同步数据流语言可信编译器Vélus与L2C的比较

同步数据流语言（如Lustre、Signal）在航空、高铁、核电等安全关键领域得到广泛应用.例如,适合这些领域实时控制系统建模和开发的Scade工具就是基于一种类Lustre语言.这类语言相关开发工具,特别是编译器的安全性问题也自然受到高度关注.近年来,基于形式化验证实现可信编译器构造成为程序设计语言领域的研究焦点之一,也取得了瞩目的成果,如CompCert项目实现了产品级的可信C编译器.同样,人们也采用这种方法开展了同步数据流语言可信编译器的研发工作.主要关注从事这一工作的两个长线项目,二者均研发面向基于Lustre的同步数据流语言编译器,分别以Vélus和L2C代称.对Vélus和L2C从多个重要的角度进行较为深入的分析与比较.     

可信编译器L2C的核心翻译步骤及其设计与实现

同步数据流语言（如Lustre）近年来在航空、高铁、核电等安全攸关领域得到广泛应用.这些领域对相关开发工具本身的安全性有着相当高的要求.为尽力解决好”误编译”问题,近期人们借助reliable-by-construction辅助定理证明器实现常规命令式语言编译器的构造和验证取得了很大的成功,如CompCert C编译器.L2C是基于这种方法开发的可信编译器,它以扩展的Lustre语言为源语言,以Clight （CompCert中的C语言子集）为目标语言.就我们所知,L2C是同类工作中唯一面向实际工业应用的同步数据流语言编译器.本文重点介绍L2C编译器的核心翻译步骤及其设计与实现过程中考虑的主要问题和相关经验.     

一个C语言安全子集的可信编译器

以安全关键领域的安全标准为依托、安全相关软件的语言编码和编译要求为指导,进行了以下几方面的研究和探索:首先对形式化验证可信编译技术进行分析研究,特别着重当前广受关注的经过验证的CompCert编译器.然后以我国安全领域C语言安全子集标准《航天型号软件C语言安全子集》为依据构造测试用例、创新测试方法,并以此对CompCert编译器进行测试评估.之后依据测试结果,为CompCert编译器增加未支持的C语言标准特性,裁剪不符合C语言安全子集要求的特性,构建符合C语言安全子集标准的可信编译器.最后的实测结果表明,所实现的编译器符合C语言安全子集标准的要求,且没有降低C代码的执行效率.     

可信编译器构造的翻译确认方法简述

编译器的安全可信问题日益引起重视,特别是在安全关键系统中,编译器的误编译将会造成重大的损失。消除误编译的传统方法是大量的测试,但是测试难以达到完全覆盖,并不能充分地保证编译器的安全可信。近年来,形式化验证方法被成功用于可信编译器的构造中。一种方法是对编译器本身进行形式化验证,经过严密的证明,可杜绝误编译的发生。然而,这种方法可能"冻结"编译器的设计,阻碍编译器未来可能的优化和完善。翻译确认是另外一种用于可信编译器构造的形式化方法,它避免了对编译器自身的验证,有很好的可重用性,近年来在编译器验证领域得到了广泛研究,已取得令人瞩目的成果。介绍了翻译确认方法的概念及研究进展。     

同步数据流语言高阶运算消去的可信翻译

Lustre是一种广泛应用于工业界核心安全级控制系统的同步数据流语言,采用形式化验证的方法实现Lustre到C的编译器可以有效地提高编译器的可信度.基于这种方法,开展了从Lustre*(一种类Lustre语言)到C子集Clight的可信编译器的研究.由于Lustre*与Clight之间巨大的语言差异,整个编译过程划分为多个层次,每个层次完成特定的翻译工作.阐述了其中高阶运算消去的翻译算法,翻译过程采用辅助定理证明工具Coq实现,并进行严格的正确性证明.     

同步数据流语言输入结构体的可信翻译

为最大程度地减少同步数据流语言编译过程中由编译器引入的错误,需要利用形式化方法自动生成代码,保证编译器产生的代码能够应用于核能仪控系统.本研究使用定理证明工具Coq,对同步数据流语言Lustre到Clight的主节点输入结构翻译阶段涉及的语法、语义及翻译算法进行了形式化定义,并完成翻译算法的形式化证明.研究表明这种经过形式化的编译器能够生成与源代码行为一致的可信目标代码,同时生成的目标代码能够很好满足核能仪控系统的执行规范.     

可信编译理论及其核心实现技术:研究综述

编译器是重要的系统软件之一,高级语言编写的软件都必须经过编译器的编译才能成为可执行程序。编译器的可信性对于整个计算机系统而言具有非常关键的意义,如果编译器不可信,则很难保证系统所运行软件的可信性。可信编译是指编译器在保证编译正确的同时提供相应的机制保证编译对象的可信性,对可信编译理论和技术的研究具有重要理论意义和实用前景。阐述了可信编译器的概念,介绍了编译过程正确性的形式化定义,对可信编译的主要研究进行了概括。在全面分析可信编译研究现状的基础上,从编译器自身可信性和确保编译对象可信性两个方面,对可信编译器设计和实现的相关理论和方法进行了分类和总结。最后,讨论了可信编译有待解决的问题和未来的研究方向。     

出具证明编译器中代码优化与程序规范转换

出具证明编译器在软件安全研究得到越来越多的关注,是程序验证研究的一个重要方向.但目前关于出具证明编译器的研究主要是在程序逻辑设计和定理自动化证明方面,很少关注编译优化对规范的影响.而编译优化是决定出具证明编译器是否能走向应用的关键因素之一.通过研究数据流优化的基本行为,提出利用数据流分析结果来变换规范的方法,以使原规范的约束准确而充分地施加于优化后的代码,并实现了一个包含多种优化和相应规范转换的编译器原型系统,展示了方法的可行性.     

同步数据流程序的可信排序

Lustre是一种广泛应用于核电、航空等高可信领域的同步数据流语言。用形式化验证的方法来实现Lustre到C的翻译并证明其过程能有效提高编译器的安全性。因为Lustre程序是并发执行的,需要对其进行因果分析和串行化。利用Coq工具,形式化定义拓扑排序的性质和相应层次的Lustre的语义;对Lustre程序进行因果分析和排序;证明排序后的程序满足拓扑排序的性质;证明任意两个满足拓扑排序性质的程序语义执行等价。从而实现了一种针对Lustre程序的可信排序过程。     

一种同步语言多线程代码自动生成工具

随着安全关键系统对计算性能要求的日趋提高,能够提供更强计算能力而又减少电子设备的体积、重量和功耗的多核处理器将在安全关键领域得到广泛应用.同步语言能够表达确定性并发行为且具有精确时间语义等特性,适用于安全关键软件的建模和验证.目前,同步语言SIGNAL编译器主要支持串行代码生成,较少关注多线程代码生成.提出一种同步语言SIGNAL多线程代码生成工具.首先将SIGNAL程序转换为经过时钟演算的S-CGA中间程序;之后将S-CGA中间程序转换为时钟数据依赖图以分析依赖关系;然后对时钟数据依赖图进行拓扑排序划分,并针对划分结果提出优化算法和基于流水线方式的任务划分方法;最后将划分结果转换为虚拟多线程结构并进一步生成可执行多线程C/Java代码.通过在多核处理器上的实验,验证了所提方法的有效性.     

n阶形式背景核的构造算法

基于n阶形式背景核的概念格同构生成是一种新的概念格获取方法.其中n阶形式背景核的构造是基础.根据n阶形式背景核的概念,提出了n阶形式背景核的基本算法,并通过限制冗余形式背景的生成,对算法进行了改进.最后经过实验,验证了改进算法相对基本算法效率更高.     

Model Checking at IBM

Over the past nine years, the Formal Methods Group at the IBM Haifa Research Laboratory has made steady progress in developing tools and techniques that make the power of model checking accessible to the community of hardware designers and verification engineers, to the point where it has become an integral part of the design cycle of many teams. We discuss our approach to the problem of integrating formal methods into an industrial design cycle, and point out those techniques which we have found to be especially effective in an industrial setting.     

形式化方法概貌

形式化方法是基于严格数学基础,对计算机硬件和软件系统进行描述、开发和验证的技术.其数学基础建立在形式语言、语义和推理证明三位一体的形式逻辑系统之上.形式化方法已经以不同程度和不同方式愈来愈多地应用在计算系统生命周期的各个阶段.介绍了形式化方法的发展历程和基本方法体系;以形式规约和形式验证为主线,综述了形式化方法的理论、方法、工具和应用的现状,展示了形式化方法与软件学科其他领域的交叉和融合;分析了形式化方法的启示,并展望了其面临的发展机遇和未来趋势.形式化方法的发展和研究现状表明：其应用已经取得了长足的进步,在提高计算系统的可靠性和安全性方面发挥了重要作用.在当今软件日益成为社会基础设施的时代,形式化方法将与人工智能、网络空间安全、量子计算、生物计算等领域和方向交叉融合,得到更加广阔的应用.研究和建立这种交叉融合的理论和方法不仅重要,而且具有挑战性.     

纯化形式背景及其性质研究

为提高处理复杂形式背景的效率,将形式背景用矩阵表示,从而将形式背景上的符号运算转化为矩阵数值运算,提出了属性纯化形式背景,并应用矩阵的数值运算判定属性特征,从而判定一个形式背景是否是属性纯化的。对偶地,可以得到对象纯化形式背景的判定方法。一个形式背景既是属性纯化的又是对象纯化的,则这个形式背景是纯化的。一个纯化的形式背景,其蕴涵的关联规则与其补形式背景上的关联规则互逆,有利于复杂形式背景的关联规则提取。     

HB协议的形式规约与验证

形式化方法是确保安全协议设计正确性的重要工具,利用形式化方法已经发现了许多安全协议的设计错误.首次利用形式规约语言Z对RFID安全协议HB进行形式规约, 并对HB协议应该满足的安全性质进行形式化描述,使用Z模式推理从协议及其运行环境两个方面验证了协议的关键安全属性,发现了HB协议在设计方面的缺陷,提出了HB协议的一种改进方法.     

Theorem Proving Guided Development of Formal Assertions in a Resource-Constrained Scheduler for High-Level Synthesis

This paper presents a formal specification and a proof of correctness for the widely-used Force-Directed List Scheduling (FDLS) algorithm for resource-constrained scheduling of data flow graphs in high-level synthesis systems. The proof effort is conducted using a higher-order logic theorem prover. During the proof effort many interesting properties of the FDLS algorithm are discovered. These properties are formally stated and proved in a higher-order logic theorem proving environment. These properties constitute a detailed set of formal assertions and invariants that should hold at various steps in the FDLS algorithm. They are then inserted as programming assertions in the implementation of the FDLS algorithm in a production-strength high-level synthesis system. When turned on, the programming assertions (1) certify whether a specific run of the FDLS algorithm produced correct schedules and, (2) in the event of failure, help discover and isolate programming errors in the FDLS implementation.We present a detailed example and several experiments to demonstrate the effectiveness of these assertions in discovering and isolating errors. Based on this experience, we discuss the role of the formal theorem proving exercise in developing a useful set of assertions for embedding in the scheduler code and argue that in the absence of such a formal proof checking effort, discovering such a useful set of assertions would have been an arduous if not impossible task.     

决策连续形式背景的可视化数据离散化方法

连续形式背景离散化是形式概念分析领域重要的基础问题之一。本文针对形式背景离散化的特殊要求,提出了一种可视化的数据离散化方法。该方法借助可视化方法对数据类别分布进行表示,将连续数据分布转化为图形分布,进一步利用视觉模糊性对图形空间进行处理,进而将决策连续背景离散化。通过UCI数据集上的实验表明,与传统离散化方法相比,采用本文方法进行数据离散化后的二值形式背景具有结构简单且不失准确性的优点。     

一种面向对象的形式化设计方法──从COOZ需求规格说明到设计

本文介绍了一种基于形式化规格说明语言ＣＯＯＺ的面向对象设计方法并给出实例。该方法用ＣＯＯＺ描述类的设计规格说明，实现了从形式化需求描述到形式化设计的平滑过渡。文中重点讨论了与设计方法有关的一些面向对象概念：对象类型和类的分开、子类型和继承的分开、灵活的消息传递和参数转换机制、主动对象和被动对象、根类的定义等。     

Formal concept analysis of higher order

The second-order formal context is a formal context such that its object and attribute sets are disjoint unions of object and attribute sets of external formal contexts. Every subset of object or attribute set will be evaluated from concept lattice of the corresponding external formal context. The paper provides a method how to compute such second-order formal concepts by using of bonds between external formal contexts or by using heterogeneous formal context methods. The last part of the paper shows how this structure generalizes homogeneous fuzzy formal context and its derivation operators.     

A formal software development approach using refinement calculus

The advantage of COOZ(Complete Object-Oriented Z) is to specify large scale software,but it does not support refinement calculus.Thus its application is comfined for software development.Including refinement calculus into COOZ overcomes its disadvantage during design and implementation.The separation between the design and implementation for structure and notation is removed as well .Then the software can be developed smoothly in the same frame.The combination of COOZ and refinement calculus can build object-oriented frame,in which the specification in COOZ is refined stepwise to code by calculus.In this paper,the development model is established.which is based on COOZ and refinement calculus.Data refinement is harder to deal with in a refinement tool than ordinary algorithmic refinement,since data refinement usually has to be done on a large program component at once.As to the implementation technology of refinement calculus,the data refinement calculator is constructed and an approach for data refinement which is based on data refinement calculus and program window inference is offered.