Исследование моделей систем обработки данных

Е. С. Васяева    Н. С. Васяева 

 
 

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ 

СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ 

 

Лабораторный практикум 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 

2019 

УДК 004.7(076) 
ББК 32.97я7 

В 20 

 

Рецензенты: 

технический директор ЗАО СКБ «Хроматэк» В. С. Устюгов; 

доцент кафедры проектирования и производства ЭВС ПГТУ,  

канд. техн. наук В. В. Кошкин 

 

Рекомендовано к печати  

редакционно-издательским советом ПГТУ 

 
 
 

Васяева, Е. С. 

В 20  
Исследование моделей систем обработки данных: лабора
торный практикум / Е. С. Васяева, Н. С. Васяева. ‒ Йошкар-Ола: 
Поволжский государственный технологический университет, 
2019. – 146 с. 
ISBN 978-5-8158-2045-6 

 

Рассмотрены методы построения стохастических и имитационных 

моделей вычислительных систем с целью определения характеристик вычислительных процессов и параметров основных блоков ЭВМ и ВС. Приведены необходимые сведения из теории вычислительных систем, наборы 
заданий и методические рекомендации к их выполнению, контрольные вопросы, примеры расчетов по каждой лабораторной работе. 

Для студентов направлений подготовки 09.03.01 «Информатика и 

вычислительная техника», 10.05.03 «Информационная безопасность автоматизированных систем», 27.03.04 «Управление в технических системах». 

 

УДК 004.7(076) 

ББК 32.97я7 

 

ISBN 978-5-8158-2045-6
© Васяева Е. С., Васяева Н. С., 2019
© Поволжский государственный
технологический университет, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение ........................................................................................................ 4 

Цель, порядок выполнения и защиты лабораторных работ ...................... 6 

Правила техники безопасности ................................................................... 7 

Лабораторная работа № 1.  
Определение основных параметров реализации алгоритмов на ЭВМ .... 9 

Пример расчета основных параметров реализации  
алгоритмов на ЭВМ .................................................................................... 33 

Лабораторная работа № 2.  
Определение оптимального быстродействия процессора....................... 42 

Пример расчета оптимального быстродействия процессора  
при различных режимах работы цифровых вычислительных машин ... 60 

Лабораторная работа № 3.  
Исследование стохастических сетевых моделей 
вычислительных систем ............................................................................. 66 

Пример расчета характеристик вычислительных систем  
на основе стохастических сетей ................................................................ 86 

Лабораторная работа № 4. 
 Синтез структуры вычислительных систем оперативной  
обработки данных ....................................................................................... 95 

Пример синтеза структуры вычислительной системы  
оперативной обработки данных ............................................................. 113 

Лабораторная работа № 5.  
Определение характеристик мультипроцессорных  
вычислительных систем .......................................................................... 118 

Пример расчета характеристик мультипроцессорных  
вычислительных систем .......................................................................... 135 

Заключение ............................................................................................... 140 

Список основных принятых сокращений .............................................. 141 

Словарь терминов .................................................................................... 142 

Библиографический список .................................................................... 145 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Лабораторные занятия по дисциплинам «ЭВМ и периферийные 

устройства», «Организация ЭВМ и вычислительных сетей», «Вычислительные машины, системы и сети» представляют большие возможности 
для полноценного решения задачи инженерного образования студентов. 
Усвоение теоретических знаний здесь стимулируется экспериментом, 
анализом адекватности модели исследуемым структурным решениям 
ЭВМ и вычислительных систем (ВС), учетом специфики режимов обработки данных. 

Лабораторные занятия способствуют: 
 расширению и углублению теоретических знаний студентов; 
 выработке навыков применения теоретических знаний на практике; 
 формированию навыков самостоятельной работы над научной ли
тературой и проведения экспериментальных исследований математических и имитационных моделей ЭВМ и ВС; 

 выработке умения обобщать экспериментальные факты и творче
скому подходу при инженерном проектировании ЭВМ и ВС; 

 подготовке студентов к научно-исследовательской работе (УИРС 

и НИРС). 

Тематика лабораторных работ охватывает значительную часть раз
делов курсов «ЭВМ и периферийные устройства», «Организация ЭВМ и 
вычислительных сетей», «Вычислительные машины, системы и сети», в 
частности, метрическую теорию ВС. 

Разнообразие задач и тематики лабораторных занятий позволяет ак
тивизировать познавательную деятельность студентов и использовать 
многообразие методов стимулирования эффективности усвоения комплекса знаний: учебный эксперимент, работу с книгой, обсуждение теоретических положений и применимости на практике результатов, полученных при выполнении лабораторных работ.  

В теоретической части лабораторных работ излагаются основы тео
рии построения и анализа стохастических моделей вычислительных 
систем и сетей в зависимости от решаемого класса задач. Достоинство 
стохастических сетевых моделей заключается в том, что они позволяют 
на ранних этапах проектирования ВС оценить целесообразность принятых решений и выбранных параметров компонент ВС и требуют сравнительно небольшого объема исходных данных. Знание этого материала 

позволяет студенту овладеть навыками анализа поведения исследуемых 
систем в зависимости от изменения входных параметров и расчета основных характеристик вычислительных систем и сетей. 

Данный лабораторный практикум состоит из пяти лабораторных ра
бот и подкреплен программным комплексом, в который заложены методики расчетов требуемых характеристик вычислительных систем и сетей 
согласно заданию каждой работы.  

В программный комплекс внесены примеры выполнения всех лабора
торных работ, которые также приведены в разделах «Пример расчета» в 
завершение каждой работы данного лабораторного практикума. На основе приведенных примеров студенты могут выполнять свои расчеты вручную, не используя программный комплекс. 

Материал данного издания по сравнению с предыдущим конструк
тивно переработан, внесены изменения и дополнения, исправлены некоторые неточности в формулах и опечатки. 

Лабораторный практикум предназначен для самостоятельной и 

аудиторной работы студентов и призван способствовать более глубокому овладению знаниями, а значит и более эффективной подготовке специалистов в области информатики и вычислительной техники. 

 

Лабораторная работа № 1 

6 

ЦЕЛЬ, ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ЗАЩИТЫ 

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

 

Цель лабораторного практикума – помочь студентам овладеть 

знаниями и навыками по созданию и исследованию на ЭВМ моделей 
вычислительных средств, проверки адекватности моделей исследуемым 
объектам при различных режимах работы ЭВМ и ВС, правильной интерпретации полученных результатов применительно к конкретным 
структурным решениям и заданным классам решаемых задач. 

До проведения лабораторной работы в классе ЭВМ студент должен: 
 ознакомиться с теоретическими сведениями, необходимыми для 

построения, применения и анализа моделей ЭВМ и ВС и вычислительных процессов; 

 выписать данные своего индивидуального задания, уточнить у 

преподавателя класс решаемых задач. 

Во время сеанса работы с ЭВМ следует ввести данные по своему ва
рианту, провести испытание модели и зафиксировать полученные результаты.  

После выполнения работы составляется отчет в установленной фор
ме. Содержание отчета указывается в каждой работе отдельно.  

При защите студент должен обосновать выбор исследуемой модели, 

целесообразность применения соответствующего математического аппарата и качественно объяснить полученные результаты и границы их 
применимости к структурному решению и конкретным режимам работы 
вычислительных систем. 

 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ 

 

1. Общие требования безопасности 
Опасные производственные факторы: воздействие на человека 

электрического тока, электрического поля, рентгеновского излучения, 
ультрафиолетового излучения. 

Действие факторов: вследствие неисправности кабеля, электриче
ской розетки (вилки), замыкания в цепи пользователь компьютера попадает под напряжение. 

 
2. Требования безопасности перед началом работы 
2.1. К работе на ПЭВМ допускаются только лица, прошедшие ин
структаж по правилам пользования ПЭВМ. 

2.2. Следует убедиться в отсутствии видимых повреждений аппара
туры и рабочего места. Визуально проверить исправность штепсельной 
розетки, целостность проводов питания, штепсельной вилки. 

 
3. Требования безопасности во время работы 
3.1. Необходимо соблюдать оптимальное расстояние от глаз до 

экрана монитора (60-70 см). При меньшем расстоянии глаза быстро 
утомляются. 

3.2. При работе на ПЭВМ следует сидеть прямо, с небольшим 

наклоном вперед, не сутулясь. Величина углов в суставах должна быть 
не менее 90. 

3.3. При внезапном отключении электроэнергии в сети следует вы
ключить ПЭВМ. 

3.4. Во время эксплуатации при повреждении штепсельного соеди
нения, токопроводящего кабеля, появлении дыма (огня) из ПЭВМ, обнаружении замыкания на корпус следует немедленно отключить ПЭВМ 
и доложить о поломке преподавателю или дежурному лаборанту. 

3.5. Оптимальное время непрерывной работы на ЭВМ 40-50 минут. 

По истечении этого времени необходимо сделать перерыв на 10 минут. 

3.6. Суммарное время работы за дисплеем ПЭВМ в течение рабочего 

дня не должно превышать 4 часов. 

 
4. Требования безопасности при аварийной обстановке 
4.1. Необходимо выключить ПЭВМ. 

Лабораторная работа № 1 

8 

4.2. Нельзя пользоваться ПЭВМ до полного устранения неисправно
сти. 

4.3. При получении травмы и внезапном заболевании следует немед
ленно известить преподавателя или лаборанта, который неотложно организует первую медицинскую помощь и отправит пострадавшего в 
медицинский пункт. 

 
5. Требования безопасности по окончании работы 
5.1. Необходимо выключить ПЭВМ. 
5.2. Обо всех замечаниях и недостатках в работе ПЭВМ следует со
общить преподавателю или дежурному лаборанту. 

Лабораторная работа № 1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ  

РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ НА ЭВМ 

 

Цель работы 

 

Исследование свойств алгоритмов, реализуемых на ЭВМ, и способов 

определения основных параметров машинных алгоритмов. В результате 
выполнения лабораторной работы студент получает знания об основных 
параметрах и характеристиках алгоритмов и навыки по их определению 
для различного класса задач с использованием двух основных методов 
расчёта, позволяющих получить как экстремальные, так и средние значения характеристик алгоритмов. 

 

Задание 

 

1. Изучить способы оценки основных параметров алгоритмов при их 

реализации на ЭВМ и вычислительных системах. 

2. Определить основные параметры машинных алгоритмов и сред
нюю трудоёмкость этапа счёта на основе марковской модели вычислительного процесса по варианту, указанному преподавателем. 

3. Определить среднюю, минимальную и максимальную трудоём
кость этапа счёта алгоритмов на основе сетевой модели вычислительного процесса. 

4. Провести сравнение эффективности и сложности определения 

трудоёмкости при использовании сетевой и марковской модели. 

 

Рабочее место 

 

Работы выполняются на ПЭВМ. При выполнении работы использу
ется программный комплекс для исследования моделей систем обработки данных. 

 

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

 

Процесс проектирования вычислительных систем состоит из множе
ства различных этапов, состав и содержание которых зависят от сложности систем и их функционального назначения. Примерами таких этапов могут служить: этап проектирования и оптимизации операционного 

Лабораторная работа № 1 

10 

устройства ВС; этап проектирования устройства управления ВС; этапы 
построения структурных, функциональных, принципиальных схем всей 
вычислительной системы и ее отдельных устройств и блоков и т.д.  
Несмотря на разнообразие и переменный состав этапов, процесс проектирования любой вычислительной системы включает в себя два начальных этапа, которые являются основополагающими, и от качества их 
реализации зависит эффективность проектируемой системы. 

На первом этапе определяют круг прикладных задач (класс задач), 

для решения которых собственно и разрабатывается система. Второй 
этап проектирования ВС включает анализ выбранного класса задач.  

Информация, относящаяся к задаче, разделяется на программу и 

данные, последние включают в себя исходные данные, промежуточные 
величины и конечные результаты. Данные могут храниться как в оперативной, так и во внешней памяти. Оперативная и внешняя память различаются скоростными характеристиками, ёмкостью и методами доступа к хранимой информации. Затраты времени на обращение в оперативной памяти пропорциональны количеству читаемой или записываемой 
информации. Затраты времени на обращение к внешней памяти в основном определяются временем поиска области данных и в меньшей 
степени зависят от количества передаваемой информации. Поэтому для 
уменьшения затрат времени на обмен информацией с внешней памятью 
за каждое обращение целесообразно передавать достаточно большое 
количество информации. 

Информация, которая хранится во внешней памяти, разделяется на 

файлы ‒ упорядоченные совокупности данных, обрабатываемых одним 
общим для этих данных способом. Операции обращения к внешней памяти рассматриваются обычно как операции ввода-вывода. 

В ходе анализа выбранного класса задач (второй этап проектирова
ния) определяются алгоритмы, которые должна реализовывать ВС. Одну 
и ту же задачу можно решить различными способами, используя разные 
алгоритмы. В связи с этим среди множества однотипных алгоритмов выбирают наиболее приемлемые, то есть те, при реализации которых может 
быть достигнуто максимальное быстродействие ВС. Чтобы осуществить 
этот выбор, необходимо рассчитать основные параметры алгоритмов. 
Расчёту основных параметров алгоритмов для их реализации на цифровой вычислительной системе и посвящена данная лабораторная работа. 

Лабораторная работа № 1 

11 

Далее под вычислительной системой, вычислительной машиной и ЭВМ 
следует понимать цифровую вычислительную систему. 

 

1.1.1. Основные параметры машинных алгоритмов 

 

На качество решения задач на вычислительной машине влияют ос
новные технические характеристики машины, такие как архитектура 
системы команд, адресность, разрядность, ёмкость запоминающих 
устройств, быстродействие. Эти характеристики определяются структурой вычислительной машины или системы, ее надёжностью, частотой 
поступления задач на решение и выбираются исходя из параметров алгоритмов, для реализации которых предназначается машина или система. 

Основными параметрами машинных алгоритмов являются сле
дующие величины:  

 количество операций каждого типа i, выполняемых при решении 

задач; 

 относительная частота встречаемости операций i-го типа в алго
ритме fi; 

 основная трудоёмкость а; 
 связность алгоритма S; 
 цикличность С; 
 параллельность; 
 погрешность. 
Количество операций i-го типа i (например, операций сложения, 

сдвига на один разряд и т.п.) зависит не только от программы решения 
задач (машинного алгоритма), но и от исходных данных и промежуточных результатов. Определить значения i можно либо с помощью моделирующей программы, либо с помощью ориентированного графа программы. Создание моделирующей программы затруднительно, так как 
это требует разработки алгоритма более сложного, чем алгоритм решения частной задачи. Вычисление величин i с помощью ориентированного графа значительно проще и рассматривается в данной работе. 

Зная число типов операций m, встречаемых в алгоритме, и количе
ство операций каждого типа i, можно вычислить относительную частоту встречаемости операций i-го типа в данном алгоритме