Вопрос: Проектирование программных модулей и компонентов

Сложная система обычно может быть разделена на более простые части – модули. Модульность является важным качеством инженерных процессов и продуктов. Большинство промышленных процессов являются модульными и составлены из комплексов работ, которые комбинируются простыми способами (последовательными или перекрывающимися) для достижения требуемого результата. Главное преимущество модульности заключается в том, что она позволяет применять принцип разделения задач на двух этапах:

Комплексы программ – программные продукты создаются для решения сложных задач управления и обработки информации. В комплексы объединяются несколько или десятки функциональных групп программ для решения общей целевой задачи системы. Размеры ПС зачастую исчисляются сотнями модулей, десятками и сотнями тысяч операторов. Встречаются ПС, содержащие до двух-трех десятков структурных иерархических уровней, построенных из модулей.

Проектирование модулей включает в себя разработку локальных функций и подробных описаний алгоритмов обработки данных; межмодульных интерфейсов; внутренних структур данных; структурных схем передач управления; средств управления в исключительных ситуациях. С их помощью определяются функции: порядок следования отдельных шагов обработки, ситуации и типы данных, вызывающие изменения процесса обработки, а также повторно используемые функции программы. Программные модули для их многократного использования должны базироваться на унифицированных правилах структурного построения, оформления спецификаций требований и описаний текстов программ и комментариев. Кроме того, целесообразно для каждого проекта директивно ограничивать размеры модулей по числу строк текста с учетом языка программирования, например, 30-ю или 50-ю операторами (см. лекцию 13).

Основная цель такой унификации – облегчить разработку модулей, обеспечение их качества и тестирования, а также упростить управление их функциями и характеристиками. Эти правила в значительной степени стандартизированы в современных языках программирования. Однако при их применении целесообразно выделять типовые ассоциации операторов и ограничения их использования, а также вводить правила описания текстов программ, комментариев, данных и заголовков модулей, ограничения их размеров и сложности. Эти правила наиболее полно должны соблюдаться при разработке основной массы функциональных программ, подлежащих повторному использованию в модифицируемых версиях программных продуктов. Компоненты организации вычислительного процесса, контроля функционирования, ввода-вывода и некоторые другие могут иметь отличия в правилах структурного построения модулей.

Для обеспечения управляемой модификации и развития конфигураций версий программного продукта важно стандартизировать структуру базы данных, вкоторой накапливается и хранится исходная, промежуточная и результирующая информация в процессе функционирования ПС. Основными компонентами этой структуры являются информационные модули или пакеты данных. В них также целесообразно использовать типовые структуры, ориентированные на эффективную обработку данных в конкретной проблемной области. Объединение информационных модулей позволяет создавать более сложные структуры данных определенного целевого назначения. Иерархия связей между этими компонентами в некоторой степени соответствует процессу обработки и потокам данных и относительно слабо связана со структурой программных компонентов в ПС. Структуры информационных модулей целесообразно координировать между собой с учетом цели и места их использования программными компонентами.

Особое значение для качества модулей и компонентов крупных ПС имеет стандартизация структуры межмодульных интерфейсов по передачам управления и по информации. Эти правила формируются на базе описаний языков программирования или оформляются на основе правил структурного построения программ и базы данных конкретных проектов ПС. В последнем случае соглашения о связях конкретизируются в макрокомандах межмодульного взаимодействия. Структурное проектирование сложных комплексов программ активно развивается на основе концепции и стандартов открытых систем. Применение стандартов открытых систем следует начинать при создании архитектуры исходных модулей мобильных ПС и БД, а далее неукоснительно использоваться при всех процессах ЖЦ. Во всех случаях создание архитектуры модулей и компонентов современных сложных систем целесообразно вести с использованием профилей международных стандартов, значительная часть которых обеспечивает мобильность и возможность повторного использования готовых программных средств и баз данных (см. лекцию 3).

Основными целями создания и применения концепции, методов и стандартов открытых систем является повышение общей экономической эффективности разработки и функционирования систем, а также логической и технической совместимости их компонентов, обеспечение мобильности и повторного применения готовых программ и данных. Они реализуют спецификации на интерфейсы, процессы и форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:

—возможность расширения ПС, а также переноса (мобильность) программных компонентов и систем, разработанных должным образом, с минимальными изменениями на широкий диапазон аппаратных и операционных платформ;

- совместную работу с другими программными продуктами и системами на локальных и удаленных платформах;

- взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающем последним переход от системы к системе (мобильность пользователей).

Для достижения этих целей развиваются и применяются различные проблемно-ориентированные технологии и комплексы средств автоматизации ЖЦ мобильных программ и баз данных, основанные на повторном использовании готовых апробированных модулей, программных компонентов и данных, их эффективном переносе на различные аппаратные и операционные платформы и согласованном взаимодействии в распределенных информационных системах. Профессионалы в области открытых систем акцентируют усилия на поиске и создании гибкой, способной к наращиванию среды, что базируется на трех направлениях стандартизации в области систем (см. лекцию 2):

- аппаратных и операционных платформ;

- методов и технологии обеспечения жизненного цикла прикладных программных средств и баз данных;

- интерфейсов компонентов и модулей между собой, с операционной и внешней средой.

Методы открытых систем обеспечивают эффективные по трудоемкости и качеству структурное проектирование, расширение и перенос готовых программных средств обработки информации и баз данных на различные аппаратные и операционные платформы. Эти методы можно разделить на три части:

Первая группа методов создавалась с ограниченной и определенной целью локализовать и унифицировать интерфейсы программных компонентов между собой, с заранее выделенными операционными системами и с внешней средой. Интерфейсные стандарты являются базой для обеспечения структурного проектирования, свободного перемещения и расширения программных продуктов и компонентов в различные по архитектуре и функциям операционные окружения и аппаратные платформы. Эти методы позволяют разделить функциональную часть комплексов программ и их связи с организационным окружением, обеспечивая технологическую, архитектурную и языковую независимость функциональной части программ и данных. Тем самым они являются базой для реализации концепции открытости в системах и обеспечивают свободу разработчикам при выборе методов структурного проектирования и языков программирования для создания компонентов программ и описаний данных. Стандарты этой группы включают группу стандартов POSIX, в которой определены концепция и функции интерфейсов переносимых операционных систем, команды управления и сервисные программы, а также расширение для переносимых операционных систем.

Вторая группа методов имеет целью поддержать мобильность программных продуктов в открытых системах путем унификации их интерфейсов с внешней средой. Они обеспечивают совместимость обмена данными в различных файловых системах и базах данных, унификацию административного управления и взаимодействия с пользователями, а также методов обеспечения безопасности и защиты информации. Таким образом, создается стандартизированная по интерфейсам внешняя среда на различных гетерогенных аппаратных платформах, в которую могут эффективно погружаться различные программы, согласованные по интерфейсам с этими стандартами. Стандарты этой группы регламентируют функции и процессы, поддерживающие взаимодействие с внешней средой:

- концепции и архитектуру визуализации информации для взаимодействия с пользователями и ее представления в базовых системах графического отображения;

- архитектуру, интерфейсы, базовые процессы и языки управления файловыми системами и базами данных, обеспечивающими их совместимость и унификацию в сложных системах;

—административное управление локальными и распределенными компонентами систем в процессе решения функциональных задач обработки информации.

Третья группа методов создавалась в значительной степени независимо от первой и второй. Эти методы преследуют цель унифицировать тексты программных модулей, компонентов и описания данных, создаваемых для различных аппаратных платформ при любой их архитектуре, независимо от операционной и внешней среды. Первоначальное огромное число языков программирования (свыше 200), каждый из которых имел несколько диалектов, в результате сократилось до 6—10 массовых языков, ограниченных стандартами, не допускающими диалектов. Создание современных модулей и компонентов ПС и БД поддерживается методами и инструментальными средствами технологий, методами тестирования и аттестации программ и их интерфейсов, а также стандартизированным составом и содержанием документации на программы и базы данных. Эти методы и средства обеспечивают необходимое качество модулей и компонентов сложных ПС и БД. В результате обеспечена мобильность функциональной части текстов программ, однако они могут требовать доработок интерфейсов для сопряжения с новой средой аппаратного и операционного окружения систем.

VII. Задания для самостоятельной работы:

Напомнить обучаемым вопросы, изученные на занятии, подчеркнуть важность отработанной тематики.

Дать задание на самостоятельную подготовку, ответить на возможные вопросы обучаемых.

Практические задания:

1. В соответствии с заданием своего варианта, выполнить формулирование критериев формирования структуры программного средства. Варианты индивидуальных заданий получить у ведущего преподавателя по дисциплине.

По результатам выполненного задания подготовить и предоставить для проверки ведущему преподавателю письменный отчет.

Профессор кафедры №31 Ф.О. Федин