随着现代计算机系统的规模越来越大、复杂性越来越高,如何开发可信的软硬件系统已经成为计算机科学发展的巨大挑战。形式化方法是以数学理论为基础,对计算机系统进行严格地规约、建模与验证,实现系统的可信验证。形式化方法已经成为软件开发过程中不可或缺的一个环节,如何使用交互式的定理证明器对软件系统进行机械定义与验证是其中的一个研究重点。通过机械证明模型中的定理可以找出模型中存在的问题和漏洞,从而进一步提高模型的可靠性。本文的工作致力于研究软件开发过程中不同层次的形式语义验证,以代码层面的多线程离散事件仿真语言和系统建模层面的统一建模语言为研究对象,提出了将基于定理证明器Coq的机械验证引入到形式语义验证的研究中,使得基于Coq的机械验证涵盖整个软件开发生命周期。多线程离散事件仿真语言MDESL是一种类似于Verilog的底层硬件描述语言,在定理证明器Coq中实现了从MDESL代数语义中机械生成操作语义的过程,并且机械验证了生成操作语义的正确性和完备性。基于程序统一理论（UTP）,使用Coq中的高阶逻辑特性对MDESL的指称语义进行机械刻画,对代数定律的正确性进行机械验证。统一建模语言UML是一种通用的建模语言,在定理证明器Coq中实现了UML类图的机械语义。基于机械语义,在Coq中机械刻画类图的精化关系和静态模型的一致性,并提出了基于定理证明器Coq的可机械验证的UML模型框架。本文的主要内容和贡献包括如下几点:·提出了在定理证明器Coq中刻画从MDESL代数语义机械生成操作语义的过程,同时机械验证了生成的操作语义的正确性和完备性。根据代数语义,程序可以表示为具有位置状态的卫兵选择。在首规范型的基础上,定义了操作语义的生成策略,从代数语义生成的操作语义以定理的形式表示。使用Coq中的归纳类型、函数和归纳谓词来表示卫兵选择、首规范型和生成策略,使用Coq中的定理表示生成的操作语义,利用Coq的高阶逻辑证明系统对生成的操作语义的正确性和完备性进行机械验证。本文使用机械化的方法实现了原本只用手工证明的MDESL语义连接理论。·开展了在Coq中对MDESL指称语义的机械定义和代数定律正确性的机械验证研究。根据程序统一理论,基于观察的MDESL指称语义可以使用离散时间语义模型和健康公式来表示。使用Coq中的关系谓词和高阶逻辑来表示观察、健康公式和指称语义,在Coq中以定理的形式实现对代数定律的机械定义,并机械验证了代数定律的正确性,从而揭示了指称语义的正确性。本文创新性地实现了MDESL代数定律正确性的机械验证,利用Coq的高阶逻辑证明系统,降低了证明的难度,简化了证明的过程,推动了UTP理论的工程化发展。·研究了在定理证明器Coq中实现UML静态模型的机械语义,并对类图的精化关系和静态模型的一致性进行机械验证。使用Coq中的归纳类型定义UML静态模型,使用谓词逻辑刻画类图的良构规则与精化规则,利用Coq的证明系统对精化规则和静态模型的一致性进行验证。在此基础上,提出了基于定理证明器Coq的可验证UML模型框架,通过自动转换算法与工具的协助,对UML的形式语义机械化,为模型驱动的软件开发方法的形式验证提供了理论基础,为系统的可靠性提供支持。