免费智能真题库 > 历年试卷 > 系统架构设计师 > 2018年下半年 系统架构设计师 上午试卷 综合知识
第32题      
知识点   程序结构   软件设计   模块化
关键词   开发   模块化   软件设计   模块      分类   系统开发基础       

 
软件设计包括了四个既独立又相互联系的活动:高质量的(32)将改善程序结构和模块划分,降低过程复杂性;(33)的主要目标是开发一个模块化程序结构,并表示出模块间的控制关系;(34)描述了软件与用户之间的交互关系。
 
 
  A.  程序设计
 
  B.  数据设计
 
  C.  算法设计
 
  D.  过程设计
 
 
 

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   知识点讲解    
   · 程序结构    · 软件设计    · 模块化
 
       程序结构
        任何一个C++程序都必须有一个main函数,整个程序的执行从main函数开始。
        下面以一个简单的C++程序为例来说明C++程序结构。
        
        第1、2行是注释。其中,//是C++语言的一种注释符号,自//开始,一直到本行结束,所有内容都是注释,也可以用/*和*/将注释内容括起来。第3行使用预处理指令#include将头文件iostream包含到程序中来,iostream是标准的C++头文件,它包含了输入和输出的定义。第5行开始定义了一个名称为main的函数。第6行的左花括号和第12行的右花括号分别表示main函数体的开始和结束。第7行至第11行是函数体的内容。流是执行输入和输出的对象,cout是C++标准的输出流,标准输出通常是指计算机屏幕,符号<<是一个输出运算符,带一个输出流作为它的左操作数,一个表达式作为它的右操作数,后者被发送到前者。cin是C++标准的输入流,标准输入通常是指计算机键盘。符号>>是输入运算符,带一个输入流作为它的左操作数,一个变量作为它的右操作数,前者被抽取到后者,cin输入流抽取到变量i的效果是将键盘的输入值复制到变量i中。
        通过这个程序,读者可以对C++语言的程序结构有一个基本的了解。
 
       软件设计
               软件设计的任务
               在给定系统的需求规格说明书后,需要对软件的结构进行设计,并对设计的过程进行管理。在嵌入式系统的软件设计过程中,需要完成以下一些任务。
                      准备工作计划
                      在软件设计之前,首先要制订详细的工作计划,其内容包括:
                      .过程管理方案:包括软件开发的进度管理、软件规模和所需人年的估算、开发人员的技能培训等;
                      .开发环境的准备方案:包括开发工具的准备、开发设备的准备、测试装备的准备、分布式开发环境下的开发准则等;
                      .软硬件联机调试的方案:联调的起始时间、地点、人员和具体的准备工作;
                      .质量保证方案:包括质量目标计划、质量控制计划等;
                      .配置控制方案:包括配置控制文档的编写、配置控制规则的制订等。
                      确定软件的结构
                      设计软件的各个组成部分,包括:
                      .任务结构的设计:使用操作系统提供的函数,设计出一个最佳的任务结构;
                      .线程的设计;
                      .公共数据结构的设计:在确保系统一致性的基础上,设计出所需的公共数据;
                      .操作系统资源的定义;
                      .类的设计;
                      .模块结构设计:在设计时要充分考虑模块的划分、标准化、可重用和灵活性等;
                      .内存的分配与布局。
                      设计评审
                      对于软件设计的结果,进行一次设计评审,并在必要时对设计进行修正。具体内容包括:
                      .确认每件工作的执行方法是否恰当,其内容是否完善;
                      .确认该设计完成了系统需求规格说明书所要求的功能和服务;
                      .评估任务结构设计、评估类的设计、评估模块结构设计;
                      .对软件设计的结果进行总结,编写出相应的文档。
                      维护工作计划
                      执行软件设计工作控制,在每日、每周和每月的时间粒度上对进度进行控制,确保软件设计能够如期完成。
                      与硬件部门密切合作、相互协调
                      根据工作计划中的安排,定期与硬件部门召开会议,协调各自的进展。如果软件规格说明书发生了变化,立即进行调整,重新进行软件设计。
                      控制工作的结果,把工作记录存档
                      掌握当前的工作进展情况,尽早地发现和分析问题,并采取相应的措施。对各种事件进行跟踪记录,包括:
                      .执行过程控制,跟踪进展情况并定期记录、存档。
                      .执行质量控制,保留质量记录。
                      .记录产品的配置、版本变化、bug的发现和处理等信息。
               软件架构设计
               软件架构也称为软件体系结构,需要考虑如何对系统进行分解,对分解后的组件及其之间的关系进行设计,满足系统的功能和非功能需求。软件架构形成过程如下图所示。
               
               架构的形成过程概要
               软件架构设计需要从用户业务需求、未来应用环境、需求分析、硬件基础、接口输入、数据处理、运算或控制规律、用户使用等方面进行综合、权衡和分析基础上产生。面向某种问题的架构一旦确定就很难改变,随后的架构设计需要通过一系列的迭代开发完善,使得软件架构日趋成熟、稳定。
               软件架构的重要作用也在于控制一个软件系统的使用、成本和风险。好的架构要求是和谐的软件架构,包括与上一级系统架构相互和谐、与系统中同一级的其他组件架构互相和谐,确保系统满足性能、可靠性、安全性、信息安全性和互操作性等方面的关键要求,也具有可扩展、可移植性,从而为一个软件带来长久的生命力。
               在大量开发实践中,有很多广泛使用并被普遍接受的软件架构设计原则,这些原则独立于具体的软件开发方法,主要包括抽象、信息隐藏、强内聚和松耦合、关注点分离等。
               (1)抽象:这是软件架构的核心原则,也是人们认识复杂客观世界的基本方法。抽象的实质是提取主要特征和属性,从具体的事务中通过封装来忽略细节,并且运用这些特征和属性,描述一个具有普遍意义的客观世界。软件架构设计中需要对流程、数据、行为等进行抽象。复杂系统含有多层抽象,从而有多个不同层次架构。
               (2)信息隐藏:包括局部化设计和封装设计。局部化设计就是将一个处理所涉及到的信息和操作尽可能地限制在局部的一个组件中,减少与其他组件的接口。而封装设计是将组件的外部访问形式尽可能简单、统一。
               (3)强内聚和松耦合:强内聚是指软件组件内的特性,即组件内所有处理都高度相关,所有处理组合在一起才能组成一个相对完整的功能。而松耦合是指软件组件之间的特性,软件组件之间应尽量做到没有或极少的直接关系,使其保持相对独立,这样使得未来的修改、复用简单,修改之后带来的影响最小。
               (4)关注点分离:所谓关注点是软件系统中可能会遇到的多变的部分。如为适应不同运行接口条件,需要进行适应性的参数调整和驱动配置。关注点分离设计是将这部分组件设计成为相对独立的部分,使未来的系统容易配置和修改。而核心的部分可以保持一个相对独立的稳定状态。如果功能分配使得单独的关注点组件足够简单,那么就更容易理解和实现。但“展示某些关注点得到满足时,可能会影响到其他方面的关注点,但架构师必须能够说明所有关注点都已得到满足”。
               以上的原则中,删除需求细节或对细节进行抽象是最重要的工作,为用户的需求创建抽象模型,通过抽象将特殊问题映射为更普遍的问题类别,并识别各种模式。
               软件架构设计使用纵向分解和横向分解两种方式。纵向分解就是分层,横向分解就是将每一个层面分成相对独立的部分。经过分解之后,可以将一个完整的问题分解成多个模块来解决。模块是其中可分解、可组装,功能独立、功能高度内聚、之间低耦合的一个组件。
               类似于建筑架构,软件架构也决定了软件产品的好用、易用、可靠、信息安全、可扩展、可重用等特性,好的软件架构也给人完整、明确、清晰等赏心悦目的感觉,具有较长的生命力。
               架构设计是围绕业务需求带来的问题空间到系统解决空间第一个顶层设计方案。按照抽象原则,在这个阶段进行的架构设计关注软件设计环节抽象出来的重要元素,而不是所有的设计元素。在架构设计时将软件这些要素看作是黑盒,架构设计需要满足黑盒的外部功能和非功能需求的目标。一个软件的架构设计首先为软件产品的后续开发过程提供基础,在此基础上可将一个大规模的软件分解为若干子问题和公共子问题。而一般意义的软件设计是软件的底层设计,开发人员需要关注各子问题或要素的进一步分解和实现,是根据架构设计所定义的每个要素的功能、接口,进一步实现要素组件内部的配置、处理和结构。在遵守组件外部属性前提下,考虑实现组件内部的细节及其实现方法。对于其中的公共子问题,形成公共类和工具类,从而可以达到重用的目的。
               一般的软件构架是根据需求自上而下方式来设计,即首先掌握和研究利益相关方的关键需求,基本思路是首先进行系统级的软件架构设计,需要将软件组件与其外部环境属性绑定在一起,关注软件系统与外部环境的交联设计;其次将一个大的系统划分成各组成部分,这些部分可以按照架构设计的不同方法,分为层次或成为模块;之后再开始研究所涉及到的要素,再实现这些要素以及定义这些要素之间的关系。
               在实际工作中,软件构架也可采用自底向上的方法,前提是已经建立了一个成熟稳定的软件架构,也可以称之为“模式”。模式是组织一级设计某一类具体问题的顶层思路,是为了解决共有问题解的方案模板,但并不是一个问题的设计或设计算法。
               模式常常整合在一起使用,提供解决更大、更复杂问题的解决方案,而组成一个解决问题的通用框架。框架往往提供统一平台和开发工具,而且已经高效地利用了已经经过验证的模式、技术和组件。在新软件系统的设计中指定沿用或重用这种架构框架,这时其他重要元素可以在这个架构基础上针对新的需求进行扩展,有时是针对性地进行参数化设计。所以在架构设计中可以借用模式的概念进行设计,采用成熟的先进的设计框架和工具提高开发的效率,保证设计正确性。
               下图所示是针对架构设计中非功能需求的多维度分析,从中可知任何一个因素的变化都会带来对其他因素的影响。实际上软件架构设计属于软件设计过程的一部分,但超越了系统内部的算法和数据结构的详细设计。
               
               架构的多维度分析
               在架构设计阶段,需要定义边界条件、描述系统组织结构、对系统的定量属性进行约束、帮助对模型进行描述并基本构造早期的原型、更准确地描述费用和时间的评估。
               软件设计方法
               在将系统分解为各个组件的过程中,需要采取不同的策略,而每个策略则关注不同的设计概念。根据分解过程中所采用的不同策略,设计方法有基于功能分解的设计方法、基于信息隐藏的设计方法和基于模型驱动开发的设计方法等分类。
               (1)基于功能分解的设计方法。实时结构化分析与设计采用了功能分解,系统被分解为多个函数,并且以数据流或控制流的形式定义函数之间的接口;基于并发任务结构化的设计(Design Approach for Real-Time Systems,DARTS)提供了任务结构化标准,辅助人员确定系统中的并发任务,并指导定义任务接口。
               (2)基于信息隐藏的设计方法。面向对象(Object Oriented,OO)设计方法将数据和数据上操作封装在对象实体中,对象外界不能够直接对对象内部进行访问和操作,只能通过消息间接访问对象,符合人类思维方式,提高软件的扩展性、维护性和重用性。
               (3)基于模型驱动开发的设计方法。通过借助有效的(Model Driven Development,MDD)工具,构建和维护复杂系统的设计模型,直接产生高质量的代码,将开发的重心从编码转移到设计。当前使用较为广泛的MDD工具有IBM公司的Rhapsody。
 
       模块化
        模块是程序中数据说明、可执行语句等程序对象的集合,或者是单独命名和编址的元素。在系统体系结构中,模块是可组合、可分解和可更换的单元。
        模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程。每个模块完成一个特定的子功能,所有的模块按某种方法组装起来,成为一个整体,完成整个系统所要求的功能。
        开发一个大而复杂的系统,将它进行适当的分解,不但可降低其复杂性,还可减少开发工作量,从而降低开发成本,提高软件生产率。这是模块划分的依据。
        (1)划分模块时,尽量做到高内聚、低耦合,保持模块的相对独立性,并以此原则优化初始的系统体系结构。
        (2)一个模块的作用范围应在其控制范围之内,且判定所在的模块应与受其影响的模块在层次上尽量靠近。
        一个模块的作用范围是指受该模块内一个判定影响的所有模块的集合。一个模块的控制范围指模块本身及其所有下属模块(直接或者间接从属于它的模块)的集合。
        (3)系统结构的深度、宽度、扇入和扇出应适当。
        (4)模块的大小要适中。


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