A stepwise compositional approach to model and analyze system C designs at the transactional level and the delta cycle level

by Nesrine Harrath

Doctoral thesis in Informatique

Under the supervision of Kamel Barkaoui and Bruno Monsuez.

Thesis committee President: Pierre Paradinas.

Thesis committee members: Samia Bouzefrane, Franck Vedrine, Zhiwu Li.

Examiners: Alain Mérigot, Mohamed Shawky.


  • Abstract

    Embedded systems are increasingly integrated into existing real-time applications. They are usually composed of deeply integrated but heterogeneous hardware and software components. These components are developed under strict constraints. Accordingly, the work of design engineers became more tricky and challenging. To meet the high quality standards in nowadays embedded systems and to satisfy the rising industrial demands, the automatization of the developing process of those systems is gaining more and more importance. A major challenge is to develop an automated approach that can be used for the integrated verification and validation of complex and heterogeneous HW/SW systems.In this thesis, we propose a new compositional approach to model and verify hardware and software written in SystemC language. This approach is based on the SystemC Waiting State Automata (WSA). The SystemC Waiting State Automata are used to model the abstract behavior of hardware or software systems described in SystemC. They preserve the semantics of the SystemC scheduler at the temporal and the delta-cycle level. This model allows to reduce the complexity of the modeling process of complex systems due to the problem of state explosion during modeling while remaining faithful to the original system. The SystemC waiting state automaton is also compositional and supports refinement. In addition, this model is extended with parameters such as time and counters in order to take into account further aspects like temporality and other extra-functional properties such as QoS.In this thesis, we propose a stepwise approach on how to automatically extract the SystemC WSAs from SystemC descriptions. This construction is based on symbolic execution together with predicate abstraction. We propose a set of algorithms to symbolically compose and reduce the SystemC WSAs in order to study, analyze and verify concurrent behavior of systems as well as the data exchange between various components. We then propose to use the SystemC WSA to model and simulate hardware and software systems, and to compute the worst cas execution time (WCET) using the Timed SystemC WSA. Finally, we define how to apply model checking techniques to prove the correctness of the abstract analysis.

  • Alternative Title

    Une approche compositionnelle pour la modélisation et l'analyse des composants systemC au niveau TLM et au niveau des Delta Cycles


  • Abstract

    Les systèmes embarqués sont de plus en plus intégrés dans les applications temps réel actuelles. Ils sont généralement constitués de composants matériels et logiciels profondément Intégrés mais hétérogènes. Ces composants sont développés sous des contraintes très strictes. En conséquence, le travail des ingénieurs de conception est devenu plus difficile. Pour répondre aux normes de haute qualité dans les systèmes embarqués de nos jours et pour satisfaire aux besoins quotidiens de l'industrie, l'automatisation du processus de développement de ces systèmes prend de plus en plus d'ampleur. Un défi majeur est de développer une approche automatisée qui peut être utilisée pour la vérification intégrée et la validation de systèmes complexes et hétérogènes.Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une nouvelle approche compositionnelle pour la modélisation et la vérification des systèmes complexes décrits en langage SystemC. Cette approche est basée sur le modèle des SystemC Waiting State Automata (WSA). Les SystemC Waiting State Automata sont des automates permettant de modéliser le comportement abstrait des systèmes matériels et logiciels décrits en SystemC tout en préservant la sémantique de l'ordonnanceur SystemC au niveau des cycles temporels et au niveau des delta-cycles. Ce modèle permet de réduire la complexité de la modélisation des systèmes complexes due au problème de l'explosion combinatoire tout en restant fidèle au système initial. Ce modèle est compositionnel et supporte le rafinement. De plus, il est étendu par des paramètres temps ainsi que des compteurs afin de prendre en compte les aspects relatifs à la temporalité et aux propriétés fonctionnelles comme notamment la qualité de service. Nous proposons ensuite une chaîne de construction automatique des WSAs à partir de la description SystemC. Cette construction repose sur l'exécution symbolique et l'abstraction des prédicats. Nous proposons un ensemble d'algorithmes de composition et de réduction de ces automates afin de pouvoir étudier, analyser et vérifier les comportements concurrents des systèmes décrits ainsi que les échanges de données entre les différents composants. Nous proposons enfin d'appliquer notre approche dans le cadre de la modélisation et la simulation des systèmes complexes. Ensuite l'expérimenter pour donner une estimation du pire temps d'exécution (worst-case execution time (WCET)) en utilisant le modèle du Timed SystemC WSA. Enfin, on définit l'application des techniques du model checking pour prouver la correction de l'analyse abstraite de notre approche.


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