[发明专利]基于硬件辅助追踪的嵌入式系统运行时验证方法及系统

说明书

一种基于硬件辅助追踪的嵌入式系统运行时验证方法及系统，方法包括根据线性时序逻辑LTL描述的属性以及属性声明配置文件对被测程序源文件进行预处理；将线性时序逻辑LTL描述的属性转换成Verilog描述的确定性有限状态自动机，生成在PYNQ平台上可动态加载的监视器；将预处理后的源程序编译生成可执行文件，运行源程序；嵌入式系统实时输出的指令级追踪信息，实时在线分析运行轨迹，提取嵌入式系统运行轨迹中由DWT结合ITM组件捕获的观察点；使用Python接口编程和控制监视器，根据接收的观察点标记的事件序列验证嵌入式系统的执行是否满足用户输入的LTL属性规定的事件序列，完成验证。本发明侵入性小，操作简单灵活。

技术领域

本发明涉及嵌入式系统运行时验证技术领域，具体涉及一种基于硬件辅助追踪的嵌入式系统运行时验证方法及系统。

背景技术

硬件辅助追踪技术基于ARM公司提出的用于复杂片上系统实现调试和追踪的CoreSight体系结构，其内部集成专用的调试和追踪模块支持程序执行的跟踪与分析。例如，ARM Cortex-M3/M4内核的处理器提供的追踪功能组件有指令跟踪宏单元ITM(Instrumentation Trace Macrocell)、数据观察点与追踪DWT(Data Watchpoint andTrace)，ITM通常配合DWT使用，支持硬件观察点追踪、PC(Program Counter，程序计数器)采样和各种性能计数器，实现高级别、低带宽和低侵入性的软硬件追踪，当前大多数微控制器都具备这两个调试组件。

PYNQ是Xilinx推出的一个开放源代码框架，使用Python和库，使设计人员可以利用ZYNQ中可编程逻辑和微处理器的优势来快速构建高性能的嵌入式应用程序。软件开发人员可以使用python接口来编程和控制Python API包装的可编程/可配置的FPGA设计Overlay。Overlay的使用增加了功能带宽，硬件资源需求随之增加，动态部分重构DPR(Dynamic Partial Reconfiguration)允许在运行时将部分位流加载到提前硬件设计中划定好的特定区域RP(Reconfigurable Partition)，在重新配置过程和配置之后，RP之外的其余可编程逻辑的部分不受干扰，不同处理功能模块之间以时分复用的方式临时共享使用FPGA资源。

运行时验证中解决的关键问题之一是监控器，监视器是一个交互式模块，根据规范的不同需要重新制定或者更新，新的监视器需要专业人员花费大量的时间用于综合和生成。由于嵌入式系统资源受限，运行时验证中面临的最大挑战就是获得程序执行轨迹的开销，如果鉴别非法事件的过程中侵入性过大，特别是针对实时嵌入式系统，会严重改变系统的执行行为，从而更加难以保障嵌入式系统的安全和稳定的运行，因此，设计和运行时验证成为阻碍嵌入式系统可靠性提高的难点和关键点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于硬件辅助追踪的嵌入式系统运行时验证方法及系统，以低侵入性提供指令级追踪信息，实时分析追踪流支持运行时验证以及利用PYNQ架构的优越性，实现侵入性小，操作简单的嵌入式系统运行验证。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于硬件辅助追踪的嵌入式系统运行时验证方法，包括：

根据线性时序逻辑LTL描述的属性以及属性声明配置文件对被测程序源文件进行预处理，完成硬件辅助追踪配置；

将线性时序逻辑LTL描述的属性转换成Verilog描述的确定性有限状态自动机，通过Xilinx提供的工具链，生成在PYNQ平台上可动态加载的监视器；

将预处理后的源程序编译生成可执行文件，运行源程序；

基于硬件辅助追踪的嵌入式系统实时输出的指令级追踪信息，借助FPGA并行处理能力实时在线分析运行轨迹，通过对数据帧头部的识别，提取嵌入式系统运行轨迹中由DWT结合ITM组件捕获的观察点；