多旋翼飞控推进子系统的Coq形式化验证

飞行器需要高可靠的飞行控制系统软件(飞控)来控制其运行.在传统开发模式下,先由人工将领域知识描述为自然语言形式的模型,再根据模型手动编写代码,然后使用软件测试技术来排除软件错误,这种模式由于人工易出错、自然语言存在二义性、测试技术的不完备性,导致难以构建出高可靠的飞控软件.基于形式验证技术的新型软件开发方法可从多方面提高飞控系统的可靠性.使用Coq定理证明器对全权提出的多旋翼飞控推进子系统进行了完整的形式验证,生成了一个可用的高可靠函数式软件库.主要工作有:首先将领域知识整理为具有层次结构以适合进行形式验证的文档,分离了基本函数和复合函数,并提出最简形式函数概念;再根据该文档进行形式化描述,定义常量、变量、基本函数、复合函数、最简形式函数和公理等;其次对各类导出函数的推导正确性建立为引理并予以证明;再次对多旋翼最长悬停时间等实际问题给出了求解算法;最后利用Coq程序抽取功能生成了OCaml语言的函数式软件库.后续将对飞控更多子系统进行基于形式验证的开发,并最终建立完整的经形式化验证的高可靠飞控系统.     

基于Coq的RVWMO加载值公理形式化描述与推论证明

RISC-V内存一致性模型（RVWMO）规定了RISC-V多核系统的访存序约束,是RISC-V软硬件设计者共同遵守的重要规范,旨在为硬件设计提供灵活性的同时保证软件的易开发性。RISC-V指令集规范使用全局访存序、保留程序序以及三条公理（加载值公理、原子公理与进度保证公理）描述RVWMO。通过运用RVWMO的规则,可对多线程程序的访存序合法性进行判定,进而指导芯片设计、验证与软件开发。其中,加载值公理是最为复杂和难以运用的规则之一,是多个典型案例合法性判定的重要基础。然而,规范对于该公理的描述及案例讲解主要基于自然语言,缺乏清晰严格的形式化描述和推理过程,不利于读者理解和运用该公理。本文基于交互式定理辅助证明工具Coq,给出了RVWMO加载值公理的形式化描述以及相关引理、定理和推论的证明,对于理解运用RVWMO加载值公理和判定访存序的合法性具有重要意义。     

基于Z3的Coq自动证明策略的设计和实现

形式化验证方法被认为是一种构建高可信软件系统的有效手段.在定理证明工具通过手动写证明脚本来验证系统软件的功能正确性,这种验证方式表达力强,可以证明复杂系统,但是自动化程度低、验证代价比较高,而使用程序验证器接受经过规范标注的源代码生成验证条件,并将验证条件交给约束求解器自动求解,这种方式自动化程度高,缺点在于它很难验证复杂系统软件的全部功能的正确性.本文结合上述两种方式的优点,在定理证明工具Coq中实现了一个自动证明策略smt4coq,它通过在Coq中调用约束求解器Z3自动证明32位机器整数相关的数学命题,提高了自动化验证的程度,减轻用户手动验证程序的开销.     

基于Coq的杨忠道定理形式化证明

实现拓扑学定理的机器证明,是吴文俊院士生前的宿愿.杨忠道定理涉及一般拓扑学中的诸多基本概念,对深刻理解拓扑空间的本质有重要意义.该定理表明,拓扑空间中每一个子集的导集为闭集当且仅当此空间中的每一个单点集的导集为闭集,是一般拓扑学中的一个重要定理.基于定理证明辅助工具Coq,从公理化集合论机器证明系统出发,对一般拓扑学中的开集、闭集、邻域、凝聚点和导集等拓扑基本概念进行形式化描述,给出这些概念基本性质的形式化验证,建立了拓扑空间的形式化框架.在此基础上,实现基于Coq的杨忠道定理形式化证明.全部引理、定理和推论均完整给出Coq的形式化描述和机器证明代码,并在计算机上运行通过,体现了基于Coq的数学定理机器证明具有可读性、交互性和智能性的特点,其证明过程规范、严谨、可靠.杨忠道定理的形式化证明是一般拓扑学形式化内容的一个深刻体现.     

基于Coq的分块矩阵运算的形式化

矩阵是工程领域中常用的一种数据结构,在深度学习领域,矩阵乘法是神经网络训练中的核心技术之一.面对大型矩阵的运算问题,分块矩阵技术可将大矩阵运算转换为小矩阵运算以实现并行运算,并且能够大幅度减少矩阵运算步骤并且提高矩阵运算速度.首先对目前学术界的矩阵形式化工作进行了系统总结,并且分析了矩阵形式化的主要几种方法;其次介绍并...     

微内核操作系统互斥量模块功能正确性的形式化验证

操作系统在许多安全攸关领域为软件系统提供关键性底层支撑，操作系统中一个微小的错误或漏洞都可能引起整个软件系统的重大故障，造成巨大经济损失或危及人身安全.为了减少此类安全事故的发生，对操作系统正确性进行验证十分必要.传统测试手段无法穷尽系统中的所有潜在错误，因而操作系统验证有必要使用具有严格数学理论基础的形式化方法.在操作系统中，互斥量可协调多任务对资源的访问，是一种常用的任务同步方式，其功能正确性对于保障多任务应用的正确性十分关键.本文基于定理证明方法，在交互式定理证明器Coq中对某抢占式微内核操作系统的互斥量模块进行代码级形式化建模，给出其接口函数的形式化规范，并实现这些接口函数的功能正确性验证.     

基于Coq的矩阵代码生成技术

矩阵程序在智能系统中扮演着越来越重要的角色.随着矩阵应用的复杂性日益增加,生成正确矩阵代码的难度也在不断变大.并行硬件能够极大地提高矩阵运算的速度,然而,使用并行硬件进行编程以实现并行运算,需要编程人员在程序中描述功能以及如何利用硬件资源来交付结果.这些程序通常是命令式语言,难以推理并且重构,以尝试不同的并行化策略.在Coq中实现了由高级矩阵算子到C代码的矩阵表达式代码生成技术,其能够将带有执行策略的函数式矩阵代码转换为高效低级命令式代码.未来,将把矩阵的形式化同矩阵代码自动生成融合在一起,对矩阵代码转换的过程进行形式化验证,以保障生成的矩阵代码的可靠性,为实现基于矩阵形式化方法的高可靠性深度学习编译器的研制打下基础.     

μC/OS-Ⅲ任务调度器在Coq中的验证

以μC/OS-Ⅲ内核中的任务调度器为研究对象,选取调度相关的核心代码,验证调度器代码满足优先调度最高优先级任务的性质。基于分离逻辑与SCAP验证理论,利用Coq辅助证明工具,通过定义机器模型、操作语义、逻辑断言以及推导规则构建验证框架。在验证框架中,定义内核数据结构和内核相关性质的逻辑描述,模块化地对内核代码进行推理。验证结果表明,μC/OS-Ⅲ任务调度器满足可靠性要求,并且可以通过机器的自动检查。     

摄动开普勒问题形式化建模与验证

摄动开普勒问题广泛应用于卫星轨道摄动分析,然而卫星轨道摄动分析数学模型的错误将导致灾难性后果.传统的建模与分析方法涉及到矢量代数、旋量代数、复数、四元数等多种不同的代数系统,在各个代数系统相互转换过程中极易引入错误.几何代数方法将多种代数系统统一到相同代数结构中,弥补了传统分析方法的不足.但是基于几何代数的摄动开普勒问题数学模型的正确性并没有通过严格的形式化验证.本文采用高阶逻辑来描述该问题的属性和规范,以公认的逻辑公理和推理规则为基础构建其形式化模型并进行验证,从而最大程度确保数学模型的正确性和分析方法的可靠性.     

Tilting at Windmills with Coq: Formal Verification of a Compilation Algorithm for Parallel Moves

This article describes the formal verification of a compilation algorithm that transforms parallel moves (parallel assignments between variables) into a semantically-equivalent sequence of elementary moves. Two different specifications of the algorithm are given: an inductive specification and a functional one, each with its correctness proofs. A functional program can then be extracted and integrated in the Compcert verified compiler.     

基于Coq构造携带证明的安全程序

对可靠程序的需求随着高可信软件在信息社会中的作用日益重要而增加。基于形式化证明工具构造携带证明的安全程序,给出严格的程序规范及其证明是提高软件可靠性的重要途径。论文介绍使用形式化证明工具Coq构造安全程序的过程和经验。     

基于Coq的操作系统任务管理需求层建模及验证

为确保星上操作系统中任务管理设计的可靠性,利用定理证明工具Coq对操作系统任务管理模块进行需求层建模及形式化验证.从用户角度,基于星上操作系统任务管理的基本机制,提出一种基于任务状态列表集合的验证框架.在需求层将基本机制进行形式化建模,并在Coq中实现.针对建立的需求层模型,提出6条与实际星上操作系统任务管理一致的性质并进行验证.给出其中一条性质在Coq中的验证过程,结果表明,模型满足该条性质.     

Formal Verification of a C-like Memory Model and Its Uses for Verifying Program Transformations

This article presents the formal verification, using the Coq proof assistant, of a memory model for low-level imperative languages such as C and compiler intermediate languages. Beyond giving semantics to pointer-based programs, this model supports reasoning over transformations of such programs. We show how the properties of the memory model are used to prove semantic preservation for three passes of the Compcert verified compiler.     

基于函数式语义的循环和递归程序结构通用证明技术

各类安全攸关系统的可靠运行离不开软件程序的正确执行.程序的演绎验证技术为程序执行的正确性提供高度保障.程序语言种类繁多,且用途覆盖高可靠性场景的新式语言不断涌现,难以为每种语言设计支撑其程序验证任务的整套逻辑规则,并证明其相对于形式语义的可靠性和完备性.语言无关的程序验证技术提供以程序语言的语义为参数的验证过程及其可靠性结果.对每种程序语言,提供其形式语义后可直接获得面向该语言的程序验证过程.提出一种面向大步操作语义的语言无关演绎验证技术,其核心是对不同语言中循环、递归等可导致无界行为的语法结构进行可靠推理的通用方法.特别地,借助大步操作语义的一种函数式形式化提供表达程序中子结构所执行计算的能力,从而允许借助辅助信息对子结构进行推理.证明所提出验证技术的可靠性和相对完备性,通过命令式、函数式语言中的程序验证实例初步评估了该技术的有效性,并在Coq辅助证明工具中形式化了所有理论结果和验证实例,为基于辅助证明工具实现面向大步语义的语言无关程序验证工具提供了基础.     

动态存储管理安全验证的Coq实现

随着软件规模和复杂度的日益提升,软件安全的问题变得越来越严峻,同时有越来越多的研究工作集中在高可信软件的开发上 .由于类型系统表达能力的不足,现有的研究不触及底层软件的验证 .由于Hoare逻辑更好的表达能力,采用Hoare逻辑风格的推理,在汇编语言级别,使用Coq形式化与定理证明工具可以实现一个经过安全验证的动态存储管理函数库,这是程序验证技术一次有意义的实践 .实践表明,程序验证技术可以应用到高可信软件的开发上 .     

基于Coq的微内核操作系统程序验证方法研究

机载嵌入式程序的可信属性验证是新一代飞机研制最关注的软件质量保障问题;基于定理证明的程序形式化验证方法是一种可靠和严格的软件正确性验证技术;文中在深入分析微内核操作系统的基础上,应用霍尔逻辑针对机载嵌入式软件核心代码开展程序验证技术研究,根据霍尔逻辑的相关推理规则进行程序验证,并在定理证明辅助工具Coq中形式化表示霍尔逻辑的推理规则,针对机载操作系统的部分程序代码实例进行验证;实验结果表明基于定理证明的程序验证方法可以对软件程序代码的正确性进行验证,从而帮助软件提供商开发高可信的机载嵌入式软件。     

基于Object-Z的形式化验证方法

定理证明是一种形式化验证技术,也是形式化方法的重要组成部分,它能从形式规格说明中推理出应具备的性质与属性,从而可以对规格说明进行形式验证。Obiect-Z是形式规格说明语言Z的面向对象扩充,基于集合论与数理逻辑,具有严密的逻辑性,适合精确地描述大型软件系统,并且可以对其形式规格说明进行推理。本文首先给出了基于Object—Z规格说明的定理证明验证方法,接着用Object-Z描述了一个电梯操作系统的实例,在此基础上给出了其形式规格说明的定理证明方法来进行形式化验证。