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    Formale Verifikationsmethodiken für nichtlineare analoge Schaltungen

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    The objective of this thesis is to develop new methodologies for formal verification of nonlinear analog circuits. Therefore, new approaches to discrete modeling of analog circuits, specification of analog circuit properties and formal verification algorithms are introduced. Formal approaches to verification of analog circuits are not yet introduced into industrial design flows and still subject to research. Formal verification proves specification conformance for all possible input conditions and all possible internal states of a circuit. Automatically proving that a model of the circuit satisfies a declarative machine-readable property specification is referred to as model checking. Equivalence checking proves the equivalence of two circuit implementations. Starting from the state of the art in modeling analog circuits for simulation-based verification, discrete modeling of analog circuits for state space-based formal verification methodologies is motivated in this thesis. In order to improve the discrete modeling of analog circuits, a new trajectory-directed partitioning algorithm was developed in the scope of this thesis. This new approach determines the partitioning of the state space parallel or orthogonal to the trajectories of the state space dynamics. Therewith, a high accuracy of the successor relation is achieved in combination with a lower number of states necessary for a discrete model of equal accuracy compared to the state-of-the-art hyperbox-approach. The mapping of the partitioning to a discrete analog transition structure (DATS) enables the application of formal verification algorithms. By analyzing digital specification concepts and the existing approaches to analog property specification, the requirements for a new specification language for analog properties have been discussed in this thesis. On the one hand, it shall meet the requirements for formal specification of verification approaches applied to DATS models. On the other hand, the language syntax shall be oriented on natural language phrases. By synthesis of these requirements, the analog specification language (ASL) was developed in the scope of this thesis. The verification algorithms for model checking, that were developed in combination with ASL for application to DATS models generated with the new trajectory-directed approach, offer a significant enhancement compared to the state of the art. In order to prepare a transition of signal-based to state space-based verification methodologies, an approach to transfer transient simulation results from non-formal test bench simulation flows into a partial state space representation in form of a DATS has been developed in the scope of this thesis. As has been demonstrated by examples, the same ASL specification that was developed for formal model checking on complete discrete models could be evaluated without modifications on transient simulation waveforms. An approach to counterexample generation for the formal ASL model checking methodology offers to generate transition sequences from a defined starting state to a specification-violating state for inspection in transient simulation environments. Based on this counterexample generation, a new formal verification methodology using complete state space-covering input stimuli was developed. By conducting a transient simulation with these complete state space-covering input stimuli, the circuit adopts every state and transition that were visited during stimulus generation. An alternative formal verification methodology is given by retransferring the transient simulation responses to a DATS model and by applying the ASL verification algorithms in combination with an ASL property specification. Moreover, the complete state space-covering input stimuli can be applied to develop a formal equivalence checking methodology. Therewith, the equivalence of two implementations can be proven for every inner state of both systems by comparing the transient simulation responses to the complete-coverage stimuli of both circuits. In order to visually inspect the results of the newly introduced verification methodologies, an approach to dynamic state space visualization using multi-parallel particle simulation was developed. Due to the particles being randomly distributed over the complete state space and moving corresponding to the state space dynamics, another perspective to the system's behavior is provided that covers the state space and hence offers formal results. The prototypic implementations of the formal verification methodologies developed in the scope of this thesis have been applied to several example circuits. The acquired results for the new approaches to discrete modeling, specification and verification algorithms all demonstrate the capability of the new verification methodologies to be applied to complex circuit blocks and their properties.Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung neuer Methodiken zur formalen Verifikation nichtlinearer analoger elektronischer Schaltungen. Dazu werden im Rahmen dieser Arbeit entstandene neue Ansätze in den Bereichen verifikationsgerechte diskrete Modellierung analoger Schaltungen, Spezifikation analoger Schaltungseigenschaften und formale Verifikationsalgorithmen vorgestellt. Ausgehend vom Stand der Technik der Modellierung analoger Schaltungen für die simulationsbasierte Verifikation wird im Rahmen dieser Arbeit die diskrete Modellierung analoger Schaltungen für zustandsraumbasierte formale Verifikationsverfahren betrachtet. Dazu wurde ein neuer Ansatz zur diskreten Modellierung entwickelt, der die Aufteilungsstruktur anhand der Trajektorien der Vektorfelddynamik bestimmt. So wird eine hohe Genauigkeit der Nachfolgerrelation ermöglicht, woraus eine niedrigere Zahl an Zuständen für ein diskretes Modell gleicher Genauigkeit im Vergleich mit dem bisherigen Stand der Technik folgt. Die Abbildung der Trajektorien-gesteuerten Partitionierung auf eine diskrete analoge Transitionsstruktur (DATS) erlaubt die Anwendung von formalen Verifikationsalgorithmen. Die formale Spezifikation von Eigenschaften in ersten Ansätzen zum Model Checking analoger Schaltungen hat sich stark an den bestehenden temporallogischen Verfahren aus dem Bereich digitaler Hardware orientiert. Ausgehend von einer Analyse digitaler Spezifikationskonzepte und der bestehenden Ansätze für analoge Eigenschaften wurden Anforderungen an eine neue Spezifikationssprache in dieser Arbeit abgeleitet. Die aus diesen Anforderungen im Rahmen dieser Arbeit entwickelte analoge Spezifikationssprache "Analog Specification Language" (ASL) basiert auf einer natürlichsprachlichen Kapselung temporallogischer Operationen, die mit erweiterten Algorithmen zur Transitionspfadbestimmung, Durchführung von Berechnungen auf Zustandsparametern und Oszillationsbestimmung eine hohe Ausdrucksstärke analoger Eigenschaften mit einer anwenderfreundlichen Syntax kombinieren konnte. Die zusammen mit ASL entwickelten Model Checking-Verifikationsalgorithmen zur Auswertung von ASL-Spezifikationen auf einem mit dem Trajektorien-gesteuerten Diskretisierungsverfahren erzeugten DATS-Modell bilden eine wesentliche Erweiterung zum Stand der Technik. Um einen Übergang der Verifikation von signalbasierten zu zustandsraumbasierten Methodiken zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, der die Übertragung von transienten Simulationsergebnissen aus nicht-formalen Testbench-Simulationsumgebungen in eine partielle DATS-Zustandsraumdarstellung ermöglicht. Damit kann, wie anhand von Beispielen gezeigt werden konnte, die gleiche ASL-Spezifikation für Eigenschaften eines vollständigen diskreten Modells ohne Modifikation auch auf Simulationsergebnissen ausgewertet werden. Ein für das formale ASL-basierte Model Checking entwickelter Ansatz zur Erzeugung von Gegenbeispielen für als spezifikationsverletzend identifizierte Zustandsraumgebiete erlaubt es, Transitionsfolgen von einem definierten Startzustand zu einem spezifikationsverletzenden Zustand zu ermitteln. Auf Basis dieses Gegenbeispiel-Verfahrens wurde eine neue formale Eigenschaftsverifikationsmethodik mittels vollständig den Zustandsraum einer Schaltung abdeckenden Eingangsstimuli entwickelt. Die vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli bieten noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit im Bereich des Äquivalenzvergleichs. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methodik zum formalen Äquivalenzvergleich auf Basis der vollständig den Zustandsraum abdeckenden Eingangsstimuli ersetzt die anwenderdefinierten Eingangsstimuli durch die vollständig den Zustandsraum abdeckenden. So kann die Äquivalenz für jeden möglichen Zustand der zu vergleichenden Implementierungen anhand eines automatisierten Vergleichs der Simulationsergebnisse beider Implementierungen gezeigt werden. Um die Ergebnisse der neu eingeführten formalen Verifikationsmethodiken visuell zu untersuchen wurde ein Verfahren entwickelt, das den Zustandsraum und seine Dynamik mittels eines Partikel-Simulationsansatzes visualisiert. Da die Partikel über den gesamten Zustandsraum randomisiert verteilt werden und sich dann gemäß der Vektorfelddynamik fortbewegen, kann auch hier ein Einblick in das Systemverhalten gewonnen werden, der eine weitestgehend vollständige und somit formale Repräsentation des Zustandsraums bietet. Die prototypische Implementierung der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten formalen Verifikationsmethodiken wurde auf zahlreiche Beispielschaltungen angewendet. Die Ergebnisse für die neuen Ansätze zur diskreten Modellierung, zur Spezifikation und zu Verifikationsalgorithmen analoger Schaltungen zeigen, dass die aus diesen Ansätzen erzeugten Verifikationsmethodiken erfolgreich auf komplexe Zustandsraumstrukturen angewendet werden können

    A formal verification framework and associated tools for enterprise modeling : application to UEML

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    The aim of this paper is to propose and apply a verification and validation approach to Enterprise Modeling that enables the user to improve the relevance and correctness, the suitability and coherence of a model by using properties specification and formal proof of properties

    A methodology for producing reliable software, volume 1

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    An investigation into the areas having an impact on producing reliable software including automated verification tools, software modeling, testing techniques, structured programming, and management techniques is presented. This final report contains the results of this investigation, analysis of each technique, and the definition of a methodology for producing reliable software

    A Contract-Based Methodology for Aircraft Electric Power System Design

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    In an aircraft electric power system, one or more supervisory control units actuate a set of electromechanical switches to dynamically distribute power from generators to loads, while satisfying safety, reliability, and real-time performance requirements. To reduce expensive redesign steps, this control problem is generally addressed by minor incremental changes on top of consolidated solutions. A more systematic approach is hindered by a lack of rigorous design methodologies that allow estimating the impact of earlier design decisions on the final implementation. To achieve an optimal implementation that satisfies a set of requirements, we propose a platform-based methodology for electric power system design, which enables independent implementation of system topology (i.e., interconnection among elements) and control protocol by using a compositional approach. In our flow, design space exploration is carried out as a sequence of refinement steps from the initial specification toward a final implementation by mapping higher level behavioral and performance models into a set of either existing or virtual library components at the lower level of abstraction. Specifications are first expressed using the formalisms of linear temporal logic, signal temporal logic, and arithmetic constraints on Boolean variables. To reason about different requirements, we use specialized analysis and synthesis frameworks and formulate assume guarantee contracts at the articulation points in the design flow. We show the effectiveness of our approach on a proof-of-concept electric power system design

    Systematic Model-based Design Assurance and Property-based Fault Injection for Safety Critical Digital Systems

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    With advances in sensing, wireless communications, computing, control, and automation technologies, we are witnessing the rapid uptake of Cyber-Physical Systems across many applications including connected vehicles, healthcare, energy, manufacturing, smart homes etc. Many of these applications are safety-critical in nature and they depend on the correct and safe execution of software and hardware that are intrinsically subject to faults. These faults can be design faults (Software Faults, Specification faults, etc.) or physically occurring faults (hardware failures, Single-event-upsets, etc.). Both types of faults must be addressed during the design and development of these critical systems. Several safety-critical industries have widely adopted Model-Based Engineering paradigms to manage the design assurance processes of these complex CPSs. This thesis studies the application of IEC 61508 compliant model-based design assurance methodology on a representative safety-critical digital architecture targeted for the Nuclear power generation facilities. The study presents detailed experiences and results to demonstrate the benefits of Model testing in finding design flaws and its relevance to subsequent verification steps in the workflow. Additionally, to study the impact of physical faults on the digital architecture we develop a novel property-based fault injection method that overcomes few deficiencies of traditional fault injection methods. The model-based fault injection approach presented here guarantees high efficiency and near-exhaustive input/state/fault space coverage, by utilizing formal model checking principles to identify fault activation conditions and prove the fault tolerance features. The fault injection framework facilitates automated integration of fault saboteurs throughout the model to enable exhaustive fault location coverage in the model

    Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation vonSchaltungen und Systemen: MBMV 2015 - Tagungsband, Chemnitz, 03. - 04. März 2015

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    Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort

    HOP: a process model for synchronous hardware semantics, and experiments in process composition

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    technical reportWe present a language "Hardware viewed as Objects and Processes" (HOP) for specifying the structure, behavior, and timing of hardware systems. HOP embodies a simple process model for lock-step synchronous processes. An absproc specification written in HOP describes the externally observable behavior of a process. A collection of absprocs may be composed to form a larger process, using the operators parallel composition, renaming, and hiding. In this paper we present the communication primitives of HOP, illustrate HOP through several examples, and then present its operational semantics. Then we present the role played by HOP in in three VLSI design activities: (i) inferring concise behavioral descriptions of systems from their structural descriptions; (ii) static detection of control timing errors during behavioral inferrence; (Hi) productive and runtime efficient functional simulation using the inferred behavior

    System-level functional and extra-functional characterization of SoCs through assertion mining

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    Virtual prototyping is today an essential technology for modeling, verification, and re-design of full HW/SW platforms. This allows a fast prototyping of platforms with a higher and higher complexity, which precludes traditional verification approaches based on the static analysis of the source code. Consequently, several technologies based on the analysis of simulation traces have proposed to efficiently validate the entire system from both the functional and extra-functional point of view. From the functional point of view, different approaches based on invariant and assertion mining have been proposed in literature to validate the functionality of a system under verification (SUV). Dynamic mining of invariants is a class of approaches to extract logic formulas with the purpose of expressing stable conditions in the behavior of the SUV. The mined formulas represent likely invariants for the SUV, which certainly hold on the considered traces. A large set of representative execution traces must be analyzed to increase the probability that mined invariants are generally true. However, this is extremely time-consuming for current sequential approaches when long execution traces and large set of SUV's variables are considered. Dynamic mining of assertions is instead a class of approaches to extract temporal logic formulas with the purpose of expressing temporal relations among the variables of a SUV. However, in most cases, existing tools can only mine assertions compliant with a limited set of pre-defined templates. Furthermore, they tend to generate a huge amount of assertions, while they still lack an effective way to measure their coverage in terms of design behaviors. Moreover, the security vulnerability of a firmware running on a HW/SW platforms is becoming ever more critical in the functional verification of a SUV. Current approaches in literature focus only on raising an error as soon as an assertion monitoring the SUV fails. No approach was proposed to investigate the issue that this set of assertions could be incomplete and that different, unusual behaviors could remain not investigated. From the extra-functional point of view of a SUV, several approaches based on power state machines (PSMs) have been proposed for modeling and simulating the power consumption of an IP at system-level. However, while they focus on the use of PSMs as the underlying formalism for implementing dynamic power management techniques of a SoC, they generally do not deal with the basic problem of how to generate a PSM. In this context, the thesis aims at exploiting dynamic assertion mining to improve the current approaches for the characterization of functional and extra-functional properties of a SoC with the final goal of providing an efficient and effective system-level virtual prototyping environment. In detail, the presented methodologies focus on: efficient extraction of invariants from execution traces by exploiting GP-GPU architectures; extraction of human-readable temporal assertions by combining user-defined assertion templates, data mining and coverage analysis; generation of assertions pinpointing the unlike execution paths of a firmware to guide the analysis of the security vulnerabilities of a SoC; and last but not least, automatic generation of PSMs for the extra-functional characterization of the SoC
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