航天器嵌入式操作系统内存管理系统的形式化建模及验证研究

项目名称： 航天器嵌入式操作系统内存管理系统的形式化建模及验证研究

项目编号： No.61502031

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2016

项目学科： 自动化技术、计算机技术

项目作者： 乔磊

作者单位： 北京控制工程研究所

项目金额： 23万元

中文摘要： 内存管理系统位于操作系统内核的最底层，为上层提供内存分配和回收机制。在航天器这类安全攸关的关键系统中，其可靠性和安全性至关重要，必须要考虑到强实时性、有限空间限制、高分配效率以及各种边界条件约束。因此，系统通常采用较为复杂的数据结构和算法来管理内存空间，同时需要采用非常严格的形式化方法来保证航天器这类安全攸关系统的高可信性。对复杂内存管理系统的形式化验证也会较之前的验证工作带来更多难题，主要体现在：内存管理模块中的复杂数据结构的形式化描述；操作的规范语义；行为的建模；内部函数的规范及断言定义与循环不变式的定义；实时性验证等方面。本课题拟针对这些问题，深入分析实际的航天器操作系统内存管理系统的特性；探索基于分层迭代的语义描述与验证的一般性方法与理论，并应用这些理论方法，来验证一个具有实际应用的航天嵌入式操作系统的内存管理系统。本课题研究成果有望被直接应用于我国新一代的航天器系统上。

中文关键词： 航天器操作系统；内存管理；形式化分析；分层迭代；交互式定理证明

英文摘要： In the safety-critical system of spacecraft, memory management system is the essential part of operating system kernels which provides the allocation and free mechanism at the lowest level and is obviously critical to the reliability and safety of the spacecraft computer systems.The memory management system should satisfy hard real-time,limited space usage,efficient allocation and many boundary condition constraints。It has to use very complex data structures and algorithm to manage the whole memory space. In order to make the complex memory management system of spacecraft high reliable,the formal verification will also be much more complicated which is embodded in the formal verification of complex data structures like two level segregated double linked list with two level bitmaps, specification of operations, modeling on behavior,assertion definition of inner function,loop invariant definition and real-time verification. This research will deeply analyze these problems and characteristics of spacecraft memory management system to find some general method and theory based on hierachical iteration for verifying a concrete operating system used on spacecraft. The achievements of this research is believed to improve the reliability of the spacecrafts of China.

英文关键词： Spacecraft Operating System;Memory Management;Formal Verification;Hierarchical Iteration;Interactive theorem proving