Проблемы обеспечения корректности программ и

аппаратуры

Институт системного программирования Российской академии наукhttp://www.ispras.ru

Камкин Александр Сергеевичkamkin@ispras.ru

Московский физико-технический институт (государственный университет), 11 марта 2013 г.

Корректность и надежность

• Корректность – соответствие системы налагаемым на нее требованиям– Минимизация ошибок проектирования

• Надежность – способность системы сохранять работоспособное состояние– Минимизация сбоев при эксплуатации

• (Корректность) (Надежность) – Ошибки – частая причина непредвиденных сбоев

Содержание лекции

• Введение– Ошибки и их последствия– Этапы проектирования– Функциональная верификация

• Основные подходы– Имитационная верификация– Генерация тестовых программ– Формальная верификация

• Проекты ИСП РАН– Проекты C++TESK / MicroTESK– Статический анализ и формальная верификация– Актуальные проблемы

Основная тема: обеспечение корректности микропроцессоров

Цена ошибки проектирования

Ракета-носитель Ариан 5, 1996несовместимость SW/HW

Боинг 757 (рейс 965), 1995отображение информации

Вертолет Чинук CH-47, 1994система управления двигателем

Комплекс ПВО Пэтриот, 1991система наведения ракет

• Человеческие жизни• > 100 млн долларов• Потеря репутации

Статистика ошибок

Среднее число ошибок на 1000 строк кода

Linux

NASA

Microsoft

Среднее

Intel

0 10 20 30 40 50 60

Сложность микропроцессоровМикропроцессор• > 109 транзисторов• > 107 строк на Verilog• ~4-10 ядер

Проектирование• > 500 разработчиков• ~3-4 года работы• > 100 млн долларов

Верификация – более 60% затрат на проектирование микропроцессора!• > 10 000 ошибок проектирования (в спецификациях, Verilog-коде и т.д.)• > 100 инженеров-верификаторов (модели, тесты, формальные методы)• > 1000 компьютеров (круглосуточное моделирование и прогон тестов)

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 20150.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

2,2 тыс (4004)10 мкм

29 тыс (8086)3 мкм

3.1 млн (Pentium)800 нм

42 млн (Pentium 4)180 нм 731 млн (Core i7)

45 нм

5 млрд (Xeon Phi)22 нм

Число транзисторов на кристалле (log10)

Число транзисторов удваивается каждые 2 года

Проектирование микропроцессора

Архитектурное проектирование

Детальное проектирование

Логический синтез

Физический синтез

Верификация

Верификация

Верификация

Программный прототип (С/C++)

Модель уровня RTL (Verilog/VHDL)

Логическая схема

Фотошаблоны

Требования

Функциональная верификация• Верификация – это проверка корректности,

соответствия реализации ее спецификации

– Экспертиза – непосредственный анализ результатов проектирования: инспекция кода программы и т.п.

– Статический анализ кода – автоматическая проверка заданных правил, поиск ошибок по шаблонам и т.п.

– Тестирование – оценка корректности системы по результатам ее работы в некоторых ситуациях

– Формальная верификация – строгое доказательство корректности формальной модели системы

Автоматизация верификации

Формальные модели, спецификации, правила

Генерациятестов

Проверкаповедения

Проверкамоделей

Дедуктивныйанализ

Статическийанализ

автоматы,цепи Маркова

пред- и постусловия,временные логики

автоматы,временные логики

аксиомы,правила вывода

семантика языка,шаблоны ошибок

Модульная и системная верификация

lui s1, 0x2779ori s1, s1, 0xc8b9lui s3, 0x4eeori s3, s3, 0xf798add v0, a0, a2sub t1, t3, t5add t7, s1, s3

Системная верификацияМодульная верификация

Проверяется модель всего микропроцессора

с помощью тестовых программ

Проверяется модель отдельного модуля

через входные и выходные сигналы

Языки описания аппаратуры (HDL)

input S;output R1, R2;void design() { while(true) { wait(S); delay(6); R1 = 1; delay(1); R1 = 0; R2 = 1; delay(1); R2 = 0; }}

// Код Verilogalways @(posedge CLK)begin if(state == 2’h0 && S) begin state <= 2’h1; delay <= 3’h6; end else if(state == 2’h1) begin delay <= delay – 3’h1; if(delay == 3’h0) begin state <= 2’h2; R1 <= 1’h1; end end else if(state == 2’h2) begin state <= 2’h3; R1 <= 1’h0; R2 <= 1’h1; end else if(state == 2’h3) begin state <= 2’h0; R2 <= 1’h0; endend

CLK

6 тактов

SR1R2

Параллельные присваивания

Поведение цифровой аппаратуры

Задачи имитационной верификации

Генерация стимулов

Проверка реакций

Оценка покрытияТестовое покрытие

Тестовый оракул

Генератор стимулов

Генераторстимулов

Целеваясистема

Тестовыйоракул

Тестовоепокрытие

Тестирование на основе моделей

Модельсистемы

Генераторстимулов

Целеваясистема

Тестовыйоракул

Тестовоепокрытие

Преобразование интерфейсов

HDL

Входной интерфейс #1

Входной интерфейс #N

Data

Data Data

Data Data

Data Data

Выходной интерфейс #1

Выходной интерфейс #M

ОракулАдаптер входного

интерфейсаАдаптер выходного

интерфейсаЭталонная модель

input <int> in;output<bool> out;...assert(i < MAX_SIZE);fifo[i++] = recv(in);...send(out, i == MAX_SIZE);...

Генерация тестовых программЦелевая система

(HDL)

lui s1, 0xdeadori s1, s1, 0x0lui s3, 0xbeefori s3, s3, 0xfadd v0, a0, a2sub t1, t3, t5add t7, s1, s3

Тестовые программы(ассемблер)

Эталонный симулятор (C/C++)

Трассы выполнения(форматированный текст)

0x2000: lui ...0x2004: ori ...0x2008: ori ...0x200c: lui ...0x2010: add ...0x2014: sub ...0x2018: add ...

Компаратор трасс (Perl, Python)

0x2000: lui ...0x2004: ori ...0x2008: ori ...0x200c: lui ...0x2010: add ...0x2014: sub ...0x2018: add ...

Генерация тестов на основе моделейГенератор на основе моделей

Модель микропроцессора

Модель тестового покрытия

Ядро генератора

Библиотеки

Модель

Генератор

Test templatesTest templatesШаблоны тестов

Инженер помоделированию

Инженер поверификации

Test programsTest programsТестовые программы

Тестовая программа

Resource Initial Values:R6 = 8, R3 = – 25,..., R17 = – 16100 = 7, 110 = 25,..., 1F0 = 16

Instructions:500: Load R5 <- FF0:504: Store R4 -> 100508: Sub R5 <- R6 – R450C: Store R4 -> 110510: Add R6 <- R4 + R3:57C: Store R4 -> 1F0580: Add R9 <- R4 + R17

Шаблон тестовой программы

Variable: addr = 0x100Variable: regBias: Resource-Dependency(GPR) = 30Bias: Alignment(4) = 50

Instruction: Load R5 <- ? Bias: Alignment(16) = 100Repeat (addr < 0x200) Instruction: Store reg -> addr Select Instruction: Add ? <- reg + ? Bias: SumZero Instruction: Sub ? <- ? – ? addr = addr + 0x10

Формальная верификация

ТребованияЦелеваясистема

Соответствие

Модель системы Модель требованийФормальноесоответствие

~

Инструмент C++TESKhttp://forge.ispras.ru/projects/cpptesk-toolkit

• Разработка моделей аппаратуры и адаптеров моделей на языке C++

• Описание тестового покрытия и сценариев тестирования

• Генерация тестовой последовательности на основе обхода графа состояний модели

• Распараллеливание прогона теста на основе распределенного обхода графа состояний

• Генерация отчетов о тестировании

• Описание архитектуры микропроцессора на ADL языке (Sim-nML)

• Конфигурирование типовых подсистем

• Извлечение тестовых ситуаций

• Описание шаблонов тестовых программ (Ruby)

• Генерация шаблонов тестовых программ на основе моделей

Инструмент MicroTESKhttp://forge.ispras.ru/projects/microtesk

• Анализ потоков данных и зависимостей

• Извлечение автоматных моделей

• Автоматическая абстракция моделей

• Формальный анализ моделей

• Поиск зависаний и конфликтов

• Генерация направленных тестов

Статический анализ HDL-описанийalways @(posedge CLK)begin if(state == 3’h0 && S) begin state <= 2’h1; delay <= 3’h6; end else if(state == 3’h1) begin delay <= delay – 3’h1; if(delay == 3’h0) begin state <= 2’h2; R1 <= 1’h1; end end else if(state == 3’h2) begin state <= 2’h3; R1 <= 1’h0; R2 <= 1’h1; end else if(state == 3’h3) begin state <= 2’h0; R2 <= 1’h0; end else if(state == 3’h4) begin state <= 3’h0; endend

0

1

2

3

4

Sstate

delay 0delay= 0

Недостижимое состояние

Мертвый код

• Моделирование сетей на кристалле

• Вероятностный анализ работы сетей

• Доказательство отсутствия зависаний

• Генерация тестов по сетевым моделям

• Моделирование конвейеров

• Верификация многоядерных процессоров

Анализ коммуникационных сетейA.

Got

man

ov, S

. Cha

tterje

e, M

. Kish

inev

sky.

Ver

ifyin

g De

adlo

ck-F

reed

om o

f Com

mun

icati

on F

abric

s.

Актуальные проблемы

• Автоматическая генерация функциональных тестов на основе разного рода моделей

• Глубокий статический анализ Verilog-описаний цифровой аппаратуры (потенциальные ошибки, мертвый код и т.п.)

• Автоматический поиск зависаний (deadlocks) в микроархитектурных моделях процессоров

• Формальная верификация протоколов обеспечения когерентности памяти в многоядерных процессорах

• Распараллеливание верификации, обработка больших графов (генерация тестов и проверка моделей)

Основные работы отдела ТП• Создание технологий и инструментов

– Тестирование на основе моделей (UniTESK)– Проверка соответствия стандарту Linux Standard Base– Верификация драйверов Linux– Верификация микропроцессоров

• Разработка тестов и тестирование– Информационная система оператора связи– Операционные системы реального времени– Базовые библиотеки Linux (Linux Standard Base)– Сетевые протоколы IPv6, Mobile IPv6, IPsec– Отдельные модули компиляторов Intel– Микропроцессоры архитектуры MIPS / Elbrus

Контактная информация• Институт системного программирования РАН (ИСП РАН)

http://www.ispras.ru

• Верификация микропроцессоров @ ИСП РАНhttp://hardware.ispras.ru

• А.С. Камкин, к.ф.-м.н., с.н.с. ИСП РАНkamkin@ispras.ru

Спасибо!