Методы нисходящего и восходящего проектирования. Привет студент

18.05.2020

Если решение задач высоких иерархических уровней предшествует решению задач более низких иерархических уровней, то проектирование называют нисходящим (пошаговая детализация). Если раньше выполняются этапы, связанные с низшими иерархическими уровнями, проектирование называют восходящим .

У каждого из этих двух видов проектирования имеются преимущества и недостатки. При нисходящем проектировании система разрабатывается в условиях, когда ее элементы еще не определены и, следовательно, сведения о их возможностях и свойствах носят предположительный характер. При восходящем проектировании, наоборот, элементы проектируются раньше системы, и, следовательно, предположительный характер имеют требования к элементам. В обоих случаях из-за отсутствия исчерпывающей исходной информации имеют место отклонения от потенциально возможных оптимальных технических результатов. Однако нужно помнить, что подобные отклонения неизбежны при блочно-иерархическом подходе к проектированию и что какой-либо приемлемой альтернативы блочно-иерархическому подходу при проектировании сложных объектов не существует. Поэтому оптимальность результатов блочно-иерархического проектирования следует рассматривать с позиций технико-экономических показателей, включающих в себя, в частности материальные и временные затраты на проектирование.

Поскольку принимаемые предположения могут не оправдаться, часто требуется повторное выполнение проектных процедур предыдущих этапов после выполнения проектных процедур последующих этапов. Такие повторения обеспечивают последовательное приближение к оптимальным результатам и обусловливают итерационный характер проектирования. Следовательно, итерационность нужно относить к важным принципам проектирования сложных объектов.

На практике обычно сочетают восходящее и нисходящее проектирование. Например, восходящее проектирование имеет место на всех тех иерархических уровнях, на которых используются унифицированные элементы. Очевидно, что унифицированные элементы, ориентированные на применение в ряде различных систем определенного класса, разрабатываются раньше, чем та или иная конкретная система этого класса.

Достоинство нисходящего проектирования состоит в том, что оно позволяет разработчикам сосредоточиться на основных для данного проблемах и отложить принятие всех тех решений, которые не должны приниматься на данном этапе проектирования. Нисходящее проектирование требует с самого начала ставить и решать наиболее фундаментальные задачи, откладывая частные вопросы для последующего рассмотрения.

СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Нисходящее проектирование

Модульное программирование

Структурное программирование

Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы ("сверху-вниз").

В результате строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций, которая носит название функциональная структура алгоритма (ФСА) приложения.

Последовательность действий по разработке функциональной структуры алгоритма приложения:

определяются цели автоматизации предметной области и их иерархия (цель-подцель);

устанавливается состав приложений (задач обработки), обеспечивающих реализацию поставленных целей;

уточняется характер взаимосвязи приложений и их основные характеристики (информация для решения задач, время и периодичность решения, условия выполнения и др.);

определяются необходимые для решения задач функции обработки данных;

выполняется декомпозиция функций обработки до необходимой структурной сложности, реализуемой предполагаемым инструментарием.

Подобная структура приложения (рис. 18.2) отражает наиболее важное – состав и взаимосвязь функций обработки информации для реализации приложений, хотя и не раскрывает логику выполнения каждой отдельной функции, условия или периодичность их вызовов.

Разложение должно носить строго функциональный характер, т.е. отдельный элемент ФСА описывает законченную содержательную функцию обработки информации, которая предполагает определенный способ реализации на программном уровне.

По частоте использования функции делятся на:

однократно выполняемые;

повторяющиеся.

Степень детализации функций может быть различной, но иерархическая схема должна давать представление о составе и структуре взаимосвязанных функций и общем алгоритме обработки данных. Широко используемые функции приобретают ранг стандартных (встроенных) функций при проектировании внутренней структуры программного продукта.

Пример 18.4. Некоторые функции, например Ф2, далее неразложимы на составляющие: они предполагают непосредственную программную реализацию. Другие функции, например Ф1, Фm, могут быть представлены в виде структурного объединения более простых функций, например Ф11, Ф12 и т.д. Для всех функций-компонентов осуществляется самостоятельная программная реализация; составные функции (типа Ф1, Фm) реализуются как программные модули, управляющие функциями-компонентами, например, в виде программ-меню.

Подпрограммы

Структурное программирование

В предыдущем разделе рассматривались основные операторы и типы данных, необходимые для составления программ. При этом предполагалось, что текст программы представляет собой линейную последовательность операторов присваивания, цикла и условных операторов. Таким способом можно решать не очень сложные задачи и составлять программы, содержащие несколько сот строк кода. После этого понятность исходного текста резко падает из-за того, что общая структура алгоритма теряется за конкретными операторами языка, выполняющими слишком детальные, элементарные действия. Возникают многочисленные вложенные условные операторы и операторы циклов, логика становится совсем запутанной, при попытке исправить один ошибочный оператор вносится несколько новых ошибок, связанных с особенностями работы этого оператора, результаты выполнения которого нередко учитываются в самых разных местах программы. По этой причине набрать и отладить длинную линейную последовательность операторов практически невозможно.

При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного кода) используется структурное программирование, идея которого состоит по сути в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого нужно иметь средства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и с помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы - набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов - критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным заданием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих определенную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по названиям. Получается, что подпрограммы - это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз - такой подход принято называть нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (к примеру, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Вместе с тем, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части. К примеру, если имеется крайне важность вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (к примеру, 5). Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реализации этой функции.

Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что существенно повышает общую надежность всей программы.

Очень важная характеристика подпрограмм - это возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созданию часто применяемых подпрограмм.

Рассмотрим пример, демонстрирующий методику нисходящего проектирования. Имеется массив Ocenki, состоящий из N (N > 2) судейских оценок (каждая оценка положительна). В некоторых видах спорта принято отбрасывать самую большую и самую маленькую оценки, чтобы избежать влияния необъективного судейства, а в зачет спортсмену идет среднее арифметическое из оставшихся оценок. Решим эту задачу, постепенно детализируя алгоритм (без привязки к конкретному языку программирования).

1. Процесс решения наиболее просто описывается подпрограммами:

Ввести_оценки_в_массив;

Удалить_самую_большую_оценку;

Удалить_самую_маленькую_оценку;

Вывести_результаты;

Теперь можно приступить к детализации каждой их этих подпрограмм.

2. Удалить_самую_большую_оценку;

Как удалить самую большую оценку из статического массива? Вместо нее можно просто записать значение 0, а при подсчете среднего арифметического нулевые значения не учитывать.

I = Номер_самого_большого_элеменша_в_массиве;

3. Удалить_самую_маленькую_оценку;

I = Номер_самого_маленького_элемента_в_массиве;

При реализации подпрограммы Номер_самого_маленького_элемента_в_массиве нужно учесть, что искать придется самое маленькое из положительных значений (больших нуля).

Здесь потребуется оператор цикла, вычисляющий сумму всех элементов массива Ocenki.

FOR I = 1 ТО N

SUM = SUM + Ocenki(I)

SUM = SUM / (N - 2)

В последнем операторе происходит вычисление среднего арифметического всех оценок. Сумма элементов массива делится на число элементов, уменьшенное на 2, потому что две оценки, самую большую и самую маленькую, учитывать не нужно.

В случае если бы эта задача решалась последовательно, то уже на этапе удаления оценок могли возникнуть определенные проблемы.

Реализацию подпрограмм Номер_самого_большого_элемента_в_массиве и Номер_ самого_маленького_элемента_в_массиве выполните самостоятельно.

- Тема 3.2 Нисходящее проектирование

Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разло- жение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы ("сверху- / вниз"). В результате строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимопод-чиненность отдельных... [читать подробенее]

- Нисходящее проектирование

Занятие 12-2 часа Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы ("сверху- / вниз"). В результате строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимоподчиненность... [читать подробенее]

- Маршруты проектирования могут начинаться с нижних иерархических уровней описаний (восходящее проектирование) либо с верхних (нисходящее проектирование).

Между всеми этапами проектирования существует глубокая взаимосвязь. Так, определение окончательной конструкции и разработка всей технической документации часто не могут быть выполнены до окончания разработки технологии. В процессе конструирования и разработки...

Методы проектирования программных продуктов

К концу 20 века не только существенно возросла сложность проектируемых объектов, но и их воздействие на общество и окружающую среду, тяжкость последствий аварий из-за ошибок разработки и эксплуатации, высокие требования к качеству и цене, сокращению сроков выпуска новой продукции. Необходимость учета этих обстоятельств заставляла вносить изменения в традиционный характер и методологию проектной деятельности.

При создании объектов их уже необходимо было рассматривать в виде систем , то есть комплекса взаимосвязанных внутренних элементов с определенной структурой, широким набором свойств и разнообразными внутренними и внешними связями. Сформировалась новая проектная идеология, получившая название системного проектирования.

Системное проектирование комплексно решает поставленные задачи, принимает во внимание взаимодействие и взаимосвязь отдельных объектов-систем и их частей как между собой, так и с внешней средой, учитывает социально-экономические и экологические последствия их функционирования. Системное проектирование основывается на тщательном совместном рассмотрении объекта проектирования и процесса проектирования, которые в свою очередь включают ещё ряд важных частей

Принципы системного проектирования

Системное проектирование должно базироваться на системном подходе. В настоящее время ещё нельзя утверждать, что известны их полные состав и содержание применительно к проектной деятельности, однако можно сформулировать наиболее важные из них:

· Практическая полезность:

o деятельность должна быть целенаправленной , устремленной на удовлетворение действительных потребностей реального потребителя или определенной социальной, возрастной или иной групп людей;

o деятельность должна быть целесообразной . Важно вскрыть причины, препятствующие использованию существующих объектов для удовлетворения новых потребностей, выявить вызывающие их ключевые противоречия и сконцентрировать усилия на решении главных задач;

o деятельность должна быть обоснованной и эффективной . Разумным будет использование не любого решения задачи, а поиск оптимального варианта ;

· Единство составных частей:

o целесообразно любой объект, сложный ли он или простой, рассматривать как систему , внутри которой можно выделить логически связанные более простые части - подсистемы , единство частных свойств которых и образует качественно новые свойства объекта-системы;

o разрабатываемые объекты предназначены для людей, ими создаются и эксплуатируются. Поэтому человек также обязан рассматриваться в качестве одной из взаимодействующих систем. При этом должно приниматься во внимание не только физическое взаимодействие, но и духовно-эстетическое воздействие;

o внешняя, или как её ещё называют - жизненная среда , также должна рассматриваться в качестве системы, взаимосвязанной с проектируемым объектом;

· Изменяемость во времени:

o учёт этапов жизненного цикла объекта;

o учёт истории и перспектив развития и применения разрабатываемого объекта, а также областей науки и техники, на достижениях которых базируются соответствующие разработки.

Нисходящее и восходящее проектирование

Ведение разработки объекта последовательно от общих черт к детальным называется нисходящим проектированием . Его результатом будут требования к отдельным частям и узлам. Возможен ход разработки от частного к общему, что образует процесс восходящего проектирования . Такое проектирование встречается, если одна или несколько частей уже являются готовыми (покупными или уже разработанными) изделиями.

Нисходящее и восходящее проектирование обладают своими достоинствами и недостатками. Так, при нисходящем проектировании возможно появление требований, впоследствии оказывающихся нереализуемыми по технологическим, экологическим или иным соображениям. При восходящем проектировании возможно получение объекта, не соответствующего заданным требованиям. В реальной жизни, вследствие итерационного характера проектирования, оба его вида взаимосвязаны.

Например, разрабатывая при нисходящем проектировании автомобиль (от общей схемы к его частям, например, - к мотору), необходимо увязать общую компоновку с размерами и мощностью уже выпускаемых двигателей. В противном случае придётся разрабатывать применительно к данной компоновке новый двигатель, либо изменять первоначальные варианты его расположения или схему компоновки всего автомобиля.

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз - такой подход называется нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (например, 5). Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реализации этой функции.