嵌入式軟件技術(shù)軟件測(cè)試策略和方案設(shè)計(jì)

軟硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)正越來(lái)越多地應(yīng)用到我們常見(jiàn)的儀器設(shè)備中，嵌入式領(lǐng)域目標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)也日趨復(fù)雜，開(kāi)發(fā)技術(shù)日新月異。同時(shí)，隨著硬件技術(shù)發(fā)展的日趨穩(wěn)定，而軟件故障卻日益突顯，由此軟件的重要性已逐漸引起人們的重視，越來(lái)越多的研究人員認(rèn)識(shí)到嵌入式系統(tǒng)，優(yōu)化其測(cè)試技術(shù)已勢(shì)在必行，研究出合適的嵌入式軟件系統(tǒng)測(cè)試方法，正是本課題的意義所在。

嵌入式系統(tǒng)介紹及軟件特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，是專為應(yīng)用系統(tǒng)量身打造、是對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC類標(biāo)配系統(tǒng)，它也包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)(要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作)和應(yīng)用程序。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為，而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統(tǒng)軟件特點(diǎn)分析

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有其自身的特點(diǎn)。一般先進(jìn)行硬件部分的開(kāi)發(fā)，主要包括形成裸機(jī)平臺(tái)，根據(jù)需要移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序等。硬件平臺(tái)測(cè)試通過(guò)后，應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)調(diào)試是基于該硬件平臺(tái)進(jìn)行的，這同時(shí)也是對(duì)硬件平臺(tái)的一個(gè)測(cè)試。

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)軟硬件互相協(xié)調(diào)，互相反饋和互相測(cè)試的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，在嵌入式系統(tǒng)軟件中，底層驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的界面是不清晰的，根據(jù)需要甚至混編在一起。這主要是由于嵌入式系統(tǒng)中軟件對(duì)硬件的依賴性造成的。基于嵌入式軟件對(duì)硬件的依賴性，其要求軟件測(cè)試時(shí)必須最大限度地模擬被測(cè)軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，以保證測(cè)試的可靠性，而底層程序和應(yīng)用程序界限的不清晰又增加了測(cè)試的難度。測(cè)試時(shí)只有確認(rèn)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)及底層程序是正確的情況下才能進(jìn)行應(yīng)用程序的測(cè)試，而且在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，錯(cuò)誤的定位較為困難。

軟件的專用性也是嵌入式軟件的一個(gè)重要特點(diǎn)。由于嵌入式軟件設(shè)計(jì)是以一定的目標(biāo)硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)的，面向固定的任務(wù)進(jìn)行的，因此，一旦被加載到目標(biāo)系統(tǒng)上，功能必須完全確定。這個(gè)特點(diǎn)決定了嵌入式應(yīng)用軟件的繼承性較差，也延長(zhǎng)系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間和增加了測(cè)試費(fèi)用。

嵌入式軟件的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性。這是基于軟件的執(zhí)行角度而言的，也就是說(shuō)嵌入式軟件的執(zhí)行要滿足一定的時(shí)間約束。嵌入式系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件自身算法的復(fù)雜度和操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度，決定了系統(tǒng)資源的分配和消耗。因此，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要借助一定的測(cè)試工具對(duì)應(yīng)用程序算法復(fù)雜度和操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行分析測(cè)試。可見(jiàn)嵌入式軟件與傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^(guò)程的軟件相比有其自身的特點(diǎn)。所以嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試也就與一般商用軟件的開(kāi)發(fā)和測(cè)試策略有了很大的不同，可以說(shuō)嵌入式軟件是最難測(cè)試的一種軟件。針對(duì)這些特點(diǎn)對(duì)嵌入式軟件的測(cè)試進(jìn)行研究是必要的和有意義的。

嵌入式軟件測(cè)試

軟件測(cè)試是軟件質(zhì)量保證的關(guān)鍵因素，代表了規(guī)約、設(shè)計(jì)和編碼的最終檢查。是從經(jīng)濟(jì)、效率的角度出發(fā)，對(duì)軟件代碼進(jìn)行質(zhì)量、正確性保證的一個(gè)過(guò)程。軟件測(cè)試是軟件開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是軟件從開(kāi)發(fā)過(guò)程到應(yīng)用過(guò)程的關(guān)鍵一環(huán)，嵌入式軟件也不例外。

嵌入式軟件測(cè)試策略和方案設(shè)計(jì)

討論嵌入式軟件測(cè)試首先就會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題：為什么不把所有測(cè)試都放在目標(biāo)上進(jìn)行呢?因?yàn)槿羲袦y(cè)試都放在目標(biāo)平臺(tái)上有很多不利的因素：

可能會(huì)造成與目標(biāo)環(huán)境開(kāi)發(fā)者爭(zhēng)奪時(shí)間的瓶頸，避免提供更多的目標(biāo)環(huán)境;

目標(biāo)環(huán)境可能還不可行;

比起主機(jī)平臺(tái)環(huán)境，目標(biāo)環(huán)境通常是不精密的和不方便的;

提供給開(kāi)發(fā)者的目標(biāo)環(huán)境和開(kāi)發(fā)環(huán)境通常是很昂貴的;

開(kāi)發(fā)和測(cè)試工作可能會(huì)妨礙目標(biāo)環(huán)境已存在持續(xù)的應(yīng)用。

確定目標(biāo)主機(jī)(host-target)測(cè)試環(huán)境后，開(kāi)發(fā)測(cè)試人員又會(huì)遇到以下的問(wèn)題：

1)多少開(kāi)發(fā)人員會(huì)進(jìn)行測(cè)試工作?

2)多少軟件應(yīng)該測(cè)試，測(cè)試會(huì)花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間?

3)主機(jī)環(huán)境和目標(biāo)環(huán)境有哪些軟件工具，價(jià)格怎樣?

4)多少目標(biāo)環(huán)境可以提供給開(kāi)發(fā)者?

5)主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間的連接怎樣?

6)被測(cè)軟件下載到目標(biāo)主機(jī)有多快?

7)使用主機(jī)與目標(biāo)環(huán)境之間有什么限制?

進(jìn)行嵌入式軟件的測(cè)試都應(yīng)深入考慮以上問(wèn)題，結(jié)合自身實(shí)際情況，選定合理測(cè)試策略和方案。

嵌入式軟件測(cè)試流程及方法

根據(jù)不同的指標(biāo)，軟件測(cè)試有不同的劃分方法。

從軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中測(cè)試所處的不同階段可分為模塊測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試;根據(jù)是否需要運(yùn)行目標(biāo)代碼又可分為動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試;根據(jù)目標(biāo)代碼的可見(jiàn)性還可分為白盒測(cè)試(結(jié)構(gòu)測(cè)試)和黑盒測(cè)試(功能測(cè)試)。

在軟件測(cè)試中，每種測(cè)試方法都不是孤立的。為了最經(jīng)濟(jì)最有效地達(dá)到測(cè)試的目的，各種測(cè)試方法往往是互相嵌套的。例如，在軟件的單元測(cè)試階段，可以用黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試的方法分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

近年來(lái)，在軟件測(cè)試中，測(cè)試代碼的覆蓋率逐漸成為軟件測(cè)試的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此不管采用何種測(cè)試方法，盡可能地提高軟件測(cè)試中的代碼覆蓋率是必需的。軟件測(cè)試代碼覆蓋率是基于白盒測(cè)試方法的，因此，為了提高軟件測(cè)試的代碼覆蓋率，測(cè)試人員必須清楚源代碼的結(jié)構(gòu)，擁有程序設(shè)計(jì)文檔，以便設(shè)計(jì)測(cè)試用例，使測(cè)試盡可能地覆蓋程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)的每條語(yǔ)句，提高代碼的覆蓋率。

嵌入式軟件測(cè)試流程

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，為了最經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，采用自頂向下、層層推進(jìn)的方法對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，采用如下圖所示的測(cè)試流程。

平臺(tái)測(cè)試：這部分包括硬件電路測(cè)試、操作系統(tǒng)及底層驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試等。

硬件電路測(cè)試需要用專門的測(cè)試工具進(jìn)行測(cè)試，這里不再多述。操作系統(tǒng)和底層驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試主要包括測(cè)試操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)性能、通信端口的數(shù)據(jù)傳輸率。該階段測(cè)試完成后，系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，用戶只需添加應(yīng)用程序即可完成特定的任務(wù)。

模塊測(cè)試：把大型的嵌入式軟件系統(tǒng)劃分為若干個(gè)相對(duì)較小的任務(wù)模塊，由不同的程序員分別同時(shí)對(duì)其進(jìn)行編碼。編碼完成后，把各個(gè)模塊集成起來(lái)前，必須對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。由于沒(méi)有其它數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的支持，該階段測(cè)試一般是在宿主機(jī)上進(jìn)行的(宿主機(jī)有豐富的資源和方便的調(diào)試環(huán)境)。此階段主要是進(jìn)行白盒測(cè)試，盡可能地測(cè)試每一個(gè)函數(shù)、每一個(gè)條件分支、每一個(gè)程序語(yǔ)句，提高代碼測(cè)試的覆蓋率。由于只有單個(gè)模塊正確才有整體集成的必要性，因此，單個(gè)模塊測(cè)試一定要充分、完整。模塊測(cè)試階段，測(cè)試用例的構(gòu)造不但要測(cè)試系統(tǒng)正常的運(yùn)行情況，還要進(jìn)行邊界測(cè)試。邊界測(cè)試就是進(jìn)行某一數(shù)據(jù)變量的最大值和最小值的測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行越界測(cè)試，即輸入不該輸入的數(shù)據(jù)變量測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行情況。理想的嵌入式系統(tǒng)是不應(yīng)該由于用戶的信息交互而導(dǎo)致死機(jī)的，這也是嵌入式設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求。因此，不論進(jìn)行何種測(cè)試，系統(tǒng)死機(jī)都該被作為測(cè)試錯(cuò)誤處理。

在模塊測(cè)試階段，也可以把大的模塊劃分成小的模塊。在程序內(nèi)部，小模塊之間數(shù)據(jù)傳遞的入口設(shè)計(jì)接口函數(shù)，要用于快速地定位錯(cuò)誤。用模塊嵌套的思想進(jìn)行軟件測(cè)試，需要模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)鏈路簡(jiǎn)單。

集成測(cè)試：?jiǎn)蝹€(gè)軟件模塊測(cè)試正確之后，將所有模塊集成起來(lái)進(jìn)行測(cè)試。本階段主要是找出各模塊之間數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)組成后的邏輯結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤。在宿主機(jī)上采用黑盒與白盒相結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)試，要最大限度地模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，可以屏蔽掉一些不影響系統(tǒng)執(zhí)行的和數(shù)據(jù)傳遞難以模擬的函數(shù)。

集成測(cè)試是嵌入式軟件測(cè)試優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)的階段。集成測(cè)試前，應(yīng)該由程序員根據(jù)模塊之間的數(shù)據(jù)的輸入輸出編寫模塊接口函數(shù)，這需要負(fù)責(zé)不同軟件模塊的程序員共同協(xié)調(diào)完成，然后將模塊接口函數(shù)集成到接收數(shù)據(jù)模塊的入口處。單鏈路數(shù)據(jù)傳遞的軟件模塊集成測(cè)試時(shí)容易定位錯(cuò)誤所在的軟件模塊。一個(gè)軟件模塊的數(shù)據(jù)不一定只有另外一個(gè)模塊提供，即軟件模塊的數(shù)據(jù)鏈路不一定只是單鏈路的，測(cè)試時(shí)可以把復(fù)雜鏈路結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳遞劃分為單鏈路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行錯(cuò)誤定位。

集成測(cè)試是在擁有程序設(shè)計(jì)文檔、程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)軟件模塊在集成中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)測(cè)試：集成測(cè)試完成后，退出宿主機(jī)測(cè)試環(huán)境，把系統(tǒng)移植到目標(biāo)機(jī)上來(lái)，完成應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的移植，從用戶的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行黑盒測(cè)試，以驗(yàn)證每一項(xiàng)具體的功能。由于測(cè)試者對(duì)程序內(nèi)容、程序執(zhí)行情況一無(wú)所知，因此本測(cè)試階段的錯(cuò)誤定位比較困難。系統(tǒng)測(cè)試階段應(yīng)該進(jìn)行意外測(cè)試和破壞性測(cè)試，即測(cè)試系統(tǒng)正常執(zhí)行情況下不該發(fā)生的活動(dòng)和人為的破壞性的測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)性能。系統(tǒng)測(cè)試階段不應(yīng)該確定錯(cuò)誤后立即修改代碼，應(yīng)根據(jù)一定的錯(cuò)誤發(fā)生頻率，確定測(cè)試周期，在每個(gè)測(cè)試周期結(jié)束時(shí)修改代碼，進(jìn)行反復(fù)測(cè)試;否則，不但增加了完全測(cè)試的任務(wù)量，而且降低了測(cè)試的可信度。

測(cè)試結(jié)果分析：測(cè)試結(jié)果分析可以定位錯(cuò)誤，指導(dǎo)程序員修改代碼，同時(shí)指出進(jìn)行測(cè)試的程序進(jìn)一步測(cè)試的方向。測(cè)試結(jié)果分析是一個(gè)由測(cè)試結(jié)果和測(cè)試預(yù)得結(jié)果進(jìn)行分析、比較和定位錯(cuò)誤的過(guò)程。測(cè)試結(jié)果分析是一次測(cè)試的最后環(huán)節(jié)，分析時(shí)應(yīng)該考慮軟件的運(yùn)行環(huán)境與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的差異，以及各種外界因素的影響等。

白盒測(cè)試方法

白盒測(cè)試也稱結(jié)構(gòu)測(cè)試或邏輯驅(qū)動(dòng)測(cè)試，它是知道產(chǎn)品內(nèi)部工作過(guò)程，可通過(guò)測(cè)試來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部動(dòng)作是否按照規(guī)格說(shuō)明書的規(guī)定正常進(jìn)行，按照程序內(nèi)部的結(jié)構(gòu)測(cè)試程序，檢驗(yàn)程序中的每條通路是否都能按預(yù)定要求正確工作的功能，白盒測(cè)試的主要方法有邏輯驅(qū)動(dòng)、基路測(cè)試等，主要用于軟件驗(yàn)證。“白盒”法要求全面了解程序內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)、對(duì)所有邏輯路徑進(jìn)行測(cè)試。“白盒”法是窮舉路徑測(cè)試。在使用這一方案時(shí)，測(cè)試者必須檢查程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從檢查程序的邏輯著手，得出測(cè)試數(shù)據(jù)。

黑盒測(cè)試方法

黑盒測(cè)試也稱功能測(cè)試或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)測(cè)試，它是在已知產(chǎn)品所應(yīng)具有的功能，通過(guò)測(cè)試來(lái)檢測(cè)每個(gè)功能是否都能正常使用。在測(cè)試時(shí)，把程序看作一個(gè)不能打開(kāi)的黑盆子，在完全不考慮程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性的情況下，測(cè)試者在程序接口進(jìn)行測(cè)試。它只檢查程序功能是否按照需求規(guī)格說(shuō)明書的規(guī)定正常使用，程序是否能適當(dāng)?shù)亟邮蛰斎霐?shù)鋸而產(chǎn)生正確的輸出信息，并且保持外部信息(如數(shù)據(jù)庫(kù)或文件)的完整性。黑盒測(cè)試方法主要有等價(jià)類劃分、邊值分析、因果圖、錯(cuò)誤推測(cè)等，主要用于軟件確認(rèn)測(cè)試。“黑盒”法著眼于程序外部結(jié)構(gòu)、不考慮內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)、針對(duì)軟件界面和軟件功能進(jìn)行測(cè)試。“黑盒”法是窮舉輸入測(cè)試，只有把所有可能的輸入都作為測(cè)試情況使用，才能以這種方法查出程序中所有的錯(cuò)誤。

測(cè)試用例的構(gòu)造

測(cè)試用例是為了測(cè)試目標(biāo)程序設(shè)計(jì)的，包括輸入項(xiàng)和預(yù)得結(jié)果的一種文件。根據(jù)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試目標(biāo)程序的不同，可分為某種格式的文檔或某種輸入行為(如一次按鍵)等。測(cè)試用例的構(gòu)造要盡可能覆蓋所有可能的取值范圍，使測(cè)試盡可能地覆蓋所有程序代碼，提高代碼的測(cè)試覆蓋率，同時(shí)又不作多余、重復(fù)和無(wú)意義的測(cè)試。在嵌入式軟件測(cè)試的不同階段，要構(gòu)造不同的測(cè)試用例;在系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試階段，要構(gòu)造針對(duì)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)性能和底層驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試用例;在模塊測(cè)試階段，應(yīng)構(gòu)造針對(duì)某一模塊進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試用例;在集成測(cè)試階段，針對(duì)系統(tǒng)集成時(shí)數(shù)據(jù)傳遞、結(jié)構(gòu)連接的問(wèn)題構(gòu)造相應(yīng)的測(cè)試用例;在系統(tǒng)測(cè)試階段，要構(gòu)造針對(duì)某項(xiàng)功能的或多項(xiàng)功能結(jié)合在一起的測(cè)試用例，或使用已經(jīng)在同類產(chǎn)品上已經(jīng)驗(yàn)證正確的測(cè)試用例，測(cè)試用例是可復(fù)用的。

結(jié)語(yǔ)

嵌入式設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工業(yè)現(xiàn)代化、智能化的必經(jīng)之路，嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)深入到各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)的專用程度較高，系統(tǒng)的整體繼承性相對(duì)較小，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，軟件測(cè)試成為嵌入式開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于嵌入式軟件自身的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的軟件測(cè)試?yán)碚摬荒苤苯佑糜谇度胧杰浖臏y(cè)試。文章對(duì)嵌入式軟件的特點(diǎn)作了分析，總結(jié)了嵌入式軟件測(cè)試的策略和方案設(shè)計(jì)，提出了嵌入式軟件測(cè)試流程和測(cè)試方法。本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)嵌入式軟件的測(cè)試有重要意義。