Thiết kế phần mềm là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Thiết kế phần mềm là quá trình xác định cấu trúc và hành vi hệ thống nhằm chuyển đổi yêu cầu thành giải pháp kỹ thuật có thể triển khai được. Nó bao gồm việc lựa chọn kiến trúc, mô hình, phương pháp và nguyên lý để đảm bảo phần mềm có khả năng mở rộng, bảo trì và vận hành hiệu quả.

Định nghĩa thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm là quá trình xác định cấu trúc và hành vi của một hệ thống phần mềm nhằm đáp ứng các yêu cầu chức năng và phi chức năng. Nó là cầu nối giữa giai đoạn phân tích yêu cầu và quá trình lập trình, giúp chuyển đổi đặc tả thành giải pháp kỹ thuật cụ thể. Thiết kế phần mềm không chỉ bao gồm định nghĩa về cấu trúc hệ thống mà còn liên quan đến các quyết định về kiến trúc, giao diện, mô-đun, và luồng dữ liệu.

Thiết kế phần mềm được coi là một nghệ thuật kỹ thuật, nơi các kỹ sư cần cân nhắc giữa độ phức tạp, hiệu suất, khả năng bảo trì và chi phí. Quá trình thiết kế thành công thường sử dụng cả nguyên lý thiết kế và mẫu thiết kế (design patterns) để tạo ra hệ thống có tính mở rộng và chống chịu tốt với thay đổi. Thiết kế không tốt thường dẫn đến phần mềm khó phát triển thêm, dễ lỗi và tốn kém về lâu dài.

Nguồn: IBM - Design Management

Các cấp độ thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm diễn ra ở nhiều tầng trừu tượng, được chia thành ba cấp độ chính: thiết kế kiến trúc (architectural design), thiết kế mức cao (high-level design) và thiết kế chi tiết (low-level design). Mỗi cấp độ giải quyết một mặt khác nhau của hệ thống, từ cái nhìn tổng quan đến chi tiết thực thi.

Bảng phân biệt các cấp độ thiết kế:

Cấp độ Phạm vi Đối tượng chính
Kiến trúc Toàn hệ thống Thành phần, giao tiếp, luồng chính
Mức cao Nhóm mô-đun API, lớp, tương tác logic
Chi tiết Bên trong mô-đun Thuật toán, cấu trúc dữ liệu

Thiết kế tầng cao ảnh hưởng đến khả năng phân chia công việc, còn thiết kế chi tiết quyết định hiệu suất xử lý. Việc đồng bộ giữa các cấp độ thiết kế giúp tránh xung đột và giảm rủi ro kỹ thuật.

Nguồn: GeeksForGeeks - Software Design Process

Nguyên lý thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm tốt đòi hỏi tuân thủ nhiều nguyên lý cơ bản nhằm đảm bảo chất lượng, dễ bảo trì và khả năng tái sử dụng. Một số nguyên lý thiết kế phổ biến bao gồm: phân tách mối quan tâm (separation of concerns), ít phụ thuộc (low coupling), tính kết dính cao (high cohesion), và đơn nhiệm vụ (single responsibility).

Các nguyên lý thiết kế hướng đối tượng nổi bật thường được gộp lại trong bộ nguyên lý SOLID:

  • S: Single Responsibility Principle
  • O: Open/Closed Principle
  • L: Liskov Substitution Principle
  • I: Interface Segregation Principle
  • D: Dependency Inversion Principle
Áp dụng đúng các nguyên lý trên giúp hệ thống dễ thay đổi, mở rộng và có cấu trúc rõ ràng. Đây cũng là nền tảng cho việc sử dụng mẫu thiết kế trong giai đoạn triển khai.

Nguồn: Refactoring Guru - Design Principles

Phương pháp thiết kế phần mềm

Thiết kế phần mềm có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau tùy theo đặc điểm dự án và yêu cầu nghiệp vụ. Các phương pháp phổ biến bao gồm thiết kế hướng đối tượng (Object-Oriented Design - OOD), thiết kế chức năng (Functional Design), thiết kế hướng dữ liệu (Data-Centric Design) và thiết kế theo miền (Domain-Driven Design - DDD).

Bảng so sánh một số phương pháp tiêu biểu:

Phương pháp Trọng tâm Ưu điểm Hạn chế
OOD Lớp, đối tượng Dễ mở rộng, dễ hiểu Phức tạp khi hệ thống lớn
Functional Hàm thuần, không trạng thái Dễ kiểm thử, ít lỗi Khó bảo trì nếu quá nhiều phụ thuộc
DDD Mô hình nghiệp vụ Sát thực tế, dễ tái cấu trúc Yêu cầu hiểu sâu domain

Việc chọn đúng phương pháp là yếu tố chiến lược, ảnh hưởng đến cách tổ chức mã nguồn và quy trình phát triển phần mềm sau này. Nguồn: Martin Fowler - Design Topics

Mô hình thiết kế phần mềm

Mô hình thiết kế phần mềm là cách tổ chức kiến trúc hệ thống theo những nguyên tắc định sẵn nhằm tăng khả năng mở rộng, bảo trì và tái sử dụng. Các mô hình phổ biến bao gồm: MVC (Model-View-Controller), MVVM (Model-View-ViewModel), Microservices, Client-Server, Layered Architecture.

Mỗi mô hình có ưu điểm và hạn chế riêng tùy theo loại ứng dụng và quy mô hệ thống. Ví dụ, mô hình Microservices phù hợp cho các hệ thống phân tán lớn, trong khi MVC được ứng dụng rộng rãi trong phát triển web.

Bảng so sánh một số mô hình:

Mô hình Đặc điểm Ưu điểm Hạn chế
MVC Phân tách giao diện và logic Dễ bảo trì, kiểm thử Khó kiểm soát dữ liệu động
Microservices Thành phần độc lập Triển khai riêng biệt, mở rộng linh hoạt Phức tạp về giao tiếp và bảo mật
Layered Chia tầng: UI, logic, dữ liệu Dễ tách biệt chức năng Hiệu suất thấp nếu tầng phụ thuộc sâu
Nguồn: Microsoft - MVC Overview

Biểu đồ và công cụ thiết kế

Để hỗ trợ quá trình thiết kế phần mềm, các kỹ sư thường sử dụng các sơ đồ trực quan giúp truyền đạt cấu trúc và hành vi hệ thống. Ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) là chuẩn phổ biến nhất, bao gồm các loại sơ đồ như: sơ đồ lớp, sơ đồ trình tự, sơ đồ thành phần, sơ đồ trạng thái.

Ngoài UML, sơ đồ luồng dữ liệu (DFD), sơ đồ ERD (Entity-Relationship Diagram) cũng thường dùng để biểu diễn cơ sở dữ liệu và hệ thống xử lý dữ liệu. Các công cụ hỗ trợ thiết kế đi kèm gồm:

  • Draw.io, Lucidchart: Dễ sử dụng, trực tuyến
  • StarUML, Enterprise Architect: Hỗ trợ đầy đủ UML
  • PlantUML: Tạo biểu đồ bằng mã văn bản

Sử dụng sơ đồ đúng cách giúp giảm hiểu sai yêu cầu, tạo cơ sở thống nhất giữa các thành viên trong nhóm phát triển. Nguồn: UML Diagrams Resource

Thiết kế hướng kiến trúc và thiết kế chi tiết

Thiết kế kiến trúc (architectural design) tập trung vào cấu trúc tổng thể của hệ thống, xác định thành phần chính, cách thức các phần tương tác và các chuẩn giao tiếp giữa chúng. Mục tiêu là đảm bảo hệ thống có khả năng mở rộng, phân tán và dễ tích hợp.

Trong khi đó, thiết kế chi tiết (detailed design) đi sâu vào bên trong mỗi mô-đun, mô tả cấu trúc dữ liệu, thuật toán và luồng xử lý. Đây là giai đoạn chuẩn bị để các lập trình viên có thể viết mã theo đặc tả rõ ràng.

Mối quan hệ giữa hai loại thiết kế này là tương hỗ: kiến trúc vững chắc tạo điều kiện cho chi tiết ổn định; chi tiết tốt giúp hiện thực kiến trúc hiệu quả. Việc phối hợp chặt chẽ giúp giảm xung đột logic và kỹ thuật trong triển khai. Nguồn: SEI - Software Architecture

Tác động của thiết kế đến chất lượng phần mềm

Chất lượng phần mềm chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chất lượng thiết kế. Một thiết kế hợp lý giúp hệ thống hoạt động ổn định, dễ nâng cấp, kiểm thử và giảm thiểu lỗi. Ngược lại, thiết kế tệ dẫn đến nợ kỹ thuật, làm tăng chi phí bảo trì, thời gian phát triển và rủi ro vận hành.

Các yếu tố chất lượng bị ảnh hưởng bởi thiết kế bao gồm:

  • Hiệu năng: Do quyết định thuật toán và cấu trúc dữ liệu
  • Bảo trì: Phụ thuộc vào mức độ phân tách mô-đun
  • Bảo mật: Thiết kế lỗ hổng sẽ mở ra tấn công
  • Khả năng kiểm thử: Thiết kế tốt dễ áp dụng kiểm thử tự động

Một số công cụ hỗ trợ đánh giá thiết kế phần mềm:

  • SonarQube: Đánh giá chất lượng mã nguồn
  • Code Climate: Phân tích độ phức tạp
  • Structure101: Phân tích phụ thuộc kiến trúc
Nguồn: IEEE - Quality of Software Design

Thiết kế phần mềm trong phát triển hiện đại (Agile, DevOps)

Trong các mô hình phát triển hiện đại như Agile và DevOps, thiết kế phần mềm không còn là bước riêng biệt đầu dự án mà trở thành quá trình liên tục. Thiết kế phải linh hoạt, thích nghi nhanh với yêu cầu thay đổi và được điều chỉnh trong mỗi vòng lặp phát triển.

Khái niệm "evolutionary design" mô tả việc xây dựng hệ thống theo hướng mở, từng bước hoàn thiện kiến trúc khi có thêm hiểu biết. Các kỹ thuật như TDD (Test-Driven Development), Refactoring và CI/CD giúp duy trì chất lượng thiết kế khi thay đổi liên tục.

Trong DevOps, thiết kế còn bao gồm cả khía cạnh triển khai, như cấu trúc hạ tầng, logging, giám sát và bảo mật. Một thiết kế hiện đại cần tính đến yếu tố vận hành (run-time) ngay từ lúc thiết kế logic hệ thống. Nguồn: Martin Fowler - Evolutionary Design

Tài liệu tham khảo

  1. IBM - Design Management
  2. GeeksForGeeks - Software Design Process
  3. Refactoring Guru - Design Principles
  4. Martin Fowler - Design Topics
  5. Microsoft - MVC Overview
  6. UML Diagrams Resource
  7. SEI - Software Architecture
  8. IEEE - Quality of Software Design
  9. Martin Fowler - Evolutionary Design

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề thiết kế phần mềm:

Một phương pháp tiếp cận hệ thống mờ Takagi-Sugeno mới thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái mờ và ứng dụng của nó trong việc lan truyền phần mềm độc hại trên mạng phức hợp không đồng nhất
Tạp chí Khoa học - Công nghệ trong lĩnh vực An toàn thông tin - - Trang 43-53 - 2023
Tóm tắt— Ngày nay, chuyển đổi số đã mang đến những thay đổi tích cực và đang trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống của chúng ta, tuy nhiên, quá trình chuyển đổi số cũng đặt ra những mối đe dọa lớn về nguy cơ gây mất an toàn thông tin đối với các doanh nghiệp. Thực tế, càng nhiều doanh nghiệp thực hiện chuyển đổi số hoặc sử dụng các dịch vụ trực tuyến thì các tin tặc càng có nhiều cơ hội để ...... hiện toàn bộ
#Fractional network-based model #SCIRS malware propagation model #interconnected Takagi-Sugeno fuzzy system #fuzzy state feedback control
Việc Sử Dụng Công Nghệ Cá Nhân Hóa Của Trẻ Nhỏ: Những Điều Nhận Thức Từ Giáo Viên Và Nhà Thiết Kế Phần Mềm Kỹ Thuật Số Tại Nhật Bản Dịch bởi AI
Technology, Knowledge and Learning - Tập 26 Số 3 - Trang 535-554 - 2021
Tóm tắtNhiều công nghệ thông minh cung cấp những trải nghiệm cá nhân hóa, chẳng hạn như khả năng cho trẻ em ghi âm giọng nói của mình, thêm hình ảnh hoặc hình vẽ của riêng chúng vào những câu chuyện kỹ thuật số, tùy chỉnh hình đại diện của chúng hoặc điều chỉnh cài đặt hiển thị theo nhu cầu của chúng. Nghiên cứu này khảo sát quan điểm của giáo viên và nhà thiết kế ...... hiện toàn bộ
Phân tích lực và ứng suất tại các điểm liên kết của thiết bị nâng mini bằng phần mềm ADAMS/View và inventor
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 65-69 - 2019
Khớp quay, bạc đỡ, con lăn, các tai của các khung nối,… là các chi tiết kết nối các thanh lại với nhau và chịu tác dụng của tải trọng có thể đều hoặc không đều. Việc xây dựng bài toán tính toán sức bền kết hợp với mô phỏng việc phân bố các ứng suất trong việc sử dụng tải trọng cho phép là một yếu tố cần thiết và mang tính thiết thực trong suốt thời gian hoạt động. Trên cơ sở xây dựng lý thuyết tín...... hiện toàn bộ
#Thiết bị nâng mini #phân bố ứng suất #các điểm liên kết. #phương pháp tách nút #tính toán sức bền
Nghiên cứu công nghệ thiết kế ngược để chế tạo các chi tiết có biên dạng đặc biệt
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 75-79 - 2016
Thiết kế và chế tạo theo phương pháp truyền thống là xuất phát từ nhu cầu tới ý tưởng, từ đó phác thảo bản vẽ sau đó gia công thử nghiệm và kiểm tra, đây là quy trình thiết kế thuận. Quy trình thiết kế thuận phù hợp đối với chi tiết hoàn toàn mới. Còn đối với việc thiết kế lại chi tiết đã có sẵn có độ phức tạp thì thiết kế thuận tốn nhiều thời gian với độ chính xác không cao. Để khắc phục hạn chế ...... hiện toàn bộ
#Thiết kế ngược #thiết kế ngược chi tiết có biên dạng phức tạp #ứng dụng CAD/CAM trong thiết kế ngược #quy trình thiết kế ngược #phần mềm thiết kế ngược
Tối ưu kích thước các thành viên của cấu trúc khung bằng thiết kế trực tiếp và thuật toán tiến hóa phân biệt tự thích nghi Dịch bởi AI
Vietnam Journal of Science, Technology and Engineering - Tập 63 Số 2 - Trang 39-44 - 2021
Thiết kế trực tiếp bằng phân tích phi tuyến không đàn hồi gần đây đã được cho phép cho thiết kế cấu trúc vì phương pháp này có thể dự đoán trực tiếp hành vi của cấu trúc dưới dạng tổng thể, từ đó loại bỏ các kiểm tra khả năng chịu lực cho từng thành viên cấu trúc riêng lẻ. Tuy nhiên, việc sử dụng thiết kế trực tiếp thường đi kèm với nỗ lực tính toán quá mức, đặc biệt đối với các vấn đề thiết kế cấ...... hiện toàn bộ
#differential evolution #direct design #nonlinear inelastic analysis #optimization #truss
Thiết kế và mô phỏng mảng anten vi dải bằng phần mềm HFSS ứng dụng cho ở tần số 2.45GHz
Journal of Technical Education Science - Số 65 - 2021
Bài báo này đã nghiên cứu về mảng anten vi dải ứng dụng cho hoạt động ở tần số 2.45GHz. Trong bài báo này, các cơ sở lý thuyết cũng như các công thức về về anten vi dãy được tác giả vận dụng để tính toán, thiết kế một anten vi dải. Sau đó, tác giả đã thiết kết mảng vi dải hai phần tử và bốn phân tử với phương pháp cấp nguồn song song. Phần mềm HFSS v13 được sử dụng để đánh giá các thông số của ant...... hiện toàn bộ
#array antennas #patch antenna #radiation pattern #gain #HFSS
Ứng dụng phần mềm MathCAD để xác định các đặc trưng động học và mô phỏng chuyển động cho cơ cấu dạng thanh truyền
Tạp chí Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp - Tập 2 Số 1 - Trang 419-426 - 2018
Bài báo sử dụng phương pháp mới để xác định các đặc trưng động học của hệ cơ cấu thanh truyền. Để xác định được các đặc trưng này, chúng ta có thể sử dụng những phương pháp truyền thống như: phương pháp giải tích, phương pháp đồ thị giải tích, phương pháp họa đồ vectơ. Ở bài báo này, nhóm tác giả đề xuất việc ứng dụng phần mềm MathCAD nhằm đơn giản hóa việc phân tích động học, ...... hiện toàn bộ
#Cơ cấu thanh truyền #đặc tính động học #MathCAD #mô phỏng #thiết kế #Bar linkage mechanism #kinetic characteristics #design #simulation #CAD
Thiết kế phần mềm tính toán nội lực khung phẳng theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng ngôn ngữ lập trình Matlab và ứng dụng Matlab GUI
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 54-58 - 2022
Tính toán nội lực của kết cấu dạng khung là bài toán thường gặp trong lĩnh vực xây dựng. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab và ứng dụng của Matlab GUI trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng phần mềm tính toán nội lực khung phẳng. Phương trình phần tử được xây dựng theo lý thuyết biến dạng cắt bậc cao và nguyên lý công ảo. Ảnh hưởng của biến dạng ...... hiện toàn bộ
#Nội lực kết cấu khung #phương pháp phần tử hữu hạn #GUI Matlab #cơ học kết cấu
Nghiên cứu thiết kế phần mềm hỗ trợ ôn tập phần phân số (Toán 4) theo phương pháp chương trình hóa
Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh - Tập 0 Số 59 - Trang 97 - 2019
800x600 Phương pháp (PP) chương trình hóa (CTH) giúp từng cá nhân học sinh (HS) có thể tiếp thu kiến thức với lượng thời gian khác nhau cũng như theo các diễn tiến khác tùy vào kiến thức có sẵn và khả năng, tốc độ học tập của riêng mình, qua đó các em có ...... hiện toàn bộ
#phương pháp chương trình hóa #liều kiến thức #phần mềm
Thiết kế các ngôn ngữ mô tả và xây dựng cơ sở tri thức cho các phần mềm trợ giúp giải bài toán hình học
Journal of Computer Science and Cybernetics - Tập 12 Số 2 - Trang 30--40 - 2016
Our purpose is to present some fundamental principles for  designing an interface language FCL and  three languages SCL, CDL and LDL and their impact on the development of an ITS for figure correctness verification and geometry problem proof. Besides, LDL predicates are used for expressing almost geometry theorems and  properties in  a knowledge base over which an ITS makes inference. Some experim...... hiện toàn bộ
Tổng số: 50   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Chủ đề khác

#biến đổi thời gian

Biến đổi thời gian là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#cải thiện đất

Cải thiện đất là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#u thần kinh

U thần kinh là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#chụp nhũ ảnh

Chụp nhũ ảnh là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#tăng tốc

Tăng tốc là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#chức năng tình dục

Chức năng tình dục là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#bền bỉ

Bền bỉ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#điểm đến du lịch thông minh

Điểm đến du lịch thông minh là gì? Các nghiên cứu khoa học

#khung

Khung là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#phương pháp luận

Phương pháp luận là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan


Xem thêm