可行性研究报告有多种形式，表3.1提供的可行性研究报告目录具有一定的普遍性。（另外，再看一种形式）最后应将可行性研究报告提交给项目管理部门，项目管理人员对可行性研究报告进行评审。3.2.2经济可行性（自学）基于计算机系统的成本－效益分析是可行性研究的重要内容，它用于评估基于计算机系统的经济合理性。给出系统开发的成本论证，并将估算的成本与预期的利润进行对比。一般来说，基于计算机系统的成本由四个部分组成。–购置并安装软硬件及有关设备的费用–系统开发费用–系统安装、运行和维护费用–人员培训费用。系统效益包括经济效益和社会效益两部分。前者指应用系统为用户增加的收入。它可以通过直接的或统计的方法估算。后者只能用定性的方法估算。3.2.3技术可行性技术可行性研究–系统分析员采集系统性能、可靠性、可维护性和可生产性方面的信息；–资源分析分析实现系统功能和性能所需要的各种设备、技术、方法和过程；–风险分析分析项目开发在技术方面可能担负的风险，以及技术问题对开发成本的影响，等等；–技术分析的途径系统分析员通过对现实世界的观察和分析建立技术分析模型，评估模型的行为并将它们与现实世界对比，论证系统开发在技术上的可行性和优越性。技术分析的手段–数学建模–原型构造–模拟，也称为仿真（Simulation）关键词建模、模型、模拟（仿真）。在目标系统未建立之前，使用建模、模型和仿真等的相关技术研究目标系统的技术可行性。基于计算机系统模型必须具备下列特性：能够反映系统配置的动态特性，容易理解和操作，能够提供系统真实的结果并有利于评审。能够综合与系统有关的全部因素，能够再现系统运行的结果。能够突出与系统有关的重要因素，能够忽略与系统无关的或次要的因素。结构简单、容易实现、容易修改。•观察•度量•假设•逼近•预报•验证•修改•解释•直觉•经验•理论现实世界模型数据直觉结构观察特性参数符号表示模型特性如果模型很大很复杂，那么需要对模型进行分解。将一个大模型分解为若干个小模型，一个小模型的输出作为另一个小模型的输入。3.2.4方案选择方案选择的必要性。问题分解将一个大的复杂系统分解为若干个子系统；精确的定义子系统的界面、功能和性能；给出各子系统之间的关系。参数的选择方案选择的过程方案选择：成本研究成本、设计成本、设备成本、程序编码成本、测试和评审成本、系统运行和维护成本、系统退役成本等。在开发系统所用总成本不变的情况下，由于系统开发各阶段所用成本分配方案的不同会对系统的功能和性能产生相当大的影响。3.2可行性研究方案选择：过程方案评价的依据功能、性能、成本技术、设备、风险对开发人员的要求权衡研发和购买或者外包的收益。3.2可行性研究可行性论证提纲1.背景情况。国内外水平，历史现状，市场需求。2.系统描述。总体方案和技术路线，课题分解，关键技术，计划目标和阶段目标。3.成本效益分析。经济可行性，包括经费概算和预期经济效益。4.技术风险评价。技术可行性，包括技术实力，设备条件和已有工作基础。5.法律上的可行性。确定由于系统开发可能引起的侵权和法律责任。6.其他与项目有关的问题。3.3系统模型与模拟（仿真）3.3.1系统模型问题的引入目的是进行系统的技术可行性研究模型结构图。系统工程师用结构模板开发系统模型。结构图模板如下所示：对IPO模型的扩展，增加了用户界面、维护和自测试用户界面处理输入处理输出处理处理和控制功能维护和自测试分类操作员分类操作员分类操作员分类操作员分类操作员分类操作员传送线分类系统查询、报告要求诊断数据举例，如右图，给出了传送带在线货物分类系统的总体结构关系图。系统总体结构图ACD位于系统模型图的最顶部。ACD的图形元素有向边表示系统的信息流和控制流圆角方框表示系统或子系统方框表示外部实体。结构流图（AFD）的层次图BAB1B2B3层次1层次2系统模型（续）系统结构规格说明需要文字对系统结构进行说明–组成系统的各个子系统–各子系统之间的信息流和控制流信息–子系统的结构图1.系统模板说明书2.系统结构字典3.系统结构互连图。系统模板说明书描述各子系统的功能，信息处理的对象和结果，以及与其他子系统的连接关系。系统结构字典–信息项的类型–信息源和流向目标可以从结构图中提取。信息项的通信路径表示信息的迁移方式。系统结构互连图和对应的规格说明描述系统信息的传送方式，如点的方式、光的方式或机械方式等。系统模型（续）3.3.2系统建模和模拟（仿真）系统建模和模拟技术的动因系统建立之前，人们很难理解和预测系统的性能、效率和行为。只能在系统运行后通过反复试验和纠错来逐步满足用户对系统行为提出的要求，对于一些实时嵌入系统，风险则更大。减少风险和代价，人们在系统的分析和设计阶段普遍采用系统建模和模拟技术。模型的定义模型的要素反映现实系统的本质和实际模型必须由现实系统的有关元素组成模型必须反映这些元素之间的关系模型的分类物理模型（形象模型）、数学模型（抽象模型）静态模型、动态模型确定模型、随机模型连续模型、离散模型模拟的定义用一个系统表示某个实际系统或抽象系统中选定行为的特征称为模拟。它借助于计算机系统表示现实世界的物理或社会现象。模拟目的借助系统模型进行现实系统的特征实验。这样可以缩短实验的时间、增加实验的机会、降低实验的成本。必须反映现实系统的本质，必须具有一定的精度。模拟现实系统的模型要求遵循社会和科学规律反映现实系统的本质有一定的精度力求简单，去处不必要的细节建模与模拟步骤,如下图所示：系统建模和模拟（续）分析问题确定目标收集数据