軟體工程第六版

第六章系統(tǒng)工程系統(tǒng)工程簡介約在五百年前，Machiavelli曾說：「再也沒有什麼比引進事情的新秩序更為困難接手、更為冒險的處理或在成功方面更為不確定的?！惯^去五十年，以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)已引進一種事情的新秩序。雖然自Machiavelli說出之後，技術(shù)已有極大的進展，但他的話卻繼續(xù)敲響著事實。系統(tǒng)工程簡介軟體工程的出現(xiàn)是一個稱為系統(tǒng)工程(systemengineering)流程的結(jié)果。系統(tǒng)工程並非單一地專注於軟體上，它聚焦於許多不同的元素(elements)、分析、設(shè)計和組織，在系統(tǒng)中的這些元素可以是一種產(chǎn)品、一項服務(wù)，或一項資訊與控制轉(zhuǎn)換的技術(shù)。系統(tǒng)工程流程依據(jù)它所運用的應(yīng)用領(lǐng)域而呈現(xiàn)不同的形式。當(dāng)工作的環(huán)境聚焦於一家企業(yè)時，商務(wù)流程工程(businessprocessengineering)就會被導(dǎo)入。當(dāng)某種產(chǎn)品(在此環(huán)境中，產(chǎn)品包括所有的東西，從無線電話到空中交通管制系統(tǒng))將被建造時，此流程就被稱為產(chǎn)品工程(productengineering)。商務(wù)流程工程與產(chǎn)品工程兩者均嘗試將秩序帶入以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)發(fā)展中。雖然每個都運用於不同的應(yīng)用領(lǐng)域，但兩者均努力將軟體放入環(huán)境中。本章將聚焦於管理議題與特定流程的活動，使軟體組織能確保它在正確的時間、以正確的方法、做正確的事?？焖贋g覽它是什麼？在軟體能被工程化之前，必須要瞭解它所駐留的「系統(tǒng)」。為達完成此項工作，必須要決定系統(tǒng)的整體目標(biāo)：硬體、軟體、人、資料庫、程序和其他必須確認(rèn)的系統(tǒng)元素；操作的需求必須被誘引、分析、指明、塑模、確認(rèn)和管理。這些活動是系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)。誰完成它？一位系統(tǒng)工程師的工作是藉由與顧客一起工作以瞭解系統(tǒng)的需求、未來的使用者和其他利益共享者。快速瀏覽它為何重要？有一句古老的諺語：「你不能見樹而不見林。」在此環(huán)境中，「森林」即是系統(tǒng)，而樹則是實現(xiàn)系統(tǒng)所必要的技術(shù)元素(包括軟體)。若你在瞭解系統(tǒng)前，急著搶先建構(gòu)技術(shù)元素，毫無疑問地你將會讓你的顧客失望。在你擔(dān)憂樹之前，先瞭解森林?？焖贋g覽步驟為何？藉由從顧客所誘引的資訊，使得目標(biāo)與更詳盡的操作需求被確認(rèn)；分析需求以評估它們的清晰程度、完整性和一致性；經(jīng)常產(chǎn)生結(jié)合著系統(tǒng)模型的規(guī)格，並由參與人員與顧客共同確認(rèn)。最後，管理系統(tǒng)需求以確保變更可以被適當(dāng)?shù)乜刂啤９ぷ鳟a(chǎn)品為何？必須產(chǎn)生系統(tǒng)的一種有效表示法，以做為系統(tǒng)工程的結(jié)果。這可能是一個雛型、一項規(guī)格或甚至是一種象徵性的模型，但它必須要溝通運作、功能和所要建構(gòu)系統(tǒng)的行為特性，並提供對系統(tǒng)架構(gòu)的深刻瞭解?？焖贋g覽我如何確定我所做的是正確的？以清晰、完整和一致性檢視所有系統(tǒng)工程的工作產(chǎn)品。預(yù)期系統(tǒng)需求的改變，並使用穩(wěn)固的變更管理方法管理它們。即商務(wù)流程工程與產(chǎn)品工程一起進行為電腦軟體配置角色的工作，並且同時建立出將軟體與其他以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)元件綁在一起的鏈結(jié)(links)。6.1以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)韋伯字典(Webster’sDictionary)用下列的方式定義系統(tǒng)：一組或安排的事情的有關(guān)形成個體(unity)或根本的(organicwhole)全部；一組事實、原則、規(guī)則等，以某種安排的形式被分類與組織，作為顯示一個鏈結(jié)不同部份且合乎邏輯的計畫；一種分類或安排的方法或計畫；一種被建立來做某些事的方式、方法、程序…以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)借用韋伯的定義，我們定義以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)為：一組元素或元素的安排，它們藉由處理資訊而被組織，以達到某些預(yù)先定義的目標(biāo)。以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)元素一個以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)利用許多不同的系統(tǒng)元素：軟體(Software)電腦程式、資料結(jié)構(gòu)和相關(guān)工作產(chǎn)品，作為產(chǎn)生必要的邏輯的方法、程序或控制。硬體(Hardware)提供計算能力、相互聯(lián)結(jié)(interconnectivity)裝置(例如，網(wǎng)路交換器、通訊裝置)的電子設(shè)備，讓資料可以流動，並提供外部世界功能的電機裝置(例如，感測器、電動機、泵)。人(People)硬體與軟體的使用者與操作者。以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)元素資料庫(Database)一個很大、有組織經(jīng)由軟體與長時間存取的資訊整體。文件(Documentation)描述系統(tǒng)使用與運算的敘述資訊(例如，模型、規(guī)格、紙本手冊、線上輔助檔案、網(wǎng)站)。程序(Procedure)定義每個系統(tǒng)元素特定的使用或系統(tǒng)所駐流程序環(huán)境(context)的步驟。巨集元素以電腦為基礎(chǔ)系統(tǒng)的一項複雜特性是建構(gòu)某個系統(tǒng)的元素，也可能表示一個更大系統(tǒng)的巨集元素(macroelement)。巨集元素是以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，也是一個更大的以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的一部份。例如，考慮一個工廠自動化系統(tǒng)(factoryautomationsystem)，實質(zhì)上它是一種系統(tǒng)的階層。在最低的階層中，我們有個數(shù)值控制機器、機器人和資料登錄裝置。每個以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)有它自己的權(quán)力(right)。數(shù)值控制機器的元素包括電子與電機機械的硬體(例如，處理器與記憶體、馬達、感測器)、軟體(為了溝通與機器控制)、人(機器操作員)、一個資料庫(儲存NC的控制程式)、文件與程序。每個都是以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。6.2系統(tǒng)工程的階層系統(tǒng)工程含括一個由上往下(top-down)與由下而上(bottom-up)方法的集合，以通過如圖6.1所示的階層。系統(tǒng)工程流程通常由「世界觀點(worldview)」開始。即整個商業(yè)或產(chǎn)品領(lǐng)域受到檢查，以確保適當(dāng)?shù)纳虡I(yè)或技術(shù)環(huán)境可以被建立。世界觀點被改進以聚焦在更為有興趣的特定領(lǐng)域。在某個特定領(lǐng)域中，對目標(biāo)系統(tǒng)元素的需要(例如，資料、軟體、硬體、人)會被分析。某個目標(biāo)系統(tǒng)元素的分析、設(shè)計和建構(gòu)就被啟始。在階層的頂端建立出非常廣泛的環(huán)境。在底層則藉由執(zhí)行相關(guān)工程紀(jì)律(例如，硬體或者軟體工程)導(dǎo)入詳細的技術(shù)活動。圖6.1系統(tǒng)工程階層分類系統(tǒng)工程階層的表示世界觀點(WV)是由一組領(lǐng)域(Di)所組成，每個可以是一個系統(tǒng)或在自己權(quán)力系統(tǒng)中的系統(tǒng)。

WV={D1,D2,D3,…,Dn}每個領(lǐng)域都由特定的元素(Ej)組成，每個都在完成領(lǐng)域或元件(components)的目標(biāo)與目的中扮演某種角色：

D1={E1,E2,E3,…,Em}每個元件以特定的技術(shù)元件(Ck)實作，以達成某個元素所必需的功能：

Ej={C1,C2,C3,…,Ck}在軟體環(huán)境中，一個元件可以是一支電腦程式、一個可重複使用的程式元件、一個模組、一個類別或物件，或甚至是某個程式設(shè)語言的敘述(statement)。6.2.1系統(tǒng)模型建立系統(tǒng)塑模是系統(tǒng)工程流程的一項重要元素。不論聚焦是否在世界觀點或細節(jié)觀點上，工程師創(chuàng)造模型以:定義流程作為所考慮觀點的需要。表示流程的行為和行為所基於的假設(shè)。明確地對模型定義外生的(exogenous)和內(nèi)生的(endogenous)輸入。表示所有的連結(jié)(包括輸出)，使工程師能夠更為瞭解其觀點。建構(gòu)系統(tǒng)模型考慮的約制因素建構(gòu)一個系統(tǒng)模型，工程師應(yīng)該考慮一些約制(restraining)因素：假設(shè)(Assumption)排除許多可能的排列與變化的數(shù)量，因而可促使一個模型以合理的方式反映問題。例如，考慮娛樂業(yè)使用來創(chuàng)造真實動畫的三度空間演繹(rendering)產(chǎn)品。產(chǎn)品其中的一個領(lǐng)域能夠表示3D立體人形。輸入到此一領(lǐng)域含括來自真人演員指定移動(specifymovement)能力、從視訊(video)或藉由繪圖模型的創(chuàng)作。系統(tǒng)工程師確定某些關(guān)於人類運動可允許範(fàn)圍的假設(shè)(例如，腳不能纏繞在軀幹的周圍)，因此輸入範(fàn)圍與處理就可以被限制。建構(gòu)系統(tǒng)模型考慮的約制因素簡單化(Simplifications)可使模型能夠及時的建立?？紤]一家銷售與服務(wù)各類型影印機、掃描器和相關(guān)設(shè)備的辦公室產(chǎn)品公司。系統(tǒng)工程師正在建立服務(wù)組織的需要模型，以瞭解服務(wù)訂單產(chǎn)生後訊息的流程。雖然服務(wù)訂單可源自各方，工程師只從二個來源進行分類：內(nèi)在的需求與外界的請求。這種簡單的輸入?yún)^(qū)分是產(chǎn)生服務(wù)訂單所必要的。限制(Limitations)協(xié)助規(guī)範(fàn)系統(tǒng)。舉例來說，飛機的航空電子系統(tǒng)正為著下一代的飛機而進行模型化的工作。因為飛機都有二部引擎的設(shè)計，推進力(propulsion)的監(jiān)控領(lǐng)域?qū)⒈荒Ｐ突?，以調(diào)適二部引擎的最大值並結(jié)合備用系統(tǒng)(redundantsystem)。建構(gòu)系統(tǒng)模型考慮的約制因素侷限(Constraints)將指導(dǎo)創(chuàng)造模型的方法和實作模型時所採取的方式。舉例來說，對於先前所描述的三度空間演譯系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè)(technologyinfrastructure)採用雙G5為基礎(chǔ)的處理器。問題的計算複雜度必須要被侷限，以符合加於這些處理器上的處理極限。偏好(Preferences)指出對所有的資料、功能和技術(shù)所喜歡的架構(gòu)。所喜歡的解決方案有時會與其他的約制因素相互抵觸。顧客滿意度時常是以其喜愛的方式所被瞭解的程度來預(yù)測的。6.2.2系統(tǒng)模擬許多以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)是以反應(yīng)的形式與真實的世界互動。真實世界的事件由形成以電腦為基礎(chǔ)系統(tǒng)中的硬體與軟體所監(jiān)控，並且基於這些事件，系統(tǒng)於機器上、流程上和導(dǎo)致事件發(fā)生的人加入控制。即時與嵌入式系統(tǒng)時常歸類到反應(yīng)系統(tǒng)的類型。在反應(yīng)類型的控制機器及/或流程中的許多系統(tǒng)(例如，商用飛機或石油煉解廠)必須於極為高可靠度的情形下進行操作。如果系統(tǒng)失敗，將可能會發(fā)生重大的經(jīng)濟或人員的損失。當(dāng)以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)被建造時，系統(tǒng)塑模與模擬工具就被用來協(xié)助於反應(yīng)時消除意外事件。這些工具應(yīng)用於系統(tǒng)工程流程期間，硬體與軟體、資料庫和人的角色都被明確指定。塑模與模擬工具讓系統(tǒng)工程師能夠「試駕(testdrive)」系統(tǒng)的規(guī)格。6.3商務(wù)流程工程：概觀商務(wù)流程工程(businessprocessengineering,BPE)的目的BPE是一種為創(chuàng)造實作計算架構(gòu)的一項全面性的計畫。定義使商業(yè)有效地運用資訊的架構(gòu)。當(dāng)以一家公司資訊技術(shù)需求的世界觀點來看時，會有些懷疑系統(tǒng)工程是必要的。不僅所必要的適當(dāng)運算架構(gòu)規(guī)格，且植基於組織計算資源獨特組態(tài)的軟體架構(gòu)也必須被發(fā)展。商業(yè)流程的設(shè)計架構(gòu)三種不同的架構(gòu)必須在商務(wù)目標(biāo)與目的的環(huán)境中分析與設(shè)計：資料架構(gòu)應(yīng)用架構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)建設(shè)(Technologyinfrastructure)資料架構(gòu)(dataarchitecture)資料架構(gòu)(dataarchitecture)為商業(yè)的資訊需要或商務(wù)功能提供一種框架。架構(gòu)中的個別建構(gòu)方塊是使用於商務(wù)的資料物件。資料物件包含一組定義某些面向、品質(zhì)、特性或被描述資料的描述符號(descriptor)的屬性。一旦一組資料物件被定義，它們的關(guān)係將可被確認(rèn)。關(guān)係(relationship)指出物件如何與彼此相連接。例如，考慮物件：顧客與產(chǎn)品A。此二種物件可以用購買(purchases)的關(guān)係相連接；即是，某位顧客購買產(chǎn)品A或產(chǎn)品A是由顧客所購買。資料物件(對一個主要的商業(yè)活動可能有數(shù)百或數(shù)千個)被組織在資料庫中，且被轉(zhuǎn)換提供服務(wù)商業(yè)需要的資訊於企業(yè)功能間流動。應(yīng)用架構(gòu)(applicationarchitecture)應(yīng)用架構(gòu)(applicationarchitecture)含括那些為了某些商務(wù)目的轉(zhuǎn)換資料架構(gòu)中物件的系統(tǒng)元素。應(yīng)用架構(gòu)即為執(zhí)行此種轉(zhuǎn)換的程式(軟體)系統(tǒng)。在更大範(fàn)圍的環(huán)境中，應(yīng)用架構(gòu)可能結(jié)合人的角色(是資訊轉(zhuǎn)換者與使用者)和尚未自動化的商務(wù)程序。技術(shù)的基礎(chǔ)建設(shè)(Technologyinfrastructure)技術(shù)的基礎(chǔ)建設(shè)(Technologyinfrastructure)提供資料與應(yīng)用架構(gòu)的基礎(chǔ)。基礎(chǔ)建設(shè)含括硬體與使用支援應(yīng)用程式的資料與軟體。包括電腦、作業(yè)系統(tǒng)、網(wǎng)路、通訊連結(jié)、儲存技術(shù)和已被設(shè)計實行這些技術(shù)的架構(gòu)(例如主從式(client/server))。圖6.2商業(yè)流程工程的階層6.4產(chǎn)品設(shè)計：概觀產(chǎn)品設(shè)計的目的是將顧客所期望的一組被定義的能力(capabilities)轉(zhuǎn)換成為工作產(chǎn)品。為達成此一目的，產(chǎn)品設(shè)計一定要源自架構(gòu)與基礎(chǔ)建設(shè)。架構(gòu)含括四種不同的系統(tǒng)元件：軟體、硬體、資料(和資料庫)和人。所建立支援的基礎(chǔ)建設(shè)包括必需將元件維繫在一起所必要的技術(shù)，和使用支援元件的資訊(例如，文件、光碟、影片)。產(chǎn)品工程的階層世界觀點經(jīng)由需求工程而達成(參閱圖6.3)。產(chǎn)品的整體需求是從顧客所誘引出的。這些需求含括資訊與控制的需要、產(chǎn)品功能與行為、整體產(chǎn)品的效能、設(shè)計與界面的限制和其他特別的需要。一旦需求成為已知，需求工程的工作是配置(allocate)功能與行為到先前所提及的四種元件中的每一個。配置一旦已經(jīng)發(fā)生，系統(tǒng)元件工程於是開始。系統(tǒng)元件工程實際上是一組針對每個分離系統(tǒng)元件的一組併行的活動：軟體工程、硬體工程、人因工程和資料庫工程。圖6.3產(chǎn)品工程的階層軟體工程的元素觀點產(chǎn)品工程的元素觀點是工程紀(jì)律本身應(yīng)用到某個配置的元件上。對於軟體工程，這意謂著分析與設(shè)計的塑模活動(在往後的章節(jié)中詳細說明)、含括程式碼產(chǎn)生的建構(gòu)與部署的活動、測試和支援任務(wù)。分析任務(wù)模型將需求配置到資料、功能和行為的表示。設(shè)計將分析模型映對進入資料、架構(gòu)的、介面和軟體元件層級的設(shè)計。6.5 系統(tǒng)塑模一個系統(tǒng)可以由不同層級的抽象化程度所表示:例如，世界觀點、領(lǐng)域觀點、元素觀點系統(tǒng)模型(systemmodel)自然會傾向於成為階層(hierarchical)或?qū)蛹壍?layered)。在階層的頂端，呈現(xiàn)出完整的系統(tǒng)模型(世界觀點)。當(dāng)階層改進或分層級時，元件層級的細節(jié)(在此種情況下，硬體、軟體和其他等的表示)被製作成模型。最後系統(tǒng)模型演進成為指定適當(dāng)工程紀(jì)律的工程模型(更進一步的改進)。6.5.1Hatley-Pirbhai塑模每個以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)可模擬成為一個使用輸入-處理-輸出樣版的資訊轉(zhuǎn)換器。Hatley-Pirbhai的模型描述輸入、處理和輸出，連同使用者介面和維護與自我測試。雖然這些附加的功能並不會在每個以電腦為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中出現(xiàn)，但是它們卻很普遍，並且它們的規(guī)格可使任何的系統(tǒng)模型更為強韌(robust)。Hatley-Pirbhai塑模的系統(tǒng)樣版使用輸入、處理、輸出、使用者介面處理和自我測試處理的表示方式，一位系統(tǒng)工程師可以在每項工程紀(jì)律中為稍後的步驟設(shè)定基礎(chǔ)，以創(chuàng)造系統(tǒng)元件的模型。系統(tǒng)樣版中的五個處理區(qū)塊：使用者介面輸入系統(tǒng)功能與控制輸出維護與自我測試。系統(tǒng)工程師配置系統(tǒng)元素給樣版中五個處理區(qū)塊系統(tǒng)環(huán)境圖(SCD)系統(tǒng)模型樣版能讓分析者創(chuàng)造詳細的階層。系統(tǒng)環(huán)境圖(systemcontextdiagram,SCD)位於階層的頂層。環(huán)境圖「建立所實作的系統(tǒng)與系統(tǒng)所運作環(huán)境間的資訊界限」。SCD定義系統(tǒng)使用的所有外部資訊生產(chǎn)者、所有被系統(tǒng)創(chuàng)造的外部資訊消費者，和所有經(jīng)由介面通訊或執(zhí)行維護與自我測試的個體。SCD的使用範(fàn)例考慮以輸送帶分類系統(tǒng)(conveyorlinesortingsystem,CLSS)用以下(略為模糊)對目標(biāo)的敘述來描述：CLSS必須被發(fā)展以使沿著輸送帶運送的盒子得以被辨識與分類進入位在輸送帶尾端的六個容器中的一個。盒子經(jīng)過分類站時會被辨識。基於印在盒子側(cè)面的識別碼與條碼，盒子將被分流(shunted)引進到適當(dāng)?shù)娜萜鲀?nèi)。盒子以隨機的順序與均等的間隔通過。輸送帶移動的很慢。一部位在分類站上的桌上型電腦執(zhí)行所有CLSS的軟體，它與條碼讀取機互動以讀取每個盒子上的零件編號；它與運送帶監(jiān)控設(shè)備互動以取得輸送帶的速度；它儲存所有零件號碼的分類，與分類站的操作員互動以產(chǎn)生各種不同的報表與診斷；它將控制信號傳送給分流的硬體以分類盒子；它與中央工廠的自動化系統(tǒng)溝通。改進系統(tǒng)的環(huán)境圖系統(tǒng)工程師更詳盡地考慮圖6.4中有陰影的長方形，以改進系統(tǒng)的環(huán)境圖(contextdiagram)。由SCD所定義使輸送帶分類系統(tǒng)運作在環(huán)境中的主要子系統(tǒng)被確認(rèn)。主要的子系統(tǒng)定義於從SCD所得到的系統(tǒng)流程圖(systemflowdiagram,SFD)?？缭絊CD的資訊流使用來引導(dǎo)系統(tǒng)工程師發(fā)展SFD-對CLSS更為詳細的「圖(schematic)」。系統(tǒng)流程圖顯示主要子系統(tǒng)與重要的訊息流的路線(資料與控制)。圖6.4

CLSS的系統(tǒng)環(huán)境圖(contextdiagram)建立SFD階層最初的系統(tǒng)流程圖變成SFD階層最頂端的節(jié)點。在最初SFD中每個圓角的長方形能被擴展成為另一個用於它的架構(gòu)樣版。流程以圖形的方式說明於圖6.5中。系統(tǒng)中SFD的每一個都可以作為已經(jīng)描述過的子系統(tǒng)中接續(xù)工程步驟的啟始點。子系統(tǒng)和流動於它們之間的資訊可被接續(xù)的工程工作所明確說明(有界限的)。每個子系統(tǒng)的敘述描寫和所有流動於子系統(tǒng)間資料的定義變成很重要的子系統(tǒng)規(guī)格元素。圖6.5建立SFD階層6.5.2UML系統(tǒng)塑模UML提供種類繁多的圖塊，作為系統(tǒng)與軟體層級分析與設(shè)計的使用。對CLSS系統(tǒng)而言，有四個重要的系統(tǒng)元素被塑模：使CLSS動作的硬體；實作資料庫存取與分類的軟體；對系統(tǒng)提出不同要求的操作員；和包含相關(guān)條碼與目的地資訊的資料庫。CLSS硬體的UML部署方塊圖模型CLSS硬體可以在系統(tǒng)層級應(yīng)用UML部署方塊圖模型化，如圖6.6所示。必須設(shè)計與建造硬體元素以作為專案的一部份。在多情況中，硬體元素可能是取得的現(xiàn)貨產(chǎn)品。對工程團隊的挑戰(zhàn)則是適當(dāng)?shù)?/p>