Formal development and quantitative verification of dependable systems

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Combination of pulsed corona discharge with TiO2 photocatalysis: verification of hypothesis

The oxidation potential of pulsed corona discharge concerning aqueous impurities is limited in respect to certain refractory compounds. This may be enhanced in combination of the discharge with catalysis/photocatalysis as developed in homogeneous gas-phase reactions. The objective of the work consists of testing the hypothesis of oxidation potential enhancement in combination of the discharge with TiO2 photocatalysis applied to aqueous solutions of refractory oxalate. Meglumine acridone acetate was included for meeting the practical needs. The experimental research was undertaken into oxidation of aqueous solutions under conditions of various target pollutant concentrations, pH and the pulse repetition rate with plain electrodes and the electrodes with TiO2 attached to their surface. The results showed no positive influence of the photocatalyst, the pollutants were oxidized with the rate identical within the accuracy of measurements. The possible explanation for the observed inefficiency may include low UV irradiance, screening effect of water and generally low oxidation rate in photocatalytic reactions. Further studies might include combination of electric discharge with ozone decomposition/radical formation catalysts.

A Model-Based Development and Verification Framework for Distributed System-on-Chip Architecture

The capabilities and thus, design complexity of VLSI-based embedded systems have increased tremendously in recent years, riding the wave of Moore’s law. The time-to-market requirements are also shrinking, imposing challenges to the designers, which in turn, seek to adopt new design methods to increase their productivity. As an answer to these new pressures, modern day systems have moved towards on-chip multiprocessing technologies. New architectures have emerged in on-chip multiprocessing in order to utilize the tremendous advances of fabrication technology. Platform-based design is a possible solution in addressing these challenges. The principle behind the approach is to separate the functionality of an application from the organization and communication architecture of hardware platform at several levels of abstraction. The existing design methodologies pertaining to platform-based design approach don’t provide full automation at every level of the design processes, and sometimes, the co-design of platform-based systems lead to sub-optimal systems. In addition, the design productivity gap in multiprocessor systems remain a key challenge due to existing design methodologies. This thesis addresses the aforementioned challenges and discusses the creation of a development framework for a platform-based system design, in the context of the SegBus platform - a distributed communication architecture. This research aims to provide automated procedures for platform design and application mapping. Structural verification support is also featured thus ensuring correct-by-design platforms. The solution is based on a model-based process. Both the platform and the application are modeled using the Unified Modeling Language. This thesis develops a Domain Specific Language to support platform modeling based on a corresponding UML profile. Object Constraint Language constraints are used to support structurally correct platform construction. An emulator is thus introduced to allow as much as possible accurate performance estimation of the solution, at high abstraction levels. VHDL code is automatically generated, in the form of “snippets” to be employed in the arbiter modules of the platform, as required by the application. The resulting framework is applied in building an actual design solution for an MP3 stereo audio decoder application.

Timing verification in transaction modeling

Les systèmes Matériels/Logiciels deviennent indispensables dans tous les aspects de la vie quotidienne. La présence croissante de ces systèmes dans les différents produits et services incite à trouver des méthodes pour les développer efficacement. Mais une conception efficace de ces systèmes est limitée par plusieurs facteurs, certains d'entre eux sont: la complexité croissante des applications, une augmentation de la densité d'intégration, la nature hétérogène des produits et services, la diminution de temps d’accès au marché. Une modélisation transactionnelle (TLM) est considérée comme un paradigme prometteur permettant de gérer la complexité de conception et fournissant des moyens d’exploration et de validation d'alternatives de conception à des niveaux d’abstraction élevés. Cette recherche propose une méthodologie d’expression de temps dans TLM basée sur une analyse de contraintes temporelles. Nous proposons d'utiliser une combinaison de deux paradigmes de développement pour accélérer la conception: le TLM d'une part et une méthodologie d’expression de temps entre différentes transactions d’autre part. Cette synergie nous permet de combiner dans un seul environnement des méthodes de simulation performantes et des méthodes analytiques formelles. Nous avons proposé un nouvel algorithme de vérification temporelle basé sur la procédure de linéarisation des contraintes de type min/max et une technique d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité de l'algorithme. Nous avons complété la description mathématique de tous les types de contraintes présentées dans la littérature. Nous avons développé des méthodes d'exploration et raffinement de système de communication qui nous a permis d'utiliser les algorithmes de vérification temporelle à différents niveaux TLM. Comme il existe plusieurs définitions du TLM, dans le cadre de notre recherche, nous avons défini une méthodologie de spécification et simulation pour des systèmes Matériel/Logiciel basée sur le paradigme de TLM. Dans cette méthodologie plusieurs concepts de modélisation peuvent être considérés séparément. Basée sur l'utilisation des technologies modernes de génie logiciel telles que XML, XSLT, XSD, la programmation orientée objet et plusieurs autres fournies par l’environnement .Net, la méthodologie proposée présente une approche qui rend possible une réutilisation des modèles intermédiaires afin de faire face à la contrainte de temps d’accès au marché. Elle fournit une approche générale dans la modélisation du système qui sépare les différents aspects de conception tels que des modèles de calculs utilisés pour décrire le système à des niveaux d’abstraction multiples. En conséquence, dans le modèle du système nous pouvons clairement identifier la fonctionnalité du système sans les détails reliés aux plateformes de développement et ceci mènera à améliorer la "portabilité" du modèle d'application.

A Categorical Framework for the Specification and the Verification of Aspect Oriented Systems

Un objectif principal du génie logiciel est de pouvoir produire des logiciels complexes, de grande taille et fiables en un temps raisonnable. La technologie orientée objet (OO) a fourni de bons concepts et des techniques de modélisation et de programmation qui ont permis de développer des applications complexes tant dans le monde académique que dans le monde industriel. Cette expérience a cependant permis de découvrir les faiblesses du paradigme objet (par exemples, la dispersion de code et le problème de traçabilité). La programmation orientée aspect (OA) apporte une solution simple aux limitations de la programmation OO, telle que le problème des préoccupations transversales. Ces préoccupations transversales se traduisent par la dispersion du même code dans plusieurs modules du système ou l’emmêlement de plusieurs morceaux de code dans un même module. Cette nouvelle méthode de programmer permet d’implémenter chaque problématique indépendamment des autres, puis de les assembler selon des règles bien définies. La programmation OA promet donc une meilleure productivité, une meilleure réutilisation du code et une meilleure adaptation du code aux changements. Très vite, cette nouvelle façon de faire s’est vue s’étendre sur tout le processus de développement de logiciel en ayant pour but de préserver la modularité et la traçabilité, qui sont deux propriétés importantes des logiciels de bonne qualité. Cependant, la technologie OA présente de nombreux défis. Le raisonnement, la spécification, et la vérification des programmes OA présentent des difficultés d’autant plus que ces programmes évoluent dans le temps. Par conséquent, le raisonnement modulaire de ces programmes est requis sinon ils nécessiteraient d’être réexaminés au complet chaque fois qu’un composant est changé ou ajouté. Il est cependant bien connu dans la littérature que le raisonnement modulaire sur les programmes OA est difficile vu que les aspects appliqués changent souvent le comportement de leurs composantes de base [47]. Ces mêmes difficultés sont présentes au niveau des phases de spécification et de vérification du processus de développement des logiciels. Au meilleur de nos connaissances, la spécification modulaire et la vérification modulaire sont faiblement couvertes et constituent un champ de recherche très intéressant. De même, les interactions entre aspects est un sérieux problème dans la communauté des aspects. Pour faire face à ces problèmes, nous avons choisi d’utiliser la théorie des catégories et les techniques des spécifications algébriques. Pour apporter une solution aux problèmes ci-dessus cités, nous avons utilisé les travaux de Wiels [110] et d’autres contributions telles que celles décrites dans le livre [25]. Nous supposons que le système en développement est déjà décomposé en aspects et classes. La première contribution de notre thèse est l’extension des techniques des spécifications algébriques à la notion d’aspect. Deuxièmement, nous avons défini une logique, LA , qui est utilisée dans le corps des spécifications pour décrire le comportement de ces composantes. La troisième contribution consiste en la définition de l’opérateur de tissage qui correspond à la relation d’interconnexion entre les modules d’aspect et les modules de classe. La quatrième contribution concerne le développement d’un mécanisme de prévention qui permet de prévenir les interactions indésirables dans les systèmes orientés aspect.

Efficient Watermarking Schemes for Speaker Verification Guaranteeing Non-repudiation

Presently different audio watermarking methods are available; most of them inclined towards copyright protection and copy protection. This is the key motive for the notion to develop a speaker verification scheme that guar- antees non-repudiation services and the thesis is its outcome. The research presented in this thesis scrutinizes the field of audio water- marking and the outcome is a speaker verification scheme that is proficient in addressing issues allied to non-repudiation to a great extent. This work aimed in developing novel audio watermarking schemes utilizing the fun- damental ideas of Fast-Fourier Transform (FFT) or Fast Walsh-Hadamard Transform (FWHT). The Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) the best parametric representation of the acoustic signals along with few other key acoustic characteristics is employed in crafting of new schemes. The au- dio watermark created is entirely dependent to the acoustic features, hence named as FeatureMark and is crucial in this work. In any watermarking scheme, the quality of the extracted watermark de- pends exclusively on the pre-processing action and in this work framing and windowing techniques are involved. The theme non-repudiation provides immense significance in the audio watermarking schemes proposed in this work. Modification of the signal spectrum is achieved in a variety of ways by selecting appropriate FFT/FWHT coefficients and the watermarking schemes were evaluated for imperceptibility, robustness and capacity char- acteristics. The proposed schemes are unequivocally effective in terms of maintaining the sound quality, retrieving the embedded FeatureMark and in terms of the capacity to hold the mark bits. Robust nature of these marking schemes is achieved with the help of syn- chronization codes such as Barker Code with FFT based FeatureMarking scheme and Walsh Code with FWHT based FeatureMarking scheme. An- other important feature associated with this scheme is the employment of an encryption scheme towards the preparation of its FeatureMark that scrambles the signal features that helps to keep the signal features unreve- laed. A comparative study with the existing watermarking schemes and the ex- periments to evaluate imperceptibility, robustness and capacity tests guar- antee that the proposed schemes can be baselined as efficient audio water- marking schemes. The four new digital audio watermarking algorithms in terms of their performance are remarkable thereby opening more opportu- nities for further research.

Formal Multilevel Hierarchical Verification of Synchronous MOS Circuits

I have designed and implemented a system for the multilevel verification of synchronous MOS VLSI circuits. The system, called Silica Pithecus, accepts the schematic of an MOS circuit and a specification of the circuit's intended digital behavior. Silica Pithecus determines if the circuit meets its specification. If the circuit fails to meet its specification Silica Pithecus returns to the designer the reason for the failure. Unlike earlier verifiers which modelled primitives (e.g., transistors) as unidirectional digital devices, Silica Pithecus models primitives more realistically. Transistors are modelled as bidirectional devices of varying resistances, and nodes are modelled as capacitors. Silica Pithecus operates hierarchically, interactively, and incrementally. Major contributions of this research include a formal understanding of the relationship between different behavioral descriptions (e.g., signal, boolean, and arithmetic descriptions) of the same device, and a formalization of the relationship between the structure, behavior, and context of device. Given these formal structures my methods find sufficient conditions on the inputs of circuits which guarantee the correct operation of the circuit in the desired descriptive domain. These methods are algorithmic and complete. They also handle complex phenomena such as races and charge sharing. Informal notions such as races and hazards are shown to be derivable from the correctness conditions used by my methods.

Incremental Verification of Timing Constraints for Real-Time Systems

Testing constraints for real-time systems are usually verified through the satisfiability of propositional formulae. In this paper, we propose an alternative where the verification of timing constraints can be done by counting the number of truth assignments instead of boolean satisfiability. This number can also tell us how “far away” is a given specification from satisfying its safety assertion. Furthermore, specifications and safety assertions are often modified in an incremental fashion, where problematic bugs are fixed one at a time. To support this development, we propose an incremental algorithm for counting satisfiability. Our proposed incremental algorithm is optimal as no unnecessary nodes are created during each counting. This works for the class of path RTL. To illustrate this application, we show how incremental satisfiability counting can be applied to a well-known rail-road crossing example, particularly when its specification is still being refined.

Verification of computed tomographic estimates of cochlear implant array position: A micro-CT and histological analysis

We examine the efficacy two volume spatial registration of pre and postoperative clinical computed tomography (CT) imaging to verify post-operative electrode array placement in cochlear implant (CI) patients. To measure the degree of accuracy with which the composite image predicts in-vivo placement of the array, we replicate the CI surgical process in cadaver heads. Pre-operative, post-operative, micro CT imaging and histology are utilized for verification.