UPPAAL使用方法
由于刚开始学习时间自动机及其使用方法,对UPPAAL使用不太熟悉,网上能找到的教程很少,摸索了很久终于成功实现一个小例子,所以记录一下详细教程。
这里用到的例子参考【UPPAAL学习笔记】1:基本使用示例,详细信息可自行有链接查看,本文重点手把手教学UPPAAL方法,本人也是刚开始学习,有不足或理解有误的情况欢迎指出。
下面使用几个小例子展示使用 UPPAAL建模,验证的方法。
简单迁移
建模
首先,打开UPPAAL 后,【文件】→【新建模型】
新建模型如下所示:
需要建的模型如下图,为一个简单的TS模型
在【编辑器】的模板(【Template】)中,右侧通过添加位置、顶点(钉子)和边进行建模。
位置用名称和不变量标记。通过下面红框修改位置类型
通过【编辑location】,在【名字】处为位置命名,在【Invariant】处编辑不变量
通过下图添加位置
以相同的方法,将其命名为end
,通过下图添加边,边用守卫条件(Guard)(例如,e == id)、同步(Sync)(例如,go?)和赋值(Update)(例如,x:=0)标记。
创建模型如下,可以在红框处修改模板名字,添加参数
在【模型声明】处将模型实例化,得到Process
,此处实例化Template()
,名称与模板名称相同,由于此处模板没有参数,故()内为空
// Place template instantiations here.
Process = Template();
// List one or more processes to be composed into a system.
system Process;
建模完成后,对模板进行语法检查,点击【工具】→【检查语法】,若右下角没有消息,则语法无误,可继续进行模拟或验证。
模拟
在【模拟器】中可以看到这个模型
选中例化对象Process
,点击【下一步】,就可以往下走
当TS走到end
状态后就无路可走了,故【使能迁移】里也没有选项了
验证
在【验证器】中,点击【添加】,在【待验证性质】中输入待验证性质
性质描述意义如下:
E<> p
:存在一条路径,其中最终成立p,可达属性()。A[] p
:对于所有路径,始终成立p,安全属性(安全属性的形式是:某些坏事永远不会发生)。E[] p
:存在一条路径,其中始终成立p,安全属性。A<> p
:对于所有路径,最终将成立p,活性属性(活性属性的形式是:某些事最终会发生)。p --> q
:每当成立p时,最终将成立q,活性属性。
此处验证两条性质:
E<> Process.end
A<> Process.end
依次对性质进行验证,选中需验证的性质,点击【开始验证】即可。验证结果在下方【验证进度与结果】中。
此处,E<> Process.end
表示存在一条路径,未来能让实例Process
到达end
状态,显然,验证结果通过;
A<> Process.end
表示对所有路径,都能在未来让实例Process
达到end
状态,验证结果不通过。因为一个TS的Guard条件通过,只表示“这条迁移可以发生”,但不代表一定会发生,可能存在一直停留在start
状态的情况,而不发生这条唯一的迁移,因此不满足这条性质。
若想让迁移在一定条件下一定发生,可以为状态设置不变性,一旦不变性不满足,就无法停留在这个状态,迫使其进行迁移。
互斥进入临界区
新增内容为:
- 边的标记方法
- 模板参数设置及实例化
建模
模型如下图
同步通道和时钟控制
新增内容:
- 模板参数设置及实例化
- 一个项目中使用两个进程模板
- 为状态添加不变性条件
建模
模型如下图所示
需建立两个模板,新建模板方法为:【编辑】【添加模板】
建模方法同上,对边的标记方法为:右键需标记的边,选择【编辑edge】
依次填写,Guard(守卫条件,如,x>=2
,e == id
),同步通信(Sync,如,go?
,reset?
),赋值(Update,如,x:=0
,e:=id
)
建立模型如下图。
模板P1
是一个自循环,Guard条件x>=2
时进行Sync(同步通信),往通道reset
上发送重置信号(!表示发送,?表示接收)
模板Obs
(意为Observer,观察者),行为就是接收到通道reset
上的信号之后,就将全局变量x设置为0
(其实是表示时钟重置,要从后面声明的地方看出这一点):
这里要注意taken
上有个C
,因为它勾选了Commited
,被标记Commited
的状态会冻结时间流逝,而且下一次转移一定从某个Commited
状态开始(要把所有冻结时间的状态走出去,才能考虑普通的状态),如果多个状态被标Commited
,它们就按Interleaving算。
模型声明部分,这里可以不去显式做例化(为啥?),直接两个模板拿来用:
// Place template instantiations here.
// Process = Template();
// List one or more processes to be composed into a system.
system P1, Obs;
设置全局变量(全局的【声明】),其中,x
是时钟(clock
),reset
是通道(chan
):
// Place global declarations here.
clock x;
chan reset;
模拟
语法检查通过就可以去模拟,就是P1
发信号然后Obs
重置然后再回来,因为taken
状态被标Commited
,所以到必须使Obs
走出这个状态才能桀纣往下走,即图中红框部分:总是先让Obs
回到idle
状态。
验证
此处验证两条性质:
A[] Obs.taken imply x>=2
,即对所有路径的所有状态都有,如果Obs
到达了taken
状态,一定有时钟x
满足x>=2
,验证是通过的,因为x>=2
才能发信号到reset
通道上,让Obs
同步接收之后进到taken
状态。
E<> Obs.idle and x>3
,即存在某个路径上某个状态,Obs
在idle
状态闲置时就有x>3
了,验证也是通过的。这条性质直观上可能让人感觉不能通过(因为x>=2
是P1
迁移的条件),但是回想最开始学的,这些Guard条件满足时只表示“迁移可以发生”,而不是一定会发生,所以P1
完全可以x
超过3
了还不发生迁移,也就不会往reset
发信号,所以Obs
也就处在最开始的idle
状态了。
为状态添加不变性条件
对上述E<> Obs.idle and x>3
性质的验证通过,是因为可以一直停留在某个状态,要解决这个问题,可以为状态添加一个有关时钟的不变性条件,当时间流逝使得这个条件不满足时,就不得不离开这个状态,发生迁移。
在模板P1
中编辑位置loop
(双击或右键编辑),在【Invariant】里添加x<=3
,为P1
的loop
状态添加了x<=3
的限制,也就是说它最多可以在这里停留到时钟流到3
,就必须执行迁移到别的状态去了.
验证性质A[] Obs.taken imply (x>=2 and x<=3)
,即只要Obs
到了taken
状态,时钟x
一定在2
和3
之间,验证通过。
验证性质E<> Obs.idle and x>2
,即可能Obs
在idle
状态时,时钟x
是大于2
的,验证通过。因为这个也是满足loop
里x
不超过3
的不变性的,完全可以等到2.999...
。
但是它对性质E<> Obs.idle and x>3
就是不满足的了,因为一旦x>3
,P1
就必须从loop
迁移走,发出的信号让Obs
也同步离开idle
。
参考文献
【1】【UPPAAL学习笔记】1:基本使用示例