通過嵌入式軟件實現(xiàn)路徑覆蓋測試的設(shè)計方案研究

引言

目前，嵌入式軟件已廣泛的應用在各個領(lǐng)域：如工業(yè)控制、通信設(shè)備、信息家電以及航空航天等領(lǐng)域，應用越來越廣泛，復雜性也日益增加。但由于嵌入式軟件實時性強、I／O通道少、內(nèi)存資源受限、與硬件及硬件驅(qū)動緊密關(guān)聯(lián)、CPU種類繁多等特點，決定了嵌入式軟件的開發(fā)和測試必須在交叉編譯環(huán)境下進行，即開發(fā)及測試工具運行在宿主機上，而被測程序運行在軟硬件資源緊張的目標機上。僅僅在開發(fā)環(huán)境下進行嵌入式軟件測試，難以保障其測試結(jié)果的有效性；而僅在目標機上進行測試，由于軟件運行的不可視性，又使得測試者難以知曉程序當前運行狀態(tài)，以及代碼的覆蓋情況。因此對嵌入式軟件覆蓋測試技術(shù)的要求也更高。

軟件測試是一種有效地保證軟件質(zhì)量的重要手段。常用的軟件測試方法有黑盒測試、白盒測試和灰盒測試。白盒測試中最成熟、最常用的方法是覆蓋測試，它是一種動態(tài)軟件測試方法。覆蓋測試是驗證軟件功能結(jié)構(gòu)正確性以及查找問題的一種重要方法和手段。為了獲取覆蓋率信息，必須在獲得被測程序結(jié)構(gòu)信息、靜態(tài)數(shù)據(jù)流信息、控制流信息等基礎(chǔ)上，加入一些探針，通過探針收集的信息來獲得程序的執(zhí)行路徑、狀態(tài)等控制流。

路徑覆蓋測試是覆蓋測試中的關(guān)鍵測試技術(shù)之一，目前已應用于程序覆蓋率分析、測試用例設(shè)計、程序調(diào)試、性能優(yōu)化等多個方面，是覆蓋程度最高的測試。其基本原理是用最少的測試用例，覆蓋程序中的所有路徑，發(fā)現(xiàn)程序中最多的錯誤，安排測試計劃、分配測試資源，并對實際測試所達到的覆蓋率做出評估。本文給出了路徑覆蓋相關(guān)理論，并在理論研究的基礎(chǔ)上設(shè)計出了一種嵌入式軟件動態(tài)測試系統(tǒng)框架，完成對被測程序的路徑覆蓋率分析，進而判斷測試的充分性及弱點，從而進一步改進測試過程。

1、 路徑覆蓋相關(guān)理論

路徑覆蓋使程序中每一條可能的路徑至少執(zhí)行一次。但在實際工作中，即使一個不太復雜的程序，路徑數(shù)量往往也是較多的。要在測試中覆蓋所有的路徑是不現(xiàn)實的，而基本路徑測試就是一種簡化路徑數(shù)的測試方法。

基本路徑測試是在控制流圖的基礎(chǔ)上，通過分析控制結(jié)構(gòu)的環(huán)形復雜度，導出執(zhí)行路徑的基本集，再從該基本集設(shè)計測試用例。為了清晰描述基本路徑測試方法，需要對本文中用到的幾個基本概念進行說明。

（1）程序控制流圖：是對程序流程圖簡化后得到的，它是一種有向圖G=（N，E，Entry，Exit），其中N是流圖的節(jié)點數(shù)，E是流圖的邊數(shù)。

（2）Z路徑優(yōu)化：是指限制循環(huán)的次數(shù)，無論循環(huán)的形式和循環(huán)體實際執(zhí)行的次數(shù)，簡化后的循環(huán)測試只考慮執(zhí)行循環(huán)體一次和零次（不執(zhí)行）兩種情況。

（3）環(huán)形復雜度：提供程序基本路徑集的獨立路徑數(shù)量以及確保所有語句至少執(zhí)行一次的測試數(shù)量的上界。可以通過下列兩種方法來計算：對流圖G，環(huán)形復雜度V（G）=E-N+2；或V（G）=P+1，其中P為包含在流圖G中的判定節(jié)點數(shù)。

（4）基本路徑集BP：指軟件可達路徑的最小集合，等于環(huán)形復雜度V（G）。

（5）路徑覆蓋率計算：由基本路徑集BP設(shè)計測試用例集T，使T理論上按BP執(zhí)行。然后分析動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，構(gòu)造實測路徑集Pn。計算測試覆蓋率PCP=（Pn／BP）×100％其中Pn=P（T1）P（T2）…P（Tn）。

2、 嵌入式軟件動態(tài)測試框架

嵌入式軟件動態(tài)測試框架如圖1所示。它包含宿主機程序插樁及數(shù)據(jù)處理分析和目標機數(shù)據(jù)處理兩部分。

在嵌入式軟件測試中，靜態(tài)測試是基礎(chǔ)，對被測軟件進行代碼規(guī)則檢查、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析和代碼質(zhì)量評估；動態(tài)測試是必要補充，在目標機真實環(huán)境下或仿真環(huán)境下運行被測程序，采集動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，分析其動態(tài)行為。

嵌入式軟件路徑覆蓋測試的特點就是必須在交叉編譯環(huán)境下，通過物理通道傳輸完整的動態(tài)測試跟蹤數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)后得到路徑覆蓋率。動態(tài)執(zhí)行前先要檢查目標機與宿主機的連接狀況，確保測試正常進行。

2．1 被測試程序靜態(tài)分析

靜態(tài)分析并不真正執(zhí)行被測程序，也不需要對代碼進行編譯鏈接，生成可執(zhí)行文件。首先，對源碼進行詞法語法分析和變量分析，找出不符合編碼規(guī)范的地方，根據(jù)某種質(zhì)量模型評價代碼的質(zhì)量，生成模塊調(diào)用關(guān)系圖、模塊的程序流程圖等。其次，從程序中提取必要的數(shù)據(jù)并保存，提供給后續(xù)的動態(tài)分析和測試報告使用。最后，根據(jù)模塊的程序流程圖繪制程序控制流圖G，得到程序控制流圖的邊數(shù)E和節(jié)點數(shù)N，指導插樁庫的建立，并根據(jù)Z路徑優(yōu)化法構(gòu)造程序的基本路徑集BP，構(gòu)建動態(tài)路徑覆蓋測試的比較基礎(chǔ)。

2．2 插樁技術(shù)

一般來說，對程序進行動態(tài)測試的時候，基本上要使用程序插樁來進行覆蓋測試。程序插樁技術(shù)是保持被測軟件邏輯完整性的基礎(chǔ)上，在源代碼中插入探針函數(shù)，它是一個子過程調(diào)用，調(diào)用的子過程能在運行到插樁點時記錄下有關(guān)的運行情況，采集執(zhí)行程序在真實環(huán)境中運行的控制流、數(shù)據(jù)流等測試數(shù)據(jù)。插樁時需確保探針函數(shù)對源程序執(zhí)行影響最小。

基本路徑測試依賴探針插樁技術(shù)完成分支位置點標志位的采集。插樁位置最好選擇在應用程序?qū)樱攸c采集輸入輸出模塊中的上層函數(shù)運行信息，底層模塊加強單元測試，而在嵌入式軟件模塊集成時，默認這些模塊是正確無誤的。根據(jù)程序按塊劃分的原則，可以在子函數(shù)出入點、程序塊控制流圖G的分支節(jié)點、功能測試的重點變量處植入探針。

基本路徑測試的插樁過程是靜態(tài)的，數(shù)據(jù)收集過程是動態(tài)的，結(jié)束時需恢復現(xiàn)場。動態(tài)測試前，被測程序與插樁庫連接，完成插樁操作，獲取執(zhí)行程序。執(zhí)行程序交叉編譯后運行于目標實際環(huán)境或者仿真環(huán)境下，通過探針函數(shù)返回動態(tài)測試跟蹤數(shù)據(jù)。

2．3 數(shù)據(jù)處理及分析

目標機在真實環(huán)境中運行可執(zhí)行程序，測試用例集T為運行輸入?yún)⒘?，探針采集?shù)據(jù)為運行的輸出參量。探針函數(shù)采集動態(tài)跟蹤測試數(shù)據(jù)，傳輸給宿主機測試平臺。宿主機測試平臺對接收到的動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)進行處理，計算出路徑測試覆蓋率，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理過程中的測試日志分析出最后的測試報告。

3 、測試實例分析

根據(jù)上述的嵌入式軟件動態(tài)測試框架，模擬測試實驗室現(xiàn)行項目208型海區(qū)終端的航標數(shù)據(jù)采集模塊。

在編譯器MPLAB IDE 8．63中編寫源代碼，并對源代碼進行規(guī)則檢查。圖2為航標數(shù)據(jù)采集模塊的主控程序流程圖，可將其簡化為程序控制流圖。

該航標數(shù)據(jù)采集模塊由C語言開發(fā)，根據(jù)插樁策略可以計算出插樁探針的位置、個數(shù)，構(gòu)造基本路徑和實際程序執(zhí)行路徑，計算路徑測試覆蓋率。部分測試結(jié)果分析如表1所示。

基本路徑測試覆蓋率PCP：

基本路徑測試覆蓋率大小涉及到測試的各個階段，受到各方面因素的影響。比如，在該測試模塊中，Rx_Data_Svr（）和AddataConvert（）程序中出現(xiàn)了多個判斷語句和多個循環(huán)語句，可能的路徑數(shù)目增長，以致影響路徑覆蓋率。

4 、結(jié)語

本文通過研究嵌入式軟件測試的特點和路徑覆蓋測試的相關(guān)理論，給出了嵌入式軟件動態(tài)測試框架方案。并結(jié)合實驗室目前的項目，分析基本路徑測試的各個步驟，得出路徑測試覆蓋率，進而達到測試目的。但是路徑覆蓋測試受多方面因素的影響，尤其是當程序中出現(xiàn)多個復合條件時，會大大的增加可能的路徑數(shù)目，所以接下來的工作是進一步探討插樁策略、測試用例生成等影響路徑覆蓋率的相關(guān)問題。

責任編輯：gt