Кафедра информационных систем

Прослушать

MINISTERSTVO OSVITY I NAUKY , MOLODI TA SPORTU UKRAÏNY
Odesʹkyy̆ natsionalʹnyy̆ politekhnichnyy̆ universytet
Instytut komp'yuternykh system
Kafedra informatsiy̆nykh system

Словарь - Открыть словарную статью

Технологии компьютерного проектирования

Конспект лекций

для иностранных студентов института компьютерных систем
(направление подготовки 6.050101 «Компьютерные науки »)

Утверждено
на заседании кафедры
информационных систем
Протокол № 9 від 8.06.2012

Одесса

ОНПУ

Конспект лекций по дисциплине "Технологии компьютерного проектирования " разработанный для иностранных студентов института компьютерных систем уровня подготовки - бакалавр, направление подготовки 6.050101 «Компьютерные науки ». /

О. Н. Галчёнков - Одесса: ОНПУ, 2012. - 366с. . .

Разработчик: О. Н. Галчёнков, к. т. н., старший

преподаватель.

Прослушать

Konspekt lektsiy̆ z dystsypliny "Arkhitektura komp'yuteriv "rozroblenyy̆ dlya studentiv instytutu komp'yuternykh system rivnya pidhotovky - bakalavr , napryam pidhotovky 6.0804 «Komp'yuterni nauky » . / O. M. Halchenko - Odesa : ONPU , 2011 . - s.

Rozrobnyky : O. M. Halchenko , k. t. n . , starshyy̆ vykladach.

Словарь - Открыть словарную статью

Содержание

Тема.1. Основные понятия и методология проектирования сложных. 8

обьектов и систем.. 8

Лекция 1. Основные понятия и методология. 8

1.1. Основные определения. 8

1.2. Сущность процесса проектирования. 12

1.3. Методология системного подхода к проблеме проектирования сложных систем.. 15

1.4. Системный подход к задаче автоматизированного проектирования технологического процесса 21

1.5. Системный анализ сложных процессов. 23

1.6. Этапы проектирования сложных систем.. 25

1.6. Контрольные вопросы и упражнения. 30

Тема.2. Системный ( структурный ) уровень компьютерного. 32

проектирования сложных обьектов. 32

Лекция 2. Определение визуального моделирования. 32

2.1. О пользе чертежей. 32

2.2. ПО и другие инженерные объекты.. 32

2.3. Чертить ПО. 33

2.4. Метафора визуализации. 34

2.5. Графовая метафора. 34

2.6. Определение визуального моделирования. 35

2.7. Средства визуального моделирования. 35

2.8. О программных инструментах. 36

2.9. Визуальное моделирование на фоне эволюции средств программирования. 37

2.10. Семантический разрыв визуальных моделей и программного кода. 39

2.11. Где выход?. 40

2.12. Предметная область, модель, метамодель, метаметамодель. 40

2.13. Множество моделей ПО.. 43

2.14. Граф модели и диаграммы.. 47

2.15. Об операциях над графом модели и диаграммами. 49

2.16. Контрольные вопросы.. 50

Лекция 3. Что такое The UML.. 52

3.1. Назначение языка. 52

3.2. Историческая справка. 53

3.3. Способы использования языка. 54

3.4. Структура определения языка. 58

3.5. Терминология и нотация. 59

Выводы.. 60

3.6. Контрольные вопросы.. 60

Лекция 4. Виды диаграмм UML.. 61

4.1. Почему нужно несколько видов диаграмм.. 61

4.2. Виды диаграмм.. 63

4.3. Диаграмма прецедентов (use case diagram) 64

4.4. Диаграмма классов (class diagram) 66

4.5. Диаграмма объектов (object diagram) 69

4.6. Диаграмма последовательностей (sequence diagram) 71

4.7. Диаграмма взаимодействия (кооперации, collaboration diagram) 73

4.8. Диаграмма состояний (statechart diagram) 75

4.9. Диаграмма активности (деятельности, activity diagram) 78

4.10. Диаграмма развертывания (deployment diagram) 80

4.11. ООП и последовательность построения диаграмм.. 82

Выводы.. 83

4.12. Контрольные вопросы.. 83

Лекция 5. Диаграмма классов: крупным планом.. 85

5.1. Как класс изображается на диаграмме UML?. 85

5.2. А что внутри?. 85

5.3. Как использовать объекты класса?. 87

5.4. Всегда ли нужно создавать новые классы?. 89

5.5. Отношения между классами. 92

Выводы.. 97

5.6. Контрольные вопросы.. 97

Лекция 6. Диаграмма активностей: крупным планом.. 99

6.1. А ведь это вовсе не блок-схема! 99

6.2. Примеры использования таких диаграмм.. 104

6.3. Советы по построению диаграмм активностей. 107

Выводы.. 110

6.4. Контрольные вопросы.. 111

Лекция 7. Диаграммы взаимодействия: крупным планом.. 112

7.1. Диаграммы последовательностей и их нотация. 114

7.2. Диаграммы кооперации и их нотация. 119

7.3. Рекомендации по построению диаграмм взаимодействия. 127

Выводы.. 127

7.4. Контрольные вопросы.. 128

Лекция 8: Диаграммы прецедентов: крупным планом.. 129

8.1. Несколько слов о требованиях. 129

8.2. Диаграммы прецедентов и их нотация. 132

8.3. Моделирование при помощи диаграмм прецедентов. 143

Выводы.. 149

8.4. Контрольные вопросы.. 149

Лекция 9: Элементы графической нотации диаграммы развертывания. 150

Паттерны проектирования и их представление в нотации UML.. 150

9.1. Диаграмма развертывания, особенности ее построения. 150

9.2. Паттерны объектно-ориентированного анализа и проектирования, их классификация 156

Лекция 10: Визуальное моделирование систем реального времени. 165

10.1. Системы реального времени. 165

10.2. Структурное подобие СРВ и аппаратуры.. 165

10.3. Многоуровневые открытые сетевые протоколы и блочная декомпозиция. 166

10.4. Композитные компоненты.. 169

10.5. Интерфейс. 172

10.6. Порт. 173

10.7. Соединитель. 174

Выводы.. 175

10.8. Реактивные системы.. 176

10.9. Обзор примера. 177

Cобытие. 182

Переход. 183

Таймер. 184

Групповые состояния. 185

Реализационная диаграмма конечных автоматов. 186

Генерация кода. 187

10.10. Контрольные вопросы.. 191

Лекция 11. Визуальное моделирование бизнес-процессов. 193

11.1. Новая концепция бизнеса - ориентация на бизнес-процессы.. 193

11.2. ERP-системы.. 193

11.3. Моделирование бизнес-процессов. 194

11.4. Пример бизнес-процесса. 194

11.5. Декомпозиция бизнес-процессов. 196

11.6. Исполняемая семантика бизнес-процессов. 197

11.7. Бизнес-процессы и web-сервисы.. 199

11.8. Обзор BPMN.. 199

11.9. Контрольные вопросы.. 208

12. Лекция: Этапы проектирования ИС с применением UML.. 209

12.1. Разработка модели бизнес-прецедентов. 210

12.2. Разработка модели бизнес-объектов. 213

12.3. Разработка концептуальной модели данных. 215

12.4. Разработка требований к системе. 216

12.5. Анализ требований и предварительное проектирование системы. 218

12.6. Разработка моделей базы данных и приложений. 219

12.7. Проектирование физической реализации системы.. 221

Тема.3. Математические модели обьектов проектирования. 224

Лекция 14. Математические модели объектов проектирования. 224

14.1. Общие сведения о математических моделях. 224

14.2. Классификация математических моделей. 228

14.3. Методика получения математических моделей элементов. 231

Тема.4. Математическое обеспечение компьютерного проектирования. 236

Лекция 15. Математическое обеспечение компьютерного проектирования. 236

15.1. Методы и алгоритмы анализа на макроуровне. 236

15.2. Алгоритм численного интегрирования СОДУ.. 237

15.3. Методы решения систем нелинейных алгебраических уравнений. 238

15.4. Методы решения систем линейных алгебраических уравнений. 239

15.5. Организация вычислительного процесса в универсальных программах анализа на макроуровне 243

15.6. Математическое обеспечение анализа на микроуровне. 246

15.7. Методы анализа на микроуровне. 246

15.8. Структура программ анализа по МКЭ на микроуровне. 247

15.9. Математическое обеспечение анализа на функционально–логическом уровне. 248

15.10. Математические модели дискретных устройств. 249

15.11. Методы логического моделирования. 251

15.12. Математическое обеспечение анализа на системном логическом уровне. 251

15.13. Аналитические модели СМО.. 253

15.14. Имитационное моделирование СМО.. 255

15.15. Событийный метод моделирования. 256

15.16. Сети Петри. 257

Тема.5. Интегрированные системы автоматического проектирования. 262

конструкций и технологических процессов разного назначения. 262

(CAD/CAE/CAM и другие системы) 262

Лекция 16. 262

16.1. Структура информационной системы предприятия. 262

16.2. Этапы развития информационных систем и технологий на. 263

машиностроительных предприятиях. 263

16.3. Современные ИТ и их значение для предприятия. 264

16.4. Жизненный цикл изделия. 266

16.5. Обеспечение информационных систем на предприятии. 271

16.6. Иерархия автоматизированных систем на предприятии. 273

16.7. Общепроизводственные системы.. 275

Тема.6. Системы и технологии управления проектированием и. 279

Жизненным циклом изделий ( PDM-, PLM-, CALS- технологии) 279

Лекция 17. 279

17.1. Программное обеспечение CALS –технологий. 279

17.2. Информационная безопасность в CALS-системах. 292

Лекция 18. CASE – технологии. 296

Тема.7. CASE-технологии компьютерного проектирования. 296

IBM Rational Rose. 296

Borland Together 299

Microsoft Visio. 302

Sparx Systems Enterprise Architect 305

Gentleware Poseidon. 308

SmartDraw.. 310

Dia. 313

Telelogic TAU G2. 315

StarUML.. 316

Другие программы.. 317

Выводы.. 318

Тема.8. CASE-средства анализа и синтеза проектных решений ИС.. 318

Основы методологии проектирования ИС.. 319

Структурный подход к проектированию ИС.. 327

Тема.9. Анализ, верификация и оптимизация проектных решений. 356

средствами САПР.. 356

Основные задачи многообъектного технологического проектирования. 356

Структурный синтез при проектировании технологических процессов. 362

Контрольные вопросы и упражнения. 365

Список литературы.. 366

Тема.1. Основные понятия и методология проектирования сложных

Обьектов и систем

Лекция 1. Основные понятия и методология

Человечество вступило в эру информатизации, и это проявляется, в частности, в том, что информационные технологии (ИТ) открывают новые возможности в повышении эффективности производственных процессов, в сфере образования и быта, они выводят на новый уровень автоматизацию технологических процессов и управленческий труд, обеспечивают групповое ведение проектных работ, интернет-технологии, CALS-технологии, дистанционное образование и т. д.

1.1. Основные определения

• Сам термин информация происходит от латинского слова information — "разъяснение, осведомление, изложение". Понятие " информация " достаточно широко используется в обычной жизни современного человека, поэтому каждый имеет интуитивное представление о том, что это такое. Имеются разные определения понятия информации, от наиболее общего, философского — " Информация есть отражение реального мира", — до узкого, практического — " Информация есть все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования".
• Под информацией необходимо понимать не сами предметы и процессы, а их отражение или отображение в виде чисел, формул, описаний, чертежей, символов, образов.
• Термин технология произошел от греческого teche + logos, т. е. "мастерство + учение". В производственном процессе под технологией понимают систему взаимосвязанных способов обработки материалов и приемов изготовления продукции. В общем случае технология — это правила действия с использованием каких-либо средств, которые являются общими для целой совокупности задач или задачных ситуаций.
• В узком смысле технология — это набор способов, средств выбора и осуществления управляющего процесса из множества возможных реализаций этого процесса. Под процессом (processes (лат.) — продвижение) здесь понимается функционально законченная, планируемая последовательность типовых операций со структурами данных, совершаемых за конечный промежуток времени в определенной среде, свойства которой диктуются требованиями и свойствами динамики процесса. В свою очередь, процесс может быть применен и к информации с целью ее преобразования.
• В последнее время широкое распространение получили термины безбумажная технология, интерактивнаятехнология, технология программирования, технологияпроектирования баз данных, CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Suрроrt) - технология, сетевая технология, Internet - технология, технология анализа и реинжиниринга бизнес-процессов и др. Все они предполагают использование информации, т.е. любого вида сведений о предметах, фактах, понятиях предметной области.

Современная технология должна отвечать следующим требованиям:

• высокая степень расчлененности процесса на стадии (фазы);
• системная полнота (целостность) процесса, который включает все элементы, обеспечивающие необходимую завершенность действий в достижении поставленной цели;
• регулярность процесса и однозначность его фаз, позволяющие применять средние величины при характеристике этих фаз, а следовательно, их стандартизацию и унификацию.

В понятии " технология " важно выделить два аспекта. Во-первых, технология неразрывно связана с процессом, т. е. совокупностью действий, осуществляемых во времени. Во-вторых, технологический процесс протекает в искусственных системах, созданных человеком для удовлетворения каких-либо потребностей.

В широком смысле под технологией понимают науку о законах производства материальных благ. В это понятие вкладывают три основные части:

• идеологию, т. е. принципы производства;
• орудия труда, т. е. станки, машины, агрегаты;
• кадры, владеющие профессиональными навыками.

Для любой технологии могут быть выделены цель, предмет и средства.

Целью технологии в промышленном производстве является повышение качества продукции, сокращение сроков ее изготовления и снижение себестоимости.

Методология любой технологии включает в себя: декомпозицию производственного процесса на отдельные взаимосвязанные и подчиненные составляющие (стадии, этапы, фазы, операции); реализацию определенной последовательности выполнения операций, этапов и стадий производственного процесса в соответствии с целью технологии ; технологическую документацию, формализующую выполнение всех составляющих.

Под информационными технологиями понимается вся совокупность форм, методов и средств автоматизации информационной деятельности в различных сферах.

Выделяют три уровня рассмотрения информационных технологий :

• первый уровень — теоретический. Основная задача — создание комплекса взаимосвязанных моделей информационных процессов, совместимых параметрически и критериально;
• второй уровень — исследовательский. Основная задача — разработка методов, позволяющих автоматизированно конструировать оптимальные конкретные информационные технологии ;
• третий уровень — прикладной, который подразделяют на две страты: инструментальную и предметную.

Инструментальная страта (аналог — оборудование, станки, инструмент) определяет пути и средства реализации информационных технологий, которые можно разделить на:

• методические;
• информационные;
• математические;
• алгоритмические;
• технические;
• программные.

Предметная страта связана со спецификой конкретной предметной области и находит отражение в специализированных формационных технологиях, например организационное управление, управление технологическими процессами, автоматизированное проектирование, обучение и другие.

Одновременно с широким использованием новых информационных технологий появилось понятие " информационная система " (ИС).

Информационная система осуществляет сбор, передачу и переработку информации об объекте, снабжает работников различного уровня информацией для реализации функции управления .

Технологический процесс — часть информационного процесса, содержащая действия (физические, механические и т. д.) по изменению состояния информации.

Информационная технология базируется на реализации информационных процессов, разнообразие которых требует выделения базовых, характерных для любой информационной технологии.

Базовый технологический процесс основан на применении стандартных моделей и инструментальных средств. Среди базовых технологических процессов выделяют:

• извлечение информации ;
• транспортирование информации ;
• обработку информации ;
• хранение информации ;
• представление и использование информации.

Процесс извлечения информации связан с переходом от реального представления предметной области к его описанию в формальном виде и в виде данных, которые отражают это представление.

В процессе транспортирования осуществляют передачу информации на расстояние для ускоренного обмена и организации быстрого доступа к ней, используя при этом различные способы преобразования.

Процесс обработки информации состоит в получении одних "информационных объектов" из других "информационных объектов" путем выполнения некоторых алгоритмов; он является одной из основных операций, выполняемых над информацией, и главным образом путем увеличения ее объема и разнообразия.

Процесс хранения связан с необходимостью накопления и долговременного хранения данных, обеспечением их актуальности, ценности, безопасности, доступности.

Процесс представления и использования информации направлен на решение задачи доступа к информации в удобной для пользователя форме.

Базовые информационные технологии строятся на основе базовых технологических операций, но кроме этого включают в себя ряд специфических моделей и инструментальных средств. Этот вид технологий ориентирован на решение определенного класса задач и используется в конкретных технологиях в виде отдельной компоненты. Среди них выделяют :

• мультимедиа - технологии ;
• геоинформационные технологии ;
• технологии защиты информации ;
• CASE- технологии ;
• телекоммуникационные технологии ;
• CALS- технологии ;
• технологии искусственного интеллекта.

Специфика конкретной предметной области находит отражение в специализированных информационных технологиях, например, организационное управление, управление технологическими процессами, автоматизированное проектирование, обучение и другие. Среди них наиболее прогрессивными являются следующие информационные технологии:

• организационного управления (корпоративные информационные технологии );
• в промышленности и экономике;
• в образовании;
• автоматизированного проектирования.

Аналогом инструментальной базы (оборудование, станки, инструмент) являются средства реализации информационных технологий. Последние можно разделить на методические, информационные, математические, алгоритмические, технические и программные.

CASE- технология (Computer Aided Software Engineering — Компьютерное Автоматизированное Проектирование Программного обеспечения) является своеобразной "технологической оснасткой", позволяющей осуществить автоматизированное проектирование информационных технологий.

Методические средства определяют требования при разработке, внедрении и эксплуатации информационных технологий, обеспечивая информационную, программную и техническую совместимость. Наиболее важными из них являются требования по стандартизации.

Информационные средства обеспечивают эффективное представление предметной области; к их числу относятся информационные модели, системы классификации и кодирования информации (общероссийские, отраслевые) и т. д.

Математические средства включают в себя модели решения функциональных задач и модели организации информационных процессов, обеспечивающие эффективное принятие решения. Математические средства автоматически переходят в алгоритмические, обеспечивающие их реализацию.

Технические и программные средства задают уровень реализации информационных технологий как при их создании, так и при реализации.

CALS- технология предназначена для унификации и стандартизации спецификаций промышленной продукции на всех этапах ее жизненного цикла .

Таким образом, конкретная информационная технология определяется в результате компиляции и синтеза базовых технологических операций, "отраслевых технологий " и средств реализации.

По сфере применения информационные системы классифицируются следующим образом:

• ИС для научных исследований;
• ИС автоматизированного проектирования;
• ИС организационного управления.
• ИС управления технологическими процессами

Научные ИС используются для автоматизации научной деятельности, анализа статистической информации, управления экспериментом.

ИС автоматизированного проектирования применяют для:

• разработки новых изделий и технологий их производства;
• различных инженерных расчетов;
• создания графической документации (чертежей, схем, графиков и т. д.);
• моделирования проектируемых объектов.

ИС организационного управления предназначены для автоматизации функций административного аппарата.

ИС управления технологическими процессами создают для автоматизации различных технологических процессов.

На этапах жизненного цикла электронных средств широко применяются следующие ИТ:

• "электронные" САПР, обеспечивающие моделирование аналоговых (в том числе СВЧ) и цифровых устройств, разработку программируемых логических интегральных схем, автотрассировку печатных плат, комплексное описание компонентов проектируемых устройств, моделирование электромагнитных полей трехмерных структур и т. д. Здесь выделяют "легкие" (с меньшим числом функций и более дешевые), "средние" и "тяжелые" САПР (с расширенными возможностями и более дорогие).
• специализированные информационные технологии и системы, например, CASE (Computer-Aided Software / System Еngineering)- технологии, SCADA (Supervisor Control And Date Acquisition) cистемы, системы моделирования и анализа электронных схем и т.д.
• технологии класса MRPII (Manufacturing Resource Planning) и ERP (Enterprise Resource Planning), обеспечивающие решение широкого спектра задач планирования ресурсов и управления деятельностью предприятий. В последние годы, характеризующиеся ожесточением конкуренции, интенсивно развиваются CRM (Customer Relationship Management) cистемы как набор приложений или в виде надстройки над ERP. В CRM-системах акцент делается на взаимоотношения "компания—клиент" и, прежде всего, удержание старых клиентов за счет учета их индивидуальных потребностей и особенностей. Основными разработчиками ERP-систем являются фирмы Oracle, Microsoft, SAP, BAAN, People Soft и многие другие.

Расширяется применение технологии XML (eХtensible Markup Language), которая охватывает важнейшие задачи бизнес-приложений: обмен данными между системами разных производителей, обмен документами между предприятиями (В2В — Business-to-Business), сбор отчетности государственными организациями, поставка данных Интернет-клиентами и другие.

Наряду с очевидными благами неквалифицированный подход к использованию ИТ таит в себе определенные опасности. К ним можно отнести следующие:

• меньше времени уделяется изучению непосредственно применяемых математических методов, физическому смыслу моделируемых явлений и другим теоретическим аспектам;
• повышается опасность разглашения конфиденциальной информации, появляются новые виды преступлений;
• облегчается реклама некачественной продукции;
• возможны значительные материальные издержки при неудачном ИТ-проекте и др.

Например, в 2001 году ошибки в программном обеспечении принесли убыток мировой экономике на сумму 175 млрд долларов. Риски внедрения крупных программных систем в настоящее время достигают 70% .