第1章
设计数据库
■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
数据库的发展历史和数据库的基本概念。 需求分析。 概念模型设计。 逻辑模型设计。 物理模型设计。
数据库的实现、运行和维护。 SQL Server 2012数据库管理系统。
■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
掌握数据库的基本概念和数据库的发展历史。 了解需求分析的任务和方法。 掌握概念模型的概念和设计方法。 掌握逻辑模型的概念和设计方法。 了解物理模型的概念和设计方法。 了解数据库的实现、运行和维护的内容。
熟悉SQL Server 2012数据库管理系统的功能和组成部分。
1.1 工作场景导入
【工作场景】
为了提高教务管理工作水平，达到学校日常管理工作信息化、智能化的要求，教务处要求信息管理员小孙创建一个学生成绩管理系统。学生成绩管理系统所涉及的信息包括校内所有的系、班级、学生、课程和学生成绩。
学生成绩管理系统的具体实施步骤分成两步。
第一步，创建一个学生成绩数据库，将系统所有的信息存储在数据库中。
第二步，以学生成绩数据库为基础创建学生成绩管理系统，通过Windows应用程序或浏览器来完成系统信息的修改和查询。
【引导问题】
(1) 什么是数据库？数据库的发展历史是怎样的？ (2) 怎样完成需求分析？ (3) 怎样完成概念模型设计？ (4) 怎样完成逻辑模型设计？ (5) 怎样完成物理模型设计？
(6) 怎样完成数据库的实施、运行和维护？ (7) 什么是SQL Server 2012？
1.2 数据库概述
1.2.1 数据库的基本概念
数据是描述事物的符号记录。数据包括文字、图形、图像、声音等。
数据库(Database，DB)是一个长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的、统一管理的数据集合。数据库中的数据是按照一定的数据模型组织、描述和存储的，有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性。
数据库管理系统(Database Management System，DBMS)是使用和管理数据库的系统软件，负责对数据库进行统一的管理和控制。所有对数据库的操作都交由数据库管理系统完成，这使得数据库的安全性和完整性得以保证。
数据库管理员(Database Administrator，DBA)是专门负责管理和维护数据库服务器的人。通常，数据库管理员的工作职责包括安装和升级数据库服务器及应用程序工具，编制数据库设计系统存储方案并制订未来的存储需求计划，根据应用来创建和修改数据库，管理和监控数据库的用户，监控和优化数据库的性能，制订数据库备份计划，定期进行数据库备
份，在灾难出现时对数据库信息进行恢复等。在实际工作中，可能一个数据库有一个或多个数据库管理员，也可能一个数据库管理员同时负责系统中的多项工作。
数据库系统(Database System，DBS)是由数据库及其相关应用软件、支撑环境和使用人员所组成的系统，专门用于完成特定的业务信息处理。数据库系统通常由数据库、数据库管理系统、数据库管理员、用户和应用程序组成。
1.2.2 数据库的发展历史
数据库的发展大致可划分为以下几个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。
(1) 人工管理阶段。20世纪50年代中期之前，计算机刚刚出现，主要用于科学计算。硬件存储设备只有磁带、卡片和纸带；软件方面还没有操作系统，没有专门管理数据的软件。因此，程序员在程序中不仅要规定数据的逻辑结构，还要设计其物理结构，包括存储结构、存取方法、输入/输出方式等。数据的组织单纯面向该应用，不同的计算程序之间不能共享数据，使得不同的应用之间存在大量的重复数据，数据与程序不独立。数据是通过批处理方式进行处理的，处理结果不保存，难以重复使用。
(2) 文件系统阶段。20世纪50年代中期到60年代中期，随着计算机大容量存储设备(如硬盘)和操作系统的出现，数据管理进入文件系统阶段。在文件系统阶段，数据以文件为单位存储在外存，且由操作系统统一管理。用户通过操作系统的界面管理数据文件。文件的逻辑结构与物理结构相对独立，程序和数据分离。用户的程序与数据可分别存放在外存储器上，各个应用程序可以共享一组数据，通过文件来进行数据共享。但是，数据在文件中的组织方式仍然是由程序决定的，因此必然存在相当大的数据冗余。数据的逻辑结构和应用程序相关联，一方修改，必然导致另一方也要随之修改。简单的数据文件不能体现现实世界中数据之间的联系，只能交由应用程序来进行处理，缺乏独立性。
(3) 数据库系统阶段。20世纪60年代后，随着计算机在数据管理领域的普遍应用，数据管理开始运用数据库技术，进入了数据库系统阶段。数据库技术以数据为中心组织数据，采用一定的数据模型。数据模型不仅体现数据本身的特征，而且体现数据之间的联系。形成的数据库数据冗余小，易修改，易扩充，便于共享，程序和数据有较高的独立性。不同的应用程序对数据库的操作均由数据库管理系统统一执行，这就保证了数据的安全性、完整性，可有效地完成并发管理。
1.2.3 数据库系统的结构
数据库系统通常采用3级模式结构，即数据库系统由模式、外模式和内模式3级组成。 ? 模式。模式也称逻辑模式，表示数据库中全体数据的逻辑结构、数据之间的联系、
安全性和完整性要求，是完整的数据视图。模式所描述的逻辑结构包含整个数据库。
? 外模式。外模式也称子模式或者用户模式，表示数据库用户能够使用的部分数据
的逻辑结构和特征，是用户的数据视图。外模式面向用户，用于描述用户所关心
的数据。
? 内模式。内模式也称存储模式，表示数据库中数据的物理结构和存储结构。内模
式描述了数据库在物理存储设备上的存储方式。
外模式可以有多个，而模式只有一个。每个外模式和模式之间存在外模式与模式映像，是外模式和模式之间的对应关系。当模式改变时，外模式与模式的映像随之改变，使得外模式保持不变，使用外模式的应用程序也保持不变，保证了数据的逻辑独立性。逻辑独立性将数据库的结构与应用程序相分离，减少了修改应用程序的工作量。
内模式和模式一样，只有一个。模式和内模式之间存在模式与内模式映像，是模式和内模式之间的对应关系。当内模式改变时，模式与内模式的映像随之改变，使得模式保持不变，保证了数据的物理独立性。
1.3 需求分析
自数据库系统阶段至今，人们将软件工程的理论应用于数据库设计，形成了一个完整的数据库设计实施方法，整个过程包括需求分析、概念模型设计、逻辑模型设计、物理模型设计及数据库实现、运行和维护5个阶段。
1.3.1 需求分析的任务
需求分析的内容是充分调查研究，收集基础数据，了解系统运行环境，明确用户需求，确定新系统的功能，最终得到系统需求分析说明书，作为设计数据库的依据。
需求分析所调查的重点是数据和处理，以获得用户对数据库的以下要求：用户需要从数据库中获得信息的内容与性质；用户要完成什么处理功能，对处理的响应时间有什么要求；安全性和数据完整性要求；企业的环境特征，包括企业的规模与结构、部门的地理分布、主管部门对机构的规定与要求、对系统费用与利益的限制及未来系统的发展方向。
1.3.2 需求分析的方法
在做需求分析时，首先要了解用户单位的组织机构组成，然后调查用户单位的日常业务活动流程。在此基础上，明确用户的信息需求和系统概念需求，明确用户对系统的性能和成本的要求，确认数据项，产生系统需求说明书。需求分析的调查方法包括跟班作业、开调查会、请专人调查、发放用户调查表和查阅原系统有关记录。
1.3.3 需求分析的成果
需求分析生成的结果包括数据字典、数据流图、判定表、判定树等。
(1) 数据字典是系统中所有数据及其处理的描述信息的集合。数据字典由数据项、数据结构、数据流、数据存储及处理过程组成。
(2) 数据流图是结构化分析方法中使用的图形化工具，描绘数据在系统中流动和处理的
第1章 设计数据库
