基于时间Petri网的嵌入式系统中断建模与验证.docx

基于时间Petri网的嵌入式系统中断建模与验证
随着嵌入式系统在工业自动化、交通运输、医疗设备和信息抓取等领域的广泛应用，安全保证和可靠性已成为嵌入式系统中一个至关重要的问题。其中，系统中断（Interrupt）是嵌入式系统中一个重要的机制，它分解了系统任务间的耦合，提高了系统的个性化、实时性和协调性。因此，如何利用有效的方法对系统中断进行建模和验证，已成为嵌入式系统设计和开发中的一个研究热点。
本文将介绍基于时间Petri网的嵌入式系统中断建模与验证方法。首先，我们将介绍Petri网和时间Petri网的基本概念和特点；其次，我们将介绍系统中断的概念和分类，并在此基础上，提出一种基于时间Petri网的系统中断建模方法；最后，我们将介绍如何利用模型检测技术对该模型进行形式化验证，以保证系统中断的正确性。
一、Petri网和时间Petri网
Petri网是一种描述并行系统的常用工具。它由Petri于1962年首次提出，用于对并发系统进行形式化描述。Petri网包括两种基本元素：库所（Place）和变迁（Transition）。库所是Petri网中存放库存物品的位置，在Petri网中用圆圈表示。变迁是库所之间传输或转移库存物品的位置，在Petri网中用矩形表示。箭头表示变迁的输入和输出关系。当变迁满足输入库所的要求时，它可以发生变化，将库所中的物品从输入库所移动到输出库所。Petri网按照多重性、同步性以及时间性分为多种类型，以适应对不同类型并发系统的描述。
时间Petri网是Petri网的扩展形式，它在Petri网的基础上引入了时延概念。时间Petri网中，变迁的输入和输出之间可以设置时间约束，变迁发生所需的时间由所需所有输入库所的大致时间和其他的时间约束来决定。
二、系统中断的分类
中断是处理器收到硬件或软件的事件（如时钟、I/O或其他外部事件）并停止当前任务转而处理新任务的一种通信机制。中断可以提高系统的性能和效率，提高系统的实时性和可靠性。
系统中断通常可分为三种类型：硬件中断、软件中断和异常中断。
1、硬件中断
硬件中断是计算机硬件发出的信号，用于通知处理器或其他设备有重要事件发生。例子包括时钟中断、I/O中断、定时器中断等。在接收到硬件中断请求后，处理器会立即停止执行当前任务并处理中断请求。处理完中断请求后，处理器将返回到之前的任务并继续执行。
2、软件中断
软件中断是由特定软件发出的指令，触发处理器停止当前任务并开始执行新任务。软件中断通常用于在系统中运行优先级低的任务时暂停当前任务并执行优先级高的任务。例子包括操作系统中的调度程序，它可以在必要时暂停当前进程并转而执行另一个进程。
3、异常中断
异常中断是由硬件或软件异常（如非法指令或除零错误）引发的中断。这种中断通常无法预测，但处理器必须立即停止当前任务并处理异常。异常中断的目的是确保计算机的稳定性和安全性。
三、基于时间Petri网的系统中断建模方法
与传统的建模方法不同，基于时间Petri网的系统中断建模方法将系统中断与嵌入式系统的任务和事件相结合，将系统中断处理程序建模成时间Petri网中的超级变迁，并构造相应的时间约束和输入输出关系。该方法可以有效描述系统中断的发生过程和对系统中断的响应。
下面，我们通过一个简单的嵌入式系统来说明该方法的具体实现过程。该系统包括一个时钟，一个IO设备和一个处理器。在该系统中，当IO设备发出中断请求时，处理器将停止当前任务并启动中断处理程序，执行完中断处理程序后，处理器将返回到之前的任务并继续执行。
图1展示了基于时间Petri网的系统中断建模图。图中，P1表示任务1，P2表示任务2，P3表示任务3，P4表示中断处理程序，T1、T2和T3分别表示任务1、任务2和任务3的变迁，T4表示中断处理程序的超级变迁。箭头表示输入和输出关系，矩形表示库所。灰色和白色的矩形表示不同类型的库所。
图1基于时间Petri网的系统中断建模图
在该模型中，任务1需要输入时钟信号和IO设备信号，任务2需要输入任务1的输出和时钟信号，任务3需要输入任务2的输出和时钟信号，中断处理程序需要输入IO中断信号。使用Petri网描述以上任务和变迁之间的关系，并嵌入时间因素来描述中断信号与任务和时钟之间的时间约束，即可构建时间Petri网模型。
四、模型检测方法
模型检测是一种形式化验证方法，可用于检查系统是否满足指定的性质。在本文中，我们将利用模型检测技术来验证基于时间Petri网的系统中断模型是否正确。
模型检测通常包括以下两个阶段：
1、模型构造
模型构造是指根据系统的规范和需求，将系统建模为一个状态图或模型。在本文中，我们将系统中断建模为时间Petri网模型，并构造相应的状态图。
2、性质验证
性质验证是指使用模型检测工具来检测系统模型是否满足指定的性质