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 "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.

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.

Tato práce se věnuje vylepšení současného stavu formalní analýzy a verifikace založené na automatech a zaměřené na systémy s nekonečnými stavovými prostory. V první části se práce zabývá dvěma rozhodovacími procedurami pro logiku WS1S, které jsou založené na korespondenci mezi formulemi logiky WS1S a konečnými automaty. První metoda je založena na tzv. antiřetězcích, ale, je limitována pouze na formule v prenexním normálním tvaru. Následně je tento přístup zobecněn na libovolné formule, jsou zavedeny tzv. jazykové termy a na jejich základě je navržena nová procedura, která pracuje za běhu a zpracovává tyto termy "líným" způsobem. Abychom získali efektivní rozhodovací proceduru, je dále navržena sada optimalizací (přičemž některé nejsou limitovány pouze pro naše přístupy). Obě metody jsou srovnány s ostatními nástroji implementujícími různé známé rozhodovací procedury. Získané výsledky jsou povzbuzující a ukazují, že použitelnost logiky WS1S je možno rozšířit na širší třídu formulí. V druhé části se práce zabývá analýzou mezí zdrojů programů manipulujících s haldou. Je zde navržena nová třída tzv. tvarových norem založených na délkách cest mezi význačnými místy na haldě, které jsou automaticky odvozovány z analyzovaného programu. Na základě této třídy norem je dále navržen kalkul, který je schopen přesně odvodit změny odvozených normů a použít je k vygenerování odpovídající celočíselné reprezentace vstupního programu, která je následně využita pro následovanou dedikovanou analýzou mezí zdrojů. Tato metoda byla implementována nad analýzou tvaru založenou na tzv. lesních automatech, implementovanou v nástroji Forester, a dále byl použit dobře zavedený analyzátor mezí zdrojů, implementovaný v nástroji Loopus. V experimentální evaluaci bylo ukázáno, že je opravdu takto získán silný analyzátor, který je schopen odvodit meze programů, které ještě nikdy plně automatizovaně odvozené nebyly.