RTEMS操作系統(tǒng)形式化語言支撐庫的設(shè)計與實現(xiàn)的開題報告

RTEMS操作系統(tǒng)形式化語言支撐庫的設(shè)計與實現(xiàn)的開題報告一、選題背景及意義實時操作系統(tǒng)（RTOS）是一種可以滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崟r性需求的操作系統(tǒng)。RTEMS是一款開源的、實時的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它可以在各種處理器體系架構(gòu)和各種應(yīng)用場景下使用。RTEMS在嵌入式系統(tǒng)、航空航天領(lǐng)域、信號處理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。形式化方法是一種在軟件開發(fā)過程中使用嚴格數(shù)學(xué)語言來規(guī)范軟件設(shè)計的方法，它可以幫助開發(fā)者降低代碼出錯的風(fēng)險、提高代碼質(zhì)量。形式化方法在軟件開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，但在RTOS開發(fā)中應(yīng)用形式化方法仍有很大困難。因此，本文選取RTEMS操作系統(tǒng)為研究對象，著重研究形式化方法在RTOS開發(fā)中的應(yīng)用。具體地，我們將設(shè)計并實現(xiàn)一個形式化語言支撐庫，為使用形式化方法進行RTOS開發(fā)提供必要的支持。二、研究內(nèi)容及思路（一）研究內(nèi)容1.研究目標：設(shè)計并實現(xiàn)一個形式化語言支撐庫，支持模型檢查、定理證明、模擬仿真等操作。2.研究內(nèi)容：（1）時間自動機模型的建立和處理，以支持時序邏輯的建立和驗證。（2）支持對RTOS中任務(wù)、信號量、消息隊列等基礎(chǔ)對象的建模。（3）設(shè)計并實現(xiàn)形式化語言，支持在RTOS開發(fā)中使用。（4）支持系統(tǒng)規(guī)約和屬性描述的形式化表示與驗證，包括安全性、活性、時序等屬性。（5）實現(xiàn)形式化工具鏈，包括模型檢查、定理證明、模擬仿真等工具。（二）研究思路1.研究時間自動機模型的建立和處理，以支持時序邏輯的建立和驗證。（1）建立時間自動機模型，對實時系統(tǒng)進行建模；（2）對時間自動機進行簡化和優(yōu)化，以縮小模型規(guī)模；（3）與時序邏輯相結(jié)合，建立相應(yīng)的驗證模型。2.支持對RTOS中任務(wù)、信號量、消息隊列等基礎(chǔ)對象的建模。（1）對任務(wù)進行建模，包括任務(wù)的創(chuàng)建、調(diào)度、暫停、終止等操作；（2）對信號量進行建模，支持信號量的創(chuàng)建、等待、釋放等操作；（3）對消息隊列進行建模，支持消息隊列的創(chuàng)建、發(fā)送、接收等操作。3.設(shè)計并實現(xiàn)形式化語言，支持在RTOS開發(fā)中使用。（1）設(shè)計形式化語言的語法和語義規(guī)則，確保形式化語言的正確性和穩(wěn)定性；（2）支持形式化語言與其他編程語言的互操作性，為用戶提供更加便捷的使用方式；（3）設(shè)計CLI命令，提供友好的用戶交互。4.支持系統(tǒng)規(guī)約和屬性描述的形式化表示與驗證，包括安全性、活性、時序等屬性。（1）設(shè)計規(guī)約描述語言，描述系統(tǒng)規(guī)范和屬性；（2）支持對規(guī)約和屬性的自動驗證，例如對系統(tǒng)安全性、活性、時序等屬性的驗證。5.實現(xiàn)形式化工具鏈，包括模型檢查、定理證明、模擬仿真等工具。（1）支持模型檢查工具，實現(xiàn)自動化驗證；（2）支持定理證明工具，提供更加嚴謹?shù)尿炞C方式；（3）支持模擬仿真工具，為用戶提供直觀的測試方式。三、預(yù)期成果本項目預(yù)期實現(xiàn)如下成果：（1）設(shè)計并實現(xiàn)形式化語言支撐庫，可以提供多種形式化驗證方式。（2）支持時間自動機進行建模，可以支持時序邏輯的建立和驗證。（3）提供對RTOS中任務(wù)、信號量、消息隊列等基礎(chǔ)對象的建模。（4）設(shè)計并實現(xiàn)形式化語言，提供友好的用戶交互方式。（5）支持對系統(tǒng)規(guī)約和屬性描述的形式化表示與驗證。（6）實現(xiàn)形式化工具鏈，支持模型檢查、定理證明、模擬仿真等操作。四、研究計劃1.文獻調(diào)研及閱讀（2個月）-學(xué)習(xí)形式化方法的相關(guān)知識，包括時序邏輯、定理證明、模型檢查等方面；-深入了解RTEMS操作系統(tǒng)的相關(guān)知識，熟悉RTOS的基礎(chǔ)概念和系統(tǒng)架構(gòu)。2.設(shè)計形式化語言支撐庫（3個月）-設(shè)計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)類型和函數(shù)支持；-設(shè)計時間自動機，并進行精簡和優(yōu)化；-設(shè)計CLI命令，并實現(xiàn)用戶交互。3.設(shè)計系統(tǒng)規(guī)約，支持形式化表示與驗證（2個月）-設(shè)計規(guī)約描述語言；-支持對安全性、活性、時序等屬性的描述和驗證。4.實現(xiàn)形式化工具鏈（6個月）-實現(xiàn)模型檢查工具；-實現(xiàn)定理證明工具；-實現(xiàn)模擬仿真工具。5.實驗評估（1個月）-運用實時嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)例程，評估形式化語言支撐庫的功能和性能。6.論文撰寫及答辯（3個月）-撰寫論文，包括研究背景、相關(guān)工作、方法、實現(xiàn)、實驗結(jié)果和結(jié)論部分；-進行答辯。五、參考文獻[1]羅經(jīng)典,陳宗基.一種基于LTL時序邏輯的形式化需求定義方法[J].軟件學(xué)報,2007,18(3):628-644.[2]楊揚.嵌入式實時操作系統(tǒng)中實時性能力效果驗證方法研究[D].華