第5章 数据库设计和ER模型
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数据流图
一个简单的系统可用一张数据流图来表示。 当系统比较复杂时，为了便于理解，控制其复杂 性，可以采用分层描述的方法。 一般用第一层描述系统的全貌，第二层分别描述 各子系统的结构。如果系统结构还比较复杂，那 么可以继续细化，直到表达清楚为止。在处理功 能逐步分解的同时，它们所用的数据也逐级分解， 形成若干层次的数据流图。数据流图表达了数据 和处理过程的关系。
34
5.1.7 数据库的运行与维护
●若应用变化太大，已无法通过重构数据库 来满足新的需求，或重构数据库的代价太大， 则表明现有数据库应用系统的生命周期已经 结束，应该重新设计新的数据库系统，开始 新数据库应用系统的生命周期了。
35
5.2 ER模型的基本概念
由 Professor Peter Chen 于 1976 年提出的。
(4) 数据存储 处理过程中数据的存放场所，也是数据流的 来源和去向之一。可以是手工凭证，手工文 档或计算机文件。 包括｛数据存储名，说明，输入数据流，输 出数据流，组成：｛数据项或数据结构｝， 数据量，存取频度，存取方式｝。 其中，存取频度是指每天（或每小时、或每 周）存取几次，每次存取多少数据等信息。 存取方法指的是批处理，还是联机处理；是 检索还是更新；是顺序检索还是随机检索等。
第5章 数据库设计与ER模型
1
数据库设计（DBD）
在具备了DBMS、 OS、系统软件和硬件 环境时，对数据库应用开发人员来说，就 是如何使用这个环境表达用户的要求，构 造最优的数据模型，然后据此建立数据库 及其应用系统，这个过程称为数据库设计 （Database Design，简记为DBD）。
2
5
5.1 数Байду номын сангаас库设计(3)
仿照软件生存期，可以得到数据库系统生 存期概念。 定义5.1 我们把数据库应用系统从开始规 划、设计、实现、维护到最后被新的系统 取代而停止使用的整个期间，称为数据库 系统生存期。
6
5.1 数据库设计(4)
数据库生存期一般可划分成下面七个阶段： 规划 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 实现 运行维护。
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5
规划阶段 需求分析阶段 概念设计阶段 逻辑设计阶段 物理设计阶段 数据库的实现 数据库的运行与维护
4
5.1 数据库设计(2)
为了解决“软件危机”，在1968年首次提出“软 件工程”的概念。软件工程中把软件开发和运营 的全过程称为“软件生存期”（Life Cycle）。 软件生存期是指从软件的规划、研制、实现、投 入运行后的维护，直到它被新的软件所取代而停 止使用的整个期间。 以数据库为基础的信息系统通常称为数据库应用 系统，它一般具有信息的采集、组织、加工、抽 取、综合和传播等功能。数据库应用系统的开发 是一项软件工程，但又有自己特有的特点，所以 特称为“数据库工程”。
第5章 数据库设计与ER模型
5.1 数据库设计的全过程 5.2 ER模型的基本概念 5.3 ER模型到关系模型的转换 5.4 ER模型实例分析 5.5 增强的ER模型 5.6 小结
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5.1 数据库设计(1)
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7
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5.1.3 概念设计阶段(3)
●2.
概念设计的主要步骤 概念设计的任务一般可分为三步来完成：进行 数据抽象，设计局部概念模型；将局部概念模型综 合成全局概念模型；评审。 概念模型一般使用ER图来描述。 (1) 进行数据抽象，设计局部概念模型 设计概念结构时，常用的数据抽象方法是“聚 集”和“概括”。聚集是将若干对象和它们之间的 联系组合成一个新的对象。概括是将一组具有某些 共同特性的对象抽象成更高一层意义上的对象。
8
5.1.2 需求分析阶段
●这一阶段是计算机人员（系统分析员）和用户双
方共同收集数据库所需要的信息内容和用户对处理 的需求。并以需求说明书的形式确定下来，作为以 后系统开发的指南和系统验证的依据。
●需求分析的工作主要由下面四步组成： 1. 分析用户活动，产生业务流程图 2. 确定系统范围，产生系统关联图 3. 分析用户活动涉及的数据，产生数据流图 4. 分析系统数据，产生数据字典
数据字典
数据结构 以“学生”为例 “学生”是该系统中的一个核心数据结构： 数据结构： 含义说明： 组成： 学生 是学籍管理子系统的主体数据结 构，定义了一个学生的有关信息 学号，姓名，性别，年龄， 所在系，年级
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数据字典
数据流“体检结果”可如下描述：
数据流： 体检结果 说明： 学生参加体格检查的最终结果 数据流来源：体检 数据流去向：批准 组成： …… 平均流量： …… 高峰期流量：……
7
5.1.1 规划阶段
●规划阶段具体可分成三个步骤： （1）系统调查。对应用单位作全面的调查。发现其 存在的主要问题，并画出组织层次图，以了解企业的 组织机构。 （2）可行性分析。从技术、经济、效益、法律等诸 方面对建立数据库的可行性进行分析；然后写出可行 性分析报告；组织专家进行讨论其可行性。 （3）确定数据库系统的总目标，并对应用单位的工 作流程进行优化和制订项目开发计划。在得到决策部 门批准后，就正式进入数据库系统的开发工作。
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数据字典
(1) 数据项 数据项是数据的最小单位，其具体内容包括： 数据顶名、含义说明、别名、类型、长度、 取值范围、与其他数据项的关系。 其中，取值范围、与其他数据项的关系这两 项内容定义了完整性约束条件，是设计数据 检验功能的依据。
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数据字典
(2) 数据结构 数据结构是数据项有意义的集合。内容包括： 数据结构名、含义说明，这些内容组成数据 项名。
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5.1.6 数据库的实现(1)
●数据库实现主要包括以下工作： 1. 定义数据库结构：确定了数据库的逻辑结构与物 理结构后，就可以用所选用的DBMS提供的数据定义 语言（DDL）来严格描述数据库结构。 2. 数据装载 (1) 对于数据量不是很大的小型系统，可以用人工 方法完成数据的入库。 (2) 对于大中型系统，由于数据量极大，用人工方 式组织数据入库将会耗费大量人力物力，而且很难 保证数据的正确性，因此应该设计一个数据输入子 系统，由计算机辅助数据的入库工作。
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数据字典
数据存储“学生登记表”可如下描述：
数据存储： 学生登记表 说明： 记录学生的基本情况 流入数据流：…… 流出数据流：…… 组成： …… 数据量： 每年3000张 存取方式： 随机存取
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数据字典
处理过程“分配宿舍”可如下描述： 处理过程：分配宿舍 说明： 为所有新生分配学生宿舍 输入： 学生，宿舍， 输出： 宿舍安排 处理： 在新生报到后，为所有新生分配学 生宿舍。要求同一间宿舍只能安排 同一性别的学生，同一个学生只能 安排在一个宿舍中。每个学生的居 住面积不小于3平方米。安排新生 宿舍其处理时间应不超过15分钟。
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5.1.4 逻辑设计阶段(1)
●概念设计的结果是得到一个与DBMS无关的概 念模型。 ●而逻辑设计的目的是把概念设计阶段设计好的 概念模型转换成与选用的具体机器上的DBMS所 支持的数据模型相符合的逻辑结构（包括数据库 逻辑模型和外模型）。
●对于逻辑设计而言，应首先选择DBMS，但往 往数据库设计人员没有挑选的余地，都是在指定 的DBMS上进行逻辑结构的设计。 常用关系模式来表示逻辑设计的结果。
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5.1.3 概念设计阶段(4)
(2) 将局部概念模型综合成全局概念模型 综合各局部概念结构就可得到反映所有用户需 求的全局概念结构。在综合过程中，主要处理各局 部模式对各种对象定义的不一致问题。 (3) 评审 消除了所有冲突后，就可把全局结构提交评审。 评审分为用户评审与DBA及应用开发人员评审两部分。 概念设计中最著名的方法就是实体联系方法（ER 方法），建立ER模型，用ER图表示概念结构，得到 数据库的概念模型。
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数据字典
(5) 处理过程
处理过程的处理逻辑通常用判定表或判定树来描述， 数据字典只用来描述处理过程的说明性信息。 处理过程包括｛处理过程名，说明，输入：｛数据 流｝，输出：｛数据流｝，处理，｛简要说明｝｝。 其中，简要说明主要说明处理过程的功能及处理要 求。 功能是指该处理过程用来做什么（不是怎么做）， 处理要求指该处理频度要求，如单位时间里处理多 少事务、多少数据量、响应时间要求等，这些处理 要求是后面物理设计的输入及性能评价的标准。 最终形成的数据流图和数据字典为“需求分析说明书” 的主要内容，这是下一步进行概念设计的基础。
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数据字典
例：学生学籍管理子系统的数据字典。
数据项，以“学号”为例： 数据项： 学号 含义说明：唯一标识每个学生 别名： 学生编号 类型： 字符型 长度： 8 取值范围：00000000至99999999 取值含义：前两位标别该学生所在年级， 后六位按顺序编号 与其他数据项的逻辑关系：……
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32
5.1.6 数据库的实现(2)
●3. 编制与调试应用程序 应用程序设计与数据库设计平行进行。 ●4. 数据库试运行 试运行也称为联合调试，主要功能有： （1）功能调试 （2）性能测试
33
5.1.7 数据库的运行与维护
●对数据库经常性的维护工作主要是由DBA 完成的。 它包括以下内容： 1. 数据库的转储和恢复 2. 数据库安全性、完整性控制 3. 数据库性能的监督、分析和改进 4. 数据库的重组织和重构造
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5.1.3 概念设计阶段(1)
●概念设计的目标是产生反映用户单位信息需 求的数据库概念结构，即概念模型。 ●概念模型具有硬件独立、软件独立的特点。
用户1 应用1 应用2 应用3
用户需求
用户2
外模型1 外模型2 外模型3
映像
用户需求
用户3
概念模型
转换
逻辑模型
映像
用户需求
综合
内模型
图1 模型间的相互关系
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数据流图
报销登记
报销人
报销单 报帐 处理
付款凭证
简单的数据流图示例
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数据字典
数据字典是对系统中数据的详细描述，是各类数 据结构和属性的清单。它与数据流图互为注释。 数据字典贯穿于数据库需求分析直到数据库运 行的全过程，在不同的阶段其内容和用途各有 区别。 在需求分析阶段，它通常包含以下五部分内容。
9
数据流图
使用SA方法，任何一个系统都可抽象为 下图所示的数据流图。
数据存 储 信 息 需 求
数据来 源
数据流 处 理
数据流
数据输 出
处 理 需 求
数据流图
10
数据流图：由于描绘系统的逻辑模型，主要是 有四种基本符号： 1） （ ）：数据的源点和终点。
2）
3） 4）
(
（
）：数据的加工或处理。
）：文件，即数据存储。 ：数据的流动方向,即数据流.
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5.1.4 逻辑设计阶段(2)
●逻辑设计的主要步骤有五步：
1．把概念模型转换成逻辑模型 2．设计外模型 3．设计应用程序与数据库的接口 4．评价模型 5．修正模型
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5.1.5 物理设计阶段
●对于给定的基本数据模型选取一个最适合应 用环境的物理结构的过程，称为物理设计。 ●物理设计可分五步完成，前三步涉及到物理 结构设计，后两步涉及到约束和具体的程序设 计。 ⑴ 存储记录结构设计 ⑵ 确定数据存放位置 ⑶ 存取方法的设计 ⑷ 完整性和安全性考虑 ⑸ 程序设计
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5.1.3 概念设计阶段(2)
●1．概念设计的重要性 在早期的DBD中，概念设计并不是一个独立的设计 阶段。设计依赖于具体DBMS的逻辑模型，当外界环 境发生变化时，设计结果就难以适应这个变化。 将概念设计从设计过程中独立开来，可以使DBD各 阶段的任务相对单一化，得以有效控制设计的复杂 程度，便于组织管理。 概念模型能充分反映现实世界中实体间的联系，又 是各种基本数据模型的共同基础，同时也容易向现 在普遍使用的关系模型转换。
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数据字典
(3) 数据流 数据流可以是数据项，也可以是数据结构， 它表示某一处理过程中数据在系统内传输的 路径。 内容包括：数据流名、说明、流出过程、流 入过程，这些内容组成数据项或数据结构。 其中，流出过程说明该数据流由什么过程而 来；流入过程说明该数据流到什么过程。
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数据字典
数据流图
一个简单的系统可用一张数据流图来表示。 当系统比较复杂时，为了便于理解，控制其复杂 性，可以采用分层描述的方法。 一般用第一层描述系统的全貌，第二层分别描述 各子系统的结构。如果系统结构还比较复杂，那 么可以继续细化，直到表达清楚为止。在处理功 能逐步分解的同时，它们所用的数据也逐级分解， 形成若干层次的数据流图。数据流图表达了数据 和处理过程的关系。
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5.1.7 数据库的运行与维护
●若应用变化太大，已无法通过重构数据库 来满足新的需求，或重构数据库的代价太大， 则表明现有数据库应用系统的生命周期已经 结束，应该重新设计新的数据库系统，开始 新数据库应用系统的生命周期了。
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5.2 ER模型的基本概念
由 Professor Peter Chen 于 1976 年提出的。
(4) 数据存储 处理过程中数据的存放场所，也是数据流的 来源和去向之一。可以是手工凭证，手工文 档或计算机文件。 包括｛数据存储名，说明，输入数据流，输 出数据流，组成：｛数据项或数据结构｝， 数据量，存取频度，存取方式｝。 其中，存取频度是指每天（或每小时、或每 周）存取几次，每次存取多少数据等信息。 存取方法指的是批处理，还是联机处理；是 检索还是更新；是顺序检索还是随机检索等。
第5章 数据库设计与ER模型
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数据库设计（DBD）
在具备了DBMS、 OS、系统软件和硬件 环境时，对数据库应用开发人员来说，就 是如何使用这个环境表达用户的要求，构 造最优的数据模型，然后据此建立数据库 及其应用系统，这个过程称为数据库设计 （Database Design，简记为DBD）。
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5.1 数Байду номын сангаас库设计(3)
仿照软件生存期，可以得到数据库系统生 存期概念。 定义5.1 我们把数据库应用系统从开始规 划、设计、实现、维护到最后被新的系统 取代而停止使用的整个期间，称为数据库 系统生存期。
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5.1 数据库设计(4)
数据库生存期一般可划分成下面七个阶段： 规划 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 实现 运行维护。
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5
规划阶段 需求分析阶段 概念设计阶段 逻辑设计阶段 物理设计阶段 数据库的实现 数据库的运行与维护
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5.1 数据库设计(2)
为了解决“软件危机”，在1968年首次提出“软 件工程”的概念。软件工程中把软件开发和运营 的全过程称为“软件生存期”（Life Cycle）。 软件生存期是指从软件的规划、研制、实现、投 入运行后的维护，直到它被新的软件所取代而停 止使用的整个期间。 以数据库为基础的信息系统通常称为数据库应用 系统，它一般具有信息的采集、组织、加工、抽 取、综合和传播等功能。数据库应用系统的开发 是一项软件工程，但又有自己特有的特点，所以 特称为“数据库工程”。
第5章 数据库设计与ER模型
5.1 数据库设计的全过程 5.2 ER模型的基本概念 5.3 ER模型到关系模型的转换 5.4 ER模型实例分析 5.5 增强的ER模型 5.6 小结
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5.1 数据库设计(1)
5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7
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5.1.3 概念设计阶段(3)
●2.
概念设计的主要步骤 概念设计的任务一般可分为三步来完成：进行 数据抽象，设计局部概念模型；将局部概念模型综 合成全局概念模型；评审。 概念模型一般使用ER图来描述。 (1) 进行数据抽象，设计局部概念模型 设计概念结构时，常用的数据抽象方法是“聚 集”和“概括”。聚集是将若干对象和它们之间的 联系组合成一个新的对象。概括是将一组具有某些 共同特性的对象抽象成更高一层意义上的对象。
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5.1.2 需求分析阶段
●这一阶段是计算机人员（系统分析员）和用户双
方共同收集数据库所需要的信息内容和用户对处理 的需求。并以需求说明书的形式确定下来，作为以 后系统开发的指南和系统验证的依据。
●需求分析的工作主要由下面四步组成： 1. 分析用户活动，产生业务流程图 2. 确定系统范围，产生系统关联图 3. 分析用户活动涉及的数据，产生数据流图 4. 分析系统数据，产生数据字典
数据字典
数据结构 以“学生”为例 “学生”是该系统中的一个核心数据结构： 数据结构： 含义说明： 组成： 学生 是学籍管理子系统的主体数据结 构，定义了一个学生的有关信息 学号，姓名，性别，年龄， 所在系，年级
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数据字典
数据流“体检结果”可如下描述：
数据流： 体检结果 说明： 学生参加体格检查的最终结果 数据流来源：体检 数据流去向：批准 组成： …… 平均流量： …… 高峰期流量：……
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5.1.1 规划阶段
●规划阶段具体可分成三个步骤： （1）系统调查。对应用单位作全面的调查。发现其 存在的主要问题，并画出组织层次图，以了解企业的 组织机构。 （2）可行性分析。从技术、经济、效益、法律等诸 方面对建立数据库的可行性进行分析；然后写出可行 性分析报告；组织专家进行讨论其可行性。 （3）确定数据库系统的总目标，并对应用单位的工 作流程进行优化和制订项目开发计划。在得到决策部 门批准后，就正式进入数据库系统的开发工作。
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数据字典
(1) 数据项 数据项是数据的最小单位，其具体内容包括： 数据顶名、含义说明、别名、类型、长度、 取值范围、与其他数据项的关系。 其中，取值范围、与其他数据项的关系这两 项内容定义了完整性约束条件，是设计数据 检验功能的依据。
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数据字典
(2) 数据结构 数据结构是数据项有意义的集合。内容包括： 数据结构名、含义说明，这些内容组成数据 项名。
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5.1.6 数据库的实现(1)
●数据库实现主要包括以下工作： 1. 定义数据库结构：确定了数据库的逻辑结构与物 理结构后，就可以用所选用的DBMS提供的数据定义 语言（DDL）来严格描述数据库结构。 2. 数据装载 (1) 对于数据量不是很大的小型系统，可以用人工 方法完成数据的入库。 (2) 对于大中型系统，由于数据量极大，用人工方 式组织数据入库将会耗费大量人力物力，而且很难 保证数据的正确性，因此应该设计一个数据输入子 系统，由计算机辅助数据的入库工作。
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数据字典
数据存储“学生登记表”可如下描述：
数据存储： 学生登记表 说明： 记录学生的基本情况 流入数据流：…… 流出数据流：…… 组成： …… 数据量： 每年3000张 存取方式： 随机存取
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数据字典
处理过程“分配宿舍”可如下描述： 处理过程：分配宿舍 说明： 为所有新生分配学生宿舍 输入： 学生，宿舍， 输出： 宿舍安排 处理： 在新生报到后，为所有新生分配学 生宿舍。要求同一间宿舍只能安排 同一性别的学生，同一个学生只能 安排在一个宿舍中。每个学生的居 住面积不小于3平方米。安排新生 宿舍其处理时间应不超过15分钟。
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5.1.4 逻辑设计阶段(1)
●概念设计的结果是得到一个与DBMS无关的概 念模型。 ●而逻辑设计的目的是把概念设计阶段设计好的 概念模型转换成与选用的具体机器上的DBMS所 支持的数据模型相符合的逻辑结构（包括数据库 逻辑模型和外模型）。
●对于逻辑设计而言，应首先选择DBMS，但往 往数据库设计人员没有挑选的余地，都是在指定 的DBMS上进行逻辑结构的设计。 常用关系模式来表示逻辑设计的结果。
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5.1.3 概念设计阶段(4)
(2) 将局部概念模型综合成全局概念模型 综合各局部概念结构就可得到反映所有用户需 求的全局概念结构。在综合过程中，主要处理各局 部模式对各种对象定义的不一致问题。 (3) 评审 消除了所有冲突后，就可把全局结构提交评审。 评审分为用户评审与DBA及应用开发人员评审两部分。 概念设计中最著名的方法就是实体联系方法（ER 方法），建立ER模型，用ER图表示概念结构，得到 数据库的概念模型。
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数据字典
(5) 处理过程
处理过程的处理逻辑通常用判定表或判定树来描述， 数据字典只用来描述处理过程的说明性信息。 处理过程包括｛处理过程名，说明，输入：｛数据 流｝，输出：｛数据流｝，处理，｛简要说明｝｝。 其中，简要说明主要说明处理过程的功能及处理要 求。 功能是指该处理过程用来做什么（不是怎么做）， 处理要求指该处理频度要求，如单位时间里处理多 少事务、多少数据量、响应时间要求等，这些处理 要求是后面物理设计的输入及性能评价的标准。 最终形成的数据流图和数据字典为“需求分析说明书” 的主要内容，这是下一步进行概念设计的基础。
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数据字典
例：学生学籍管理子系统的数据字典。
数据项，以“学号”为例： 数据项： 学号 含义说明：唯一标识每个学生 别名： 学生编号 类型： 字符型 长度： 8 取值范围：00000000至99999999 取值含义：前两位标别该学生所在年级， 后六位按顺序编号 与其他数据项的逻辑关系：……
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5.1.6 数据库的实现(2)
●3. 编制与调试应用程序 应用程序设计与数据库设计平行进行。 ●4. 数据库试运行 试运行也称为联合调试，主要功能有： （1）功能调试 （2）性能测试
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5.1.7 数据库的运行与维护
●对数据库经常性的维护工作主要是由DBA 完成的。 它包括以下内容： 1. 数据库的转储和恢复 2. 数据库安全性、完整性控制 3. 数据库性能的监督、分析和改进 4. 数据库的重组织和重构造
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5.1.3 概念设计阶段(1)
●概念设计的目标是产生反映用户单位信息需 求的数据库概念结构，即概念模型。 ●概念模型具有硬件独立、软件独立的特点。
用户1 应用1 应用2 应用3
用户需求
用户2
外模型1 外模型2 外模型3
映像
用户需求
用户3
概念模型
转换
逻辑模型
映像
用户需求
综合
内模型
图1 模型间的相互关系
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数据流图
报销登记
报销人
报销单 报帐 处理
付款凭证
简单的数据流图示例
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数据字典
数据字典是对系统中数据的详细描述，是各类数 据结构和属性的清单。它与数据流图互为注释。 数据字典贯穿于数据库需求分析直到数据库运 行的全过程，在不同的阶段其内容和用途各有 区别。 在需求分析阶段，它通常包含以下五部分内容。
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数据流图
使用SA方法，任何一个系统都可抽象为 下图所示的数据流图。
数据存 储 信 息 需 求
数据来 源
数据流 处 理
数据流
数据输 出
处 理 需 求
数据流图
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数据流图：由于描绘系统的逻辑模型，主要是 有四种基本符号： 1） （ ）：数据的源点和终点。
2）
3） 4）
(
（
）：数据的加工或处理。
）：文件，即数据存储。 ：数据的流动方向,即数据流.
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5.1.4 逻辑设计阶段(2)
●逻辑设计的主要步骤有五步：
1．把概念模型转换成逻辑模型 2．设计外模型 3．设计应用程序与数据库的接口 4．评价模型 5．修正模型
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5.1.5 物理设计阶段
●对于给定的基本数据模型选取一个最适合应 用环境的物理结构的过程，称为物理设计。 ●物理设计可分五步完成，前三步涉及到物理 结构设计，后两步涉及到约束和具体的程序设 计。 ⑴ 存储记录结构设计 ⑵ 确定数据存放位置 ⑶ 存取方法的设计 ⑷ 完整性和安全性考虑 ⑸ 程序设计
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5.1.3 概念设计阶段(2)
●1．概念设计的重要性 在早期的DBD中，概念设计并不是一个独立的设计 阶段。设计依赖于具体DBMS的逻辑模型，当外界环 境发生变化时，设计结果就难以适应这个变化。 将概念设计从设计过程中独立开来，可以使DBD各 阶段的任务相对单一化，得以有效控制设计的复杂 程度，便于组织管理。 概念模型能充分反映现实世界中实体间的联系，又 是各种基本数据模型的共同基础，同时也容易向现 在普遍使用的关系模型转换。
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数据字典
(3) 数据流 数据流可以是数据项，也可以是数据结构， 它表示某一处理过程中数据在系统内传输的 路径。 内容包括：数据流名、说明、流出过程、流 入过程，这些内容组成数据项或数据结构。 其中，流出过程说明该数据流由什么过程而 来；流入过程说明该数据流到什么过程。
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数据字典