京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(情報学) / 甲第22588号 / 情博第725号 / 新制||情||124(附属図書館) / 京都大学大学院情報学研究科通信情報システム専攻 / (主査)教授 湊 真一, 教授 五十嵐 淳, 教授 山本 章博 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Informatics / Kyoto University / DFAM

Thesis (MSc (Mathematical Sciences)--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Binary Decision Diagrams (BDDs) are data structures that have been used to solve various problems in different aspects of computer aided design and formal verification. The large memory and time requirements of BDD applications are the major constraints that usually prevent the use of BDDs since there is a limited amount of memory available on a machine. One way of overcoming this resource limitation problem is to utilize the memory available on a network of workstations (NOW). This requires the distribution of the computation and memory requirements involved in the manipulation of BDDs over a NOW. In this thesis, an algorithm for manipulating BDDs on a NOW is presented. The algorithm makes use of the breadth-first technique to manipulate BDDs so that various BDD operations can be started concurrently on the different workstations on the NOW. The design and implementation details of the distributed BDD package are described. The various approaches considered in order to optimize the performance of the algorithm are also discussed. Experimental results demonstrating the performance and capabilities of the distributed package and the benefits of the different optimization approaches are given. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Binêre besluitnemingsbome (BBBs) is data strukture wat gebruik word om probleme in verskillende areas van Rekenaarwetenskap, soos by voorbeeld rekenaargesteunde ontwerp en formele verifikasie, op te los. Die tyd- en spasiekoste van BBB-gebaseerde toepassings is die hoofrede waarom BBBs nie altyd gebruik kan word nie; die geheue van ’n enkele is ongelukkig te beperkend. Een manier om hierdie hulpbronprobleem te omseil, is om die gedeelde geheue van die werkstasies in ’n netwerk van werkstasies (Engels: “network of workstations”, oftewel, ’n NOW) te benut. Dit is dus nodig om die berekening en geheuevoorvereistes van die BBB bewerking oor die NOW te versprei. Hierdie tesis bied ’n algoritme aan om BBBs op ’n NOW te hanteer. Die algoritme gebruik die breedte-eerste soektegniek, sodat BBB operasies gelyklopend kan uitvoer. Die details van die ontwerp en implementasie van die verspreide BBB bilbioteek word beskryf. Verskeie benaderings om die gedrag van die biblioteek te optimeer word ook aangespreek. Empiriese resultate wat die werkverrigting en kapasiteit van die biblioteek meet, en wat die uitwerking van die onderskeie optimerings aantoon, word verskaf.

Points-to analysis is a static program analysis that tries to predict the dynamic behavior of programs without running them. It computes reference information by approximating for each pointer in the program a set of possible objects to which it could point to at runtime. In order to justify new analysis techniques, they need to be compared to the state of the art regarding their accuracy and efficiency. One of the main parameters influencing precision in points-to analysis is context-sensitivity that provides the analysis of each method separately for different contexts it was called on. The problem raised due to providing such a property to points-to analysis is decreasing of analysis scalability along with increasing memory consumption used during analysis process. The goal of this thesis is to present a comparison of precision and scalability of context-sensitive and context-insensitive analysis using three different points-to analysis techniques (Spark, Paddle, P2SSA) produced by two research groups. This comparison provides basic trade-offs regarding scalability on the one hand and efficiency and accuracy on the other. This work was intended to involve previous research work in this field consequently to investigate and implement several specific metrics covering each type of analysis regardless context-sensitivity – Spark, Paddle and P2SSA. These three approaches for points-to analysis demonstrate the intended achievements of different research groups. Common output format enables to choose the most efficient type of analysis for particular purpose.

Seit langem ist die Intelligenz des Menschen für viele Forscher und Philosophen ein faszinierendes Forschungsobjekt. Mit dem Aufkommen der Computertechnik erscheint nun zum ersten mal der Traum, einige dieser typisch menschlichen Fähigkeiten nicht nur zu verstehen, sondern nachbauen oder in Teilgebieten gar übertreffen zu können, als realistisch. Ein wichtiger Teil dieses mit "Künstliche Intelligenz" überschriebenen Forschungsgebietes ist das Schließen über Aktionen und Veränderung. Hier wird versucht, die menschliche Fähigkeit, die Effekte seiner Aktionen vorauszusehen und Pläne zum Erreichen von Zielen zu schmieden, nachzubilden. Ein aktives Forschungsgebiet in diesem Rahmen ist der Fluentkalkül, ein Formalismus zur Modellierung von Aktionen und Veränderung. Er stellt Mittel bereit, in der ein automatischer Agent seine Umgebung und die Effekte seiner Aktionen im Rahmen der mathematischen Logik darstellen kann, um mit Hilfe von logischem Schließen sein Verhalten zu planen. Obwohl zum Fluentkalkül viele Arbeiten existieren, die dessen Anwendungsbereiche und Semantik erweitern, gibt es doch noch relativ wenige Arbeiten zum effizienten Schlussfolgern. Dies ist ein Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit. Es wird ein Algorithmus geschaffen, der Erkenntnisse aus effizienten Verfahren zum Modelchecking mit Binären Entscheidungsdiagrammen (BDDs) sinngemäß überträgt und für ein Fragment des Fluentkalkül erweitert. Damit können nun auch Planungsprobleme von Fluentkalkül-Planern gelöst werden, die der realisierten symbolischen Breitensuche besser zugänglich sind, als der bisher aussschliesslich verwendeten heuristischen Tiefensuche. Um eine leichtere Vergleichbarkeit Fluentkalkül-basierter Planungsverfahren mit anderen Planungsalgorithmen zu ermöglichen, wurde eine Übersetzung des ADL-Fragments der Planungsdomänenbeschreibungssprache PDDL in den Fluentkalkül geschaffen. Damit können zahlreiche Planungsprobleme aus der Literatur und Planungsdomänenbibliotheken auch mit Fluentkalkül-Planern bearbeitet werden. Die Übersetzung kann zugleich als formale Semantik des nur informal spezifizierten PDDL dienen.

<p>A decentralized discrete-event system (DES) consists of supervisors that are physically distributed. Co-observability is one of the necessary and sufficient conditions for the existence of a decentralized supervisors that correctly solve the control problem. In this thesis we present a state-based definition of co-observability and introduce algorithms for its verification. Existing algorithms for the verification of co-observability do not scale well, especially when the system is composed of many components. We show that the implementation of our state-based definition leads to more efficient algorithms.</p> <p>We present a set of algorithms that use an existing structure for the verification of state-based co-observability (SB Co-observability). A computational complexity analysis of the algorithms show that the state-based implementation of algorithms result in quadratic complexity. Further improvements come from using a more compact way of representing finite-state machines namely Binary Decision Diagrams (BDD).</p> / Master of Science (MSc)

La synthèse de contrôleurs discrets (SCD) est appliquée pour générer automatiquement des contrôleurs matériels corrects par construction. Pour un système donné (un modèle à états), et une spécification de contrôle associée (une exigence comportementale), cette technique génère un contrôleur qui, composé avec le système initial, garantit la satisfaction de la spécification. La technique de SCD utilisée dans ce travail s’appuie sur les diagrammes de décision binaire (BDDs). Les contrôleurs générés doivent être compatibles avec les outils standards de synthèse matérielle de niveau RTL. Deux problèmes principaux ont été examinés: l’explosion combinatoire et la génération effective du contrôleur matériel. La maîtrise de l’explosion combinatoire s’appuie sur des approches de type «diviser pour régner », exploitant la modularité du système ou du contrôleur. La plupart des approches existantes ne traitent pas la communication explicite entre différents composants du système. Le mécanisme de synchronisation le plus couramment envisagé est le partage des événements d’entrée, faisant abstractiondes sorties. Nous proposons une technique de SCD incrémentale qui permet de traiter également les systèmes communicants. Une étape initiale d’abstraction modulaire est suivie par une séquence progressive de raffinements et de calculs de solutions approximatives de contrôle. La dernière étape de cette séquence engendre un contrôleur exact. Nous montrons que cette technique offre une efficacité améliorée en temps/mémoire par rapport à l’approche traditionnelle globale de la SCD. La génération du contrôleur matériel s’appuie sur un traitement spécifique du non-déterminisme de contrôle. Une architecture de contrôle à boucle partiellement fermée est proposée, afin de permettre une conception hiérarchique. Une technique automatique transformant une équation de contrôle en vecteur de fonctions de contrôle est proposée et illustrée. La SCD est ensuite appliquée et illustrée sur la correction de certaines erreurs de conception. L’efficacité des techniques proposées est illustrée sur un ensemble d’exemples de conception matérielle. / The Discrete Controller Synthesis (DCS) technique is used for automatic generation of correct-by-construction hardware controllers. For a given plant (a state-based model), and an associated control specification (a behavioral requirement), DCS generates a controller which, composed with the plant, guarantees the satisfaction of the specification. The DCS technique used relies on binary decision diagrams (BDDs). The controllers generated must be compliant with standard RTL hardware synthesis tools. Two main issues have been investigated: the combinational explosion, and the actual generation of the hardware controller. To address combinational explosion, common approaches follow the "divide and conquer" philosophy, producing modular control and/or decentralized control. Most of these approaches do not consider explicit communication between different components of a plant. Synchronization is mostly achieved by sharing of input events, and outputs are abstracted away. We propose an incremental DCS technique which also applies to communicating systems. An initial modular abstraction is followed by a sequence of progressive refinements and computations of approximate control solutions. The last step of this sequence computes an exact controller. This technique is shown to have an improved time/memory efficiency with respect to the traditional global DCS approach. The hardware controller generation addresses the control non-determinism problem in a specific way. A partially closed-loop control architecture is proposed, in order to preserve the applicability of hierarchical design. A systematic technique is proposed and illustrated, for transforming the automatically generated control equation into a vector of control functions. An application of the DCS technique to the correction of certain design errors in a real design is illustrated. To prove the efficiency of the incremental synthesis and controller implementation, a number of examples have been studied.

Seit langem ist die Intelligenz des Menschen für viele Forscher und Philosophen ein faszinierendes Forschungsobjekt. Mit dem Aufkommen der Computertechnik erscheint nun zum ersten mal der Traum, einige dieser typisch menschlichen Fähigkeiten nicht nur zu verstehen, sondern nachbauen oder in Teilgebieten gar übertreffen zu können, als realistisch. Ein wichtiger Teil dieses mit &amp;quot;Künstliche Intelligenz&amp;quot; überschriebenen Forschungsgebietes ist das Schließen über Aktionen und Veränderung. Hier wird versucht, die menschliche Fähigkeit, die Effekte seiner Aktionen vorauszusehen und Pläne zum Erreichen von Zielen zu schmieden, nachzubilden. Ein aktives Forschungsgebiet in diesem Rahmen ist der Fluentkalkül, ein Formalismus zur Modellierung von Aktionen und Veränderung. Er stellt Mittel bereit, in der ein automatischer Agent seine Umgebung und die Effekte seiner Aktionen im Rahmen der mathematischen Logik darstellen kann, um mit Hilfe von logischem Schließen sein Verhalten zu planen. Obwohl zum Fluentkalkül viele Arbeiten existieren, die dessen Anwendungsbereiche und Semantik erweitern, gibt es doch noch relativ wenige Arbeiten zum effizienten Schlussfolgern. Dies ist ein Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit. Es wird ein Algorithmus geschaffen, der Erkenntnisse aus effizienten Verfahren zum Modelchecking mit Binären Entscheidungsdiagrammen (BDDs) sinngemäß überträgt und für ein Fragment des Fluentkalkül erweitert. Damit können nun auch Planungsprobleme von Fluentkalkül-Planern gelöst werden, die der realisierten symbolischen Breitensuche besser zugänglich sind, als der bisher aussschliesslich verwendeten heuristischen Tiefensuche. Um eine leichtere Vergleichbarkeit Fluentkalkül-basierter Planungsverfahren mit anderen Planungsalgorithmen zu ermöglichen, wurde eine Übersetzung des ADL-Fragments der Planungsdomänenbeschreibungssprache PDDL in den Fluentkalkül geschaffen. Damit können zahlreiche Planungsprobleme aus der Literatur und Planungsdomänenbibliotheken auch mit Fluentkalkül-Planern bearbeitet werden. Die Übersetzung kann zugleich als formale Semantik des nur informal spezifizierten PDDL dienen.

Sound criteria for partial order reduction for probabilistic concurrent systems have been presented in the literature. Their realization relies on a depth-first search-based approach for generating the reduced model. The drawback of this dynamic approach is that it can hardly be combined with other techniques to tackle the state explosion problem, e.g., symbolic probabilistic model checking with multi-terminal variants of binary decision diagrams. Following the approach presented by Kurshan et al. for non-probabilistic systems, we study partial order reduction techniques for probabilistic concurrent systems that can be realized by a static analysis. The idea is to inject the reduction criteria into the control flow graphs of the processes of the system to be analyzed. We provide the theoretical foundations of static partial order reduction for probabilistic concurrent systems and present algorithms to realize them. Finally, we report on some experimental results.

Sound criteria for partial order reduction for probabilistic concurrent systems have been presented in the literature. Their realization relies on a depth-first search-based approach for generating the reduced model. The drawback of this dynamic approach is that it can hardly be combined with other techniques to tackle the state explosion problem, e.g., symbolic probabilistic model checking with multi-terminal variants of binary decision diagrams. Following the approach presented by Kurshan et al. for non-probabilistic systems, we study partial order reduction techniques for probabilistic concurrent systems that can be realized by a static analysis. The idea is to inject the reduction criteria into the control flow graphs of the processes of the system to be analyzed. We provide the theoretical foundations of static partial order reduction for probabilistic concurrent systems and present algorithms to realize them. Finally, we report on some experimental results.

Tato práce se zaměřuje na konečné automaty nad konečnými slovy a konečnými stromy, a použití těchto automatů při formální verifikaci nekonečně stavových systémů. Práce se nejdříve věnuje rozšíření existujícího přístupu pro verifikaci programů které manipulují s haldou (konkrétně programů s dynamickými datovými strukturami), jenž je založen na stromových automatech. V práci je navrženo několik rozšíření tohoto přístupu, jako například jeho plná automatizace či jeho rozšíření o podporu uspořádaných dat. V práci jsou popsány nové rozhodovací procedury pro dvě logiky, které jsou často používány ve formální verifikaci: pro separační logiku a pro slabou monadickou druhořádovou logiku s následníkem. Obě tyto rozhodovací procedury jsou založeny na převodu jejich problému do automatové domény a následné manipulaci v této cílové doméně. Posledním přínosem této práce je vývoj nových algoritmů k efektivní manipulaci se stromovými automaty, s důrazem na testování inkluze jazyků těchto automatů a manipulaci s automaty s velkými abecedami, a implementace těchto algoritmů v knihovně pro obecné použití. Tyto vyvinuté algoritmy jsou použity jako klíčová technologie, která umožňuje použití výše uvedených technik v praxi.