Файл: Основы проектирования программ. Этапы создания программного обеспечения..pdf

Введение

Разработка программного обеспечения – растущая отрасль, влияние которой на глобальную экономику существенно превосходит ее долю в мировом производстве. Использование программного обеспечения оказывает влияние на производительность труда во всех отраслях, информационные технологии являются основным катализатором управленческих инноваций, обеспечивающих экономический рост.

Программное обеспечение является ядром технологий, формирующих информационное общество. Информационное общество определяется как общество, в котором процесс компьютеризации дает людям доступ к надежным источникам информации, избавляет их от рутинной работы, обеспечивает высокий уровень автоматизации производства.

Применение информационно-коммуникационных технологий имеет большое значение для повышения качества жизни человека, эффективного функционирования органов государственной власти и органов местного самоуправления, повышения конкурентоспособности экономики, развития образования, здравоохранения и культуры. Широкое применение информационно-коммуникационных технологий стало тенденцией мирового развития современного общества.

Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации, утвержденная Президентом Российской Федерации, констатирует необходимость формирования в России информационного общества с высоким уровнем развития информационно-коммуникационных технологий.

Этапы создания программного обеспечения

В процессе разработки программ с использованием процедурного подхода можно выделить следующие этапы:

• постановка задачи - определение требований к программному продукту;
• анализ - осуществление формальной постановки задачи и определение методов ее решения;
• проектирование – разработка структуры программного продукта, выбор структур для хранения данных, построение и оценка алгоритмов подпрограмм и определение особенностей взаимодействия программы с вычислительной средой (другими программами, операционной системой и техническими средствами);
• реализация – создание программы на выбранном языке программирования, ее тестирование и отладка.
• модификация - выпуск новых версий программного продукта.

Постановка задачи

Процесс создания нового программного обеспечения начинают с постановки задачи, в процессе которой определяют требования к программному продукту.

Прежде всего, устанавливают набор выполняемых функций, а также перечень и характеристики исходных данных. Так, для числовых данных может задаваться точность, для текстовых – возможно, размер текста, способ кодировки и т. п. Затем определяют перечень результатов, их характеристики и способы представления (в виде таблиц, диаграмм, графиков и т. п.). Кроме того, уточняют среду функционирования программного продукта: конкретную комплектацию и параметры технических средств, версию используемой операционной системы и, возможно, версии и параметры другого установленного программного обеспечения, с которым предстоит взаимодействовать будущему программному продукту.

Рис. 1.1. Факторы, определяющие параметры разрабатываемого программного обеспечения

В тех случаях, когда разрабатываемое программное обеспечение собирает и хранит некоторую информацию или включается в управление каким-либо техническим процессом, необходимо также четко регламентировать действия программы при сбоях оборудования и энергоснабжения (рис. 1.1).

В результате согласования между заказчиком и исполнителем всех перечисленных вопросов составляют техническое задание в соответствии с ГОСТ 19.201-78, которое служит основанием для дальнейшей работы.

Анализ, формальная постановка и выбор метода решения

На данном этапе по результатам анализа условия задачи выбирают математические абстракции, адекватно, т.е. с требуемой точностью и полнотой, представляющие исходные данные и результаты, строят модель задачи и определяют метод преобразования исходных данных в результат (метод решения задачи).

Пример 1. Разработать программу, которая по заданным длинам сторон прямоугольника определяет его площадь.

Исходными данными в этом случае являются длины сторон прямоугольника, т.е. некоторые числовые значения, для которых должны быть заданы диапазон изменения и точность. Математические абстракции для представления исходных данных - некие изменяемые значения - переменные. Результат – площадь прямоугольника - также некоторое числовое значение, диапазон возможных значений и точность которого зависят от соответствующих характеристик исходных данных. Математической абстракцией результата также является переменная. Модель задачи можно представить в виде:

S = а x b,

где S - площадь; а, b - длины сторон.

Результат получают перемножением аргументов.

Однако полученная модель не является полной и, следовательно, адекватной, так как в ней не определены типы используемых переменных (целые или вещественные), что может привести к получению неверных результатов.

Например, допустим, что нас интересует площадь с точностью «до сотых», тогда получение результата с точностью «до целых» следует считать ошибкой.

Полная модель должна включать также указание типов переменных.

Часто формальная постановка задачи однозначно определяет метод ее решения. В тех случаях, когда задача может быть решена несколькими методами, выбирается один из них с учетом сложности и эффективности его реализации, обеспечиваемой методом точности результата, а также других параметров и характеристик.

При использовании процедурного подхода сложные задачи в процессе анализа разбивают на подзадачи, для каждой из которых может строиться своя модель и выбираться свой метод решения. При этом результаты решения одной подзадачи могут использоваться в качестве исходных данных в другой.

Определив методы решения, следует для некоторых вариантов исходных данных вручную или на калькуляторе подсчитать ожидаемые результаты.

Эти данные в дальнейшем будут использованы при тестировании программы.

Кроме того, выполнение операций вручную позволяет точно уяснить последовательность действий, что упростит разработку алгоритмов.

Целесообразно также продумать, для каких сочетаний исходных данных результат не существует или не может быть получен данным методом, что тоже необходимо учесть при разработке программы.

Проектирование

Принято различать логическое и физическое проектирование. Логическое проектирование не учитывает особенностей среды, в которой будет выполняться программа (технические и программные средства компьютера).

При выполнении физического проектирования все эти параметры должны быть учтены.

Логическое проектирование. Логическое проектирование при процедурном подходе предполагает детальную проработку последовательности действий будущей программы. Его начинают с определения структуры будущего программного продукта: отдельная программа или программная система, состоящая из нескольких взаимосвязанных программ. Затем переходят к разработке алгоритмов программ.

Алгоритмом называют формально описанную последовательность действий, которые необходимо выполнить для получения требуемого результата.

Различают последовательности действий (вычислений) линейной, разветвленной и циклической структуры.

Линейная структура процесса вычислений предполагает, что для получения результата необходимо выполнить некоторые операции в определенной последовательности. Например, для определения площади треугольника по формуле Герона необходимо сначала определить полупериметр треугольника, а затем по формуле его площадь.

Разветвленная структура процесса вычислений предполагает, что конкретная последовательность операций зависит от значений одного или нескольких параметров. Например, если дискриминант квадратного уравнения не отрицателен, то уравнение имеет два корня, а если отрицателен, то действительных корней нет.

Циклическая структура процесса вычислений предполагает, что для получения результата некоторые действия необходимо выполнить несколько раз. Например, для того, чтобы получить таблицу значений функции на заданном интервале изменения аргумента с заданным шагом, необходимо соответствующее количество раз определить следующее значение аргумента и посчитать для него значение функции.

Формальное описание алгоритмов осуществляют с использованием схем алгоритмов и псевдокодов.

На изображение схем алгоритмов существует ГОСТ 19.701-90, согласно которому каждой группе действий ставится в соответствие блок особой формы.

При разработке алгоритма каждое действие обозначают соответствующим блоком, показывая их последовательность линиями со стрелками на конце. Для простоты чтения схемы желательно, чтобы линия входила в блок сверху, а выходила снизу. Если линии идут не слева направо и не сверху вниз, то стрелка в конце линии обязательна, в противном случае ее можно не ставить.

В случае, когда схема алгоритма не умещается на листе, используют соединители.

Схема алгоритма детально отображает особенности разработанного алгоритма.

Иногда такой высокий уровень детализации не позволяет выделить суть алгоритма. В этих случаях для описания алгоритма используют псевдокод.

Псевдокод - описание алгоритма, которое базируется на тех же основных структурах, что и структурные схемы алгоритма. Описать на псевдокоде неструктурный алгоритм нельзя.

Алгоритмы простых программ разрабатывают, продумывая последовательность действий для решения некоторой задачи, как это было выполнено в примере. Для разработки алгоритмов более сложных программ целесообразно использовать метод пошаговой детализации. Параллельно с разработкой алгоритма уточняют диапазон изменения, точность и структуры представления переменных, используемых для хранения исходных данных и результатов, а также для временного размещения промежуточных результатов, и описывают их в специальных таблицах.

Физическое проектирование. При выполнении физического проектирования осуществляют привязку разрабатываемого программного обеспечения к имеющемуся набору технических и программных средств. Так, если при выполнении логического проектирования определено, что при возникновении некоторой ситуации пользователь должен получить сообщение об ошибке, то при физическом проектировании уточняют, что это сообщение должно быть передано пользователю, например, посредством синтезатора речи.

Реализация

Разработанные алгоритмы реализуют, составляя по ним текст программы с использованием конкретного языка программирования. Язык может быть определен в техническом задании, а может выбираться исходя из особенностей конкретной разработки.

Рис.1.2. Схема процесса подготовки программы к выполнению

На рис. 1.2 представлена схема процесса подготовки программы к выполнению.

Вначале осуществляют ввод программы в компьютер. Для ввода используют специальную программу – текстовый редактор с помощью которого создают файл, содержащий текст программы.

Затем программу необходимо перевести в последовательность машинных команд (машинный код). Для этого запускают специальную программу-переводчик – компилятор, В процессе разбора и преобразования программы компилятор может обнаружить ошибки. Тогда он аварийно завершает работу, выдав программисту сообщения об ошибках компиляции. Для исправления этих ошибок обычно достаточно внимательно изучить соответствующий фрагмент с учетом текста сообщения об ошибке и внести требуемое изменение в программу. После исправления ошибок процесс компиляции повторяют.

Если с точки зрения компилятора программа написана правильно, то он строит так называемый объектный код, содержащий текст программы на машинном языке. В среде программирования Pascal этот код не переписывается в файл, а сохраняется в памяти до выполнения следующего этапа.

В других средах и языках программирования на диске создается объектный файл, как правило, с расширением .obj.

Современные языки программирования, как правило, имеют так называемые среды. Среда языка программирования объединяет специализированный текстовый редактор, компилятор, компоновщик, программу выдачи справочной информации, отладчик и другое программное обеспечение, используемое при разработке программ в единый пакет. Таким образом, среда языка программирования обеспечивает программисту все необходимые средства для реализации программы.