第 5 章系统设计

第5章系统设计 系统设计是管理信息系统建设过程中，继系统分析之后的又一个重要阶段，系统分析阶段解决的核心问题是系统“做什么(WHAT TO DO)”，即明确定义系统功能，这个阶段的成果是系统的逻辑模型。系统设计阶段要回答的中心问题是系统“怎么做(HOW TO DO)”，即解决实现系统分析报告中规定的系统功能。我们根据系统分析阶段的成果，进行新系统的设计，确定系统的物理模型。系统设计的主要目的就是为下一阶段的系统实现(如编程，调试、试运行等)制定蓝图。在系统设计阶段，我们的主要任务就是在各种技术和实施方法中权衡利弊，精心设计，合理地使用各种资源，最终勾画出新系统的详细设计方案。系统设计包括两部分内容：概要设计和详细设计，二者交错反复进行。

第5章系统设计 5.1 系统设计的任务 5.1.1 系统设计的原则面向管理的信息系统，其优劣程度取决于它为管理工作提供的信息服务的质量，因此，设计人员在工作过程中应遵循以下原则： • 功能性 • 系统性 • 可维护性 • 可靠性 • 经济性

第5章系统设计 • 5.1.2 系统设计的内容 • 系统设计的内容从整体上可以分为两个方面： • 概要设计,又称为总体设计 • 将系统划分为模块； • 定义每个模块的功能； • 定义模块之间的调用关系； • 定义模块之间的信息传递关系。 • 详细设计 • 代码设计 • 数据库（文件）设计 • 输入/输出设计 • 处理过程设计

第5章系统设计 5.2 系统概要设计系统概要设计是根据系统分析所得到的系统逻辑模型（数据流程图和数据字典），利用结构化设计的思想，借助一套标准化的图、表工具，导出系统的模块结构图。 5.2.1 结构化设计的基本概念 • 结构化设计 • 结构化设计方法是使用最广的一种设计方法，由美国IBM公司的W·Stevens、G·Myers和L·Constantine等人提出。该方法适合于软件系统的总体设计和详细设计，特别是将一个复杂的系统转换成模块化结构系统，该方法具有它的优势。在使用过程中可将结构化设计方法与结构化分析方法及编程阶段的结构化程序设计方法前后衔接起来，结构化设计方法具有以下特点：

第5章系统设计 • 相对独立、功能单一的模块结构 • “块内联系大、块间联系小”的模块性能标准 • 采用模块结构图的描述方式 • 模块与模块化 • 模块是可以组合、分解和更换的单元，是组成系统、易于处理的基本单位。系统中的任何一个处理功能都可看成一个模块，也可以理解为用一个名字就可以调用的一段程序语句。 • 模块应具备以下四个要素： • 输入和输出：是模块与外部的信息交换。一个模块从它的调用者那里获得输入，把计算产生的结果再传递给调用者； • 逻辑功能：是指模块完成的事情，即如何把输入转换成输出； • 内部数据：仅供该模块本身引用的数据； • 程序代码：用来实现模块功能的程序。

第5章系统设计 • 模块的独立性 • 结构化设计的基本思想，就是把系统设计成由相对独立、功能单一的模块组成的层次结构。其中模块的独立性从两个角度来衡量。一个用来衡量模块之间的联系的紧密程度，称之为模块之间的耦合（coupling）；另一个用来衡量一个模块内各元素彼此结合的紧密程度，称之为模块的内聚(cohesion)。如果所有模块的内聚都很强，模块的独立性就强。反之，模块之间的耦合增加，模块的独立性就降低。 • 模块之间的耦合 • 模块之间的耦合是影响系统复杂程度的一个重要原因。影响模块之间的耦合程度有三方面的因素：一是模块之间的联系方式；二是模块之间传递信息的作用；三是模块之间传递信息的数量。 • 基于以上因素，模块之间的耦合可以分成以下类型。

第5章系统设计 非直接耦合数据耦合控制耦合公共耦合内容耦合

第5章系统设计 • 模块的内聚 • 模块的内聚反映模块内部各个要素联系的紧密程度，如果一个模块内部诸要素相关性很高，而且都是为了完成同一个功能，我们就说模块的内聚度很高。 • 模块的内聚分为以下类型： • 功能内聚 • 顺序内聚 • 通信内聚

统计成绩A 计算总分B 计算平均分C 按照成绩排序D 第5章系统设计 • 时间内聚 • 逻辑内聚巧合内聚 • 控制范围与作用范围

TOP A B A1 A2 A3 B1 C D 第5章系统设计 • 模块的扇入与扇出 • 模块结构图 • 结构化设计采用模块结构图描述系统结构的设计。 • 模块结构图的基本符号如图

计算总分 模块调用数据信息控制信息第5章系统设计 • 模块：用长方形表示，在长方形内写模块的名字。 • 调用：在模块结构图中，用连接两个模块的带箭头的直线表示调用。箭头总是由调用模块指向被调用模块，表示调用模块调用了被调用模块，被调用模块执行后又返回到调用模块。 • 若一个模块是否调用一个下属模块，决定于调用模块内部的判断条件，则该调用称为模块间的判断调用，箭头尾部用菱形符号表示。如果一个模块通过其内部的循环功能循环调用一个或多个下属模块，则该调称为循环调用，用弧形箭头表示。图5-15为调用、判断调用和循环调用的示意图。

第5章系统设计 图 5‑15调用的各种类型数据信息控制信息

第5章系统设计 • 模块结构图举例 • 图5-17是模块结构图的一个例子。该图描述报表生成系统的模块结构，显示了从读入数据、验证数据，经过报表生成，最后按照一定格式输出报表的过程。

第5章系统设计 • 模块结构图与数据流程图 • 模块结构图不同于数据流程图。模块结构图可以由数据流程图转换而来。但是，结构图和数据流程图有着本质的差别：数据流程图着眼于数据流，反映系统的逻辑功能，即系统能够做什么；而结构图着眼于系统的控制层次，反映系统的物理模型。从时间上看，数据流程图在前，模块结构图在后。数据流程图是绘制模块结构图的依据。概要设计阶段的任务，就是要针对数据流程图规定的功能，设计一套实现方法。 • 模块结构图与程序框图 • 结构图也不同于程序框图，一个软件系统具有过程性（处理动作的顺序）和层次性（系统的各组成部分的管辖范围）特征。模块结构图描述的是系统的层次性，而通常的“框图”描述的则是系统的过程性。在系统设计阶段，关心的是系统的层次结构；只有到了具体编程时，才要考虑系统的过程性。

考试成绩 补考学生信息补考安排信息输出数据 P1 录入补考学生信息 P2 安排补考时间地点 P3 打印补考安排表输入部分数据处理部分输出部分第5章系统设计 • 5.2.3 从数据流程图导出结构图 • 由数据流程图向初始的模块结构图转换，通常有两种方法。一种是以事务为中心的分析方法，叫做事务分析。另一种是以变换为中心的转换方法，叫做变换分析。采用这两种方法时，都是先设计出模块结构图的顶端主模块，然后自顶向下逐步细化，最后得到满足要求的系统结构。 • 变换分析 • 对于变换型结构，从数据流程图上可以明显地划分出数据输入、数据加工和数据输出三部分。如图5-18所示就是一个明显的变换型数据流程图的例子。

第5章系统设计 • 从数据流程图上找到输入、处理和输出三部分后，接着导出系统的顶层模块和第一层模块。顶层模块就是系统的主处理，其功能是整个系统的功能。第一层模块按照输入、主处理和输出三个分支进行变换。分别为输入、主处理和输出设计三个模块，功能分别是：为顶层模块提供数据；将输入数据变换成输出数据；输出顶层模块输出的数据。最后，对输入、变换和输出模块逐个分解便可以得到初始的模块结构图。如图5-19所示。

第5章系统设计 • 事务分析 • 对于事务型结构。从数据流程图中看，某个加工将它的输入分离成一串并列的数据流，再分别执行后面的加工。如图5-20所示就是一个明显的事务型数据流程图的例子。

第5章系统设计 • 事务分析也是按照“自顶向下，逐步细化”的原则进行，先设计主模块，其功能是整个系统的功能。第二层设计“分析模块”和“调度模块”。“分析模块”负责分析事务的类型，“调度模块”负责调用相应的下层模块。如图5-21所示。 • 以上讨论了从数据流程图导出模块结构图的两种类型，但在实际中，数据流程图并不是这么典型，往往是变换分析与事务分析交织在一起的。

第5章系统设计 5.2.4 系统平台设计管理信息系统是以计算机科学为基础的人-机系统。管理信息系统平台是管理信息系统开发与应用的基础。管理信息系统平台设计包括计算机硬、软件选择与设计等工作。 • 计算机的选择 • 网络的设计与选择 • 软件的选择 5.3 代码设计代码设计与计算机并没有必然联系，实际上，在计算机产生之前，就有编码系统，但在管理信息系统中，代码的作用比人工处理信息时更为明显。如，条形码已经成为现代化工业、商业中不可缺少的工具。代码设计问题涉及一个科学管理的问题，设计出一个好的代码方案不仅对于系统的开发工作有利，对信息系统的使用也打下一个良好的基础。

第5章系统设计 • 5.3.1 代码设计的原则 • 一个良好的设计既要保证处理问题的需要，又要保证科学管理的需要。在系统开发过程中设计代码应遵循以下原则: • 代码设计要符合唯一性的原则。 • 代码设计要符合规范化的原则。 • 代码设计要标准化。 • 代码设计要有一定的柔性。 • 代码设计要符合简洁性原则。 • 5.3.2 代码的种类 • 顺序码 • 分区顺序码 • 层次码 • 助记码 • 自检码

第5章系统设计 5.3.3 代码设计的步骤 • 码设计可以按照以下步骤进行 • 确定代码对象； • 考察是否已经有标准编码； • 确定代码的使用范围和使用期限； • 确定代码结构和代码内容； • 编写代码表。 5.3.4 代码的校验 • 入代码时的可能错误 • 识别错误：1/7，0/O，Z/2，D/O，S/5，…… • 易位错误：12345/13245，…… • 双易位错误：12345/13254，…… • 随机错误。上述两种或两种以上的错误出现 • 避免代码录入出现错误的办法 • 在设计好的代码后，再增加一位，作为代码的组成部分。增加的一位，即为校验位。使用中没有特别性。

第5章系统设计 例如，xxxxx ---设计好的代码共5位 xxxxxx ---增加校验位后共6位在录入数据时，应录入包括校验位在内的完整代码，代码进入系统后，系统将取该代码校验位前的各位，按照确定代码校验位的算法进行计算，并与录入代码的最后一位（校验位）进行比较，如果相等，则录入代码正确，否则录入代码错误，重新进行录入。校验位的确定步骤设有一组代码为：C1C2C3C4…Ci 第一步：为设计好的代码的每一位Ci确定一个权数Pi（权数可为算术级数、几何级数或质数）。第二步：求代码每一位Ci与其对应的权数Pi的成绩之和S S=C1×P1+C2×P2+……+Ci×Pi (i=1，2，……，n) n = ∑ Ci×Pi (i=1，2，……，n) i=1

第5章系统设计 第三步：确定模M 第四步：以模除和，取余R = SMOD(M) 第五步：模减去余数，得到校验位Ci+1 =M-R 最终代码为：C1C2C3C4…CiCi+1 使用时：C1C2C3C4…CiCi+1 下面举例说明校验位的确定原设计的一组代码为五位，如32456，确定权数为7，6，5，4，3 求代码每一位Ci与其对应的权数Pi的成绩之和S S= C1×P1+C2×P2+……+Ci×Pi (i=1，2，……，n)=3×7+2×6+4×5+5×4+6×3 =21+12+20+20+18=91 确定模M，M=11 取余R，R = SMOD(M) = 91MOD(11) = 3 校验位Ci+1 =3 最终代码为：C1C2C3C4…CiCi+1，即324563 使用时为：324563

第5章系统设计 5.4 数据存储设计 5.4.1 文件设计 • 文件的分类 • 主文件,分为静态文件和动态文件两种 • 业务文件。 • 输入文件。 • 输出文件。 • 工作文件。 • 转存文件。 • 文件设计的步骤 • 了解已有的或可提供的计算机系统功能。 • 确定文件设计的基本指标。 • 确定合适的文件组织方式、存取方式和介质。 • 编写文件设计说明书。

第5章系统设计 5.4.2 数据库设计 • 数据库设计是在选定的数据库管理系统基础上建立数据库的过程。建立一个良好的数据组织结构和数据库，使整个系统都可以迅速、方便、准确地调用和管理所需的数据，是衡量信息系统开发工作好坏的主要指标之一。 • 数据组织的规范化 • 在规范化理论中表是二维的，它有如下性质。 • （1）列是同质的：同一属性名下的诸属性值是相同类型数据，且必须来自同一个取值范围。 • （2）表中每一列必须有不同的名称。 • （3）列的顺序是非排序的：列的次序无所谓，可以随意交换。 • （4）表中的行是唯一的：任意两个行不能完全相同。 • （5）行的顺序无关紧要：行的次序可以任意交换。 • （6）所有的列都是不可分的数据项。

第5章系统设计 • 在对表的形式进行了规范化定义后，科德还对数据结构进行了五种规范化定义，称为范式。在这五种范式中，一般只用前三种，对于常用系统就足够了。而且这五种范式是“向上兼容”的，即满足第五范式的数据结构自动满足一、二、三、四范式，满足第四范式的数据结构自动满足第一、二、三范式……，依此类推。 • 第一范式 • 第一范式(1NF)就是指在同一表中没有重复项出现，如果有，则应将重复项去掉。这个去掉重复项的过程就称之为规范化处理。1NF是关系模式的最起码要求。若R1NF，则R不是关系数据库。 • 显然，表5-2所示的学生成绩的数据结构不是规范化的。为了将其规范化，把表5-2拆成两个二维表，如表5-3和表5-4所示。拆分后的两个表都满足1NF。

第5章系统设计 表格 5‑2 学生成绩登记表表格 5‑3 学生基本信息表

第5章系统设计 表格 5‑4 学生成绩表

第5章系统设计 • 第二范式 • 第二范式(2NF)是指所有的非关键字数据元素完全函数依赖于整个关键字。例如，在表5-2中，我们将“学号”定义为主关键字，只要知道了一个学号，就可以惟一地在表中找到该学生的其他信息。通常我们称这种关系为函数依赖(Functional Dependence)关系，即表中其他数据元素都依赖于主关键字，或称该数据元素惟一地被主关键字所标识。 • 根据2NF的定义，表5-4所示的数据结构不属于2NF。因为：表5-4中关键字为“学号”和“课程编号”，而“课程名称”、“学分”等数据元素不是完全函数依赖于关键字。这种结构存在一些不良特性。例如，某门课程的名称发生的变化，若有k个学生选修这门课程，则需要修改k次。操作过程中容易产生遗漏，给数据库的维护带来麻烦。 • 由此可见，仅属于1NF的数据结构还不是一个好的数据结构，需要进一步把它规范成2NF。变换的方法就是分解。将表5-4分解成表5-5，表5-6，所示的两个表

第5章系统设计 表格 5‑5课程信息表表格 5‑6 学生成绩表

第5章系统设计 • 第三范式 • 第三范式(3NF)就是指表中的所有数据元素不但要能够惟一地被主关键字所标识，而且它们之间还必须相互独立，不存在其他的函数关系。也就是说对于一个满足了2NF的数据结构来说，表中有可能存在某些数据元素依赖于其他非关键字数据元素的现象，必须加以消除。 • 进一步分析表5-6，虽然已经满足第二范式，但存在着传递函数依赖关系。因为“名次”依赖于“成绩”，这两个数据元素都属于非关键字。而“成绩”完全函数依赖于码。因此，名次传递依赖于码。这说明在表中，存在冗余的数据元素。根据“成绩”，就可以导出名次。去掉冗余项“名次”，就转换成了满足第三范式的数据结构。 • 从1971年开始，数据规范化理论发展到现在，不仅提出了1NF，2NF，3NF，还提出了BCNF（Boyee-Codd Normal Form），继而又推出了4NF，5NF。从应用的角度来讲，建立满足3NF的数据结构就基本能满足应用的要求。

需求分析 综合各个用户的功能需求形成独立于DBMS的概念模型，用E-R图描述用E-R图描述概念结构设计将E-R图转换成具体关系模式建立逻辑模型、用户视图逻辑结构设计安排物理存储，设计索引物理结构设计数据入库，编制应用程序数据库实施数据库运行与维护运行、维护数据库第5章系统设计 • 数据库设计的步骤 • 数据库设计除用户需求分析外，还包括概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计三个阶段，数据设计结束后，还有数据库实施和数据库运行与维护两个阶段。如图5-24所示。

第5章系统设计 • 需求分析进行数据库设计首先必须准确了解与分析用户的需求，作为基础的需求分析是否做得充分与准确，决定了数据库的质量。 • 数据库的概念结构设计。概念结构设计应在系统分析阶段进行。概念结构设计的任务是根据用户需求设计数据库的概念数据模型(简称概念模型)。概念模型是从用户角度看到的数据库，它可用E-R图来表达，如图5-25所示。

第5章系统设计 • 数据库的逻辑结构设计。 • 逻辑结构设计是将概念结构设计阶段完成的概念模型转换成为某个数据库管理系统(DBMS)所支持的数据模型。 • 数据模型可以由实体联系模型转换而来。 • E-R模型转换为关系数据模型的规则： • 一个实体型转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。 • 一个联系转换为一个关系模式，相联系实体的键和联系的属性转换为关系的属性。 • 三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。 • 数据库的物理结构设计 • 物理结构设计是为数据模型在设备上选定合适的存储结构和存取方法，以获得数据库的最佳存取效率。 • 物理结构设计的主要内容包括: • 库文件的组织形式。 • 存储介质的分配。 • 存取路径的选择等。

第5章系统设计 数据库的实施在数据库实施阶段，设计人员运用DBMS提供的数据语言机器宿主语言，根据逻辑设计与物理设计的结果建立数据库。数据库的运行与维护数据库系统经过试运行后即可投入正式运行，在运行过程中对它进行评价、调整和修改。 5.5 处理过程的设计总体结构设计将系统分解成许多模块，处理过程的设计则要确定每个模块的内部特征，即内部的执行过程，包括局部的数据组织、控制流、每一步的具体加工要求及种种实施细节。通过这样的设计，为编写程序制定一个周密的计划。当然，对于一些功能比较简单的模块，也可以直接编写程序。处理过程设计的关键是用一种合适的表达方法来描述每个模块的执行过程。这种表示方法应该简明、精确，并由此能直接导出用编程语言表示的程序。经常用的描述方式有图形、语言和表格三类，如传统的框图、各种程序语言、判定表等。

控制流 判断处理步骤第5章系统设计 • 处理过程的设计的任务 • 设计出所有模块和他们之间的相互关系（即联结方式），并具体地设计出每个模块内部的功能和处理过程，为程序员提供详细的技术资料。 • 处理过程的设计的工具 • 控制流程图 • 流程图（Flow Chart，简称FC）又称框图，是历史最久、流行最广的程序细节描述工具。 • 流程图框图包括三种基本成分，其基本图形元素如图5-28所示。

第5章系统设计 • 框图的特点是直观、形象，所以容易理解。框图的一个缺点是表示控制的箭头过于灵活。使用得当，流程图简单明了；使用不当，流程图可能非常难懂，而且无法维护。流程图的另一个缺点是只描述执行过程而不能描述有关数据。 • 使用如图5-29所示的几种标准结构及其嵌套绘制的流程图，称为结构化流程图。图5-30是一个结构化流程图示例。图 5‑29 控制流程图的几种标准结构

第5章系统设计

第5章系统设计 盒图（NS图）盒图是结构化程序设计出现之后，为支持这种设计方法而产生的一种描述工具。它用图5-31所示的五种基本成分，分别支持结构化程序设计方法的几种标准控制结构。图5-31等效于图5-29。图 5‑31 盒图的几种基本结构

第5章系统设计 图 5‑32 盒图示例在NS图中，每个处理步骤用一个盒子表示。盒子可以嵌套。盒子只能从上头进人，从下头走出，除此之外别无其他出人口，所以盒图限制了随意的控制转移，保证了程序的良好结构。与流程图相比，NS图的优点在于： • 它强制设计人员按结构化程序设计方法进行思考并描述其方案； • 图像直观，容易理解设计意图，为编程、复查、测试、维护带来方便； • 简单易学。

第5章系统设计 • 问题分析图问题分析图（Problem Analysis Diagram，PAD）由日立公司于1979年提出，是一种支持结构化程序设计的图形工具。与NS图类似，问题分析图仅具有顺序、选择、和循环三种基本成分，如图5-33所示，正好与结构化程序设计中的基本成分相对应。图 5‑33问题分析图的几种基本结构

第5章系统设计 图 5‑34 问题分析图示例问题分析图的独到之处在于：以问题分析图为基础，按照一个机械的变换规则就可编写计算机程序。问题分析图有着逻辑结构清晰，图形化标准化与人们所熟悉的控制流程图比较相似等优点。更重要的事，它引导设计人使用结构化程序设计方法，从而提高程序的质量。

第5章系统设计 5.6 输入与输出设计 • 输入设计的目标是保证向系统输入正确的数据，因此，在进行输入设计时应做到提高输入效率，减少输入错误。 • 输入设计的任务是根据具体业务要求，确定适当的输入形式，使管理信息系统获取管理工作中产生的正确的信息。 • 输入设计的原则 • 尽量减少用户输入的数据量。 • 坚持早检验的原则。 • 简化输入过程。 • 尽量减少输入错误。 • 输入设计的内容 • 输入设计的内容一般包括： • 确定输入数据内容：输入数据的内容设计，包括确定输入数据项名称、数据内容、精度、数值范围等。

第5章系统设计 • 输入数据正确性校验 • 在输入数据时，校验方式的设计非常重要。特别是针对数量、金额等数字。这些数据一旦发生错误，将引起业务工作的混乱。所以对一些重要的报表，输入设计一定要考虑适当的校对措施，以减少出错的可能性。 • 数据校验有各种方法，可以根据具体情况选择使用，常用校对方式有： • 人工校验 • 重复校验 • 根据输入数据之间的逻辑关系校验 • 代码自身校验 • 输入设计的评价 • 输入设计的评价一般从以下几点考虑： • 输入界面是否明晰、美观、大方； • 是否便于填写，符合工作习惯； • 是否便于操作； • 是否有保证输入数据正确性的校验措施。

第5章系统设计 • 5.6.2 输出设计 • 输出设计的重要性是众所周知的。信息系统的作用只有通过输出才能体现出来。输出的结果是评价信息系统重要指标之一。 • 从系统的角度来说输入和输出都是相对的，各级子系统的输入就是上级主系统输出。从这个意义上来说，前面所介绍的几种数据传输方式，如网络传递、软磁盘传递等，对于数据传出方来说也就是输出方式设计的内容。 • 输出设计的内容 • 确定输出信息内容 • 确定输出格式 • 选择输出设备和介质 • 输出设计的方法 • 表格形式 • 图形形式

第5章系统设计 • 输出设计评价 • 输出设计的评价一般考虑以下几点： • 能否为用户提供及时、准确、全面的信息服务； • 是否便于阅读和理解，符合用户的习惯； • 是否充分考虑和利用了输出设备的功能； • 是否为今后的发展预留一定的余地。 5.6.3 用户界面设计用户界面是人和计算机联系的重要途径。操作者可以通过屏幕窗口与计算机进行对话、向计算机输入有关数据、控制计算机的处理过程并将计算机的处理结果反映给用户。因此，用户界面设计必须从用户操作方便的角度来考虑，与用户共同协商界面应反映的内容和格式。用户界面主要有以下几种形式：

第5章系统设计 • 1. 菜单式 • 一般菜单 • 下拉菜单 • 快捷菜单 • 2. 填表式 • 3. 选择性问答式 • 4. 按钮式 5.7 系统设计报告 • 系统设计阶段的最后一项工作是编写系统设计报告。系统设计报告既是系统设计阶段的成果，也是下一阶段系统实施的重要依据。

第5章系统设计 • 系统设计报告包括以下几个方面的内容: • 引言 • 系统设计规范 • 计算机系统的配置 • 系统结构 • 代码设计 • 输入设计 • 输出设计 • 数据库设计 • 系统实施方案及说明 • 系统设计报告编制完成后，应邀请有关人员（用户、系统开发人员）和专家进行审批，经过批准后，系统分析报告将成为下一阶段工作的指导性文件。

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