基于模型檢測的機載電子硬件驗證方法研究

金志威 田毅 蘆浩 王鵬

摘? 要： 模型檢測技術已廣泛應用于計算機硬件、通信協議、控制系統等領域，在民用航空領域如何采用模型檢測技術開展硬件符合性驗證，成為設計及驗證人員待解決的問題。文中介紹模型檢測方法的驗證機理，并提出使用該方法作為機載電子硬件的補充驗證方案。以PCI總線狀態機模塊作為驗證對象，開展模型檢測補充驗證，確定了狀態機各狀態轉移路徑的正確，說明了該方法的合理性。

關鍵詞： 民用航空; 模型檢測; 機載電子硬件; 驗證方案; PCI總線; 狀態機

中圖分類號： TN609?34; V243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）16?0006?04

0? 引? 言

隨著科技的飛速發展，微電子技術的應用不斷延伸到生活中的各個領域。由于其具有低功耗、高性能、高容量等優良特性，微電子技術在產品中實現信息存儲、處理以及加工等重要功能。然而隨著系統復雜度的不斷增加，為了確保設計的安全性及可靠性，如何進行全面且完整的驗證給驗證工程師帶來了巨大的挑戰。

在民用航空等高安全性領域，電子硬件的功能覆蓋率及代碼覆蓋率是衡量設計及驗證工作的重要指標[1]。在高安全性等級的設計中，驗證人員將花費大量的時間搭建驗證平臺，編制測試激勵來獲取100%的覆蓋率數據。特別對于帶有多狀態、路徑復雜的狀態機設計，往往大量的測試激勵也難以覆蓋到所有的狀態路徑。由此一方面大幅度增加了驗證人員的工作量，延長了項目的研制生命周期;另一方面從適航角度講，對于A/B級機載電子硬件，在審查過程中若存在未覆蓋到的狀態轉移路徑，則無法滿足代碼覆蓋的要求[2]。因此，有必要在驗證過程中，針對復雜狀態機采用更加有效的方法進行補充驗證，提高項目的驗證效率，進而提高設計的安全性指標。

本文將討論模型檢測方法在機載電子硬件驗證過程中的應用，并以PCI總線從端口設計為例，利用模型檢測工具NuXMV實踐相關方法。實驗結果表明，在機載電子硬件驗證過程中，對狀態機使用模型檢測方法搭建模型，能夠有效對狀態機進行驗證，對難以獲取狀態轉移覆蓋度的設計進行補充驗證，有效提高了驗證效率并確保了設計的安全及可靠。

1? 模型檢測方法

模型檢測是通過搜索待驗證系統模型的有窮狀態空間來檢驗系統的行為是否具備預測屬性的一種自動驗證技術。該方法由E. A. Emerson等于1981年首次提出[3]，目前已經被廣泛應用于計算機、軟件、通信、微電子等多個領域。

模型檢測基本思想是：假設模型Μ是一個有窮狀態轉換系統的抽象，屬性φ是該系統的時態邏輯公式描述。可使用公式Μ╞φ來表示模型M是屬性φ的一個模型，進而說明系統滿足了所有期望屬性。將Μ和φ輸入模型檢查器，當Μ╞ φ語義推導成立，模型檢查器輸出“TRUE”，否則輸出“FALSE” [4]。由于模型檢測使用系統描述語言對模型進行抽象，并且使用CTL（分支時序邏輯）或LTL[5]（線性時序邏輯）模型檢測算法來抽象系統屬性，因此該方法具有檢驗過程自動化、無需外加測試激勵、檢測速度快、反例定位準確等特點。

通常可將模型檢測過程劃分為3個步驟，分別為系統建模、屬性描述和算法運行[6]，如圖1所示。系統建模：對有窮狀態轉換系統采用Kripke結構或自動機等狀態模型進行模型搭建，獲得模型M。屬性描述：采用CTL或LTL公式描述系統的屬性，獲得屬性φ;算法運行：將模型M和屬性φ輸入到模型檢測算法（工具）中并運行，對系統進行驗證，若Μ╞φ，則輸出TRUE，否則給出反例。

2? 基于模型檢測的補充驗證

針對復雜機載電子硬件的設計，RTL層級的驗證工作主要包括功能覆蓋和代碼覆蓋兩方面。代碼覆蓋用于檢查設計中哪些代碼在驗證期間被執行過，是否存在冗余代碼以及無法達到的路徑等情況。功能覆蓋也可稱為基于需求的覆蓋，是代碼覆蓋的補充，用于衡量驗證對象是否實現了設計者所期望的功能。

功能覆蓋率的要求需要達到100%，即證明此設計實現了所有功能需求。代碼覆蓋率根據機載電子硬件的設計保證等級（DAL）的高低有所不同，對于DAL為A和B等級的機載電子硬件，不但要求語句、分支、條件、表達式等覆蓋率，還要求狀態轉移覆蓋率達到100%，即應當覆蓋到設計中狀態機的所有狀態轉移路徑。

圖2為基于模型檢測的補充驗證流程。復雜設計驗證中功能覆蓋率和代碼覆蓋率的數據收集是反復迭代的過程。若硬件設計中存在大規模、多狀態的有限狀態機，當使用傳統的驗證方法難以收集到100%的狀態轉移覆蓋率時，則可通過模型檢測的方式對設計進行補充驗證，當其他覆蓋率也達到要求之后，則驗證工作結束。

3? 案例實施

PCI總線是先進的高性能局部總線，可同時支持多個外圍設備。該總線不受制于處理器，其主要作用在于為中央處理器及高速外圍設備提供一座運輸橋梁，提高數據吞吐量。現如今基于PCI總線的VbPCI（Virtual backplane PCI）總線已被霍尼韋爾應用其PC架構中，同時PCI總線被廣泛應用在航空測試系統中。

3.1? 案例描述

圖3所示為PCI從接口的系統框圖，由圖可知，此硬件設計分為8個功能模塊，其核心部分為狀態機模塊。

IP核的控制狀態機模塊一方面按照PCI總線協議，結合總線的輸入控制信號，經過分析，發送出相應的總線輸出信號;另一方面，通過判斷PCI總線事務，并結合本地端口的控制信號，完成PCI總線對從設備的各操作事務，包括配置、讀、寫、重試、錯誤中斷等。

該模塊的硬件程序為一個12狀態的狀態機，狀態包括idle（空閑）、config_wait（配置等待）、config_ready（配置準備）、config（配置）、rw_wait（讀寫等待）、rw_ready（讀寫準備）、read_wait（讀等待）、rw（讀寫）、last_rw（最后讀寫）、retry（重試）、abort（停止）和backoff（返回）。通過控制狀態機各狀態的跳轉，完成總線的配置、讀、寫等操作的使能信號輸出，進而實現總線的數據傳輸。

3.2? 模型檢測工具

模型檢測方法的主要特點是能夠自動化驗證，因此該方法離不開成熟的模型檢測工具的支持。模型檢驗工具通常要求采用時序邏輯來描述系統的設計規范，利用BDD（二叉判定圖）表示電路實現的狀態及狀態之間的轉移關系，通過遍歷BDD來檢驗電路的設計是否滿足規范，如果不滿足則給出反例[7]。目前可用的工具如Bell實驗室的SPIN[8]、瑞士的Uppsala大學和丹麥的Aalborg大學聯合開發的UPPAAL[9]、新加坡國立大學PAT小組開發的PAT[10]工具，以及卡內基梅隆大學的SMV，NuSMV[11]及NuXMV等。

本案例將采用NuXMV作為模型檢測工具。NuXMV擴展于NuSMV工具，其在算法和驗證引擎上進行了進一步提升，支持LTL和CTL描述的所有規范;對于有限狀態的情形，NuXMV特點是基于SAT算法的有效驗證引擎;通過定義良好的軟件體系結構，更方便用戶操作[12]，是一款比較常用的模型檢測工具。

3.3? 模型搭建

3.3.1? 模型檢測算法

模型檢測算法是通過遍歷狀態空間檢測屬性在系統模型中是否成立來實現。通常將模型檢測算法分為CTL（分支時序邏輯）和LTL（線性時序邏輯）。CTL模型檢測算法是采用分支時序邏輯來描述系統的屬性。在CTL算法中，通常將系統模型描述為分支結構，在該結構中，“未來”的屬性是未知的，會有多種可能發生。LTL算法是采用線性、離散且與自然數同構的時間結構，將時序邏輯與命題邏輯相結合，進而描述系統屬性以及系統在執行路徑上的性質[13]。

3.3.2? 模型抽象

定義 假定Atoms是一組原子命題集合，在Atoms上定義Kripke結構模型M為一個四元組M=。其中：S={st1，st2，…，stn}是一個有限狀態集合;Σ={input1，input2，…，inputn}是一個有限輸入集合，可以是狀態或是其他變量;“→”表示全部狀態轉移關系，即對[?] "st∈S都[?]st′∈S，滿足st→st′;?表示對所有原子命題的一個真賦值 [14]，即?：S→p（Atoms）。

將上述定義代入PCI總線從接口的狀態機模塊中，其狀態轉移過程描述如圖4所示。FSM狀態S={idle， config_wait， config_ready， config， rw_wait， rw_ready， read_wait， rw， last_rw， retry， abort， backoff}。其中：狀態{idle}表示空閑;狀態{retry}表示重試;狀態{abort}表示終止;狀態{backoff}表示返回;其他狀態分別為PCI總線的配置、讀、寫等事務操作狀態。

3.4? 結果分析

使用NuXMV對PCI狀態機模塊模型進行分析，部分檢測結果如圖5所示。同樣以配置操作為例，其結果輸出顯示該操作的屬性描述為True，證明該條狀態轉移路徑正確。

通過分析其他檢測結果發現，PCI狀態機模塊中的所有狀態轉移路徑均為正確，實現了對狀態轉移覆蓋的補充驗證。在模型檢測過程中，當存在錯誤的狀態轉移路徑時，工具會自動生成不滿足系統屬性的反例，即說明模型或屬性存在缺陷。通過分析定位錯誤后，設計人員和驗證人員進行修改，最終實現設計及驗證的目標。

4? 結? 語

模型檢測方法由于無需編寫測試激勵且可自動化開展驗證等優點，廣泛應用于有窮狀態系統的驗證過程。在民用航空領域，對于高安全等級的機載復雜電子硬件，當設計中存在大規模狀態機時，為了滿足代碼覆蓋要求，使用傳統的驗證方法將耗費大量的人力及時間。文中以PCI總線狀態機模塊為研究對象，采用模型檢測作為設計的補充驗證方法，使用NuXMV模型檢測工具對設計開展驗證，并獲取驗證結果。結果表明，采用模型檢測方法對設計進行補充驗證，能夠快速有效地明確狀態轉移路徑的正確性，對狀態轉移覆蓋率進行補充，為驗證人員提供了一種新的驗證方案。

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