什么是嵌入式系統(tǒng)？嵌入式軟件系統(tǒng)測試中的仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)有什么優(yōu)點(diǎn)？

1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

嵌入式軟件是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，是計(jì)算機(jī)軟件的一種，同樣由程序及文檔組成，可細(xì)分成系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件三類。嵌入式軟件大量應(yīng)用于家用、工業(yè)、商業(yè)、通訊和國防領(lǐng)域。我國目前在嵌入式應(yīng)用軟件方面具有優(yōu)勢。在嵌入式系統(tǒng)中，軟件的工作量約占全部工作量的80%，其中測試與驗(yàn)證的工作量占軟件工作量的70%。

1.1 嵌入式軟件特點(diǎn)和測試難點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有其自身的特點(diǎn)。通常，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，有時(shí)甚至混編在一起。這主要是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)中軟件對(duì)硬件的依賴性造成的。由于嵌入式軟件對(duì)硬件的依賴性，軟件測試時(shí)必須最大限度地模擬被測軟件的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，以保證測試的可靠性。底層程序和應(yīng)用程序界限的不清晰增加了測試難度。測試時(shí)，只有在確認(rèn)了嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)及底層程序正確的情況下才能進(jìn)行應(yīng)用程序的測試，而且在系統(tǒng)測試時(shí)，對(duì)錯(cuò)誤的檢測定位較為困難。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)、面向固定任務(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，延長了系統(tǒng)的測試時(shí)間，增加了測試費(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，這是從軟件執(zhí)行的角度考慮的，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)行測試時(shí)，要借助一定的測試工具對(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)行分析測試。

1.2 嵌入式軟件測試方法

軟件測試是軟件開發(fā)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，嵌入式軟件也不例外。圖1給出了嵌入式軟件測試的一般流程。根據(jù)不同的指標(biāo)，軟件測試方法［1］有不同的劃分方法。根據(jù)軟件開發(fā)過程中測試所處的不同階段可分為模塊測試、集成測試和系統(tǒng)測試；根據(jù)是否需要運(yùn)行目標(biāo)代碼分為動(dòng)態(tài)測試和靜態(tài)測試；根據(jù)目標(biāo)代碼的可見性可分為白盒測試（結(jié)構(gòu)測試）和黑盒測試（功能測試）。在軟件測試中，每種測試方法都不是孤立的。為了最經(jīng)濟(jì)、最有效地達(dá)到測試目的，各種測試方法往往互相嵌套。例如，在軟件的單元測試階段，可以用黑盒測試和白盒測試的方法分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試。而在系統(tǒng)測試階段，只能使用黑盒測試方法進(jìn)行測試。

為了更有效地進(jìn)行嵌入式軟件的系統(tǒng)測試，提出了嵌入式軟件系統(tǒng)測試中具有交互式錯(cuò)誤檢測定位功能的仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。使用此仿真系統(tǒng)不僅可以按照第一類測試方法和第二類測試方法輔助進(jìn)行系統(tǒng)測試，而且還可以利用仿真系統(tǒng)的交互式學(xué)習(xí)功能，不斷積累錯(cuò)誤定位經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測定位，為測試人員和開發(fā)人員節(jié)省大量時(shí)間。這是其他測試方法所不具備的。

2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嵌入式軟件的硬件載體大部分為專用計(jì)算機(jī)設(shè)備，并且通常沒有外圍設(shè)備用于測試過程中的監(jiān)測或觀察。而有些嵌入式軟件還會(huì)存在交互式操作。在被測軟件移植到目標(biāo)機(jī)上的實(shí)際硬件環(huán)境以后，由于與嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)和底層程序融為一體，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行黑盒測試時(shí)，錯(cuò)誤定位將變得非常困難。因此根據(jù)嵌入式軟件的特點(diǎn)，提出了一個(gè)具有交互式錯(cuò)誤檢測定位功能的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。圖2為仿真系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)圖。仿真系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用分層結(jié)構(gòu)、分層設(shè)計(jì)、分層實(shí)現(xiàn)的方式，每一層的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)其他層透明。

仿真系統(tǒng)由硬件驅(qū)動(dòng)、交互操作模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、樁模塊、分析模塊和人機(jī)界面六個(gè)部分組成。下面分別介紹各個(gè)模塊的功能。

（1）硬件驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)硬件，向上一層提供底層硬件的操作接口。仿真系統(tǒng)通過硬件驅(qū)動(dòng)為嵌入式軟件提供相應(yīng)的通信接口，用于嵌入式軟件和仿真系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。通信接口根據(jù)具體嵌入式軟件的接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，一般為各種通訊協(xié)議。各通訊協(xié)議模塊之間松散耦合，且具備可擴(kuò)展性，保證硬件接口的改變不會(huì)影響上層的功能實(shí)現(xiàn)。

（2）交互操作模塊負(fù)責(zé)與嵌入式軟件的交互操作。此部分可裁剪，主要根據(jù)嵌入式軟件是否需要交互操作而定。其主要功能需要根據(jù)特定的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

（3）驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)封裝與仿真系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)有關(guān)的處理邏輯，向人機(jī)界面提供獨(dú)立于體系結(jié)構(gòu)的操作接口。系統(tǒng)測試階段除了正常的功能和性能測試，更應(yīng)該進(jìn)行意外測試和破壞性測試，即測試系統(tǒng)正常執(zhí)行情況下不該發(fā)生的激發(fā)活動(dòng)和人為的破壞性測試，進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)性能。而驅(qū)動(dòng)模塊則將測試用例中各種測試數(shù)據(jù)傳輸給被測嵌入式軟件。

（4）樁模塊為嵌入式軟件提供各種必要的輸入數(shù)據(jù)。嵌入式軟件的正常運(yùn)行需要必要的外界輸入數(shù)據(jù)，以完成系統(tǒng)的正常運(yùn)行和交互。無論這些輸入數(shù)據(jù)通過什么方式提供，樁模塊都應(yīng)該為嵌入式軟件模擬各種輸入數(shù)據(jù)。對(duì)于系統(tǒng)測試來說，輸入數(shù)據(jù)也應(yīng)該包括正常數(shù)據(jù)和非法數(shù)據(jù)兩種。

（5）分析模塊包括測試結(jié)果、預(yù)期結(jié)果和故障模型三部分。測試結(jié)果為執(zhí)行測試用例以后被測軟件執(zhí)行的結(jié)果；預(yù)期結(jié)果為測試開始之前，測試人員針對(duì)不同測試用例輸入的預(yù)期結(jié)果；故障模型中包括對(duì)各種故障的定位。故障模型在一個(gè)測試結(jié)束后，積累的錯(cuò)誤定位模型可以通過外部接口導(dǎo)出，既可以用作其他測試系統(tǒng)的故障模型，也可以導(dǎo)出Word或Excel文件，用于開發(fā)人員進(jìn)行分析總結(jié)。

分析模塊在得到測試結(jié)果以后，首先與預(yù)期結(jié)果比較。如果相同，則測試通過；否則在故障模型中搜索相應(yīng)的故障，并定位故障。如果故障模型中沒有相應(yīng)的錯(cuò)誤定位，分析模塊直接將未通過測試的測試結(jié)果和測試用例反饋給測試人員，由測試人員進(jìn)行定位。當(dāng)錯(cuò)誤定位以后，測試人員根據(jù)測試實(shí)例修改故障模型，增加錯(cuò)誤判斷事件。通過不斷循環(huán)，故障模型部分的各種故障定位逐漸增加，仿真系統(tǒng)在不斷學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤定位。

（6）人機(jī)界面用于各種數(shù)據(jù)、結(jié)果的輸入和顯示，以及交互操作的人工輸入界面。

3 鐵路微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)測試

被測鐵路微機(jī)聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)運(yùn)行在CPU（486DX）上，屬于典型的嵌入式軟件。邏輯圖如圖3所示。

被測嵌入式軟件運(yùn)行在圖3中A系和B系的CPU中，通過以太網(wǎng)接收人工下達(dá)的聯(lián)鎖命令，經(jīng)過處理后通過DP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)傳輸給輸出模塊，控制現(xiàn)場設(shè)備。A、B系中只能以一個(gè)系為主系，主從系的切換可以通過手動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)，也可以自動(dòng)切換。

3.1 測試實(shí)施

測試實(shí)施之前，首先編制測試用例，并針對(duì)每個(gè)測試用例給出預(yù)期結(jié)果和可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤以及相應(yīng)錯(cuò)誤的故障定位。把這些數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)的分析模型中，為即將進(jìn)行的測試工作做準(zhǔn)備。

在測試實(shí)施過程中，首先利用此仿真系統(tǒng)按照第一類測試方法進(jìn)行測試，驗(yàn)證鐵路聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)被測軟件是‘工作的’，也就是軟件的功能是按照預(yù)先的設(shè)計(jì)執(zhí)行的。然后按照第二類測試方法進(jìn)行測試，驗(yàn)證軟件是不工作的。

使用仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)施了很多在實(shí)際軟硬件環(huán)境中不可能實(shí)現(xiàn)的測試用例。舉例說明如下：

（1）非法數(shù)據(jù)的輸入。正常運(yùn)行的系統(tǒng)，操作人員不可能發(fā)送錯(cuò)誤的聯(lián)鎖命令給被測軟件，輸入模塊也不可能產(chǎn)生測試需要的各種非法輸入數(shù)據(jù)。使用仿真系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊和樁模塊，可以很輕松地發(fā)送任何組合形式的非法數(shù)據(jù)，以測試鐵路聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)被測軟件的安全性。結(jié)合分析模塊的使用，具體實(shí)施過程為：

通過人機(jī)界面輸入超長非法測試數(shù)據(jù)6，244，244，80，0，17，1，0，80，0，255，255，255，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0給被測軟件，預(yù)期結(jié)果為無測試結(jié)果數(shù)據(jù)返回，即嵌入式軟件將非法數(shù)據(jù)過濾掉，不進(jìn)行任何操作。仿真系統(tǒng)通過人機(jī)界面提示測試通過，實(shí)際情況也確實(shí)是微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)未進(jìn)行任何操作，便將超長的非法數(shù)據(jù)過濾了。通過人機(jī)界面輸入固定碼的非法測試數(shù)據(jù)170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，170，預(yù)期結(jié)果為無測試數(shù)據(jù)返回，即嵌入式軟件將非法數(shù)據(jù)過濾，不進(jìn)行任何操作。仿真系統(tǒng)通過人機(jī)界面提示測試通過，而實(shí)際情況是微機(jī)聯(lián)鎖單元出現(xiàn)了死機(jī)現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，修改預(yù)期結(jié)果內(nèi)容為“無測試數(shù)據(jù)返回且與被測應(yīng)用軟件正常通訊”，而在故障模型中增加了“與被測應(yīng)用軟件無任何通訊”項(xiàng)，以修正仿真系統(tǒng)的錯(cuò)誤定位為微機(jī)聯(lián)鎖單元死機(jī)。同理也要修改前面超長非法測試數(shù)據(jù)的預(yù)期結(jié)果和故障模型的內(nèi)容。如此反復(fù)，仿真系統(tǒng)的分析模型也在不斷完善中。

（2）通信容量測試。鐵路聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)被測軟件中的基本功能包括系統(tǒng)通信最大I/O模塊總數(shù)為100。在正常測試過程中，一般無法為測試搭建如此大規(guī)模的硬件測試環(huán)境，即使可以搭建，也會(huì)因?yàn)樾詢r(jià)比較低而不實(shí)施此項(xiàng)測試。使用仿真系統(tǒng)，可以通過樁模塊和驅(qū)動(dòng)模塊輕松實(shí)現(xiàn)100個(gè)I/O模塊的通信量，同時(shí)可以省去購置I/O硬件模塊的費(fèi)用。

（3）鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)軟件需要滿足IEC61508標(biāo)準(zhǔn)［4］中SIL4的要求。通過仿真軟件驅(qū)動(dòng)模塊重復(fù)發(fā)送聯(lián)鎖命令，可以很容易地測試鐵路聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)中的軟件是否滿足SIL4的要求，而這些測試如果單純用人工輸入進(jìn)行測試是不可能實(shí)現(xiàn)的。交互操作模塊則可以在測試過程中完成軟件與人必需的交互操作功能。

被測軟件第一次測試結(jié)束后，開發(fā)人員根據(jù)仿真系統(tǒng)的錯(cuò)誤定位集中修改軟件中的BUG，然后提交進(jìn)行第一次回歸測試。經(jīng)過在第一次測試中人機(jī)交互的不斷完善，仿真系統(tǒng)的分析模型趨于成熟，在回歸測試過程中能很快定位錯(cuò)誤，為測試及開發(fā)人員節(jié)省了大量時(shí)間，縮短了軟件開發(fā)周期。

3.2 測試結(jié)果

通過使用仿真系統(tǒng)對(duì)鐵路聯(lián)鎖2乘2取2系統(tǒng)被測軟件實(shí)施測試，共發(fā)現(xiàn)涉及軟件故障安全原則的致命問題和嚴(yán)重問題10個(gè)，涉及軟件漏洞安全的致命問題和嚴(yán)重問題5個(gè)，涉及功能未實(shí)現(xiàn)的致命問題和嚴(yán)重問題6個(gè)，涉及可靠性的致命問題1個(gè)，一般和提示問題30個(gè)。

針對(duì)嵌入式軟件的特點(diǎn)提出的具備交互式錯(cuò)誤檢測定位功能的仿真系統(tǒng)架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)測試過程中檢測定位軟件錯(cuò)誤，解決了嵌入式軟件系統(tǒng)測試過程中，由于被測程序與嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)和底層程序融合在一起，錯(cuò)誤不容易定位的問題。通過在鐵路微機(jī)聯(lián)鎖測系統(tǒng)試項(xiàng)目中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了很多關(guān)鍵性問題，并且為測試人員和開發(fā)人員節(jié)省了大量時(shí)間，加快了測試進(jìn)度，在回歸測試階段表現(xiàn)尤為明顯。事實(shí)表明，此仿真系統(tǒng)架構(gòu)模型不僅可以應(yīng)用于嵌入式軟件的系統(tǒng)測試，也可以應(yīng)用于非嵌入式軟件的黑盒測試。在以后的研究中，將應(yīng)用人工智能學(xué)科的學(xué)習(xí)理論，實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)分析模塊的自動(dòng)學(xué)習(xí)功能，以實(shí)現(xiàn)在測試過程中自動(dòng)定位軟件錯(cuò)誤，而無需人工干預(yù)。