Жизненный цикл – это модель создания и использования программной системы. Он отражает различные состояния программной системы, начиная с момента возникновения необходимости в этой программной системе и принятия решения о ее создании и заканчивая полным изъятием программной системы из эксплуатации.

Международный стандарт ISOIES 12207 регламентирует структуру жизненного цикла, содержащую процессы, действия и задачи, которые должны быть выполнены во время создания программного обеспечения. По этому стандарту жизненный цикл программного обеспечения базируется на трех группах процессов:

основные процессы жизненного цикла, то есть приобретение, поставка, разработка, эксплуатация и сопровождение;

вспомогательные процессы, обеспечивающие выполнение основных процессов, то есть документирование, верификация, аттестация, оценка качества и другие;

организационные процессы, то есть управление проектами, создание инфраструктуры проекта и обучение.

Разработка включает в себя все работы по созданию программного обеспечения в соответствии с заданными требованиями. Сюда включаются оформление проектной и эксплуатационной документации, подготовка материалов, необходимых для проверки работоспособности и качества программных продуктов.

Основные этапы процесса разработки:

анализ требований заказчика;

проектирование;

реализация (программирование).

Процесс эксплуатации включает в себя работы по внедрению программного обеспечения в эксплуатацию, в том числе конфигурирование рабочих мест, обучение персонала, локализация проблем эксплуатации и устранение причин их возникновения, модификация программного обеспечения в рамках установленного регламента и подготовка предложений по модернизации системы.

Каждый процесс характеризуется определенными задачами и методами их решения, а также исходными данными и результатами.

Жизненный цикл программного обеспечения носит, как правило, итерационный характер, то есть реализуются этапы, начиная с самых ранних, которые циклически повторяются в соответствии с изменением требований внешних условий и введением ограничений.

Модели жизненного цикла программного обеспечения

Существует несколько моделей жизненного цикла, которые определяют порядок исполнения этапов разработки и критерии перехода от этапа к этапу. К настоящему времени наибольшее распространение получили две модели жизненного цикла: каскадная и спиральная .

В существующих ранее однородных информационных системах каждое приложение представляло собой единое целое. Для разработки таких приложений применялась каскадная модель жизненного цикла, которую также называют классической или водопадной .

При использовании каскадной модели разработка рассматривалась как последовательность этапов, причем переход на следующий более низкий этап происходит только после того, как полностью завершены все работы на текущем этапе. Подразумевается, что в каскадной модели разработка начинается на системном уровне и происходит через анализ, проектирование, кодирование, тестирование и сопровождение.

Рисунок 1– Основные этапы разработки каскадной модели

1. Системный анализ задает роль каждого элемента в компьютерной системе и взаимодействие элементов друг с другом. Поскольку программное обеспечение рассматривается как часть большой системы, то анализ начинается с определения требований по всем системным элементам. Необходимость системного анализа явно проявляется, когда формируется интерфейс программного обеспечения с другими элементами, т.е. с аппаратурой или базами данных. На этом же этапе начинается решение задач планирования проекта. В ходе планирования проекта определяется объем проектных работ и их риск, необходимые трудозатраты, формируются рабочие задачи и план-график работ.

Анализ требований относится к отдельному программному элементу. На этом этапе уточняются и детализируются функции каждого элемента, его характеристики и интерфейс. На этом же этапе завершается решение задачи планирования проекта.

2. Проектирование состоит в создании:

архитектуры программного обеспечения;

модульной структуры программного обеспечения;

алгоритмической структуры программного обеспечения;

структуры данных;

входного/выходного интерфейса (входных/выходных форм данных).

При решении задач проектирования основное внимание уделяется качеству будущего программного продукта.

3. Кодирование или разработка состоит в переводе результатов проектирования в код программы.

4. Тестирование – это выполнение программы на выявление дефектов в функциях, логике и форме реализации программного продукта.

5. Сопровождение – это внесение изменений в эксплуатируемое программное обеспечение с целью:

исправления ошибок;

адаптации к изменениям внешней для программного обеспечения среды;

усовершенствование программного обеспечения в соответствии с требованиями заказчика.

Достоинства применения каскадной модели:

дает план и временной график по всем этапам проекта, упорядочивая, таким образом, ход разработки;

на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, проверенный на полноту и согласованность;

выполняемые в логической последовательности этапы работы позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты.

Каскадная модель хорошо себя зарекомендовала при построении информационных систем, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно сформулировать все требования в системе, например, сложные расчетные системы, различные системы реального времени и т.д.

Недостатки каскадной модели:

реальные проекты часто требуют отклонений от стандартной последовательности шагов;

каскадная модель основана на точной формулировке исходных требований к программному обеспечению, однако реально в ряде случаев в начале проекта требования заказчика определены только частично;

результаты реализации проекта доступны заказчику только после завершения всех работ.

Из-за необходимости в процессе создания программного обеспечения постоянного возврата к предыдущим этапам и уточнения или пересмотра ранее принятых решений реальный процесс разработки программного обеспечения на основе каскадной модели может быть представлен следующей схемой (рис.2).

Рисунок 2 – Процесс разработки программного обеспечения на основе каскадной модели

Следует начать с определения, Жизненный цикл программного обеспечения (Software Life Cycle Model) — это период времени, который начинается с момента принятия решения о создании программного продукта и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации. Этот цикл — процесс построения и развития ПО.

Модели Жизненного цикла программного обеспечения

Жизненный цикл можно представить в виде моделей. В настоящее время наиболее распространенными являются: каскадная , инкрементная (поэтапная модель с промежуточным контролем ) и спиральная модели жизненного цикла.

Каскадная модель

Каскадная модель (англ . waterfall model ) — модель процесса разработки программного обеспечения, жизненный цикл которой выглядит как поток, последовательно проходящий фазы анализа требований, проектирования. реализации, тестирования, интеграции и поддержки.

Процесс разработки реализуется с помощью упорядоченной последовательности независимых шагов. Модель предусматривает, что каждый последующий шаг начинается после полного завершения выполнения предыдущего шага. На всех шагах модели выполняются вспомогательные и организационные процессы и работы, включающие управление проектом, оценку и управление качеством, верификацию и аттестацию, менеджмент конфигурации, разработку документации. В результате завершения шагов формируются промежуточные продукты, которые не могут изменяться на последующих шагах.

Жизненный цикл традиционно разделяют на следующие основные этапы :

1. Анализ требований,
2. Проектирование,
3. Кодирование (программирование),
4. Тестирование и отладка,
5. Эксплуатация и сопровождение.

Достоинства модели:

• стабильность требований в течение всего жизненного цикла разработки;
• на каждой стадии формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности;
• определенность и понятность шагов модели и простота её применения;
• выполняемые в логической последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие ресурсы (денежные. материальные и людские).

Недостатки модели:

• сложность чёткого формулирования требований и невозможность их динамического изменения на протяжении пока идет полный жизненный цикл;
• низкая гибкость в управлении проектом;
• последовательность линейной структуры процесса разработки, в результате возврат к предыдущим шагам для решения возникающих проблем приводит к увеличению затрат и нарушению графика работ;
• непригодность промежуточного продукта для использования;
• невозможность гибкого моделирования уникальных систем;
• позднее обнаружение проблем, связанных со сборкой, в связи с одновременной интеграцией всех результатов в конце разработки;
• недостаточное участие пользователя в создании системы — в самом начале (при разработке требований) и в конце (во время приёмочных испытаний);
• пользователи не могут убедиться в качестве разрабатываемого продукта до окончания всего процесса разработки. Они не имеют возможности оценить качество, т.к.нельзя увидеть готовый продукт разработки;
• у пользователя нет возможности постепенно привыкнуть к системе. Процесс обучения происходит в конце жизненного цикла, когда ПО уже запущено в эксплуатацию;
• каждая фаза является предпосылкой для выполнения последующих действий, что превращает такой метод в рискованный выбор для систем, не имеющих аналогов, т.к. он не поддается гибкому моделированию.

Реализовать Каскадную модель жизненного цикла затруднительно ввиду сложности разработки ПС без возвратов к предыдущим шагам и изменения их результатов для устранения возникающих проблем.

Область применения Каскадной модели

Ограничение области применения каскадной модели определяется её недостатками. Её использование наиболее эффективно в следующих случаях:

1. при разработке проектов с четкими, неизменяемыми в течение жизненного цикла требованиями, понятными реализацией и техническими методиками;
2. при разработке проекта, ориентированного на построение системы или продукта такого же типа, как уже разрабатывались разработчиками ранее;
3. при разработке проекта, связанного с созданием и выпуском новой версии уже существующего продукта или системы;
4. при разработке проекта, связанного с переносом уже существующего продукта или системы на новую платформу;
5. при выполнении больших проектов, в которых задействовано несколько больших команд разработчиков.

Инкрементная модель

(поэтапная модель с промежуточным контролем)

Инкрементная модель (англ . increment — увеличение, приращение) подразумевает разработку программного обеспечения с линейной последовательностью стадий, но в несколько инкрементов (версий), т.е. с запланированным улучшением продукта за все время пока Жизненный цикл разработки ПО не подойдет к окончанию.

Разработка программного обеспечения ведется итерациями с циклами обратной связи между этапами. Межэтапные корректировки позволяют учитывать реально существующее взаимовлияние результатов разработки на различных этапах, время жизни каждого из этапов растягивается на весь период разработки.

В начале работы над проектом определяются все основные требования к системе, подразделяются на более и менее важные. После чего выполняется разработка системы по принципу приращений, так, чтобы разработчик мог использовать данные, полученные в ходе разработки ПО. Каждый инкремент должен добавлять системе определенную функциональность. При этом выпуск начинают с компонентов с наивысшим приоритетом. Когда части системы определены, берут первую часть и начинают её детализировать, используя для этого наиболее подходящий процесс. В то же время можно уточнять требования и для других частей, которые в текущей совокупности требований данной работы были заморожены. Если есть необходимость, можно вернуться позже к этой части. Если часть готова, она поставляется клиенту, который может использовать её в работе. Это позволит клиенту уточнить требования для следующих компонентов. Затем занимаются разработкой следующей части системы. Ключевые этапы этого процесса — простая реализация подмножества требований к программе и совершенствование модели в серии последовательных релизов до тех пор, пока не будет реализовано ПО во всей полноте.

Жизненный цикл данной модели характерен при разработке сложных и комплексных систем, для которых имеется четкое видение (как со стороны заказчика, так и со стороны разработчика) того, что собой должен представлять конечный результат. Разработка версиями ведется в силу разного рода причин:

• отсутствия у заказчика возможности сразу профинансировать весь дорогостоящий проект;
• отсутствия у разработчика необходимых ресурсов для реализации сложного проекта в сжатые сроки;
• требований поэтапного внедрения и освоения продукта конечными пользователями. Внедрение всей системы сразу может вызвать у её пользователей неприятие и только “затормозить” процесс перехода на новые технологии. Образно говоря, они могут просто “не переварить большой кусок, поэтому его надо измельчить и давать по частям”.

Достоинства и недостатки этой модели (стратегии) такие же, как и у каскадной (классической модели жизненного цикла). Но в отличие от классической стратегии заказчик может раньше увидеть результаты. Уже по результатам разработки и внедрения первой версии он может незначительно изменить требования к разработке, отказаться от нее или предложить разработку более совершенного продукта с заключением нового договора.

Достоинства:

• затраты, которые получаются в связи с изменением требований пользователей, уменьшаются, повторный анализ и совокупность документации значительно сокращаются по сравнению с каскадной моделью;
• легче получить отзывы от клиента о проделанной работе — клиенты могут озвучить свои комментарии в отношении готовых частей и могут видеть, что уже сделано. Т.к. первые части системы являются прототипом системы в целом.
• у клиента есть возможность быстро получить и освоить программное обеспечение — клиенты могут получить реальные преимущества от системы раньше, чем это было бы возможно с каскадной моделью.

Недостатки модели:

• менеджеры должны постоянно измерять прогресс процесса. в случае быстрой разработки не стоит создавать документы для каждого минимального изменения версии;
• структура системы имеет тенденцию к ухудшению при добавлении новых компонентов — постоянные изменения нарушают структуру системы. Чтобы избежать этого требуется дополнительное время и деньги на рефакторинг. Плохая структура делает программное обеспечение сложным и дорогостоящим для последующих изменений. А прерванный Жизненный цикл ПО приводит еще к большим потерям.

Схема не позволяет оперативно учитывать возникающие изменения и уточнения требований к ПО. Согласование результатов разработки с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждого этапа работ, а общие требования к ПО зафиксированы в виде технического задания на всё время её создания. Таким образом, пользователи зачастую получаю ПП, не удовлетворяющий их реальным потребностям.

Спиральная модель

Спиральная модель: Жизненный цикл — на каждом витке спирали выполняется создание очередной версии продукта, уточняются требования проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка. Особое внимание уделяется начальным этапам разработки — анализу и проектированию, где реализуемость тех или иных технических решений проверяется и обосновывается посредством создания прототипов.

Данная модель представляет собой процесс разработки программного обеспечения, сочетающий в себе как проектирование, так и постадийное прототипировнаие с целью сочетания преимуществ восходящей и нисходящей концепции, делающая упор на начальные этапы жизненного цикла: анализ и проектирование. Отличительной особенностью этой модели является специальное внимание рискам, влияющим на организацию жизненного цикла.

На этапах анализа и проектирования реализуемость технических решений и степень удовлетворения потребностей заказчика проверяется путем создания прототипов. Каждый виток спирали соответствует созданию работоспособного фрагмента или версии системы. Это позволяет уточнить требования, цели и характеристики проекта, определить качество разработки, спланировать работы следующего витка спирали. Таким образом углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который удовлетворяет действительным требованиям заказчика и доводится до реализации.

Жизненный цикл на каждом витке спирали — могут применяться разные модели процесса разработки ПО. В конечном итоге на выходе получается готовый продукт. Модель сочетает в себе возможности модели прототипирования и водопадной модели . Разработка итерациями отражает объективно существующий спиральный цикл создания системы. Неполное завершение работ на каждом этапе позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения работы на текущем. Главная задача — как можно быстрее показать пользователям системы работоспособный продукт, тем самым активизируя процесс уточнения и дополнения требований.

Достоинства модели:

• позволяет быстрее показать пользователям системы работоспособный продукт, тем самым, активизируя процесс уточнения и дополнения требований;
• допускает изменение требований при разработке программного обеспечения, что характерно для большинства разработок, в том числе и типовых;
• в модели предусмотрена возможность гибкого проектирования, поскольку в ней воплощены преимущества каскадной модели, и в то же время разрешены итерации по всем фазам этой же модели;
• позволяет получить более надежную и устойчивую систему. По мере развития программного обеспечения ошибки и слабые места обнаруживаются и исправляются на каждой итерации;
• эта модель разрешает пользователям активно принимать участие при планировании, анализе рисков, разработке, а также при выполнении оценочных действий;
• уменьшаются риски заказчика. Заказчик может с минимальными для себя финансовыми потерями завершить развитие неперспективного проекта;
• обратная связь по направлению от пользователей к разработчикам выполняется с высокой частотой и на ранних этапах модели, что обеспечивает создание нужного продукта высокого качества.

Недостатки модели:

• если проект имеет низкую степень риска или небольшие размеры, модель может оказаться дорогостоящей. Оценка рисков после прохождения каждой спирали связана с большими затратами;
• Жизненный цикл модели имеет усложненную структуру, поэтому может быть затруднено её применение разработчиками, менеджерами и заказчиками;
• спираль может продолжаться до бесконечности, поскольку каждая ответная реакция заказчика на созданную версию может порождать новый цикл, что отдаляет окончание работы над проектом;
• большое количество промежуточных циклов может привести к необходимости в обработке дополнительной документации;
• использование модели может оказаться дорогостоящим и даже недопустимым по средствам, т.к. время. затраченное на планирование, повторное определение целей, выполнение анализа рисков и прототипирование, может быть чрезмерным;
• могут возникнуть затруднения при определении целей и стадий, указывающих на готовность продолжать процесс разработки на следующей и

Основная проблема спирального цикла — определение момента перехода на следующий этап. Для её решения вводятся временные ограничения на каждый из этапов жизненного цикла и переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. Планирование производится на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах и личного опыта разработчиков.

Область применения спиральной модели

Применение спиральной модели целесообразно в следующих случаях:

• при разработке проектов, использующих новые технологии;
• при разработке новой серии продуктов или систем;
• при разработке проектов с ожидаемыми существенными изменениями или дополнениями требований;
• для выполнения долгосрочных проектов;
• при разработке проектов, требующих демонстрации качества и версий системы или продукта через короткий период времени;
• при разработке проектов. для которых необходим подсчет затрат, связанных с оценкой и разрешением рисков.

Жизненный цикл программы.

Жизненный цикл программного обеспечения (ПО) - период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания программного продукта и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации. Этот цикл - процесс построения и развития ПО.

Этапы жизненного цикла :

2. Проектирование

3. Реализация

4. Сборка, тестирование, испытание

5. Внедрение (выпуск)

6. Сопровождение

Различают 2 случая производства ПО: 1) ПО делается для конкретного заказчика. В этом случае нужно прикладную задачу преврашать в программистскую. Нужно понять как функционирует та среда, которую нужно автоматизировать (анализ бизнес-процессов). В результате появляется документация-спецификация требования, где указаны какие именно задачи д.б. решены и при каких условиях. Эту работу выполняет системный аналитик (аналитик бизнес-процессов).

2) ПО разрабатывается для рынка. Нужно проводить маркетинговые исследования и найти какого продукта на рынке нет. Это связано с большим риском. Цель – разработка спецификации требований.

Проектирование

Цель – определение общей структуры (архитектуры) ПО. Результат – спецификация ПО. Эту работу выполняет системный программист.

Реализация

Написание программного кода. Реализация включает и разработку, и тестирование, и документацию.

Сборка, тестирование, испытние

Сборка всего, что сделано разными программистами. Тестирование всего программного комплекса. Отладка – поиск и устранение причин ошибок. Испытание – уточнение технических характеристик. В результате – гарантия работоспособносит программы.

Внедрение (выпуск)

Внедрение – когда работают на одного заказчика. Включает постановку программы у заказчика, обучение заказчика, консультации, устранение ошибок и явных недостатков. Должно произойти отчуждение ПО – пользователь может работать с ПО без участия автора.

Выпуск – когда ПО разрабатывается на рынок. Начинается с этапа бета-тестирования. Соотв. версия – бета-версияю. Альфа-тестирование – тестирование людьми из той же организации, не участвовавших в разработке программ. Бета-тестирование – изготовление нескольких экземпляров ПО и отправка потенциальным заказчикам. Цель – еще раз проверить разработку ПО.

Если на рынок выпускается принципиально новый ПО, то возможно несколько бета-тестирований. После бета-тестирование – выпуск коммерческой версии.

Сопровождение

Устранение замеченных в ходе эксплуатации ошибок. Внесение непринципиальных усовершенствований. Накопление предложений для разработки следующей версии.

Модели жизненного цикла

1. Waterfall («водопад», каскадная модель)

2. Прототипирование

Сначала разрабатывается не сам программный продукт, а его прототип, содержащий решение главных проблем, стоящих перед разработчиками. После успешного завершения разработки прототипа по тем же принципам разрабатывается и настоящий программный продукт. Прототип позволяет лучше понимать требования к разрабатываемой программе. Используя прототип заказчик также может точнее сформулировать свои требования. Разработчик имеет возможность с помощью прототипа предъявить заказчику предварительные результаты своей работы.

3. Итерационная модель

Задача разделяется на подзадачи и определяется очередность их реализации т.о., чтобы каждая следующая подзадачи расширяла возможности ПО. Успех существенно зависит от того сколь удачно разделены задачи на подзадачи и как выбрана очередность. Преимущества: 1) возможность активного участия заказчика в разработке, он имеет возможность уточнить свои требования в ходе разработки; 2) возможность тестирования вновь разрабатываемых частей совместно с ранее разработанными, это уменьшит затраты на комплексную отладку; 3) во время разработки можно начинать внедрение по частям.

ПО – комплекс программ, предназначенный для решения задачи. Жизненный цикл ПО – отрезок времени от момента возникновения необходимости в создании ПО до момента снятия его с эксплуатации. Стадии жизненного цикла ПО, которые могут протекать как последовательно, так и пераллельно, так и квазипараллельно:

1. разработка;

2. эксплуатация;

3. сопровождение.

На фазе сопровождения, как правило, выполняются следующие виды работ:

1. расширение функциональных возможностей ПО;
2. модификация уже существующих функций;
3. модификация ПО, связанная с модификацией аппаратного обеспечения;
4. устранение ошибок ПО, которые небыли обнаружены при разработке в виду невозможности полного тестирования, а проявились только на фазе эксплуатации.

При проведении разработки чётко выделяют следующие этапы:

1. определение требований к ПО, которое предусматривает сбор необходимой информации.
2. внешнее проектирование (информация, содержащаяся в техническом задании, подвергается анализу и строгой формализации; основное назначение этого этапа – дать разработчику наиболее полное и точное представление о том, что должно в конечном итоге получиться). Не является обязательным.
3. внутреннее проектирование (уточняются те сведения, полученные на предыдущих этапах, и вырабатываются структуры данных, используемые в ПО, определяется модульная структура ПО, правила взаимодействия модулей в процессе передачи управления или обмена информацией и т.д.).
4. программирование (кодирование).
5. тестирование и отладка. Тестирование – процесс выявления факта наличия ошибок в программе. Отладка – тестирование + диагностика и локализация ошибок + устранение ошибок.
6. испытание ПО. Испытание – особый вид тестирования, цель которого выявление несоответствий между полученным ПО и требованиями технического задания.

Модели жизненного цикла ПО:

§ каскадная модель

§ спиральная модель – при прохождении одного витка спирали результатом является версия ПО. После испытаний принимается решение о разработки следующей версии, либо неразработки, если данная версия удовлетворяет требованиям технического задания полностью.

31. Техническое задание (ГОСТ 19.201 – 78). Его основные разделы и их содержание.

В соответствии с этим стандартом в техническое задание включаются следующие разделы:

2. введение;

3. основание для разработки;

4. назначение разработки;

5. требования к программному изделию;

6. требования к документации;

7. технико-экономические показатели;

8. стадии и этапы разработки;

9. порядок контроля и приёмки

10. приложение.

Введение:

§ наименование;

§ краткая характеристика в области применения ПО.

Основное назначение этого раздела – продемонстрировать актуальность данной разработки и какое место эта разработка занимает в ряду подобных.

Основание для разработки:

§ наименование документа, на основании которого ведётся разработка;

§ организация, утвердившая данный документ;

§ наименование или условное обозначение темы разработки.

Таким документом может служить план, приказ, договор и т.д.

Назначение разработки:

§ описание функционального и эксплуатационного назначения данной системы с указанием категории её пользователей.

Требования к программе или к программному изделию.

Этот раздел должен включать следующие подразделы:

1. требования к функциональным характеристикам;

2. требования к надёжности;

3. условия эксплуатации;

4. требования к составу и параметрам технических средств;

5. требования к информационной и программной совместимости;

6. требования к маркировке и упаковке;

7. требования к транспортированию и хранению.

8. специальные требования.

В разделе требований к функциональным характеристикам должны быть перечислены все функции и описаны состав, характеристики и формы представления исходных данных и результатов. В этом же разделе при необходимости указывают критерии эффективности (максимальное время ответа системы, максимальный объём используемой памяти).

В разделе требования к надёжности должен быть указан уровень надёжности ПО, который должен быть обеспечен при разработке. В системах с обычными требованиями надёжности, т.е. не относящихся к системам в которых существует риск жизни людей, дополнительно указывают действия разработки системы, направленные на увеличение надёжности системы (создание резервных копий, блокировка опасных действий).

В разделе условия эксплуатации указывают особые требования к условиям эксплуатации ПО (температура, влажность). Такие требования необходимы, когда ПО будет работать (эксплуатироваться) в условиях, отличных от центра разработки. Если условия не отличаются, дополнительно указывают, что требования не предъявляются или же вообще опускают этот раздел. В этом разделе иногда указывают виды требуемого обслуживания, квалификацию обслуживающего персонала.

В разделе требования к составу и параметрам технических средств указывают необходимый состав и основные характеристики технических средств. В этом разделе обычно указывают две конфигурации технических средств: минимальные и номинальные.

В разделе требования к информационной и программной совместимости при необходимости можно задать методы программирования, среду разработки и используемую операционную систему. Если предполагается, что ПО будет эксплуатироваться с другими ПО, то в этом разделе следует привести перечень этих ПО и подробно описать интерфейс взаимодействия на уровне форматов данных и API-функций.

В разделе требования к маркировке и упаковке указываются способы маркировки и упаковки ПО.

В разделе требования к транспортированию и хранению указываются условия транспортирования, места хранения, условия складирования и сроки хранения в различных условиях.

В разделе специальных требований указываются требования, не относящиеся ни к одному из ранее описанных разделов.

Требования к программной документации.

В этом разделе приводят перечень программной и эксплуатационной документации, которая должна быть разработана вместе с программным изделием. При необходимости в нём указываются специальные требования к структуре и составу документов. Минимальный объём документации: руководство пользователя.

Технико-экономические показатели.

Стадии и этапы разработки.

В нём указывают стадии и этапы разработки выполняемых работ с указанием сроков и исполнителей.

Порядок контроля и приёмки.

В нём указывают порядок проведения испытаний и общие требования по проведению приёмки.

Приложение: перечень НИР, обоснования, расчёты, и другие документы, которые следует использовать для разработки.

В зависимости от особенностей разрабатываемого ПО разрешается уточнять описанные разделы, вводить новые или объединять существующие.

32. Структурное проектирование ПО: метод структурного анализа, проектирование модульной структуры.

Метод структурного анализа базируется на ряде общих принципов, перечисленных ниже.

1. Принцип декомпозиции и иерархического упорядочивания , который заключается в разбиении большой и сложной проблемы на множество меньших независимых подзадач, легких для понимания и решения. Причем декомпозиция может осуществляться и для уже выделенных подзадач. В результате такой последовательной декомпозиции специфицируемая система может быть понята и построена по уровням иерархии, каждый из которых добавляет новые детали.

2. Принцип абстрагирования заключается в выделении существенных с некоторых позиций аспектов системы и отвлечения от несуществующих с целью представления проблемы в удобном общем виде.

3. Принцип формализации заключается в необходимости строгого методологического подхода и решению проблемы.

4. Принцип сокрытия заключается в "упрятывании" несущественной на определенном этапе информации: каждая часть "знает" только то, что необходимо.

5. Принцип полноты заключается в контроле на присутствие лишних элементов.

6. Принцип непротиворечивости заключается в обоснованности и согласованности элементов.

7. Принцип логической независимости заключается в концентрации внимания на логическом проектировании для обеспечения независимости от физического исполнения.

8. Принцип независимости данных заключается в том, что модели данных должны быть проанализированы и спроектированы независимо от процессов их логической обработки, а также от их физической структуры и распределения в памяти вычислительной системы.

9. Принцип структурирования данных заключается в том, что данные должны быть структурированы и иерархически организованы.

Руководствуясь всеми принципами в комплексе, можно на этапе специфицирования понять, что будет представлять из себя разрабатываемое программное обеспечение, обнаружить промахи и недоработки, что, в свою очередь, облегчит работы на последующих этапах жизненного цикла.

Для целей специфицирования систем в структурном анализе используются три группы средств, иллюстрирующих:

* функции, которые система должна выполнять;

* отношения между данными;

* зависящее от времени поведение системы (аспекты реального времени).

Для этого применяются:

* DFD (Data Flow Diagrams) – диаграммы потоков данных совместно со словарями данных и спецификациями процессов;

* ERD (Entity–Relationship Diagrams) – диаграммы сущность–связь;

* STD (State Transition Diagrams) – диаграммы переходов–состояний.

DFD показывает внешние по отношению к системе источники и приемники данных, идентифицирует логические функции (процессы) и группы элементов данных, связывающие одну функцию с другой (потоки), а также идентифицирует хранилища (накопители данных), к которым осуществляется доступ. Структуры потоков данных и определение их компонентов хранятся в словаре данных. Каждая логическая функция может быть детализирована DFD нижнего уровня. Когда детализация исчерпана, переходят к описанию логики с помощью спецификации процесса.

Структура каждого хранилища описывается с помощью ERD. В случае наличия реального времени DFD дополняется средствами описания, зависящего от времени поведения системы, которые описываются с помощью STD. Эти связи показаны на рисунке.

Взаимосвязь средств структурного анализа

Проектирование модульной структуры. Модуль – это отдельная функционально законченная программная единица, которая может применяться самостоятельно, либо быть частью программы. Программное обеспечение создается на основе модульной структуры, состоящей из отдельных модулей.

К преимуществам разработки ПО с использованием модулей можно отнести следующее:

1. Упрощается проектирование ПО, так как сложную и большую про­блему легче понять, разбив се на отдельные функциональные части.
2. Обеспечивается возможность организации совместной работы больших коллективов разработчиков, так как каждый программист имеет дело с независимой от других частью ПО - модулем или группой модулей.
3. Упрощается отладка программ, так как ограниченный доступ к мо­дулю и однозначность его внешнего поведения исключает влияние ошибок в других модулях на его функционирование.
4. Повышается надежность программ, так как относительно малый размер модулей и, как следствие, небольшая их сложность, позволяют про­вести более полную их проверку.

Для проектирования и документирования модульной структуры применяются структурные карты Константайна (Constantine), которые являются моделью отношений между программными модулями.

Структурная карта представляет собой ориентированный граф. Узлы структурных карт соответствуют модулям и областям данных, а дуги изображают межмодульные вызовы. При этом циклические и условные вызовы моделируются специальными узлами, привязанными к дугам.

Элементы структурных карт.

Базовым элементом структурной карты является модуль. Можно выделить различные типы модулей:

1. Собственно модуль используется для представления обрабатывающего фрагмента ПО и для локализации его на диаграмме.

2. Подсистема – совокупность ранее определенных модулей. Может повторно использоваться любое число раз на любых диаграммах.

3. Библиотека отличается от подсистемы тем, что определена вне контекста системы.

4. Область данных используется для указания модулей, содержащих области глобальных (распределенных) переменных.

Типы модулей на структурных картах.

При построении структурных карт добавление модулей и увязывание их вместе осуществляется с использованием потоков, демонстрирующих иерархию вызовов. Различают последовательный и параллельный вызовы. При последовательном вызове модули могут вызываться в любом порядке или одновременно.

Для моделирования условных и циклических вызовов применяются условные и итерационные узлы.

Изображения условного и итерационного вызовов.

Типовые модульные структуры. В зависимости от задач, решаемых разработчиком, и от выбранного метода проектирования модульное ПО может иметь одну из следующих основных структур: монолитно - модульную; последовательно - модульную; модульно - иерархическую; модульно - хаотическую.

а - монолитная; б - последо­вательная; в - иерархическая; г – хаотическая.

Монолитно - модульная структура включает в себя большой про­граммный модуль, реализующий большую часть возложенных на програм­му функций. Из этой части имеется незначительное число обращений к другим программным модулям значительно меньшего размера. Такая структура несет на себе все недостатки немодульного принципа программи­рования: она сложна для понимания, проверки и сопровождения.

Последовательно - модульная структура включает в себя несколько по­следовательно передающих друг другу управление модулей. Эта структура проста и наглядна, но может быть реализована лишь для относительно про­стых задач.

Модульно - иерархическая структура включает в себя программные модули, располагаемые на разных уровнях иерархии. Модули верхних уровней управляют работой модулей нижних уровней. Подобная структура наиболее предпочтительна и позволяет строить достаточно сложные про­граммы.

Модульно - хаотические структуры. Такие программы сложны для проверки и сопровождения. Эта структура допустима только в системах реального времени с жесткими объемно-временными характеристиками, когда с помощью программ с другой структурой невозможно их достичь.

Общие правила структурного построения ПО. На начальных этапах разработки ПО формируется его структура и об­щие правила взаимодействия компонентов, которые состоят в следующем:

• должна быть унифицирована структура ПО и правила оформления описания каждого программного модуля;
• каждый модуль характеризуется функциональной законченностью, автономностью и независимостью в оформлении от модулей, которые ею используют и которые он вызывает;
• применяются стандартные правила организации связей модуля по управлению и информации (данным) с другими модулями;
• ПО разрабатываются в виде совокупности небольших по количеству операторов (до 100) программных модулей, связанных иерархическим обра­зом;
• должен отсутствовать эффект после действия очередного исполнения программы на последующие исполнения;
• регламентировано использование локальных переменных и регистров ЭВМ.

В общем случае программная система помимо собственно программ содержит еще и аппаратное обеспечение, а также обычно рассматривается в окружении других программно-аппаратных систем.

Под жизненным циклом программной системы обычно понимают весь период времени существования программной системы, начинающийся с момента выработки первоначальной концепции системы и кончающийся тогда, когда система морально устаревает. Понятие ``жизненного цикла"" используется, когда предполагается, что программная система будет иметь достаточно большой срок действия, в отличие от экспериментального программирования, при котором программы прогоняются несколько раз и больше не используются.

Жизненный цикл традиционно моделируется в виде некоторого числа последовательных этапов (или стадий, фаз). В настоящее время не выработано общепринятого разбиения жизненного цикла программной системы на этапы. Иногда этап выделяется как отдельный пункт, иногда - входит в качестве составной части в более крупный этап. Могут варьироваться действия, производимые на том или ином этапе. Нет единообразия и в названиях этих этапов. Поэтому попытаемся вначале описать некоторый обобщенный жизненный цикл программной системы, а затем продемонстрируем несколько примеров различных жизненных циклов с указанием аналогий из этого обобщенного цикла.

Этапы жизненного цикла ПО

Жизненный цикл программного обеспечения - период разработки и эксплуатации программного обеспечения, в котором обычно выделяют этапы: -1- возникновение и исследование идеи; -2- анализ требований и проектирование; -3- программирование; -4- тестирование и отладка; -5- ввод программы в действие; -6- эксплуатация и сопровождение; -7- завершение эксплуатации.

Следует обратить внимание, что разбиение жизненного цикла на этапы иногда способствует затушевыванию некоторых важных аспектов создания программного обеспечения; особенно это проявляется по отношению к такому необходимому процессу, как итерационная реализация различных этапов жизненного цикла с целью исправления ошибок, изменения решений, которые оказались неправильными, или учета изменений в общих требованиях, предъявляемых к системе.

Примеры описания жизненного цикла

Рассмотрим несколько описаний жизненного цикла программного обеспечения, которые послужат своеобразным комментарием этапам обобщенного жизненного цикла.

В отечественных нормативных документах (например, ГОСТ ЕСПД) принято следующее разграничение на этапы, которое приводится с указанием аналогий из списка, данного в начале раздела:

разработка технического задания (этапы 1 и 2);

технический проект (третий этап до 3.2.1 включительно);

рабочий проект (3.2.2, 4.2.1 и, частично, 4.2, 4.3);

экспериментальное внедрение (4.2 и 4.3);

сдача в промышленную эксплуатацию (этап 5);

промышленная эксплуатация (этап 6).

Подобное описание имеет своим прообразом технологию разработки аппаратных средств и поэтому не вполне учитывает все отличительные особенности проектирования программ. Более подходящим выглядит описание жизненного цикла программного обеспечения, состоящее из 12 этапов, которые очень близки этапам обобщенного жизненного цикла (см. рис. 1.1). В скобках после имени фазы указывается аналог из обобщенного цикла. Практически все этапы заканчиваются проверкой результатов, полученных на соответствующем этапе.

Рис. 1.1 Пример жизненного цикла программных систем

Начало проекта и планирование (этап 1). Определяются необходимые действия, планы и организация управления проектом. Определяются меры по обеспечению непрерывного выполнения фаз жизненного цикла.

Анализ целевых требований (2.1). Определяются, без учета средств реализации, общие характеристики системы, которым она должна удовлетворять. Устанавливается, что и как должна делать система.

Анализ системных требований (2.2). Описывается, как должны удовлетворятся запросы пользователя, в терминах конкретных функциональных понятий описываются действия предполагаемой системы, хранимые данные, используемый интерфейс - все это без учета физической реализации. Проверяется пригодность этих конкретных понятий.

Проектирование системы (3.1). Устанавливается структура системы или, иначе говоря, ее архитектура в терминах основных компонентов этой системы и их предполагаемой реализации (аппаратной, программной, с помощью окружения и т.д.). Устанавливаются требования для каждого компонента, а также стратегию тестирования и интеграции.

Предварительное проектирование программного обеспечения (3.2.1). Определение конкретных программных компонент, которые будут разрабатываться и внедряться в конечную систему. Проверка этого множества компонент на непротиворечивость общим требованиям к программному обеспечению. Определение функциональных, эксплуатационных и тестовых требований к каждому конкретному компоненту.

Детальное проектирование программного обеспечения (3.2.2). В терминах используемых программных конструкций производится описание того, как каждый конкретный компонент будет разрабатываться. Описываются режимы использования каждого компонента в системе.

Кодирование и тестирование программного обеспечения (4.1.1 и 4.1.2). Создание, тестирование отдельных модулей, документирование и приемка программных компонентов, которые составляют программную систему.

Интеграция программного обеспечения (частично 4.2). Тестирование работоспособности и функциональной законченности программных частей системы в предсказуемом окружении (аппаратуре и окружающей среде).

Интеграция системы (4.3). Тестирование работоспособности и функциональной законченности частей общей системы в целом.

Приемка и поставка системы (5). Производится приемка системы заказчиком, и поставка ему системы.

Эксплуатация и сопровождение системы (6). Выпуск последующих вариантов или версий системы, необходимость в которых возникает из-за устранений дефектов, отработки измененных требований и т.д.

Завершение проекта (7). Формирование посториорной модели проектных действий с анализом достоинств, недостатков и т.д., и использование их в качестве основания для улучшения процесса разработки.

В качестве следующего примера рассмотрим неполный жизненный цикл программного обеспечения, без этапов эксплуатации и сопровождения (см. рис. 1.2). В этом варианте не фиксируется последовательность фаз или этапов, а предлагается перечень действий, которые должны быть выполнены на протяжении жизненного цикла программного обеспечения. Эти действия могут быть разбиты или, наоборот, сгруппированы в различные этапы, в зависимости от конкретных условий. Можно выделить следующие этапы жизненного цикла программных систем (в скобках, как и ранее, - аналоги из модели обобщенного цикла):

этап планирования, который определяет и координирует действия по разработке программной системы (этап 1);

этап разработки, на котором создается программная система:

постановку задачи (этап 2),

проектирование (3),

кодирование (4.1.1),

получение исполняемого кода (4.1.1, 4.3);

интегрированный этап, обеспечивающий коррекцию, проверку, и определение полноты программной системы, а также ее выпуск. Этот этап включает в себя верификацию, контроль за конфигурацией системы, оценку качества и проверку взаимодействия между этапами. Из названия этого этапа видно, что он выполняется совместно с другими этапами на протяжении жизненного цикла системы.

Рис. 1.2 Вариант упрощенного жизненного цикла программной системы.

Отсутствие интегрированного этапа в обобщенном жизненном цикле не означает, что проверка производится только там, где это явно указано в названии этапа (например 4.2.1 и 4.2). Каждый этап может считаться завершенным только тогда, когда результаты, полученные на данном этапе, были признаны удовлетворительными, а для этого необходимо производить проверку результатов на каждом этапе. В обобщенном жизненном цикле некоторые проверки были вынесены отдельными пунктами для демонстрации повышенных объемов, сложности и важности этих проверок.

Последовательность этапов жизненного цикла для разных программных систем определяется такими характеристиками как функциональные возможности, сложность, размер, устойчивость, использование ранее полученных результатов, разрабатываемая стратегия и аппаратное обеспечение.

На рис. 1.3. показана последовательность этапов разработки программного обеспечения для отдельных компонентов единой программной системы с различными жизненными циклами.

Рис. 1.3 Последовательность этапов разработки компонент программного обеспечения

Для компонента W из множества системных требований к единому продукту формируется подмножество требований, относящихся к данному компоненту, используются эти требования при формировании проекта программного компонента, реализовывают этот проект в исходном коде и тогда интегрирует компонент с аппаратурой. Компонент X показывает использование ранее разработанного программного обеспечения. Компонент Y показывает использование простой отдельной функции, которая может быть закодирована прямо на основе требований к программному обеспечению. Компонент Z показывает использование прототипной стратегии. Обычно, целями прототипирования является лучшее понимание требований к программному обеспечению и уменьшение технических рисков и рисков разработки при создании конечного продукта. Исходные требования используются как базис для получения прототипа. Этот прототип преобразуется в окружение, типичное для конкретного использования системы при разработке. Результатом преобразований является уточненные данные, которые используются для создания конечного программного продукта.

Практически все этапы жизненного цикла объединяются с верификацией.

Переводчик