一種基于UART＆SPI接口驗(yàn)證工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著WLAN(無線局域網(wǎng))的普及，各種接口的WLAN網(wǎng)卡層出不窮，像UART，SPI，USB等。為了驗(yàn)證接口的功能、性能和兼容性是否符合需求，在此提出了一種支持UART&SPI接口的驗(yàn)證工具。傳統(tǒng)的接口驗(yàn)證采用手動(dòng)驗(yàn)證的方法，即手動(dòng)修改UART接口的波特率或SPI接口的大小端等來達(dá)到遍歷所有用例的目的，傳統(tǒng)方法存在效率低，容易漏測(cè)測(cè)試用例等缺陷。而該工具通過命令通道完成上位機(jī)和下位機(jī)的協(xié)商，保持接口參數(shù)同步;數(shù)據(jù)通道驗(yàn)證在該接口參數(shù)下的功能和性能，實(shí)現(xiàn)了接口的功能和性能驗(yàn)證的自動(dòng)化，大大提高了測(cè)試效率，保證測(cè)試用例的覆蓋率。該工具適用于多種平臺(tái)下的UART和SPI接口驗(yàn)證。

0 引言

隨著WLAN的廣泛應(yīng)用，越來越多的芯片廠商投入到WLAN芯片開發(fā)上。因此各種接口的WLAN芯片成為了各大廠商發(fā)展的主要方向。目前主流的接口有：USB，SDIO，UART，SPI等。

本公司設(shè)計(jì)了一款支持多接口、多協(xié)議的無線局域網(wǎng)802.11n(1T1R)的SoC芯片。該SoC芯片集成了SDIO，SPI，UART等接口。為了驗(yàn)證各個(gè)接口是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需求，需要對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行功能、性能和兼容性的測(cè)試。所謂接口驗(yàn)證，是指以接口為測(cè)試對(duì)象，詳細(xì)測(cè)試接口功能和性能。本文中是指UART接口和SPI接口。對(duì)于UART接口，需要對(duì)接口的波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位、停止位、流控、異常錯(cuò)誤等進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于SPI接口，需要對(duì)接口的大小端、工作模式、工作速率等進(jìn)行驗(yàn)證。

1 接口單元驗(yàn)證的必要性

1.1 接口單元驗(yàn)證簡(jiǎn)介

如圖1所示，是接口單元驗(yàn)證的示意圖。測(cè)試板有兩個(gè)UART接口和一個(gè)SPI接口。下位機(jī)完成固件部分，也就是直接操作硬件;而上位機(jī)完成測(cè)試用例管理和接口驅(qū)動(dòng)兩部分。

1.2 對(duì)接口進(jìn)行單元驗(yàn)證的原因

(1)驗(yàn)證接口的功能是否實(shí)現(xiàn)。保證設(shè)備能夠正確枚舉，各種配置下數(shù)據(jù)收發(fā)通路暢通。

(2)對(duì)各個(gè)接口的性能有一個(gè)準(zhǔn)確的把握。有了接口性能數(shù)據(jù)后，可以幫助在系統(tǒng)測(cè)試階段定位問題。在系統(tǒng)測(cè)試階段，性能瓶頸一方面來自于接口，一方面來自于WiFi。在接口驗(yàn)證階段獲得這個(gè)數(shù)據(jù)后可以幫助分析和定位問題。

(3)在平臺(tái)兼容性測(cè)試中，由于平臺(tái)的兼容性主要與接口有關(guān)，與WiFi無關(guān)，如果把兼容性放到系統(tǒng)測(cè)試階段去做，無形中增加了定位問題的難度。

1.3 傳統(tǒng)接口驗(yàn)證的方法及缺陷

傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法是將上位機(jī)與下位機(jī)分離開來。首先上位機(jī)修改參數(shù)，之后下位機(jī)修改參數(shù)，編譯固件、運(yùn)行，上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)與下位機(jī)之間沒有協(xié)商，直接進(jìn)行通信。以UART接口的功能驗(yàn)證為例來說明一下接口驗(yàn)證方法的缺陷。

UART的功能驗(yàn)證主要是各種配置下(波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位、停止位的組合)是否能夠準(zhǔn)確無誤地傳輸數(shù)據(jù)。如果按照這種測(cè)試方法的話，測(cè)試效率很低。另外一個(gè)方面，由于主觀因素的影響，采用手動(dòng)的方法容易漏測(cè)測(cè)試用例。

綜上，傳統(tǒng)接口單元驗(yàn)證方法的缺陷為：測(cè)試效率低;容易漏測(cè)測(cè)試用例。

2 接口驗(yàn)證工具的設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)

2.1.1 PC下的硬件結(jié)構(gòu)

如圖2所示，描述的是PC環(huán)境下的UART接口的驗(yàn)證硬件結(jié)構(gòu)圖。

其中PCI通過JTAG接口控制測(cè)試板，完成固件的下載。PC2與測(cè)試板通過UART接口連接，UART0接口是命令接口，主要傳輸PC2對(duì)測(cè)試板的命令及測(cè)試板的響應(yīng);UART1是數(shù)據(jù)接口，主要傳輸PC2和測(cè)試板之間的數(shù)據(jù)。

2.1.2 嵌入式平臺(tái)下的硬件結(jié)構(gòu)

如圖3所示，描述的是嵌入式平臺(tái)下UART接口和SPI接口的驗(yàn)證硬件結(jié)構(gòu)圖。

其中PCI通過JTAG接口控制測(cè)試板，完成固件的下載。PC2通過串口控制嵌入式平臺(tái)。在驗(yàn)證UART接口時(shí)，連接測(cè)試板與嵌入式平臺(tái)的兩個(gè)UART口，UART0接口是命令接口，主要傳輸嵌入式平臺(tái)對(duì)測(cè)試板的命令及測(cè)試板的響應(yīng);UART1是數(shù)據(jù)接口，主要傳輸嵌入式平臺(tái)與測(cè)試板之間的數(shù)據(jù)。

在驗(yàn)證SPI接口時(shí)，連接測(cè)試板與嵌入式平臺(tái)的UART0口及SPI接口。同樣地，UART0是命令接口，主要傳輸嵌入式平臺(tái)與測(cè)試板的命令傳輸;SPI是數(shù)據(jù)接口，傳輸嵌入式平臺(tái)與測(cè)試板之間的數(shù)據(jù)。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

驗(yàn)證軟件結(jié)構(gòu)見圖4，其中DUT設(shè)備為驗(yàn)證的對(duì)象。

(1)用例管理層

主要生成各種測(cè)試用例。對(duì)于UART接口來說，包括UART波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、停止位、奇偶校驗(yàn)位等屬性組合的設(shè)置及高級(jí)設(shè)置項(xiàng)等。

對(duì)于SPI接口來說，主要包括SPI的各種模式、各種時(shí)鐘、大小端及上下行數(shù)據(jù)的測(cè)試用例的生成。

(2)配置接口層

依據(jù)配置程序與驅(qū)動(dòng)程序命令/事件接口定義完成各種命令的發(fā)送，并做相應(yīng)的事件處理。

(3)驅(qū)動(dòng)接口層

依據(jù)配置程序與驅(qū)動(dòng)程序命令/事件接口定義對(duì)配置程序發(fā)送的命令進(jìn)行解析，同時(shí)對(duì)硬件的狀態(tài)信息進(jìn)行響應(yīng)。

(4)硬件接口層

主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)與固件接口操作，對(duì)DUT設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，對(duì)DUT進(jìn)行寫命令/數(shù)據(jù)，或從DUT設(shè)備獲取狀態(tài)/數(shù)據(jù)信息。

3 接口驗(yàn)證工具的實(shí)現(xiàn)

考慮到兼容各個(gè)嵌入式平臺(tái)(Linux系統(tǒng))，故整個(gè)上位機(jī)軟件工作在Linux系統(tǒng)下。從圖5可以看出，整個(gè)軟件的實(shí)現(xiàn)主要由配置程序、驅(qū)動(dòng)程序及固件3部分組成。本文重點(diǎn)介紹配置程序及驅(qū)動(dòng)程序部分。

3.1 配置程序

配置程序主要由測(cè)試用例管理和配置接口層兩部分組成，主要完成測(cè)試用例管理及測(cè)試用例的生成。

3.1.1 測(cè)試用例管理

測(cè)試用例管理部分主要完成測(cè)試用例的分發(fā)、定位以及測(cè)試結(jié)果的收集。為了兼容各個(gè)Linux版本，測(cè)試用例管理部分不采用界面的形式進(jìn)行管理，而是采用命令行的形式運(yùn)行。用例管理部分可以選擇單個(gè)或多個(gè)測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試。例如：uart_test case1 case2是對(duì)第一、二個(gè)測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試，uart_test all是對(duì)所有的測(cè)試用例進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用例管理部分會(huì)根據(jù)測(cè)試用例ID自動(dòng)定位到相應(yīng)的程序執(zhí)行。圖5是測(cè)試用例管理部分的流程圖。

3.1.2 測(cè)試用例的生成

以UART接口為例，描述一個(gè)完整的測(cè)試用例。圖6描述的是一個(gè)UART接口的完整的測(cè)試用例。從途中可以清晰地看出配置程序是如何協(xié)調(diào)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信的。

本文提出的驗(yàn)證工具與以往的驗(yàn)證工具最大的區(qū)別在于配置程序可以協(xié)調(diào)上位機(jī)與下位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)并不是完全分離的，而是由配置程序統(tǒng)一協(xié)調(diào)，分別給上位機(jī)和下位機(jī)下發(fā)命令修改參數(shù)及通信。

3.1.3 兼容性的實(shí)現(xiàn)

由于對(duì)SPI接口來說，要求兼容PC機(jī)和多個(gè)嵌入式平臺(tái)，所以在程序的設(shè)計(jì)上要考慮兼容性的問題。

兼容性問題需要考慮兩個(gè)方面：

(1)數(shù)據(jù)類型的重定義。

(2)采用分層設(shè)計(jì)的思想。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序主要包括驅(qū)動(dòng)接口層和硬件接口層。其中驅(qū)動(dòng)接口層主要完成將配置程序的命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過接口發(fā)送出去，而硬件接口層主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)與硬件(固件)接口操作，負(fù)責(zé)對(duì)DUT設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，對(duì)待測(cè)設(shè)備進(jìn)行寫命令/數(shù)據(jù)，或從DUT設(shè)備獲取狀態(tài)/數(shù)據(jù)信息。

3.2.1 UART接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)

UART協(xié)議比較簡(jiǎn)單，本文不對(duì)UART協(xié)議進(jìn)行介紹。由于在LINUX系統(tǒng)下，對(duì)串口有相當(dāng)好的支持。Linux下把串口看作一個(gè)文件來處理，故對(duì)串口的讀寫操作相當(dāng)于對(duì)文件直接進(jìn)行讀寫操作。這樣我們可以直接調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)如open，write，read，close等對(duì)串口進(jìn)行操作。

需要注意的是，對(duì)串口的寫操作比較容易，但是讀操作存在著阻塞I/O的問題。在對(duì)串口進(jìn)行讀取操作的時(shí)候，如果使用的是RAW模式，每個(gè)read系統(tǒng)調(diào)用將返回當(dāng)前串行輸入緩沖區(qū)中存在的字節(jié)數(shù)。如果沒有數(shù)據(jù)，將會(huì)一直阻塞到有字符到達(dá)或者間隔時(shí)鐘到期，或者發(fā)生錯(cuò)誤此時(shí)可采用異步讀取。所謂異步讀取，指的是先查詢串口，看串口是否可用，直到串口可用了再去讀就可以避免阻塞I/O的問題。

3.2.2 SPI接口驅(qū)動(dòng)開發(fā)

(1)SPI概述

SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以(單向傳輸時(shí)或者硬件復(fù)用兩根數(shù)據(jù)線)，也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是MISO，MOSI，SCK，CS。

MOSI為主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入;MISO為主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出;SCK為時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生;CS為從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。

(2)SPI驅(qū)動(dòng)開發(fā)

在Linux下開發(fā)SPI驅(qū)動(dòng)有兩種方式，一種是采用Linux自帶的SPI子系統(tǒng)，一種是采用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的形式。本文采用了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的形式。在Linux 2.6內(nèi)核中使用cdev結(jié)構(gòu)體描述字符設(shè)備。cdev結(jié)構(gòu)體如下所示。字符設(shè)備的主要工作是初始化、添加和刪除cdev的結(jié)構(gòu)體，申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)，以及填充file_operations結(jié)構(gòu)體的操作函數(shù)，實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)體中的read()，write()和ioctl()等。

cdev結(jié)構(gòu)體的dev_t成員定義了設(shè)備號(hào)，另一個(gè)重要成員file_operations定義了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供給虛擬文件系統(tǒng)的接口函數(shù)。file_ operations結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容，這些函數(shù)實(shí)際會(huì)在應(yīng)用程序進(jìn)行Linux的open()，write()，read()，close()等系統(tǒng)調(diào)用時(shí)最終被調(diào)用。

Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要由以下幾部分組成：

(1)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載與卸載函數(shù)

在字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)設(shè)備號(hào)的申請(qǐng)和cdev的注冊(cè)，對(duì)應(yīng)的是insmod過程，而在卸載函數(shù)中應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備號(hào)的釋放和cdev的注銷，對(duì)應(yīng)的是rmmod過程。

(2)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的file_operations結(jié)構(gòu)體中成員函數(shù)

file_operations結(jié)構(gòu)體中成員函數(shù)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核的接口，是用戶空間對(duì)Linux進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用最終的落實(shí)者。

(3)加載字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)之后，在用戶空間建立一個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，在用戶空間就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作了，操作方式操作文件的方式相同。

3.2.3 驅(qū)動(dòng)與固件的接口

驅(qū)動(dòng)與固件之間的交互是通過自定義的“AT+”協(xié)議，協(xié)議交互流程見圖7。

AT+命令主要包括3個(gè)：“AT+”：判斷串口鏈路是否正常。如果正常，返回OK;不正常，返回error;“AT+set”：接口參數(shù)設(shè)置命令。如果參數(shù)設(shè)置完成，返回OK;不正常，返回error;“AT+send”：數(shù)據(jù)發(fā)送命令。如果數(shù)據(jù)發(fā)送/接收正確，返回OK;否則，返回error。

4 結(jié)語

本文介紹的工具適用于UART接口和SPI接口的功能、性能和兼容性測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化。采用該測(cè)試工具，一方面提高了測(cè)試效率，大大節(jié)約了人力資源，時(shí)間和人力成本節(jié)約了50%以上;另一方面可以保證測(cè)試用例100%的覆蓋。

編輯：jq