基于模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式軟件測(cè)試方法

摘要：分析嵌入式軟件的特點(diǎn)，綜述傳統(tǒng)的軟件測(cè)試方法；針對(duì)嵌入式軟件的特點(diǎn)，提出嵌入式軟件的四級(jí)測(cè)試流程和集成測(cè)試的測(cè)試模型，并結(jié)合開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)例進(jìn)行分析。

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，軟件的測(cè)試成為嵌入式開發(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，因此，研究嵌入式軟件的測(cè)試有重要意義。

１　基本概念簡(jiǎn)述

１．１　模塊化設(shè)計(jì)

    軟件的設(shè)計(jì)是以一定的方法為基礎(chǔ)的。面對(duì)越來越復(fù)雜的軟件開發(fā)任務(wù)，人們提出了各種軟件設(shè)計(jì)的模型。從用戶需求和系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)功能出發(fā)，把大型的軟件劃分為相對(duì)較小的模塊。為了減少模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，模塊之間的邏輯結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，無函數(shù)的交叉調(diào)用，數(shù)據(jù)傳遞由全局變量完成，這就是模塊化設(shè)計(jì)的基本思想。模塊化設(shè)計(jì)的核心是模塊的獨(dú)立性，主要包括功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)獨(dú)立性，這使得軟件開發(fā)的分工易于實(shí)現(xiàn)。軟件測(cè)試是軟件開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于模塊化設(shè)計(jì)的軟件測(cè)試模型簡(jiǎn)單，查錯(cuò)和糾錯(cuò)都易于實(shí)現(xiàn)。下面以單鏈路數(shù)據(jù)傳遞的軟件模型說明模塊化軟件設(shè)計(jì)的軟件測(cè)試的基本原則。

    在圖１中，函數(shù)Ｆ（Ｘ－Ｙ）定義為軟件模塊Ｘ到軟件模塊Ｙ的接口函數(shù)，用來通過終端顯示由模塊Ｘ進(jìn)入模塊Ｙ的數(shù)據(jù)。如果模塊Ｃ執(zhí)行后發(fā)生錯(cuò)誤，則由模塊Ｂ和模塊Ｃ的數(shù)據(jù)接口函數(shù)Ｆ（Ｂ－Ｃ）判斷是否是模塊Ｂ出來的數(shù)據(jù)就是錯(cuò)誤的。如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）不錯(cuò)，則證明模塊Ｃ存在錯(cuò)誤；如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）傳遞數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，再察看Ｆ（Ａ－Ｂ）傳出的數(shù)據(jù)是否錯(cuò)誤，如果不錯(cuò)則證明模塊Ｂ存在錯(cuò)誤。用此依次前推孤立錯(cuò)誤的方法，即可以很容易地定位錯(cuò)誤所在的模塊。這就是模塊化設(shè)計(jì)時(shí)軟件測(cè)試的基本原則。

１．２　嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有其自身的特點(diǎn)。一般先進(jìn)行硬件部分的開發(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)，開發(fā)底層的硬件驅(qū)動(dòng)程序等。硬件平臺(tái)測(cè)試通過后，應(yīng)該軟件的開發(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。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程如圖２所示。因此可以說，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程是一個(gè)軟硬件互相協(xié)調(diào)，互相反饋和互相測(cè)試的過程。一般來說，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)用程序的界線是不清晰的，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。嵌入式軟件對(duì)硬件的依賴性要求，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。底層程序和應(yīng)用程序界限的不清晰增加了測(cè)試時(shí)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，延長(zhǎng)的系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間，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。這是從軟件的執(zhí)行角度出發(fā)說明的，也就是說嵌入式軟件的執(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?？梢娗度胧杰浖c傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的軟件相比有其自身的特點(diǎn)。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，有意義的。

    １．３　嵌入式軟件測(cè)試

軟件測(cè)試是從經(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)過程。軟件測(cè)試是軟件開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是軟件從開發(fā)過程到應(yīng)用過程的關(guān)鍵一環(huán)。嵌入式軟件也不例外，圖３給出了嵌入式軟件測(cè)試的統(tǒng)一測(cè)試模型。軟件測(cè)試逐漸成為一門成熟的學(xué)科，前人針對(duì)面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的非實(shí)時(shí)軟件的測(cè)試作了大量的研究，其中大部分方法可以用到嵌入式軟件的測(cè)試。

    根據(jù)不同的指標(biāo)，軟件測(cè)試方法有不同的劃分方法。從軟件開發(fā)過程中測(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)代碼的可見性可分為白盒測(cè)試（結(jié)構(gòu)測(cè)試）和黑盒測(cè)試（功能測(cè)試）。在軟件的測(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。

    值得一提的是，近年來軟件測(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)的每條語句，提高代碼的覆蓋率。

２　基于模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式軟件四級(jí)測(cè)試流程

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的開發(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，提出了如圖４所示的基于模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式軟件四級(jí)測(cè)試流程。在四級(jí)測(cè)試中，本測(cè)試階段以前的測(cè)試完成后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可排隊(duì)此測(cè)試階段以前的錯(cuò)誤，在本測(cè)試階段內(nèi)查找錯(cuò)誤。這并不是一個(gè)絕對(duì)準(zhǔn)確的方法，但最大限度地節(jié)了錯(cuò)誤定位的時(shí)間。

２．１　系統(tǒng)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)程序的測(cè)試等。硬件電路的測(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)。

２．２　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)模塊集成起來前，必須對(duì)單個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。由于沒有其它數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的支持，該階段測(cè)試一段是在宿主機(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)試時(shí)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)該由用戶的信息交互導(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，由模塊化編程的基本思想，根據(jù)模塊內(nèi)部的緊湊程序，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)，用于快速地定位錯(cuò)誤。用此模塊嵌套的思想進(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。

    ２．３　集成測(cè)試

單個(gè)軟件模塊測(cè)試正確之后，將所有模塊集成起來進(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)傳遞的難以模擬的函數(shù)。集成測(cè)試是模塊化設(shè)計(jì)軟件的測(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。由前面的分析可知，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。修改輸出數(shù)據(jù)的軟件模塊時(shí)，可能導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)的軟件模塊引入新的錯(cuò)誤，因此在這里引入關(guān)聯(lián)矩陣確定修改某一模塊后需要重要測(cè)試的模塊。

假定模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)軟件由軟件模塊Ａi(i=1,2,…，m,n)組成，m表示矩陣的行號(hào)，n表示矩陣的列號(hào)。圖５所示的矩陣即為其關(guān)聯(lián)矩陣。

    在關(guān)聯(lián)矩陣中，Aij=1表示Aj接受了Ai輸出的數(shù)據(jù)，故修改了Ai重新測(cè)試Ai的同時(shí)也需重新測(cè)試Aj。

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。集成測(cè)試時(shí)，根據(jù)模塊接口函數(shù)定位錯(cuò)誤修改代碼，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣確定重新測(cè)試的軟件模塊。圖６給出了模塊化設(shè)計(jì)的嵌入式軟件集成測(cè)試模型。

２．４　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，完成應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，從用戶的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行黑盒測(cè)試，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)生的激發(fā)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。

    ２．５　測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果的分析可以定位錯(cuò)誤，指導(dǎo)程序員修改代碼，同時(shí)指出測(cè)試進(jìn)行的程序并進(jìn)一步指明測(cè)試方向。測(cè)試結(jié)果的分析是一個(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)誤的過程。測(cè)試結(jié)果的分析是一次測(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)境和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的差異以及各種外界因素的影響等。

２．６　測(cè)試用例的構(gòu)造與管理

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)斜接的問題構(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。此外大型的軟件開發(fā)過程中，測(cè)試用例的種類繁多，應(yīng)該按一定的方法進(jìn)行管理。用數(shù)據(jù)庫的來管理測(cè)試用例是一個(gè)很好的選擇。根據(jù)測(cè)試階段將測(cè)試用例進(jìn)行劃分，然后用關(guān)鍵字唯一確定。這樣在使用、修改和保存測(cè)試用例時(shí)都很方便，直接用查詢的方式就可以調(diào)出測(cè)試用例。

３　數(shù)控系統(tǒng)軟件測(cè)試

本數(shù)控系統(tǒng)采用ＡＲＭ７處理器，操作系統(tǒng)采用μＣ／ＯＳ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)。由于數(shù)控系統(tǒng)較為復(fù)雜，開發(fā)過程中將任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，軟件的開發(fā)采用模塊化開發(fā)。模塊的劃分及數(shù)據(jù)流向如圖７所示。

根據(jù)圖７所示的軟件模塊和數(shù)據(jù)流向可構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣，如圖８所示。

開發(fā)過程中，幾個(gè)模塊由不同的程序員分別進(jìn)行編碼，分別由程序員進(jìn)行模塊測(cè)試，并按白盒測(cè)試的方法進(jìn)行覆蓋測(cè)試。最后集成測(cè)試前，根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣，程序員協(xié)作編寫了模塊接口函數(shù)Ｆ（A1-A2）、Ｆ（Ａ１－Ａ４）、Ｆ（Ａ１－Ａ５）、Ｆ（Ａ１－Ａ６）、Ｆ（Ｆ２－Ａ３）、Ｆ（Ａ３－Ａ４）、Ｆ（Ａ４－Ａ５）、Ｆ（Ｆ５－Ａ６）、Ｆ（Ａ６－Ａ２），然后根據(jù)圖６所示的測(cè)試模型和圖８所示的關(guān)聯(lián)矩陣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了集成測(cè)試。分析可知，一些關(guān)鍵模塊，如譯碼模塊和刀補(bǔ)模塊的測(cè)試代碼覆蓋率達(dá)到９０％之上。圖９所示的整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試之后性能穩(wěn)定，圖１０為其加工的零件，目前該系統(tǒng)已經(jīng)小批量生產(chǎn)。

４　結(jié)論

文章對(duì)嵌入式軟件的特點(diǎn)和傳統(tǒng)的測(cè)試方法作了分析之后，提出了四級(jí)測(cè)試流程和集成測(cè)試的模型。此測(cè)試方法用于工程機(jī)械控制器和數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的測(cè)試。測(cè)試的效率和可靠性滿足要求。文中的單鏈路數(shù)據(jù)傳遞的錯(cuò)誤定位、模塊接口函數(shù)、關(guān)聯(lián)矩陣等方法也可以用于面向?qū)ο蟮暮兔嫦驅(qū)ο蟮能浖到y(tǒng)。