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Contatti
e-mail: davide.bresolin@univr.it
ufficio: Ca’ Vignal 2, primo piano, stanza 80
ricevimento: Giovedì, 11-12 oppure su appuntamento
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 1 / 29
Lezione 1: Uppaal
Laboratorio di Sistemi in Tempo Reale
Corso di Laurea in Informatica Multimediale
6 Novembre 2008
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 2 / 29
Outline
1 Una breve introduzione ad Uppaal
2 Il problema dei soldati
3 Un protocollo di mutua esclusione
4 Esercizio
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 3 / 29
UPPAAL è un pacchetto per la simulazione e la verifica di sistemi intempo reale
sviluppato dalle università di Uppsala (Svezia) e Aalborg(Danimarca)utilizza gli automi temporizzati per modellare i sistemidispone di un’interfaccia graficapermette di simulare graficamente il comportamento del sistemaverifica di semplici proprietà di sicurezza e liveness
Programma e documentazione: http://www.uppaal.com
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 4 / 29
Gli automi temporizzati in UPPAAL
nx <= 5
my <= 10
a
x <= 5 and y > 3
x := 0
Orologi: x , yInvarianti: condizioni sugli orologiGuardie: combinazioni booleane di confrontiReset: azioni sugli orologiStati: (locazione, x , y) con x , y ∈ RTransizioni:(n, x = 2.4, y = 3.1414)
a−→(m, x = 0, y = 3.1415)
(n, x = 2.4, y = 3.1414)1.1−→
(n, x = 3.5, y = 4.2415)
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 5 / 29
Un semplice automa temporizzato.
L’automa può attivare la transizione solo dopo che sono passatidue secondiÈ obbligato ad attivarla quando sono passati 3 secondi
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 6 / 29
Estensioni degli automi temporizzati
Template: gli automi sono definite mediante modelli cheaccettano parametri. Questi parametri sono istanziati nelladefinizione del sistema.Variabili intere: lo stato del sistema dipende anche da variabiliintere che vengono modificate solamente dalle transizioni discrete.Reti di automi: un sistema può essere composto da più automiche evolvono in parallelo.Canali: permettono la sincronizzazione tra due automi.Urgent/Committed locations: locazioni dove il tempo non scorree che devono essere lasciate il prima possibile.Array di orologi, canali e variabili.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 7 / 29
Reti di automi: la macchina del caffè
coin e cof sono due canali di sincronizzazione:
Person inserisce una moneta nella macchina (coin!) e rimane inattesa del caffè (cof?)Machine accetta la moneta (coin?) e, entro 3 secondi, prepara uncaffè (cof !), oppure va in uno stato di errore.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 8 / 29
Reti di automi: semantica
n1
m1
a!
x1 < 3
x1 := 0
n2
m2
a?
x2 > 5
x2 := 0
Le transizioni etichettate con un canalesi attivano simultaneamente:
entrambe le guardie devono esserevereuna transizione invia un segnale(a!) e l’altra lo riceve (a?)entrambi i reset vengono eseguiti
(n1, n2, x1 = 2.65, x2 = 6.13)a−→ (m1, m2, x1 = 0, x2 = 0)
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 9 / 29
Model Checking e verifica automatica
Descrizione del sistemaTimed Automata A
Requisiti del sistemaSpecifica F
A soddisfa F?
Si!
No!Informazioni diagnostiche
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 10 / 29
Specificare le proprietà in UPPAAL
UPPAAL usa un frammento della logica CTL per specificare le proprietàda verificare:
F ::= op_temporale formula_di_stato
Le formule di stato esprimono proprietà dei singoli stati:
fds ::= Proc.loc | deadlock |x == n | x <= n | x < n | x > n | x >= n |fds and fds | fds or fds |fds imply fds | not fds
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 11 / 29
Operatori temporali: A[], E<>, -->, A<>, E[]
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 12 / 29
Esempi di proprietà
Il sistema non va mai in deadlock: A[] not deadlock
È possibile che il processo P1 rimanga nello stato q per più di 10secondi: E<> (P1.q and x > 10)
Ogni messaggio inviato da P1 viene ricevuto da P2 entro 3secondi: P1.invia --> (P2.riceve and x <= 3)
Il sistema P raggiunge sempre lo stato q in un tempo compresotra 4 e 6 secondi: A<> (P.q and x >= 4 and x <= 6)
È possibile che il sistema P non entri mai nello stato q:E[] not P.q
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 13 / 29
Outline
1 Una breve introduzione ad Uppaal
2 Il problema dei soldati
3 Un protocollo di mutua esclusione
4 Esercizio
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 14 / 29
Il problema dei soldati
?
25
20
5
10 torcia
Campo minato
solo chi ha la torcia può passare per il campo minatoal massimo due soldati possono tenere la torcia
esiste un modo per mettere in salvo tutti i soldati in meno di 60 minuti?
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 15 / 29
Modellare la torcia
L rappresenta la posizione della torcia:se L == 0 la torcia è al di qua del campo minato;se L == 1 la torcia è al di là del campo minato.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 16 / 29
Modellare il soldato
const int delay è un parametro che rappresenta il tempoimpiegato per attraversare il campo minato.
clock y; (nella finestra "Declaration" di "Soldier") è un orologiolocale.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 17 / 29
Modellare l’intero problema
Definzione delle variabili globali (nella finestra "Declarations"):chan take, release;int[0,1] L;clock time;
Definizione del sistema ("System declarations"):Soldier1 = Soldier(5);Soldier2 = Soldier(10);Soldier3 = Soldier(20);Soldier4 = Soldier(25);
system Soldier1, Soldier2, Soldier3, Soldier4,Torch;
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 18 / 29
Un piccolo esercizio
L’esempio dei soldati è installato nei PC dei laboratori(bridge.xml)
Provare a riscrivere l’esempio da zero.
Qual’è il tempo minimo che i soldati possono impiegare perattraversare tutti quanti il ponte?
I Dimostrarlo usando le funzioni di verifica di Uppaal!
Modificare l’esempio:I Aggiungendo nuovi soldati;I Aggiungendo una torcia;I Permettendo a tre soldati di tenere la torcia.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 19 / 29
Outline
1 Una breve introduzione ad Uppaal
2 Il problema dei soldati
3 Un protocollo di mutua esclusione
4 Esercizio
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 20 / 29
Consideriamo un semplice esempio di protocollo di mutua esclusione:
process P0:loopreq0 = 1turn = 1wait until turn == 0 or req1 == 0
sezione critica P0req0 = 0
end loop
process P1:loopreq1 = 1turn = 0wait until turn == 1 or req0 == 0
sezione critica P1req1 = 0
end loop
I due processi sono simmetriciUPPAAL permette di definire il processo una sola volta attraversol’uso di template
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 21 / 29
Consideriamo un semplice esempio di protocollo di mutua esclusione:
process P0:loopreq0 = 1turn = 1wait until turn == 0 or req1 == 0
sezione critica P0req0 = 0
end loop
process P1:loopreq1 = 1turn = 0wait until turn == 1 or req0 == 0
sezione critica P1req1 = 0
end loop
I due processi sono simmetriciUPPAAL permette di definire il processo una sola volta attraversol’uso di template
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 21 / 29
Consideriamo un semplice esempio di protocollo di mutua esclusione:
process P0:loopreq0 = 1turn = 1wait until turn == 0 or req1 == 0
sezione critica P0req0 = 0
end loop
process P1:loopreq1 = 1turn = 0wait until turn == 1 or req0 == 0
sezione critica P1req1 = 0
end loop
I due processi sono simmetriciUPPAAL permette di definire il processo una sola volta attraversol’uso di template
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 21 / 29
Nome template: mutexParametri: bool &reqa, bool &reqb, bool me
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 22 / 29
Il template mutex va istanziato con i parametri corretti per ottenere idue processi simmetrici:
bool req0, req1;bool turn;
P0 = mutex(req0,req1,0);P1 = mutex(req1,req0,1);
system P0,P1;
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 23 / 29
Verificare se il protocollo soddisfa le seguenti proprietà:
P1 riesce ad accedere alla sua regione critica: E<> P1.CS
il sistema non va mai in deadlock: A[] not deadlock
P0 e P1 non possono essere contemporaneamente nella regionecritica: A[] not (P0.CS and P1.CS)
ogni volta che P1 chiede di entrare nella sezione critica la suarichiesta viene soddisfatta: P1.req --> P1.CS
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 24 / 29
Outline
1 Una breve introduzione ad Uppaal
2 Il problema dei soldati
3 Un protocollo di mutua esclusione
4 Esercizio
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 25 / 29
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 26 / 29
Modellare un distributore di bibite e l’utente che lo utilizza.
Il costo di una bibita è pari a 5 monete.L’utente inserisce un certo numero di monete nella macchina(CoinIn), quindi preme il bottone RequestCan oppure cancelSe l’utente preme cancel la macchina restituisce le moneteinserite (CoinOut)Se l’utente preme RequestCan ed il credito inserito è sufficente, lamacchina dà una bibita all’utente più l’eventuale resto (CoinOut)La macchina impiega tra i 5 e i 10 secondi per emettere la lattina.Si assuma che l’utente non inserisca mai più di 10 monete senzapremere nessun bottone.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 27 / 29
Completare il sistema specificando gli automi per il Distributoredi bibite e per l’Utente in modo che rispettino le specifiche date.
Verificare che:I il sistema non va mai in deadlock;I se il credito è sufficente e se l’utente preme RequestCan, allora la
macchina emette una lattina entro 10 secondi.I se l’utente preme cancel, allora la macchina restituisce il credito
Suggerimento:Iniziare con un modello semplice (la lattina costa 1 moneta, no resto) epoi estenderlo al caso richiesto.
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 28 / 29
http://profs.sci.univr.it/~bresolin/lab01.pdf
Sistemi in Tempo Reale (Lab) Uppaal 6 Novembre 2008 29 / 29
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