基于模塊化設計的嵌入式軟件測試方法

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

嵌入式設計已經(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)的整體繼承性相對較小，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，軟件的測試成為嵌入式開發(fā)的一個重要環(huán)節(jié)。由于嵌入式軟件自身的特點，傳統(tǒng)的軟件測試理論不能直接用于嵌入式軟件的測試，因此，研究嵌入式軟件的測試有重要意義。

１　基本概念簡述

１．１　模塊化設計

    軟件的設計是以一定的方法為基礎的。面對越來越復雜的軟件開發(fā)任務，人們提出了各種軟件設計的模型。從用戶需求和系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務功能出發(fā)，把大型的軟件劃分為相對較小的模塊。為了減少模塊與模塊之間的關聯(lián)性，模塊之間的邏輯結(jié)構(gòu)相對獨立，無函數(shù)的交叉調(diào)用，數(shù)據(jù)傳遞由全局變量完成，這就是模塊化設計的基本思想。模塊化設計的核心是模塊的獨立性，主要包括功能獨立性和結(jié)構(gòu)獨立性，這使得軟件開發(fā)的分工易于實現(xiàn)。軟件測試是軟件開發(fā)中的關鍵環(huán)節(jié)，基于模塊化設計的軟件測試模型簡單，查錯和糾錯都易于實現(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計的軟件測試的基本原則。

    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進入模塊Ｙ的數(shù)據(jù)。如果模塊Ｃ執(zhí)行后發(fā)生錯誤，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)就是錯誤的。如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）不錯，則證明模塊Ｃ存在錯誤；如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）傳遞數(shù)據(jù)錯誤，再察看Ｆ（Ａ－Ｂ）傳出的數(shù)據(jù)是否錯誤，如果不錯則證明模塊Ｂ存在錯誤。用此依次前推孤立錯誤的方法，即可以很容易地定位錯誤所在的模塊。這就是模塊化設計時軟件測試的基本原則。

１．２　嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)有其自身的特點。一般先進行硬件部分的開發(fā)，主要包括形成裸機平臺，根據(jù)需要移植實時操作系統(tǒng)，開發(fā)底層的硬件驅(qū)動程序等。硬件平臺測試通過后，應該軟件的開發(fā)調(diào)試是基于該硬件平臺進行的，這同時也是對硬件平臺的一個測試。整個嵌入式系統(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)過程是一個軟硬件互相協(xié)調(diào)，互相反饋和互相測試的過程。一般來說，在嵌入式系統(tǒng)軟件中，底層驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)和應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)中軟件對硬件的依賴性造成的。嵌入式軟件對硬件的依賴性要求，軟件測試時必須最大限度地模擬被測軟件的實際運行環(huán)境，以保證測試的可靠性。底層程序和應用程序界限的不清晰增加了測試時的難度，測試時只有確認嵌入式系統(tǒng)平臺及底層程序正確的情況下才能進行應用程序的測試，而且在系統(tǒng)測試時，錯誤的定位較為困難。軟件的專用性也是嵌入式軟件的一個重要特點。由于嵌入式軟件設計是以一定的目標硬件平臺為基礎的、面向固定的任務進行的，因此，一旦被加載到目標系統(tǒng)上，功能必須完全確定。這個特點決定了嵌入式應用軟件的繼承性較差，延長的系統(tǒng)的測試時間，增加了測試費用。嵌入式軟件的另外一個重要特點就是實時性。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)行要滿足一定的時間約束。嵌入式系統(tǒng)中，應用軟件自身算法的復雜度和操作系統(tǒng)任務調(diào)度，決定了系統(tǒng)資源的分配和消耗，因此，對系統(tǒng)實時性進行測試時，要借助一定的測試工具對應用程序算法復雜度和操作系統(tǒng)任務調(diào)度進行分析測試?？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。針對這些特點對嵌入式軟件的測試進行研究是必要的，有意義的。

    １．３　嵌入式軟件測試

軟件測試是從經(jīng)濟、效率的角度出發(fā)，對軟件代碼進行質(zhì)量、正確性保證的一個過程。軟件測試是軟件開發(fā)中的一個重要環(huán)節(jié)，也是軟件從開發(fā)過程到應用過程的關鍵一環(huán)。嵌入式軟件也不例外，圖３給出了嵌入式軟件測試的統(tǒng)一測試模型。軟件測試逐漸成為一門成熟的學科，前人針對面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的非實時軟件的測試作了大量的研究，其中大部分方法可以用到嵌入式軟件的測試。

    根據(jù)不同的指標，軟件測試方法有不同的劃分方法。從軟件開發(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)是否需要運行目標代碼分為動態(tài)測試和靜態(tài)測試；根據(jù)目標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）。在軟件的測試中，每種測試方法都不是孤立的。為了最經(jīng)濟最有效地達到測試的目的，各種測試方法往往是互相嵌套的。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行動態(tài)測試。

    值得一提的是，近年來軟件測試中，測試代碼的覆蓋率逐漸成為軟件測試的統(tǒng)一標準，因此不管采用何種測試方法，盡可能地提高軟件測試中的代碼覆蓋率是必需的。軟件測試代碼覆蓋率是基于白盒測試方法的，因此，為了提高軟件測試的代碼覆蓋率，測試人員必須清楚源代碼的結(jié)構(gòu)，擁有程序設計文檔，以便設計測試用例使測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　基于模塊化設計的嵌入式軟件四級測試流程

根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，為了最經(jīng)濟地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，采用自頂向下、層層推進的方法對嵌入式系統(tǒng)進行測試，提出了如圖４所示的基于模塊化設計的嵌入式軟件四級測試流程。在四級測試中，本測試階段以前的測試完成后，當發(fā)現(xiàn)錯誤時，可排隊此測試階段以前的錯誤，在本測試階段內(nèi)查找錯誤。這并不是一個絕對準確的方法，但最大限度地節(jié)了錯誤定位的時間。

２．１　系統(tǒng)平臺測試

這部分包括硬件電路測試、操作系統(tǒng)及底層驅(qū)動程序的測試等。硬件電路的測試需要用專門的測試工具進行測試。這里不再多述。操作系統(tǒng)和底層驅(qū)動程序的測試主要包括測試操作系統(tǒng)的任務調(diào)度、實時性能、通信端口的數(shù)據(jù)傳輸率。該階段測試完成后，系統(tǒng)應為一個完整的嵌入式系統(tǒng)平臺，用戶只需添加應用程序即可完成特定的任務。

２．２　模塊測試

把大型的嵌入式軟件系統(tǒng)劃分為若干個相對較小的任務模塊，由不同的程序員分別同時對其進行編碼。編碼完成后，把各個模塊集成起來前，必須對單個模塊進行測試。由于沒有其它數(shù)據(jù)模塊進行數(shù)據(jù)傳遞的支持，該階段測試一段是在宿主機上進行的（宿主機有豐富的資源和方便的調(diào)試環(huán)境）。此階段主要是進行白盒測試，盡可能地測試每一個函數(shù)、每一個條件分支、每一個程序語句，提高代碼測試的覆蓋率。由于只有單個模塊正確才有整體集成的必要性，因此，單個模塊測試時測試一定要充分、完整。模塊測試階段，測試用例的構(gòu)造不但要測試系統(tǒng)正常的運行情況，還要進行邊界測試。邊界測試就是進行某一數(shù)據(jù)變量的最大值和最小值的測試，同時進行越界測試，即輸入不該輸入的數(shù)據(jù)變量測試系統(tǒng)的運行情況。理想的嵌入式系統(tǒng)是不應該由用戶的信息交互導致死機的，這也是嵌入式設計的一個基本要求。因此，不論進行何種測試，系統(tǒng)死機都該被作為測試錯誤處理。在模塊測試階段，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)傳遞的入口設計接口函數(shù)，用于快速地定位錯誤。用此模塊嵌套的思想進行軟件測試，需要模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰，數(shù)據(jù)鏈路簡單。

    ２．３　集成測試

單個軟件模塊測試正確之后，將所有模塊集成起來進行測試。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)的錯誤。在宿主機上采用黑盒與白盒相結(jié)合的方法進行測試，要最大限度地模擬實際運行環(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)。集成測試是模塊化設計軟件的測試優(yōu)點充分體現(xiàn)的階段。集成測試前，應該由程序員根據(jù)模塊之間的數(shù)據(jù)的輸入輸出編寫模塊接口函數(shù)，這需要負責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試時容易定位錯誤所在的軟件模塊。一個軟件模塊的數(shù)據(jù)不一定只有另外一個模塊提供，即軟件模塊的數(shù)據(jù)鏈路不一定只是單鏈路的，測試時可以把復雜鏈路結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳遞劃分為單鏈路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳送進行錯誤定位。修改輸出數(shù)據(jù)的軟件模塊時，可能導致輸入數(shù)據(jù)的軟件模塊引入新的錯誤，因此在這里引入關聯(lián)矩陣確定修改某一模塊后需要重要測試的模塊。

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

    在關聯(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重新測試Ai的同時也需重新測試Aj。

集成測試是在擁有程序設計文檔、程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，對軟件模塊在集成中出現(xiàn)的錯誤進行測試。集成測試時，根據(jù)模塊接口函數(shù)定位錯誤修改代碼，根據(jù)關聯(lián)矩陣確定重新測試的軟件模塊。圖６給出了模塊化設計的嵌入式軟件集成測試模型。

２．４　系統(tǒng)測試

集成測試完成后，退出宿主機測試環(huán)境，把系統(tǒng)移植到目標機上來，完成應用到現(xiàn)場環(huán)境中，從用戶的角度對系統(tǒng)進行黑盒測試，驗證每一項具體的功能。由于測試者對程序內(nèi)容程序執(zhí)行情況一無所知，因此本測試階段的錯誤定位比較困難。系統(tǒng)測試階段應該進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)活動和人為的破壞性的測試，進一步驗證系統(tǒng)性能。系統(tǒng)測試階段不應該確定錯誤后立即修改代碼，應根據(jù)一定的錯誤發(fā)生頻率，確定測試周期，在每個測試周期結(jié)束時修改代碼，進行反復測試；否則，不但增加了完全測試的任務量，而且降低了測試的可信度。

    ２．５　測試結(jié)果分析

測試結(jié)果的分析可以定位錯誤，指導程序員修改代碼，同時指出測試進行的程序并進一步指明測試方向。測試結(jié)果的分析是一個由測試結(jié)果和測試預得結(jié)果進行分析、比較和定位錯誤的過程。測試結(jié)果的分析是一次測試的最后環(huán)節(jié)，分析時應該考慮軟件的運行環(huán)境和實際運行環(huán)境的差異以及各種外界因素的影響等。

２．６　測試用例的構(gòu)造與管理

測試用例是為了測試目標程序設計的包括輸入項和預得結(jié)果的一種文件，根據(jù)測試環(huán)境和測試目標程序的不同，可分為某種格式的文檔或某種輸入行為（如一次按鍵）等。測試用例的構(gòu)造要盡可能覆蓋所有可能的取值范圍，使測試盡可能地覆蓋所有程序代碼，提高代碼的測試覆蓋率，同時又不作多余、重復和無意義的測試。在嵌入式軟件測試的不同階段，要構(gòu)造不同的測試用例；在系統(tǒng)平臺測試階段，要構(gòu)造針對系統(tǒng)任務調(diào)度、實時性能和底層驅(qū)動程序的測試用例；在模塊測試階段，應構(gòu)造針對某一模塊進行測試的測試用例；在集成測試階段，針對系統(tǒng)集成時數(shù)據(jù)傳遞、結(jié)構(gòu)斜接的問題構(gòu)造相應的測試用例；在系統(tǒng)測試階段，要構(gòu)造針對某項功能的或多項功能結(jié)合在一起的測試用例，或使用已經(jīng)在同類產(chǎn)品上已經(jīng)驗證正確的測試用例。測試用例是可復用的。此外大型的軟件開發(fā)過程中，測試用例的種類繁多，應該按一定的方法進行管理。用數(shù)據(jù)庫的來管理測試用例是一個很好的選擇。根據(jù)測試階段將測試用例進行劃分，然后用關鍵字唯一確定。這樣在使用、修改和保存測試用例時都很方便，直接用查詢的方式就可以調(diào)出測試用例。

３　數(shù)控系統(tǒng)軟件測試

本數(shù)控系統(tǒng)采用ＡＲＭ７處理器，操作系統(tǒng)采用μＣ／ＯＳ實時操作系統(tǒng)，是一個典型的嵌入式系統(tǒng)。由于數(shù)控系統(tǒng)較為復雜，開發(fā)過程中將任務進行了詳細的劃分，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)造關聯(lián)矩陣，如圖８所示。

開發(fā)過程中，幾個模塊由不同的程序員分別進行編碼，分別由程序員進行模塊測試，并按白盒測試的方法進行覆蓋測試。最后集成測試前，根據(jù)關聯(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所示的測試模型和圖８所示的關聯(lián)矩陣對系統(tǒng)進行了集成測試。分析可知，一些關鍵模塊，如譯碼模塊和刀補模塊的測試代碼覆蓋率達到９０％之上。圖９所示的整個系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)測試之后性能穩(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

文章對嵌入式軟件的特點和傳統(tǒng)的測試方法作了分析之后，提出了四級測試流程和集成測試的模型。此測試方法用于工程機械控制器和數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的測試。測試的效率和可靠性滿足要求。文中的單鏈路數(shù)據(jù)傳遞的錯誤定位、模塊接口函數(shù)、關聯(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)。