形式化验证学习——什么是形式化？Formal

最新推荐文章于 2025-05-10 13:30:26 发布

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分类专栏：形式化验证

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【1】概述
【2】基本概念
Reference：
后续待阅读资料

【1】概述

硬件和软件系统在规模和功能上的增长增加了复杂性，也增加了潜在错误的可能性，这些错误引起了金钱、时间上的损失，甚至会危及人们的生命。形式方法是用于软件和硬件系统的规范，开发和验证的特定类型的基于数学的技术，是改善和确保系统质量的重要方法。形式化方法在软件和硬件领域中的应用进展比较显著，引起了各个领域的注意[1]。形式化验证方法是形式化方法的一个重要的研究内容，本文主要对形式化验证方法进行探讨。

形式化方法一般可分为形式化规范说明Formal Specification，和形式化验证Formal Verification。

Formal

Formal Specification 形式化规范说明
Formal Verification 形式化验证
- Theorem Proving 定理检测（证明）/Deductive Verification 演绎检测
- Model Checking 模型检测
- Automated Test Case Generation 自动测试用例生成

在这里插入图片描述

【2】基本概念

【2.1】形式化规范说明

【2.2】形式化验证

【2.2.1】定理证明

定理证明：先对系统及其性质进行抽取，表示成基于某种逻辑的命题、谓词、定理，在验证者的引导下，不断地对公理、以证明的定理施加推理规则，产生新的定理，直到推导出表达系统性质的公式，从而证明设计的系统满足该性质。现在定理证明器越来越多的应用在验证硬件和软件设计的安全临界性质的验证[3]。定理证明高度抽象，具有强大的逻辑表达能力，可以验证几乎所有的系统行为特性，可以处理无限的状态空间。定理证明器可以分为三种：自动定理证明器、交互式定理证明器及证明检验器。现在大多数定理证明器是交互式的，需要人的引导，对验证者的要求有良好的数学经验。主要的定理证明工具有：STeP(Stanford)、TLV、AL2(UTAus⁃ tin/CLI)、Coq、HOL(Cambridge)、Isabelle(Cambridge)、Larch、Nu⁃ prl、PVS(SRI)等。

【2.2.2】模型检测

模型检测是一种通过对目标系统建立一个有限的模型，并在模型发生改变时，检测希望满足的性质，例如安全性和活性在该模型中是否成立、稳定的技术。

目前有两种主要模型检测技术：

一种是时态模型检测，这种方法中规范说明用时态逻辑公式表示，系统用有限状态转换模型表示，用模型检测器检测模型是否满足规范说明公式。
另外一种是等价性检测，这种方法中规范说明用一个自动机表示，系统用一个自动机表示，然后证明两个模型是否一致。

自动化程度较高是模型检测的优点，并且当系统不满足给定的性质时，可以给出反例，使设计人员方便找出设计错误。模型检测应用于硬件和协议的验证，现在在对软件设计的验证已成为研究的热点。状态空间爆炸问题是其主要的缺点。

主要的模型检测工具有：

COSPAN/FORMALCHECK(Bell)、
MURPHY(Stanford)、SPIN(Bell)、
SMV(CMU)、
VIS(Berkeley)等。

目前形式化验证方法成功应用于商业、航空业、通信业和芯片制造业，INTEL,ARM和NIVIDA等大公司已经把形式化方法应用到芯片的制造和验证[5]。

从本质上讲，模型检测技术就是穷尽对状态空间的搜索，并通过模型的有限性来保证该搜索过程一定会终止。最初的模型检测应用在硬件和协议验证领域，十分成功，后来在软件系统的验证上也得到了广泛应用。

Reference：

[形式化验证方法浅析] 陈波1，李夫明2 (1.山东理工大学计算机科学与技术学院，山东淄博255000； 2.山东理工大学数学与统计学院，山东淄博255000)**

后续待阅读资料

线性时序逻辑 https://www.docin.com/p-506137477.html
模型检测 https://wenku.baidu.com/view/800eade45a8102d277a22f3a.html?fr=search
model checking overview and buchi automata and LTL https://www.docin.com/p-1003260979.html