[发明专利]一种基于抽象解释的嵌入式软件模块化Cache行为分析方法

说明书

本发明公开了一种基于抽象解释的嵌入式软件模块化Cache行为分析方法，属于计算机技术领域，包括：Cache行为分析框架形式化描述，以抽象解释理论为分析方法设计基础，对Cache行为执行过程进行抽象建模，对Cache架构和分析方法进行关联分析，形式化定义Cache行为分析过程；Cache行为分析框架实现，构建模块化分析框架以支持多种不同架构的Cache行为分析，达到Cache分析过程可重用的目的。本发明构建模块化分析框架以支持多种不同架构的Cache行为分析，确定Cache配置、分析方法和过程间的关系，提出了各层次间的阶段划分结构，构建了独立于Cache机制的Cache行为分析框架。

技术领域

本发明涉及一种Cache行为分析方法，特别是涉及一种基于抽象解释的嵌入式软件模块化Cache行为分析方法，属于计算机技术领域。

背景技术

在安全关键软件中存在很多硬实时性的任务需求，一旦软件未能在规定的时效内完成既定功能，则有可能会出现巨大财产损失和人员伤亡等严重后果，安全关键软件的部署平台通常采用嵌入式系统，如航空机载系统、车载电子控制系统、医疗设备等，嵌入式系统具有硬件架构多样的特点，对于这类存在硬实时需求的嵌入式软件系统，如何在可执行代码层面结合硬件架构进行程序时间属性的验证，成为安全关键软件工程中必不可少的一项工作，作为安全关键软件的代表，在机载嵌入式软件领域，适航标准DO-333作为对DO-178C标准的扩充，提供了多种形式化方法用于在软件开发过程中对机载软件进行验证，在代码验证阶段，该标准建议采用抽象解释的方法对源代码或可执行目标代码进行静态代码分析，主要分析内容包括对运行时错误的检查和对不可达代码段的检查等。

现代嵌入式系统的硬件架构中通常都使用了高速缓存(Cache)机制，Cache是用于弥补CPU处理速度远高于内存访问速度的结构，由于内存访问速率远低于CPU时钟，因此在程序执行时会出现CPU需要等待内存指令或数据的现象，导致CPU等待一定的读取时间，从而降低了CPU的工作效率，在CPU和内存之间增加一级访问速率较高的Cache，可以将CPU所要使用的信息提前从低速的内存读取至高速的Cache中，当CPU需要该信息时，可以直接从Cache中读取而不必等待内存访问的时间，从而提高CPU执行效率。

Cache的使用可以提高程序的平均执行效率，但是对于估算程序最坏执行时间同样带来了更多的问题，Cache对最坏执行时间的影响主要体现在Cache中指令和数据的命中情况，不同的Cache命中情况(即Cache行为)影响了程序在执行时的CPU执行时间，而Cache中的真实储存信息实则对CPU计算时间并无影响，因此在分析程序最坏执行时间的过程中，如何对Cache行为进行建模以表达程序执行过程中Cache命中情况，是影响WCET分析精度的关键过程之一。

抽象解释理论由P.Cousot和R.Cousot于1977年提出，其本质是程序静态分析时构造和逼近程序不动点语义的理论，该理论的基本思想是是以抽象语义表达程序语义，并通过抽象语义上的近似计算逼近程序语义上的真实计算，使得程序抽象执行的结果能够在一定程度上反映程序真实执行的部分信息。程序语义表示程序中的具体程序执行对象，如变量、函数等，即表示程序在真实执行中的相关对象和操作等。通过程序抽象，将程序语义中的计算对象(变量)和计算过程(函数)抽象表达为另一个抽象域中的抽象属性和抽象操作，并通过抽象域中的不动点迭代计算近似真实程序执行过程，得到能够反映真实执行的抽象计算结果(语义不动点)，通过验证抽象结果的属性满足性以间接证明程序的属性是否得到满足。

基于抽象解释的Cache行为分析，其基本思想仍然是以抽象语义上的计算表达程序语义中的计算过程，但在Cache行为分析中，程序语义并非指称具体程序执行过程，而是对其状态和状态更新的描述，即对Cache行为的抽象建模和模拟。