Basi di dati Progettazione di basi ... - Politecnico di...
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Basi di datiProgettazione di basi di dati
Elena BaralisPolitecnico di Torino
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2
Progettazione di basi di dati
• La progettazione di una base di dati è una delle attività del processo di sviluppo di un sistema informativo!va inquadrata nel contesto più ampio di ciclo
di vita di un sistema informativo
Basi di dati
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Ciclo di vita di un sistema informativoBasi di dati
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Studio di fattibilità
Raccolta dei requisiti e analisi
Progettazione
Prototipazione Implementazione
Validazione e testing
Funzionamento
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Ciclo di vita di un sistema informativo
Studio di fattibilità: determinazione dei costi delle diverse alternative e delle priorità di realizzazione delle componenti del sistema
Raccolta e analisi dei requisiti:definizione delle proprietà e delle funzionalità del sistema informativo– richiede interazione con l’utente– produce una descrizione completa, ma
informale del sistema da realizzare
Basi di dati
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5
Ciclo di vita di un sistema informativo
Progettazione: suddivisa in progettazione dei dati e delle applicazioni.– produce descrizioni formali
Prototipazione: realizzazione rapida di una versione semplificata del sistema per valutarne le caratteristiche. – può portare a modifica dei requisiti o
revisione del progetto
Basi di dati
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6
Ciclo di vita di un sistema informativo
Implementazione: realizzazione del sistema informativo secondo le caratteristiche definite nella fase di progettazione
Validazione e testing: verifica del corretto funzionamento e della qualità del sistema informativo
Funzionamento: operatività del sistema– richiede operazioni di gestione e
manutenzione
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Progettazione di una base di dati
• La base di dati costituisce un componente importante del sistema complessivo!metodologia di progettazione basata sui dati:
–la progettazione della base di dati precede la progettazione delle applicazioni che la utilizzano
–attenzione maggiore alla fase di progettazione rispetto alle altre fasi
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Metodologia di progettazione
• Una metodologia di progettazione consiste in– decomposizione dell’attività di progetto in
passi successivi indipendenti tra loro– strategie da seguire nei vari passi e criteri per
la scelta delle strategie– modelli di riferimento per descrivere i dati
d’ingresso e di uscita delle varie fasi
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Progettazione basata sui dati
• Per le basi di dati, metodologia basata sulla separazione delle decisioni– cosa rappresentare nella base di dati
!progettazione concettuale– come rappresentarlo
!progettazione logica e fisica
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Fasi della progettazione di basi di datiBasi di dati
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Requisiti applicazione
Progettazioneconcettuale
Progettazionelogica
Progettazionefisica
Schema concettuale
Schema logico
Schema fisico
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Progettazione concettuale
• Rappresentazione delle specifiche informali sotto forma di schema concettuale– descrizione formale e completa, che fa
riferimento ad un modello concettuale– indipendenza dagli aspetti implementativi
(modello dei dati)– obiettivo è la rappresentazione del contenuto
informativo della base di dati
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Progettazione logica
• Traduzione dello schema concettuale nello schema logico– fa riferimento al modello logico dei dati
prescelto– si usano criteri di ottimizzazione delle
operazioni da fare sui dati– qualità dello schema verificata mediante
tecniche formali (normalizzazione)
Basi di dati
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Progettazione fisica
• Specifica dei parametri fisici di memorizzazione dei dati (organizzazione dei file e degli indici)– produce un modello fisico, che dipende dal
DBMS prescelto
Basi di dati
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Il modello E-R (Entity-Relationship)
• E` il modello concettuale più diffuso• Fornisce costrutti per descrivere le specifiche
sulla struttura dei dati– in modo semplice e comprensibile– con un formalismo grafico– in modo indipendente dal modello dei dati,
che può essere scelto in seguito• Ne esistono numerose varianti
Basi di dati
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Costrutti principali del modello E-R
• Entità• Relationship• Attributi• Identificatori• Generalizzazioni e sottoinsiemi
Basi di dati
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Entità
• Rappresenta classi di oggetti del mondo reale (persone, cose, eventi, ...), che hanno– proprietà comuni– esistenza autonoma
• Esempi: dipendente, vendita, articolo• Un’occorrenza di un’entità è un oggetto della
classe che l’entità rappresenta
Basi di dati
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Nome entità
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Relationship
• Rappresenta un legame logico tra due o più entità
• Esempi: esame tra studente e corso, residenza tra persona e città
• Da non confondere con la relazione del modello relazionale– a volte tradotto con il termine associazione
Basi di dati
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Nome relationship
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Esempi di relationshipBasi di dati
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EsameStudente Corso
ResidenzaPersona Comune
Nascita
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Occorrenze di relationship• Un’occorrenza di una relationship è una n-upla
(coppia nel caso di relazione binaria) costituita da occorrenze di entità, una per ciascuna delle entità coinvolte
• Non vi possono essere n-uple identiche
Basi di dati
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s2 s3
s1
e1
c1c2
c3c4
e2
e3
e4
e5
!Non è possibile che uno studente sostenga due volte lo stesso esame
Studente Corso
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Relationship ternariaBasi di dati
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EsameStudente Corso
Tempo
• Uno studente può ripetere lo stesso esame in tempi diversi
• Esempio di istanza di esames1 c1 t1s1 c1 t2
...
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Occorrenze di relationship ternariaBasi di dati
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Studente Corsos1
e1
c1
c2
e2e3
e4
s2
t1
t2Tempo
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Relationship ricorsivaBasi di dati
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• Relationship di un’entità con se stessa• Se la relationship non è simmetrica, occorre
definire i due ruoli dell’entità
Genitore
Persona
Incrocio
Via FiglioPadre
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Attributo
• Descrive una proprietà elementare di un’entità o di una relazione
• Esempi: – cognome, nome, matricola sono attributi che
descrivono l’entità studente– voto è un attributo che descrive la relationship
esame• Ogni attributo è caratterizzato dal dominio,
l’insieme dei valori ammissibili per l’attributo
Basi di dati
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Nome attributo
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Esempi di attributiBasi di dati
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ResidenzaPersona Comune
Nascita
Nome
Cognome
Codice Fiscale
Nome
Provincia
Data Nascita
Data Trasferimento
Cognome
EsameStudente Corso
Tempo
Nome
Matricola
Data
Voto
Codice
Nome
Nome Docente
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Attributo composto
• Raggruppamento di attributi affini per significato o per uso
• Esempio
Basi di dati
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Nome attr.composto
Nome attr. 1
Nome attr. 2
Nome attr. i
Indirizzo
Via
Numero Civico
CAP
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26
Cardinalità delle relationship
• Sono specificate per ogni entità che partecipa ad una relationship
• Descrivono numero minimo e massimo di occorrenze di una relationship a cui può partecipare una occorrenza di un’entità– minimo assume i valori 0 (partecipazione
opzionale) o 1 (partecipazione obbligatoria)– massimo varia tra 1 (al più una occorrenza) e
N (numero arbitrario di occorrenze)
Basi di dati
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27
Cardinalità delle relationship
• Corrispondenza 1 a 1
Basi di dati
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RettoreProfessore Università
(0,1) (1,1)
p4
p1
r1
u1
p2
u2
p3
r2Professore Università
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28
Cardinalità delle relationship
• Corrispondenza 1 a N
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
ResidenzaPersona Comune
(1,1) (1,N)
p4
p1
r1
c1
p2
c2
p3
r2
r3
r4
Persona Comune
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29
Cardinalità delle relationship
• Corrispondenza molti a molti
Basi di dati
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Esame SuperatoStudente Corso(0,N) (0,N)
s4
s1
e1
c1
s2
c3
s3
e2
e3
e4
c2
Studente Corso
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Relationship ternariaBasi di dati
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EsameStudente Corso
Tempo
(0,N)(1,N)
(0,N)
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Osservazioni
• Le cardinalità minime raramente sono 1 per tutte le entità coinvolte in una relationship
• Le cardinalità massime di una relationship n-aria sono (praticamente) sempre N!se la partecipazione di un’entità E ha
cardinalità massima 1, è possibile eliminare la relationship n-aria e legare l’entità E con le altre mediante relationship binarie
Basi di dati
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Cardinalità di un attributo
• Può essere specificata per gli attributi di entità o relationship
• Descrive numero minimo e massimo di valori dell’attributo associati ad una occorrenza di un’entità o di una relationship– se è omessa corrisponde ad (1,1)– minima 0 corrisponde ad attributo che
ammette il valore nullo– massima N corrisponde ad attributo che può
assumere più di un valore per la stessa occorrenza (attributo multivalore)
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Cardinalità di un attributoBasi di dati
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PersonaNome
Cognome
Codice Fiscale
Titolo Studio(0,N)
Professione(0,1)
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Identificatore
• E` specificato per ogni entità• Descrive i concetti (attributi e/o entità) dello
schema che permettono di individuare in modo univoco le occorrenze delle entità– ogni entità deve avere almeno un
identificatore– può esistere più di un identificatore
appropriato per un’entità
Basi di dati
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Identificatore interno
• Semplice: costituito da un solo attributo
Basi di dati
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PersonaNome
Cognome
Codice Fiscale
• Composto: costituito da più attributi
PersonaNome
Cognome
Data Nascita
Professione
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36
Identificatore esternoBasi di dati
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• L’entità che non dispone internamente di attributi sufficienti per definire un identificatore è denominata entità debole
• L’entità debole deve partecipare con cardinalità (1,1) in ognuna delle relationship che forniscono parte dell’identificatore
Nome
Cognome IscrizioneStudente Università(1,1) (0,N)
Matricola
Nome Città
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37
Identificatore esternoBasi di dati
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• E` possibile rappresentare nello stesso ordine più linee ordine per lo stesso prodotto?
Numero
Data Ordine Prodotto
(1,1)
Descrizione
Quantità
CodiceProdotto
Linea Ordine(1,1)
(0,N)
PerIn
(0,N)Prezzo
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38
OsservazioniBasi di dati
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• Un identificatore esterno può coinvolgere un’entità a sua volta identificata esternamente!non si devono generare cicli di identificazione
• Le relationship non hanno identificatori
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39
Generalizzazione
• Descrive un collegamento logico tra un’entità E, e una o più entità E1, E2,…, En, in cui E comprende come caso particolare E1, E2,…, En
– E, detta entità padre, è una generalizzazione di E1, E2,…, En
– E1, E2,…, En , dette entità figlie, sono una specializzazione di E
Basi di dati
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E
E1 E2 En...
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40
Generalizzazione: esempioBasi di dati
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PersonaNome
Cognome
Codice Fiscale
Uomo DonnaSituazioneMilitare
Persona Uomo
Donna
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41
Generalizzazione: esempioBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
SportivoNome
Cognome
Numero Tessera
Sciatore VelistaSpecialitàRuolo
SportivoSciatore
Velista
sia sciatore, sia velistané sciatore,
né velista
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42
Generalizzazione: proprietà
• Ogni occorrenza di un’entità figlia è anche un’occorrenza dell’entità padre
• Ogni proprietà dell’entità padre (attributi, identificatori, relationship, altre generalizzazioni) è anche una proprietà di ogni entità figlia!proprietà nota come ereditarietà
• Un’entità può essere coinvolta in più generalizzazioni diverse
Basi di dati
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Generalizzazione: esempio non correttoBasi di dati
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PersonaNome
Cognome
Codice Fiscale
Uomo Donna
SituazioneMilitare (0,1)
Cognome
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Generalizzazione: proprietà
• Caratteristiche ortogonali:– generalizzazione totale se ogni occorrenza
dell’entità padre è un’occorrenza di almeno una delle entità figlie, parziale altrimenti
– esclusiva se ogni occorrenza dell’entità padre è al più un’occorrenza di una delle entità figlie, sovrapposta altrimenti
Basi di dati
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45
Generalizzazione: esempioBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
PersonaNome
Cognome
Codice Fiscale
Uomo DonnaSituazioneMilitare
Persona Uomo
Donna
(t,e)
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46
Generalizzazione: esempioBasi di dati
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SportivoSciatore
Velista
sia sciatore, sia velistané sciatore,
né velista
SportivoNome
Cognome
Numero Tessera
Sciatore VelistaSpecialitàRuolo
(p,s)
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47
Sottoinsieme
• Caso particolare di generalizzazione con una sola entità figlia– la generalizzazione è sempre parziale e
esclusiva
Basi di dati
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Dipendente
A Termine Data Fine Contratto
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Documentazione di schemi E-R
• Dizionario dei dati: permette di arricchire lo schema E-R con descrizioni in linguaggio naturale di entità, relationship ed attributi
• Vincoli d’integrità sui dati: non sempre possono essere indicati esplicitamente in uno schema E-R; possono essere descritti in linguaggio naturale
• Regole di derivazione dei dati: permettono di esplicitare che un concetto dello schema può essere ottenuto (mediante inferenza o calcolo aritmetico) da altri concetti dello schema
Basi di dati
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49
Fasi della progettazione di basi di datiBasi di dati
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Requisiti applicazione
Progettazioneconcettuale
Progettazionelogica
Progettazionefisica
Schema concettuale
Schema logico
Schema fisico
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50
Raccolta e analisi dei requisiti
Raccolta dei requisiti: individuazione di • problemi che l’applicazione dovrà risolvere • caratteristiche statiche e dinamiche
dell’applicazioneAnalisi dei requisiti: chiarimento ed organizzazione
delle specifiche
!Attività interconnesse e difficilmente standardizzabili
Basi di dati
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Fonti di requisiti
• Utenti dell’applicazione– interviste– documentazione scritta
• Documentazione esistente– normative, regolamenti interni– moduli
• Realizzazioni preesistenti– applicazioni da sostituire o con cui è
necessario interagire
Basi di dati
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Raccolta dei requisiti
• Gli utenti del sistema hanno un ruolo importante– gli utenti di alto livello hanno una visione più
generale, ma non conoscono i dettagli– utenti diversi possono fornire informazioni
diverse (complementari o contradditorie)
Basi di dati
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Raccolta dei requisiti
• Regole pratiche– effettuare verifiche di comprensione e
consistenza delle informazioni raccolte– verificare anche per mezzo di esempi
(generali e relativi a casi limite)– richiedere definizioni e classificazioni– individuare gli aspetti essenziali rispetto a
quelli marginali– procedere per raffinamenti successivi
Basi di dati
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Analisi dei requisiti
• Regole pratiche– scegliere il livello di astrazione corretto– standardizzare la struttura delle frasi– evitare frasi contorte– individuare sinonimi/omonimi e unificare i
termini– rendere esplicito il riferimento tra termini– costruire un glossario dei termini
Basi di dati
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Progettazione concettuale
• Sono state proposte varie strategie di progetto• La più efficace è una strategia ibrida
– si individuano i concetti fondamentali (entità e relazioni importanti)
– si raffina progressivamente il progetto iniziale, aggiungendo attributi, cardinalità delle relazioni, gerarchie, altre entità e relazioni
• Se il problema è molto complesso, può essere suddiviso in sottoproblemi, risolti separatamente ed integrati in seguito
Basi di dati
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Progettazione concettuale: criteri generali
• Se un concetto ha proprietà significative o de-scrive classi di oggetti con esistenza autonoma!entità
• Se un concetto ha struttura semplice e non possiede proprietà rilevanti!attributo (eventualmente multivalore)
• Se due o più concetti sono correlati!relationship
• Se un concetto è caso particolare di un altro!gerarchia
Basi di dati
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Qualità di uno schema concettuale
Correttezza: uso appropriato dei costrutti del modello!verificare errori sintattici e semantici
Completezza: rappresentazione di tutti i concetti di interesse
LeggibilitàMinimalità: tutte le specifiche sono rappresentate
una volta sola nello schema!verifica e documentazione di eventuali
ridondanze
Basi di dati
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Esempio di progettazione
Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale.
Per ogni madre si conosce il nome, l’età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno).
Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il perso-nale è suddiviso in medici, ostetriche e infermie-re. I medici possono essere ginecologi o pediatri.
Basi di dati
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59
Esempio di progettazione
Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate).
Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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60
Esempio di progettazione
• Analisi del testo volta ad individuare i concetti più importanti!le entità principali del diagramma E-R!eventuali collegamenti tra entità
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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61
Esempio di progettazione
Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale.
Per ogni madre si conosce il nome, l’età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno).
Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il perso-nale è suddiviso in medici, ostetriche e infermie-re. I medici possono essere ginecologi o pediatri.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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62
Esempio di progettazione
Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate).
Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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63
Esempio di progettazione
• Concetti principali– paziente (mamma, neonato)– membro del personale (medico, …)– turno
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
Turno
Paziente Personale
DiTurno
Assiste
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Esempio di progettazione
• Raffinamento dei concetti – introduzione delle gerarchie– definizione degli attributi– caratterizzazione delle relazioni mediante la
cardinalità
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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Esempio di progettazione
Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale.
Per ogni madre si conosce il nome, l’età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno).
Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il perso-nale è suddiviso in medici, ostetriche e infermie-re. I medici possono essere ginecologi o pediatri.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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Esempio di progettazioneBasi di dati
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Medico Ostetrica Infermiera
Paziente
Madre Neonato
(t,e)
(t,e)
Personale
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Esempio di progettazione
Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale.
Per ogni madre si conosce il nome, l’età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno).
Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il perso-nale è suddiviso in medici, ostetriche e infermie-re. I medici possono essere ginecologi o pediatri.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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68
Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
Medico Ostetrica Infermiera
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(t,e)
(t,e)
PersonaleNumStanza
(0,1)
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Esempio di progettazione
Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale.
Per ogni madre si conosce il nome, l’età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno).
Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il perso-nale è suddiviso in medici, ostetriche e infermie-re. I medici possono essere ginecologi o pediatri.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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70
Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
Medico Ostetrica Infermiera
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(t,e)
(t,e)Specializz.
Personale
Matricola Nome
NumStanza
(0,1)
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71
Esempio di progettazione
Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate).
Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
Medico Ostetrica Infermiera
Turno
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(t,e)
(t,e)Specializz.
Personale
Matricola Nome
OraInizio
OraFine
Data
CodT
DiTurnoNumStanza
(0,1)
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Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
StanzaInclude
Medico Ostetrica Infermiera
Turno
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(t,e)
(t,e)Specializz.
In Personale
Matricola Nome
Numero
OraInizio
OraFine
Data
CodT
DiTurno
(0,1)
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Esempio di progettazione
Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate).
Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto.
Basi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
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Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
StanzaInclude
Medico Ostetrica Infermiera
Turno
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(t,e)
(t,e)Specializz.
In
Assiste Cura
Personale
Matricola Nome
Numero
OraInizio
OraFine
Data
CodT
DiTurno
(0,1)
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Esempio di progettazioneBasi di dati
Modello E-R -Elena BaralisPolitecnico di Torino
StanzaInclude
Medico Ostetrica Infermiera
Turno
Nascita
Nome
PazienteLetto
Malattia(0,N)
Madre
DataNascita
TipoParto
Neonato
Dieta
(0,N) (1,1)
(t,e)
(t,e)Specializz.
(0,N)(0,N)
(0,1)
(0,N)
(1,1)
(0,N)
In
Assiste Cura
Personale
Matricola Nome
Numero
OraInizio
OraFine
Data
CodT
DiTurno(0,N)
(1,N)
(1,N) (1,N)
(0,1)