Formale Verifikation von Realzeit-Systemen mittels Cottbus Timed Automata:
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin
Mensch-und-Buch-Verl.
2002
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| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | IX, 251 S. graph. Darst. 21 cm |
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Danksagung
v
Vorwort und Übersicht xi
1 Thematische Einordnung 1
1.1 Allgemeine Begriffe und Definitionen................... 2
1.2 Bestehende Ansätze, Probleme, Herausforderungen............ 6
1.2.1 Modellierungsformalismen..................... 7
1.2.2 Verifikationsverfahren und Repräsentationen........... 10
1.2.3 Werkzeuge............................. 14
1.2.4 Modellierung und Verifikation hybrider Systeme......... 18
1.2.5 Fallstudien............................. 20
1.3 Abgrenzung................................. 21
2 Modellierungsformalismus für Realzeit-Systeme:
Cottbus
Timed Automata
23
2.1 Mathematische Notationen und Begriffe.................. 23
2.2
Timed Automata ..............................
26
2.2.1 Beispiel: nMOS-Transistor..................... 26
2.2.2 Definition.............................. 26
2.2.3 Parallele Komposition....................... 28
2.3 Modularität - Erster Schritt zur Bewältigung großer Systeme....... 29
2.3.1 Module............................... 31
2.3.2 Beispiel: AND-Schaltkreis..................... 32
2.3.3 Komposition............................ 34
2.3.4 Instanziierung............................ 38
2.4 Interpretationen von
Timed Automata...................
40
2.4.1 Semantik
I:
Kontinuierliches Transitionssystem.......... 40
2.4.2 Semantik
II:
Erreichbare Zustände................. 41
2.4.3 Semantik
III:
Ganzzahliges Transitionssystem........... 43
2.4.4 Semantik
IV:
Sichtbare Spuren................... 48
2.4.5 Beziehung der verschiedenen Semantiken zueinander....... 49
2.5 Zusammenfassung ............................. 49
Effiziente Verifikation von Cottbus
Timed Automata
51
3.1 Erreichbarkeitsanalyse........................... 52
3.2 BDD-Repräsentation - Zweiter Schritt zur Bewältigung großer Systeme . 53
3.2.1
Binary Decision Diagrams
- Einführung.............. 53
3.2.2 Diskrete Variablen......................... 54
3.2.3
Binary Decision Diagrams
- formale
Definition
.......... 56
3.2.4 Operationen............................. 56
3.2.5 Variablenordnung.......................... 58
3.2.6 BDDs für Transitionsrelationen und Erreichbarkeitsmengen ... 60
3.3 Effizienz durch statisches Variablenordnen................. 62
3.3.1 Kommunikationsgraph und Variablenordnung........... 63
3.3.2 Obere Schranke für die Transitionsrelation ............ 66
3.3.3 Finden guter Variablenordnungen für CTA-Modelle........ 72
3.3.4 Beispiel: Fischers Protokoll.................... 73
3.3.5 Variablenordnen aufgrund der Größenschätzung.......... 74
3.4 Verfeinerungsanalyse - Dritter Schritt zur Bewältigung großer Systeme . 79
3.4.1 Abstraktion und Verfeinerung................... 80
3.4.2 Simulationsrelation......................... 82
3.5 Weitere Techniken zur Effizienzverbesserung............... 84
3.5.1 Gesonderte Behandlung der Zeit-Transitionsrelation....... 84
3.5.2 Repräsentation der diskreten Transitionsrelation.......... 85
3.5.3 Ordnung der diskreten Transitionen................ 90
3.5.4 On-the-fly-Analyse......................... 91
3.5.5 Wahl der Hash-Funktion...................... 95
3.5.6 Behandlung inaktiver Uhren.................... 95
3.5.7 Zeitabhängigkeiten explizit modellieren.............. 97
3.6 Zusammenfassung ............................. 100
Modellierung und Verifikation hybrider Systeme 103
4.1 Modellierung................................ 103
4.1.1 Mathematische Notationen und Begriffe.............. 104
4.1.2 Beispiel: Bahnschranke ...................... 106
4.1.3 Hybride Automaten......................... 108
4.1.4 Parallele Komposition....................... 109
4.1.5 Abgeleitete Automatenklassen................... 110
4.1.6 Modularität............................. 117
4.1.7 Beispiel: Steuerung Bahnübergang................. 118
4.2 Interpretationen hybrider Automaten.................... 122
4.2.1 Semantik
I:
Kompositionelles Update-System........... 122
4.2.2 Semantik
II:
Kontinuierliches Transitionssystem......... 127
4.3 Verifikation................................. 128
4.3.1 Erreichbarkeitsanalyse....................... 128
4.3.2 DDM-Repräsentation........................ 131
4.4 Zusammenfassung ............................. 139
5 Validierung: Verifikationsframework Rabbit 141
5.1 Architektur................................. 141
5.1.1 Architekturentscheidungen und Entwurfsprinzipien........ 144
5.1.2 Repräsentation von Konfigurationsmengen und Transitionssystemen 146
5.1.3 DDM-Bibliothek.......................... 149
5.1.4 BDD-Bibliothek.......................... 150
5.2 Modellierungssprache............................ 151
5.2.1 Module............................... 152
5.2.2 Schnittstellen............................ 153
5.2.3 Instanziierungen.......................... 156
5.2.4 Automaten............................. 156
5.2.5 Gültigkeitsbereiche......................... 157
5.3 Verifikationssprache............................. 157
5.3.1 Erreichbarkeitsanalyse....................... 157
5.3.2 Verfeinerungsanalyse........................ 161
5.4 Empirische Ergebnisse........................... 164
5.4.1 Hybride Beispiele.......................... 164
5.4.2 Realzeit-Beispiele und Performance-Vergleich.......... 171
5.5 Zusammenfassung ............................. 183
6 Fallstudie Fertigungsanlage 185
6.1 Vorbetrachtungen: Dokumente und Prozeß-Phasen ............ 186
6.2 Von der Idee über das Modell zum Programm............... 188
6.3 Beschreibung der Fertigungsanlage und ihrer Anforderungen....... 190
6.3.1 Überblick.............................. 190
6.3.2 Komponenten............................ 191
6.3.3 Typischer Fertigungsablauf..................... 192
6.4 Modellierung................................ 195
6.4.1 Modell der physischen Umgebung................. 196
6.4.2 Modell der Steuerung........................ 203
6.4.3 Modell des Werkstücks mit Abarbeitungsprogramm ....... 209
6.4.4 Virtuelle Komponenten zur Verringerung der Komplexität .... 210
6.5 Spezifikation und Verifikation ....................... 210
6.5.1 Einige Sicherheitsanforderungen der Anlage ........... 211
6.5.2 Annahmen über den Initialzustand der Umgebung ........ 212
6.5.3 Spezifikation der verbotenen Konfigurationsmengen....... 212
6.5.4 Erreichbarkeitsanalyse....................... 214
6.5.5 Verfeinerungsanalyse........................ 216
6.6 Zusammenfassung ............................. 219
7 Zusammenfassung und Ausblick 221
Literaturverzeichnis 231
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