嵌入式系統(tǒng)軟件測(cè)試及測(cè)試案例開發(fā)

測(cè)試是傳統(tǒng)軟件開發(fā)的最后一步。整個(gè)軟件開發(fā)過程，需要收集要求、進(jìn)行高層次的設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、創(chuàng)建代碼、進(jìn)行部分單元測(cè)試，然后集成，最后才開始最終測(cè)試。

最佳的開發(fā)實(shí)踐應(yīng)包含代碼檢查這個(gè)步驟。然而代碼檢查一般只能找出70%的系統(tǒng)錯(cuò)誤，因此完美的測(cè)試環(huán)節(jié)絕對(duì)必不可少。測(cè)試就像個(gè)復(fù)式記帳系統(tǒng)，可以確保將缺陷扼殺在最終推出的產(chǎn)品之前。

在所有其它的工程實(shí)踐中，測(cè)試都被視為基本環(huán)節(jié)。比如，在美國(guó)，每一座聯(lián)邦政府出資修建的橋都必須經(jīng)過大量的風(fēng)洞測(cè)試。而在軟件領(lǐng)域，測(cè)試并沒有很受重視。盡管測(cè)試是所有工程實(shí)踐準(zhǔn)則的關(guān)鍵部分，但編寫測(cè)試程序卻感覺是在浪費(fèi)時(shí)間。好在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)界內(nèi)的許多領(lǐng)域已經(jīng)將測(cè)試作為其工作的核心部分，他們認(rèn)識(shí)到將這個(gè)關(guān)鍵步驟放在項(xiàng)目末期極不明智，因而主張同步地編寫測(cè)試程序和應(yīng)用程序。

嵌入式系統(tǒng)軟件測(cè)試在諸多方面都與應(yīng)用軟件測(cè)試一樣。不過，應(yīng)用測(cè)試與嵌入式系統(tǒng)測(cè)試之間還是存在一些重要差異。嵌入式開發(fā)人員一般會(huì)用到基于硬件的測(cè)試工具，而這類工具通常不會(huì)用于應(yīng)用開發(fā)過程中。此外，嵌入式系統(tǒng)一般都有些獨(dú)一無二的特性，這些特性應(yīng)該在測(cè)試計(jì)劃中得以體現(xiàn)。本文將介紹測(cè)試和測(cè)試案例開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)，并指出整個(gè)嵌入式系統(tǒng)測(cè)試工作的特有細(xì)節(jié)。

何時(shí)測(cè)試以及如何測(cè)試

從圖1可以看出，在可行的條件下，測(cè)試應(yīng)盡早展開。一般來講，最早的測(cè)試是由最初的開發(fā)人員進(jìn)行的模塊或單元測(cè)試。遺憾的是，開發(fā)人員大多對(duì)如何建構(gòu)一整套測(cè)試?yán)桃赃M(jìn)行測(cè)試所知不足。由于精心設(shè)計(jì)的測(cè)試?yán)掏ǔＶ钡郊蓽y(cè)試時(shí)才能使用，因此許多在單元測(cè)試過程中就能找出的缺陷直到集成測(cè)試時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。比如，硅谷的一家大型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商為找出其軟件集成問題的關(guān)鍵原因，進(jìn)行了一項(xiàng)研究。這家廠商發(fā)現(xiàn)，在項(xiàng)目集成階段找出的缺陷中，有70%是由在集成之前從沒被執(zhí)行過的程序所產(chǎn)生的。

圖1：改正問題的成本。

單元測(cè)試：開發(fā)人員在單獨(dú)進(jìn)行模塊級(jí)測(cè)試時(shí)一般是編寫存根代碼(stub code)取代余下的系統(tǒng)軟硬件。在開發(fā)周期的這個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)試主要側(cè)重于代碼的邏輯性能。

通常，開發(fā)人員會(huì)分別使用某些平均值、高值或低值、以及某些超出范圍的值(以測(cè)試代碼的異常處理功能)進(jìn)行測(cè)試。但這些基于“黑匣子”的測(cè)試僅能對(duì)模塊中整個(gè)代碼的一部分進(jìn)行測(cè)試。

回歸測(cè)試：測(cè)試不應(yīng)是一勞永逸的。每次修改程序后都應(yīng)該重新進(jìn)行測(cè)試，以確保這些更改不會(huì)無意中“誤傷”某些不相關(guān)的行為。

稱為回歸測(cè)試的這類測(cè)試，一般是通過測(cè)試腳本自動(dòng)進(jìn)行的。比如，如果你設(shè)計(jì)了一組100個(gè)輸入/輸出(I/O)測(cè)試，回歸測(cè)試腳本會(huì)自動(dòng)執(zhí)行這100個(gè)測(cè)試，然后將輸出與一組“黃金標(biāo)準(zhǔn)”輸出進(jìn)行對(duì)比。每次對(duì)代碼的任何部分進(jìn)行修改時(shí)，都要對(duì)包含被修改代碼的整個(gè)程序運(yùn)行整套回歸測(cè)試程序包，以確保修改過程中不會(huì)“誤傷”其余代碼。

測(cè)試什么

因?yàn)闆]有一個(gè)實(shí)際的測(cè)試集可以證明一個(gè)程序是正確的，因此關(guān)鍵問題變成了哪個(gè)測(cè)試子集最有可能檢測(cè)到最多的錯(cuò)誤。選擇合適的測(cè)試?yán)痰膯栴}被稱為測(cè)試?yán)淘O(shè)計(jì)。雖然存在數(shù)十種測(cè)試案例的設(shè)計(jì)方法，但它們通?？蓺w為兩種截然不同的方法：功能測(cè)試和覆蓋測(cè)試。

功能測(cè)試(也稱為黑匣子測(cè)試)選擇可評(píng)估實(shí)現(xiàn)與需求規(guī)格符合程度的測(cè)試。覆蓋測(cè)試(也稱為白匣子測(cè)試)選擇可執(zhí)行代碼某些部分的測(cè)試?yán)獭?過后，將詳細(xì)討論這兩種方法。)

這兩種測(cè)試都是對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試所必需的。其中，覆蓋測(cè)試表示代碼的穩(wěn)定性，所以這種測(cè)試是用于已經(jīng)完成或?qū)⒔瓿傻漠a(chǎn)品的。另一方面，可在編寫要求文檔時(shí)，同時(shí)編寫功能測(cè)試。

事實(shí)上，從功能測(cè)試開始入手，可以最大限度地降低重復(fù)勞動(dòng)和重寫測(cè)試案例的工作。因此，在我看來，要先考慮功能測(cè)試。

每個(gè)人都同意先編寫功能測(cè)試這個(gè)觀點(diǎn)，有人認(rèn)為，功能測(cè)試在系統(tǒng)集成階段(而不是在單元測(cè)試時(shí))最有用。以下是整合功能測(cè)試和覆蓋測(cè)試方法的一個(gè)簡(jiǎn)單處理流程：

找出哪些功能未被功能測(cè)試完全覆蓋。

找出每個(gè)功能的哪些部分沒被執(zhí)行。

找出需要哪些額外的覆蓋測(cè)試。

運(yùn)行新增的額外測(cè)試。

重復(fù)以上步驟。

何時(shí)停止測(cè)試?

最通用的停止標(biāo)準(zhǔn)(按可靠性排序)如下：

老板命令停止測(cè)試

新的測(cè)試周期找到的新缺陷少于X個(gè)

在沒有發(fā)現(xiàn)任何新缺陷的情況下已經(jīng)滿足了某個(gè)覆蓋閥限

無論你多么徹底地測(cè)試了程序，都無法保證找出所有缺陷。這引發(fā)了另一個(gè)有趣的問題：你可容忍多少缺陷?假設(shè)在極端軟件壓力測(cè)試過程中，你發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)每進(jìn)行大約20小時(shí)的測(cè)試就會(huì)鎖定。你仔細(xì)地檢查程序，但是仍無法找出這個(gè)錯(cuò)誤的根源。這個(gè)時(shí)候你應(yīng)該交付產(chǎn)品嗎?

多少測(cè)試才“足夠好”?這個(gè)我說不好。但遵循一些久經(jīng)時(shí)間考驗(yàn)的規(guī)則總是好的：“如果方法Z預(yù)估Y行代碼中的缺陷少于X個(gè)，那么就可放心地發(fā)布程序了。”也許有一天會(huì)出現(xiàn)這種標(biāo)準(zhǔn)。編程行業(yè)仍然相對(duì)年輕，還達(dá)不到類似建筑業(yè)那樣的成熟度。

許多厚厚的建筑手冊(cè)和大本規(guī)范是多年經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，它們可為建筑師、土木工程師和結(jié)構(gòu)工程師提供按工期在預(yù)算內(nèi)、建造一棟安全建筑所需的全部信息。偶爾雖仍會(huì)有建筑倒塌，但畢竟很少見。在編程行業(yè)制定出類似標(biāo)準(zhǔn)前，“多少測(cè)試才足夠?”就是個(gè)主觀判斷問題。

選擇測(cè)試案例

在理想情況下，你可能想要測(cè)試程序中每一個(gè)可能的行為。這意味著每一種可能的輸入組合或者每一種可能的判定路徑至少測(cè)試一次。

這是個(gè)崇高但完全不切實(shí)際的目標(biāo)。比如，Glen Ford Myers在其《軟件測(cè)試的藝術(shù)》一書中就描述了一個(gè)只用五個(gè)判定條件就可有1014個(gè)不同執(zhí)行路徑的小程序。他指出，如果你能夠每五分鐘就能編寫、執(zhí)行并驗(yàn)證一個(gè)測(cè)試?yán)痰脑?，那么全面徹底地測(cè)試完這個(gè)小程序需要10億年時(shí)間。

顯然，理想的狀況是無法實(shí)現(xiàn)的，因此你必須采用接近這種理想狀況的標(biāo)準(zhǔn)。如你所見，功能測(cè)試與覆蓋測(cè)試相結(jié)合可以提供合理的次優(yōu)選擇方案?；痉椒ㄊ沁x擇最有可能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的測(cè)試(一部分功能測(cè)試，一部分覆蓋測(cè)試)。

1.功能測(cè)試

功能測(cè)試一般稱為黑匣子測(cè)試，因?yàn)樵诰帉懝δ軠y(cè)試的測(cè)試?yán)虝r(shí)并沒有涉及實(shí)際的代碼。換句話說，沒有觸及到“匣子內(nèi)”。嵌入式系統(tǒng)有輸入和輸出，并在輸入和輸出之間執(zhí)行某些算法。黑匣子測(cè)試是根據(jù)對(duì)哪些輸入應(yīng)該是可接受的以及這些輸入應(yīng)與輸出有何種關(guān)系的了解來進(jìn)行的。黑匣子測(cè)試完全不了解輸入與輸出之間的算法是如何實(shí)現(xiàn)的。黑匣子測(cè)試的示例包括：

壓力測(cè)試：有意使輸入通道、內(nèi)存緩沖器、磁盤控制器、存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)等過載的測(cè)試

邊界值測(cè)試：表示特定范圍內(nèi)的“邊界”的輸入(例如，對(duì)于整數(shù)輸入而言，是最大和最小整數(shù)以及-1、0、+1);以及應(yīng)使輸出在輸出范圍的類似邊界出現(xiàn)跨變的輸入值。

異常測(cè)試：能觸發(fā)故障模式或異常模式的測(cè)試。

錯(cuò)誤推測(cè)：根據(jù)以前的軟件測(cè)試經(jīng)驗(yàn)或者從測(cè)試類似程序獲得的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的測(cè)試。

隨機(jī)測(cè)試：通常，這是效率最低的一種測(cè)試方法，但卻仍然廣泛用于評(píng)估用戶界面代碼的魯棒性。

性能測(cè)試：由于性能預(yù)期是產(chǎn)品要求的一部分，因此性能分析屬于功能測(cè)試的范疇。

由于黑匣子測(cè)試僅取決于程序要求及其I/O行為，因此一旦完成功能要求的編寫，即可開發(fā)這類測(cè)試。這使得黑匣子測(cè)試?yán)痰拈_發(fā)可以與余下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。

與所有測(cè)試一樣，功能測(cè)試應(yīng)被設(shè)計(jì)得具有破壞性，也即，要試圖證明程序無法工作。這包括使輸入通道過載、隨意地敲打鍵盤，以及故意地做程序員認(rèn)為會(huì)破壞其程序的所有事情。

作為研發(fā)產(chǎn)品經(jīng)理，這是我的主要測(cè)試方法之一。如果產(chǎn)品在經(jīng)過40個(gè)小時(shí)的極限測(cè)試(abuse testing)后，并沒發(fā)現(xiàn)任何嚴(yán)重或者致命的缺陷，那么就可以發(fā)布這個(gè)產(chǎn)品了。如果找到了一個(gè)重大的缺陷，那么修正這個(gè)缺陷后，還必須重復(fù)前面的測(cè)試步驟。

2.覆蓋測(cè)試

功能測(cè)試的缺點(diǎn)是其很少執(zhí)行全部代碼。覆蓋測(cè)試則試圖規(guī)避這個(gè)缺點(diǎn)，它采用的方法是(理想地)確保每一條代碼語句、判定點(diǎn)或者判定路徑都至少被測(cè)試一次。覆蓋測(cè)試還可以顯示已經(jīng)訪問的數(shù)據(jù)空間大小。

覆蓋測(cè)試也稱為白匣子測(cè)試或玻璃匣子測(cè)試，這類測(cè)試的設(shè)計(jì)需要全面了解軟件的實(shí)現(xiàn)方式，也就是說，它要“看到匣子里面”。白匣子測(cè)試?yán)昧嗽创a所能提供的方便。

白匣子測(cè)試充分借力了程序員對(duì)程序API、內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)的知識(shí)，分享了程序員的異常處理能力。由于白匣子測(cè)試取決于具體的實(shí)現(xiàn)決策，因此要到應(yīng)用代碼完成后，才能動(dòng)手設(shè)計(jì)這類測(cè)試。

從嵌入式系統(tǒng)的角度來看，覆蓋測(cè)試是最重要的測(cè)試，這是因?yàn)橹灰惆盐找言诙啻蟪潭壬蠈?duì)代碼進(jìn)行了測(cè)試，你就可很好地預(yù)警出現(xiàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。白匣子測(cè)試的示例包括：

語句覆蓋：選擇的測(cè)試案例可以至少將程序中的每一條語句執(zhí)行一次。

判定或分支覆蓋：選擇的測(cè)試?yán)炭梢允姑恳粋€(gè)分支(條件為真和假的路徑)至少執(zhí)行一次。

條件覆蓋：選擇的測(cè)試?yán)炭梢詮?qiáng)制判定中的每一個(gè)條件(項(xiàng))都包含所有可能的邏輯值。

理論上，白匣子測(cè)試可以利用或控制所需的任何對(duì)象來執(zhí)行其測(cè)試。因此，白匣子測(cè)試可能使用JTAG接口強(qiáng)制設(shè)定特定的存儲(chǔ)器值作為測(cè)試的一部分。實(shí)踐上，白匣子測(cè)試可以分析邏輯分析儀報(bào)告的執(zhí)行路徑。

3.灰匣子測(cè)試

由于白匣子測(cè)試可以深入代碼內(nèi)部，因此與黑匣子測(cè)試相比，這類測(cè)試的維護(hù)成本更高。只要要求和I/O關(guān)系保持穩(wěn)定，黑匣子測(cè)試就會(huì)一直有效;但每次修改代碼后，可能都需要重新進(jìn)行白匣子測(cè)試。因此成本效益最高的白匣子測(cè)試一般是那些在不深入編程細(xì)節(jié)的情況下利用實(shí)現(xiàn)知識(shí)進(jìn)行的測(cè)試。

較少涉及代碼細(xì)節(jié)的測(cè)試有時(shí)也稱為灰匣子測(cè)試。當(dāng)與“錯(cuò)誤推測(cè)”配合使用時(shí)，灰匣子測(cè)試非常有效。如果你知道(或者至少猜到)代碼中的弱點(diǎn)在哪里，那么你就可以設(shè)計(jì)出對(duì)這些弱點(diǎn)“施壓”的測(cè)試案例。

因?yàn)檫@些測(cè)試覆蓋了代碼的特定部分，因此這些測(cè)試是灰匣子測(cè)試;因?yàn)檫@些測(cè)試是根據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)哪些錯(cuò)誤的猜測(cè)而選擇的，因此這些測(cè)試是錯(cuò)誤推測(cè)測(cè)試。

在整合新功能與穩(wěn)定的舊代碼庫時(shí)，這種測(cè)試策略非常有用。由于代碼庫已經(jīng)過全面的測(cè)試，因此將測(cè)試重點(diǎn)集中在新、舊代碼交集處可以起到事半功倍的效果。