Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://lvk.cs.msu.su/~bahmurov/course_simulation/2015/umk.doc Дата изменения: Tue May 19 11:47:24 2015 Дата индексирования: Sat Apr 9 23:07:37 2016 Кодировка: koi8-r

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
Факультет вычислительной математики и кибернетики
Кафедра автоматизации систем вычислительных комплексов

Учебно-методический комплекс
«Имитационное моделирование в исследовании и разработке информационных
систем»

Направление подготовки
010400 «Прикладная математика и информатика»
Интегрированный магистр

Профиль подготовки
Системное программирование и компьютерные науки

Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр

Форма обучения
очная

Автор
к.ф.-м.н. А.Г. Бахмуров


Одобрено на заседании кафедры автоматизации систем вычислительных
комплексов
«____» _____________ 201_ г.
Заведующий кафедрой ________________________________________ /Л.Н.
Королёв/


Утверждено на Ученом совете факультета ВМК МГУ
«____» _____________ 201_ г. Протокол ?__________
Ученый секретарь совета факультета ВМК _______________________ /Е.А.
Григорьев/


Одобрено УМО «____» _____________ 201_ г.
____________________________________________________________ /
____________ /






Москва, 2014


1. Область применения и нормативные ссылки

Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает основные требования к
знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и
отчётности.

Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, и
студентов направления подготовки 010400 Прикладная математика и
информатика, изучающих дисциплину «Имитационное моделирование в
исследовании и разработке информационных систем».

Программа разработана в соответствии с
. Федеральным государственным образовательным стандартом высшего
профессионального образования по направлению подготовки, утвержденному
приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от "8"
декабря 2009 г. ? 712,
. образовательным стандартом МГУ,
. образовательной программой направления 010400 Прикладная математика и
информатика.

Объём учебной нагрузки и виды отчётности:

|Лекции | __36__ часов |
|Практические занятия | __36 __ часов |
|Лабораторные работы | __-___ часов |
|Индивидуальные занятия с преподавателем | __-___ часов |
|Самостоятельные занятия | __36__ часов |
|ВСЕГО | 3,0 зач. ед., 108 |
| |часов |
|Итоговая аттестация |Экзамен, 5 семестр |


2. Цели освоения дисциплины

Целью дисциплины является изучение:
. метода имитационного моделирования;
. основных возможностей распространённых систем имитационного
моделирования, применяемых для исследования информационных систем;
. роли имитационного моделирования в исследовании и разработке
информационных систем.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины



В результате освоения дисциплины студент должен:

- знать основные проблемы, возникающие при разработке информационных
систем, в том числе проблемы анализа производительности;

- знать основные понятия, принципы построения имитационных моделей;

- уметь разрабатывать имитационные модели информационных систем на
уровне крупных компонентов;

- уметь проводить эксперименты с имитационными моделями, выполнять
простейшую статистическую обработку результатов имитационных
экспериментов со случайными исходными данными;

- знать особенности основных уровней моделирования и проектирования
аппаратных средств информационных систем;

- понимать взаимосвязь современных процессов разработки и моделирования
информационных систем.



Освоение дисциплины соответствует формированию следующих компетенций по
направлению подготовки «010400.68 - Прикладная математика и информатика»:

|? |Компетенции |Код |
|п/п| | |
|1 |владение методологией научных исследований в профессиональной |ОНК-4 |
| |области | |
|2 |владение фундаментальными разделами математики и информатики, |ОНК-6 |
| |необходимыми для решения научно-исследовательских и | |
| |практических задач в профессиональной области | |
|3 |способность использовать современную вычислительную технику и |ИК-4 |
| |специализированное программное обеспечение в | |
| |научно-исследовательской работе | |
|4 |способность к творчеству, порождению инновационных идей, |СК-1 |
| |выдвижению самостоятельных гипотез | |
|5 |способность к поиску, критическому анализу, обобщению и |СК-2 |
| |систематизации научной информации, к постановке целей | |
| |исследования и выбору оптимальных путей и методов их достижения| |
|6 |способность демонстрации общенаучных базовых знаний |ПК-1 |
| |естественных наук, прикладной математики и информатики, | |
| |понимание основных фактов, концепций, принципов и теорий, | |
| |связанных с прикладной математикой и информатикой | |
|7 |способность собирать, обрабатывать и интерпретировать |ПК-5 |
| |экспериментальные данные, необходимые для проектной и | |
| |производственно-технологической деятельности | |
|8 |способность составлять и контролировать план выполняемой |ПК-8 |
| |работы, планировать необходимые для выполнения работы ресурсы, | |
| |оценивать результаты собственной работы | |


4. Место дисциплины в структуре образовательной программы

Дисциплина «Имитационное моделирование в исследовании и разработке
информационных систем» входит в общепрофессиональный блок базовой части ОС
МГУ по направлению подготовки 010400 «Прикладная математика и информатика».


Для успешного освоения дисциплины «Имитационное моделирование в
исследовании и разработке информационных систем» студент должен успешно
освоить предшествующие дисциплины блока общенаучной подготовки «Алгоритмы и
алгоритмические языки», «Основы архитектуры ЭВМ», «Операционные системы»,
«Теория вероятностей». Материалы курса «Имитационное моделирование в
исследовании и разработке информационных систем» могут быть использованы
при написании курсовых и дипломных работ.


5. Тематический план учебной дисциплины


|? |Наименование раздела |Лек|Сем|Практи|Самос|
| | |ции|ина|ческие|тояте|
| | | |ры | |льная|
| | | | |Заняти| |
| | | | |я |работ|
| | | | | |а |
|1 |Информационные системы (ИС) как объект |2 | |2 |2 |
| |разработки и исследования | | | | |
|2 |Производительность ИС. Методы наблюдения |2 | |2 |2 |
| |за работой ИС и измерения | | | | |
| |производительности | | | | |
|3 |Основы имитационного моделирования. |12 | |14 |12 |
| |Основные подходы к организации | | | | |
| |дискретно-событийных имитационных моделей.| | | | |
| |Примеры систем имитационного | | | | |
| |моделирования. Основные этапы процесса | | | | |
| |построения имитационной модели | | | | |
|4 |Элементы статистических методов для |4 | |- |4 |
| |моделирования и анализа производительности| | | | |
|5 |Важные классы средств имитационного |6 | |8 |6 |
| |моделирования, специфичные для | | | | |
| |исследования и разработки ИС | | | | |
|6 |Взаимосвязь моделирования и проектирования|4 | |4 |4 |
| |ИС | | | | |
|7 |Построение сложных комплексных |6 | |6 |6 |
| |имитационных моделей | | | | |
| |Итого: |36 | |36 |36 |
| |Всего: |108 |


6. Формы контроля знаний. Критерии оценки знаний, навыков


|? |Раздел дисциплины |Се|Неде|Виды учебной работы, |Формы текущего |
| | |ме|ля |включая |контроля |
| | |ст|семе|самостоятельную работу|успеваемости (по |
| | |р |стра|студентов, и |неделям семестра) |
| | | | |трудоёмкость (в часах)|Форма промежуточной |
| | | | | |аттестации (по |
| | | | | |семестрам) |
| | | | |Лекции|Практич|Самос| |
| | | | | |еские |тояте| |
| | | | | |занятия|льная| |
| | | | | | |работ| |
| | | | | | |а | |
|1 |Информационные |5 |1 |2 |2 |2 | |
| |системы (ИС) как | | | | | | |
| |объект разработки и | | | | | | |
| |исследования | | | | | | |
|2 |Производительность |5 |2 |2 |2 |2 |Домашнее |
| |ИС. Методы наблюдения| | | | | |практическое задание|
| |за работой ИС и | | | | | | |
| |измерения | | | | | | |
| |производительности | | | | | | |
|3 |Основы имитационного |5 |3-8 |12 |14 |12 |Домашнее |
| |моделирования. | | | | | |практическое задание|
| |Основные подходы к | | | | | | |
| |организации | | | | | | |
| |дискретно-событийных | | | | | | |
| |имитационных моделей.| | | | | | |
| |Примеры систем | | | | | | |
| |имитационного | | | | | | |
| |моделирования. | | | | | | |
| |Основные этапы | | | | | | |
| |процесса построения | | | | | | |
| |имитационной модели | | | | | | |
|4 |Элементы |5 |9-10|4 |- |4 |Домашнее |
| |статистических | | | | | |практическое задание|
| |методов для | | | | | | |
| |моделирования и | | | | | | |
| |анализа | | | | | | |
| |производительности | | | | | | |
|5 |Важные классы средств|5 |11-1|6 |8 |6 | |
| |имитационного | |3 | | | | |
| |моделирования, | | | | | | |
| |специфичные для | | | | | | |
| |исследования и | | | | | | |
| |разработки ИС | | | | | | |
|6 |Взаимосвязь |5 |14-1|4 |4 |4 | |
| |моделирования и | |5 | | | | |
| |проектирования ИС | | | | | | |
|7 |Построение сложных |5 |16-1|6 |6 |6 | |
| |комплексных | |8 | | | | |
| |имитационных моделей | | | | | | |


7. Содержание дисциплины


1. Информационные системы (ИС) как объект разработки и исследования
1.1. Понятие информационной системы. Основные виды информационных систем,
примеры.
1.2. Информационно-управляющие системы реального времени (ИУС РВ) как
важный класс ИС. Типовой состав ИУС РВ. Особенности построения и
функционирования ИУС РВ.
1.3. Задачи разработки ИУС РВ, требующие инструментальной поддержки.

2. Производительность ИС. Методы наблюдения за работой ИС и измерения
производительности
2.1. Аппаратные наблюдатели (анализаторы шинных интерфейсов). Основные
возможности.
2.2. Программные средства наблюдения. Примеры. Средства измерения времени в
ОС.
2.3. Основные возможности средств отображения и анализа трасс (как с
аппаратных, так и с программных наблюдателей).
2.4. Понятие производительности ИС. Роль наблюдения в анализе
производительности и отладке программы.

3. Основы имитационного моделирования
3.1. Понятие модели. Основные виды моделей. Примеры моделей. Основные
варианты применения моделей в человеческой деятельности.
3.2. Понятие имитационной модели. Сравнение по возможностям с другими
видами моделей. Способы продвижения времени в имитационных моделях.
3.3. Основные этапы создания имитационной модели. Сравнение с этапами
создания программы «общего назначения».
3.4. Подходы к описанию имитационной модели: событийный, процессно-
ориентированный, агентно-ориентированный. Основные понятия, поддерживаемые
языками и библиотеками классов имитационного моделирования
3.5. Обобщённая архитектура системы имитационного моделирования. Назначение
и функции её компонентов.
3.6. Примеры систем имитационного моделирования общего назначения.

4. Важные классы средств имитационного моделирования, специфичные для
моделирования аппаратных средств ИС
4.1. Эмуляторы процессоров. Применение. Классификация эмуляторов по
точности моделирования и скорости работы.
4.2. Способы быстрой эмуляции процессоров.
4.3. Аппаратные средства ИС как объект исследования. Основные виды
сверхбольших интегральных схем (СБИС). Уровни моделирования и
проектирования аппаратных средств ИС.
4.4. Моделирование аппаратных средств ИС на уровне RTL. Учёт специфики
предметной области в языке описания моделей Verilog.
4.5. Моделирование аппаратных средств ИС на системном уровне. Учёт
специфики предметной области в библиотеке SystemC. Понятие о стандарте TLM
для взаимодействия моделей аппаратных средств.

5. Взаимосвязь моделирования и проектирования ИС.
5.1. Роль моделирования в процессе проектирования ИС.
5.2. Понятие совместной разработки программной и аппаратной части ИС.
Достоинства по сравнению с традиционным процессом разработки. Понятие
виртуального прототипа ИС.

6. Построение сложных комплексных имитационных моделей
6.1. Примеры комплексных неоднородных имитационных моделей.
6.2. Основные понятия стандарта HLA взаимодействия имитационных моделей

7. Элементы статистических методов для задач моделирования и анализа
производительности
7.1. Понятие системы массового обслуживания, её основные элементы,
характеристики производительности.
7.2. Система массового обслуживания типа М/М/1. Пуассоновский поток.
Средняя длина очереди. Формула Литтла.
7.3. Обработка результатов эксперимента: оценка необходимого числа
испытаний.
7.4. Общая схема проверки статистических гипотез, пример применения.

Пояснения к содержанию дисциплины


Курс начинается с рассмотрения предмета исследования - информационной
системы (тема 1). Выделяются задачи разработки ИС, которые требуют
инструментальной поддержки и автоматизации, основные задачи - определение
производительности системы и проверка правильности её функционирования.
Более подробно рассмотрен класс информационно-управляющих систем реального
времени.
В теме 2 рассмотрено понятие производительности ИС. Также рассмотрены
методы наблюдения за работой ИС (или её программного обеспечения),
позволяющие определять производительность (или проверять правильность
работы ИС) на натурном образце ИС без применения имитационного
моделирования.
Тема 3 - это основная тема курса, связанная с принципами
моделирования, процессом построения и исследования имитационной модели,
необходимыми инструментальными средствами. В ней рассматриваются
"классические" универсальные средства имитационного моделирования, которые
могут быть использованы для исследования не только ИС, но и систем других
классов.
В теме 4 рассматриваются методы и средства моделирования аппаратных
средств ИС. Излагаются основные принципы работы эмуляторов центральных
процессоров. Рассматриваются типовые уровни проектирования аппаратных
средств и соответствующие этим уровням средства моделирования.
Тема 5 раскрывает роль имитационного моделирования в современном
технологическом процессе разработки ИС. Рассматриваются подходы "разработки
через моделирование", совместной разработки программных и аппаратных
средств, понятие "виртуального прототипа" ИС и соответствующих
инструментальных средств.
В теме 6 затрагивается проблема построения сложных крупномасштабных
имитационных моделей посредством объединения моделей различного вида, от
разных разработчиков, и т.д. Такие модели нужны, например, для
моделирования боевых действий, или функционирования информационно-
управляющей системы совместно с управляемым объектом и его внешней средой.
Рассматриваются основные возможности стандарта IEEE 1516 - HLA для
объединения разнородных моделей.
Наконец, тема 7 - это "смежная" тема из области теории вероятностей и
математической статистики. Кратко рассмотрены системы массового
обслуживания - класс математических моделей, часто используемых для
исследования ИС. Рассмотрены методы обработки результатов эксперимента со
случайными входными данными

8. Образовательные технологии

В учебном процессе используются следующие образовательные технологии:

|? |Вид занятия |Форма проведения занятий |Цель |
|п/п| | | |
|1 |Лекция. |Изложение теоретического |Получение теоретических |
| | |материала с показом |знаний по дисциплине. |
| | |слайдов. | |
|2 |Практические |Решение задач, написание |Повышение степени понимания|
| |занятия |программ (имитационных |теоретического материала. |
| | |моделей), изучение и | |
| | |модификация ранее | |
| | |написанных программ. | |
|3 |Самостоятельна|Эксперименты по измерению |Повышение степени понимания|
| |я работа |времени работы программы. |теоретического материала. |
| |студента на |Реализация имитационных |Отработка навыков |
| |ЭВМ. |моделей, проведение |построения и исследования |
| | |экспериментов с моделями. |имитационных моделей |



Методические указания преподавателям



Материалы каждой лекции должны быть доступны на странице курса в Интернете
до проведения занятия, что позволит студентам просматривать слайды лекции
на ноутбуке во время лекции, а также оперативно приступать к выполнению
самостоятельных заданий.

В процессе выполнения самостоятельных заданий у студентов могут регулярно
возникать вопросы технического характера, поэтому необходимо организовать
консультации.

9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студентов



9.1 Образцы домашнего практического задания.

Рекомендуется выдавать практические задания трех типов.
1. Освоение методов наблюдения за работой программы. Студентам выдаётся
текст программы на языке высокого уровня (две версии). Требуется измерить
время выполнения различными способами для обеих версий и объяснить
различия. Возможны варианты: оптимизировать программу по времени
выполнения.
2. Построение имитационной модели. Выдаётся описание моделируемой системы
(например, фрагмент вычислительной сети). Требуется построить модель с
использованием одной из рассмотренных в курсе систем имитационного
моделирования (по выбору студента). Допускается самостоятельный выбор
студентом моделируемой системы. Возможен выдачи студенту заранее
подготовленной модели, которую студент дорабатывает.
3. Исследование имитационной модели (построенной в задании 2 или ).
Студентам выдаётся перечень зависимостей характеристик моделируемой системы
от её параметров, которые надо получить. Требуется спланировать и провести
эксперименты с моделью.


9.2 Образец списка вопросов к экзамену

1. Понятие информационной системы. Основные виды информационных систем,
примеры.
2. Информационно-управляющие системы реального времени (ИУС РВ) как важный
класс ИС. Типовой состав ИУС РВ. Особенности построения и
функционирования ИУС РВ.
3. Аппаратные наблюдатели (анализаторы шинных интерфейсов). Основные
возможности.
4. Программные средства наблюдения за поведением программы. Примеры.
Средства измерения времени в ОС.
5. Основные возможности средств отображения и анализа трасс (как с
аппаратных, так и с программных наблюдателей).
6. Понятие производительности ИС. Роль наблюдения в анализе
производительности и отладке программы.
7. Понятие модели. Основные виды моделей. Примеры моделей. Основные
варианты применения моделей в человеческой деятельности.
8. Понятие имитационной модели. Сравнение по возможностям с другими видами
моделей. Способы продвижения времени в имитационных моделях.
9. Основные этапы создания имитационной модели. Сравнение с этапами
создания программы «общего назначения».
10. Подходы к описанию имитационной модели: событийный, процессно-
ориентированный, агентно-ориентированный. Основные понятия,
поддерживаемые языками и библиотеками классов имитационного моделирования
11. Обобщённая архитектура системы имитационного моделирования. Назначение
и функции её компонентов.
12. Примеры систем имитационного моделирования общего назначения.
13. Эмуляторы процессоров. Применение. Классификация эмуляторов по точности
моделирования и скорости работы.
14. Способы быстрой эмуляции процессоров.
15. Аппаратные средства ИС как объект исследования. Основные виды
сверхбольших интегральных схем (СБИС). Уровни моделирования и
проектирования аппаратных средств ИС.
16. Моделирование аппаратных средств ИС на уровне RTL. Учёт специфики
предметной области в языке описания моделей Verilog.
17. Моделирование аппаратных средств ИС на системном уровне. Учёт специфики
предметной области в библиотеке SystemC.
18. Понятие совместной разработки программной и аппаратной части ИС.
Достоинства по сравнению с традиционным процессом разработки. Понятие
виртуального прототипа ИС.
19. Основные понятия стандарта HLA взаимодействия имитационных моделей
20. Система массового обслуживания типа М/М/1. Пуассоновский поток. Средняя
длина очереди. Формула Литтла.
21. Обработка результатов эксперимента: оценка необходимого числа
испытаний.
22. Общая схема проверки статистических гипотез, пример применения.

9.3 Образец списка задач к экзамену

Задачи к экзамену не предусмотрены.

Основная литература

1. Презентации к лекциям по курсу "Имитационное моделирование в
исследовании и разработке информационных систем". [Электронный ресурс].
URL: http://lvk.cs.msu.su/~bahmurov/course_simulation (дата обращения
09.02.2015).

2. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем // Учебник для вузов (3-
е издание, переработанное и дополненное), Высшая школа, Москва, 2001, 343
с. (введение, глава 1)

3. Замятина О. М. Компьютерное моделирование // Учебное пособие / Томский
политехнический университет, Томск, 2007, 121 с. URL:
http://simulation.su/uploads/files/default/2007-uch-posob-zamyatina-1.pdf

4. Калинина В.Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. М.: Дрофа, 2002
год. 340 с.

5. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.:
Высшая школа, 2003. 479 с.

6. Аверилл М.Лоу, В. Дэвид Кельтон. Имитационное моделирование. 3-е
издание. // СПб:Питер, 2004. - 847 с.

7. Матвеев В., Ушаков. Системы массового обслуживания // М.: Изд-во МГУ. -
1984. - 240с.

8. Dr. JАnos Sztrik. Basic Queueing Theory. University of Debrecen, Faculty
of Informatics. // [Электронный ресурс]
http://irh.inf.unideb.hu/~jsztrik/education/16/SOR_Main_Angol.pdf

9. Fast Instruction Set Simulation Using LLVM-based Dynamic Translation.
[Электронный ресурс] URL:
http://www.iaeng.org/publication/IMECS2011/IMECS2011_pp212-216.pdf

10. An Ultra-Fast Instruction Set Simulator [Электронный ресурс] URL:
http://cadal.cse.nsysu.edu.tw/seminar/seminar_file/2004/1123_ycliu_paper.p
df

11. Shade: A Fast Instruction-Set Simulator for Execution Profiling.
[Электронный ресурс] URL:
http://people.ac.upc.edu/vmoya/docs/cmelik93shade.pdf

12. Fast Cycle Estimation Methodology for Instruction-Level Emulator.
[Электронный ресурс] URL: http://www.date-
conference.com/files/proceedings/2012/pdffiles/ip1_01.pdf

13. A Retargetable Framework for Instruction-Set Architecture Simulation
[Электронный ресурс] URL:
http://www.ics.uci.edu/~dutt/pubs/J52_reshadi.pdf

14. A fast cycle-accurate instruction set simulator based on QEMU and
SystemC for SoC development. [Электронный ресурс] URL:
http://www.researchgate.net/profile/Tse-
Chen_Yeh/publication/224142691_A_fast_cycle-
accurate_instruction_set_simulator_based_on_QEMU_and_SystemC_for_SoC_devel
opment/links/0c96051c3443fd0caa000000.pdf

15. [Электронный ресурс] URL: http://www.russianelectronics.ru/developer-
r/review/2189/doc/40279/

16. David Money Harris and Sarah L. Harris, Digital Design and Computer
Architecture. [Электронный ресурс] URL:
http://villageofdolton.us/images/Digital%20Design%20and%20Computer%20Archi
tecture%20%282nd%20Ed%29%28gnv64%29.pdf

17. [Электронный ресурс] URL:http://www.asic-
world.com/systemc/tutorial.html

18. [Электронный ресурс] URL:
http://www.ece.iastate.edu/~zambreno/classes/cpre588/documents/RosSwa05A.p
df

Дополнительная литература

1. Замятина Е.Б. Современные теории имитационного моделирования:
Специальный курс. - Пермь: ПГУ, 2007. - 119 с. URL:
http://window.edu.ru/resource/717/41717

Интернет-ресурсы

1. Национальное общество имитационного моделирования. http://simulation.su

2. Simulation Interoperability Standards Organization.
http://www.sisostds.org

3. Winter Simulation Conference. http://www.wintersim.org



11. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Необходимое оборудование для лекций: средства, обеспечивающие демонстрацию
презентаций в ходе чтения лекций.

Необходимое программное обеспечение для выполнения домашних заданий:
системы имитационного моделирования AnyLogic, OMNet++, устанавливаемые на
персональных компьютерах студентов.