基于模块化设计的嵌入式软件测试方法

 基于模块化设计的嵌入式软件测试方法

    摘要：分析嵌入式软件的特点，综述传统的软件测试方法；针对嵌入式软件的特点，提出嵌入式软件的四级测试流程和集成测试的测试模型，并结合开发数控系统的实例进行分析。

    关键词：模块化设计　嵌入式软件　软件测试　测试方法　测试模型　数控系统

    嵌入式设计已经成为工业现代化、智能化的必经之路，嵌入式产品已经深入到各行各业。嵌入式系统的专用程度较高，系统的整体继承性相对较小，为了保证系统的稳定性，软件的测试成为嵌入式开发的一个重要环节。由于嵌入式软件自身的特点，传统的软件测试理论不能直接用于嵌入式软件的测试，因此，研究嵌入式软件的测试有重要意义。

1 基本概念简述
1.1 模块化设计
    软件的设计是以一定的方法为基础的。面对越来越复杂的软件开发任务，人们提出了各种软件设计的模型。从用户需求和系统要实现的任务功能出发，把大型的软件划分为相对较小的模块。为了减少模块与模块之间的关联性，模块之间的逻辑结构相对独立，无函数的交叉调用，数据传递由全局变量完成，这就是模块化设计的基本思想。模块化设计的核心是模块的独立性，主要包括功能独立性和结构独立性，这使得软件开发的分工易于实现。软件测试是软件开发中的关键环节，基于模块化设计的软件测试模型简单，查错和纠错都易于实现。下面以单链路数据传递的软件模型说明模块化软件设计的软件测试的基本原则。

    在图１中，函数Ｆ（Ｘ－Ｙ）定义为软件模块Ｘ到软件模块Ｙ的接口函数，用来通过终端显示由模块Ｘ进入模块Ｙ的数据。如果模块Ｃ执行后发生错误，则由模块Ｂ和模块Ｃ的数据接口函数Ｆ（Ｂ－Ｃ）判断是否是模块Ｂ出来的数据就是错误的。如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）不错，则证明模块Ｃ存在错误；如果Ｆ（Ｂ－Ｃ）传递数据错误，再察看Ｆ（Ａ－Ｂ）传出的数据是否错误，如果不错则证明模块Ｂ存在错误。用此依次前推孤立错误的方法，即可以很容易地定位错误所在的模块。这就是模块化设计时软件测试的基本原则。

1.2 嵌入式系统
    嵌入式系统开发有其自身的特点。一般先进行硬件部分的开发，主要包括形成裸机平台，根据需要移植实时操作系统，开发底层的硬件驱动程序等。硬件平台测试通过后，应该软件的开发调试是基于该硬件平台进行的，这同时也是对硬件平台的一个测试。整个嵌入式系统开发流程如图２所示。

    因此可以说，嵌入式系统的开发过程是一个软硬件互相协调，互相反馈和互相测试的过程。一般来说，在嵌入式系统软件中，底层驱动程序、操作系统和应用程序的界线是不清晰的，根据需要甚至混编在一起。这主要是由于嵌入式系统中软件对硬件的依赖性造成的。嵌入式软件对硬件的依赖性要求，软件测试时必须最大限度地模拟被测软件的实际运行环境，以保证测试的可靠性。底层程序和应用程序界限的不清晰增加了测试时的难度，测试时只有确认嵌入式系统平台及底层程序正确的情况下才能进行应用程序的测试，而且在系统测试时，错误的定位较为困难。软件的专用性也是嵌入式软件的一个重要特点。由于嵌入式软件设计是以一定的目标硬件平台为基础的、面向固定的任务进行的，因此，一旦被加载到目标系统上，功能必须完全确定。这个特点决定了嵌入式应用软件的继承性较差，延长的系统的测试时间，增加了测试费用。嵌入式软件的另外一个重要特点就是实时性。这是从软件的执行角度出发说明的，也就是说嵌入式软件的执行要满足一定的时间约束。嵌入式系统中，应用软件自身算法的复杂度和操作系统任务调度，决定了系统资源的分配和消耗，因此，对系统实时性进行测试时，要借助一定的测试工具对应用程序算法复杂度和操作系统任务调度进行分析测试。可见嵌入式软件与传统的面向对象和面向过程的软件相比有其自身的特点。针对这些特点对嵌入式软件的测试进行研究是必要的，有意义的。

1.3 嵌入式软件测试
    软件测试是从经济、效率的角度出发，对软件代码进行质量、正确性保证的一个过程。软件测试是软件开发中的一个重要环节，也是软件从开发过程到应用过程的关键一环。嵌入式软件也不例外，图３给出了嵌入式软件测试的统一测试模型。软件测试逐渐成为一门成熟的学科，前人针对面向对象和面向过程的非实时软件的测试作了大量的研究，其中大部分方法可以用到嵌入式软件的测试。

    根据不同的指标，软件测试方法有不同的划分方法。从软件开发过程中测试所处的不同阶段可分为模块测试、集成测试和系统测试。根据是否需要运行目标代码分为动态测试和静态测试；根据目标代码的可见性可分为白盒测试（结构测试）和黑盒测试（功能测试）。在软件的测试中，每种测试方法都不是孤立的。为了最经济最有效地达到测试的目的，各种测试方法往往是互相嵌套的。例如，在软件的单元测试阶段，可以用黑盒测试和白盒测试的方法分别进行动态测试。

    值得一提的是，近年来软件测试中，测试代码的覆盖率逐渐成为软件测试的统一标准，因此不管采用何种测试方法，尽可能地提高软件测试中的代码覆盖率是必需的。软件测试代码覆盖率是基于白盒测试方法的，因此，为了提高软件测试的代码覆盖率，测试人员必须清楚源代码的结构，拥有程序设计文档，以便设计测试用例使测试尽可能地覆盖程序内部结构的每条语句，提高代码的覆盖率。

2 基于模块化设计的嵌入式软件四级测试流程
    根据嵌入式系统的开发流程，为了最经济地实现系统的功能，采用自顶向下、层层推进的方法对嵌入式系统进行测试，提出了如图４所示的基于模块化设计的嵌入式软件四级测试流程。在四级测试中，本测试阶段以前的测试完成后，当发现错误时，可排队此测试阶段以前的错误，在本测试阶段内查找错误。这并不是一个绝对准确的方法，但最大限度地节了错误定位的时间。

2.1 系统平台测试
    这部分包括硬件电路测试、操作系统及底层驱动程序的测试等。硬件电路的测试需要用专门的测试工具进行测试。这里不再多述。操作系统和底层驱动程序的测试主要包括测试操作系统的任务调度、实时性能、通信端口的数据传输率。该阶段测试完成后，系统应为一个完整的嵌入式系统平台，用户只需添加应用程序即可完成特定的任务。

2.2 模块测试
    把大型的嵌入式软件系统划分为若干个相对较小的任务模块，由不同的程序员分别同时对其进行编码。编码完成后，把各个模块集成起来前，必须对单个模块进行测试。由于没有其它数据模块进行数据传递的支持，该阶段测试一段是在宿主机上进行的（宿主机有丰富的资源和方便的调试环境）。此阶段主要是进行白盒测试，尽可能地测试每一个函数、每一个条件分支、每一个程序语句，提高代码测试的覆盖率。由于只有单个模块正确才有整体集成的必要性，因此，单个模块测试时测试一定要充分、完整。模块测试阶段，测试用例的构造不但要测试系统正常的运行情况，还要进行边界测试。边界测试就是进行某一数据变量的最大值和最小值的测试，同时进行越界测试，即输入不该输入的数据变量测试系统的运行情况。理想的嵌入式系统是不应该由用户的信息交互导致死机的，这也是嵌入式设计的一个基本要求。因此，不论进行何种测试，系统死机都该被作为测试错误处理。在模块测试阶段，由模块化编程的基本思想，根据模块内部的紧凑程序，也可以把大的模块划分成小的模块。在程序内部，小模块之间数据传递的入口设计接口函数，用于快速地定位错误。用此模块嵌套的思想进行软件测试，需要模块内部结构清晰，数据链路简单。

2.3 集成测试
    单个软件模块测试正确之后，将所有模块集成起来进行测试。本阶段主要是找出各模块之间数据传递和系统组成后的逻辑结构的错误。在宿主机上采用黑盒与白盒相结合的方法进行测试，要最大限度地模拟实际运行环境，可以屏蔽掉一些不影响系统执行的和数据传递的难以模拟的函数。集成测试是模块化设计软件的测试优点充分体现的阶段。集成测试前，应该由程序员根据模块之间的数据的输入输出编写模块接口函数，这需要负责不同软件模块的程序员共同协调完成，然后将模块接口函数集成到接收数据模块的入口处。由前面的分析可知，单链路数据传递的软件模块集成测试时容易定位错误所在的软件模块。一个软件模块的数据不一定只有另外一个模块提供，即软件模块的数据链路不一定只是单链路的，测试时可以把复杂链路结构的数据传递划分为单链路结构数据传送进行错误定位。修改输出数据的软件模块时，可能导致输入数据的软件模块引入新的错误，因此在这里引入关联矩阵确定修改某一模块后需要重要测试的模块。

    假定模块化设计的嵌入式系统软件由软件模块Ａi(i=1,2,…，m,n)组成，m表示矩阵的行号，n表示矩阵的列号。图５所示的矩阵即为其关联矩阵。

    在关联矩阵中，Aij=1表示Aj接受了Ai输出的数据，故修改了Ai重新测试Ai的同时也需重新测试Aj。

    集成测试是在拥有程序设计文档、程序结构和数据结构时，对软件模块在集成中出现的错误进行测试。集成测试时，根据模块接口函数定位错误修改代码，根据关联矩阵确定重新测试的软件模块。图６给出了模块化设计的嵌入式软件集成测试模型。

2.4 系统测试
    集成测试完成后，退出宿主机测试环境，把系统移植到目标机上来，完成应用到现场环境中，从用户的角度对系统进行黑盒测试，验证每一项具体的功能。由于测试者对程序内容程序执行情况一无所知，因此本测试阶段的错误定位比较困难。系统测试阶段应该进行意外测试和破坏性测试，即测试系统正常执行情况下不该发生的激发活动和人为的破坏性的测试，进一步验证系统性能。系统测试阶段不应该确定错误后立即修改代码，应根据一定的错误发生频率，确定测试周期，在每个测试周期结束时修改代码，进行反复测试；否则，不但增加了完全测试的任务量，而且降低了测试的可信度。

2.5 测试结果分析
    测试结果的分析可以定位错误，指导程序员修改代码，同时指出测试进行的程序并进一步指明测试方向。测试结果的分析是一个由测试结果和测试预得结果进行分析、比较和定位错误的过程。测试结果的分析是一次测试的最后环节，分析时应该考虑软件的运行环境和实际运行环境的差异以及各种外界因素的影响等。

2.6 测试用例的构造与管理
    测试用例是为了测试目标程序设计的包括输入项和预得结果的一种文件，根据测试环境和测试目标程序的不同，可分为某种格式的文档或某种输入行为（如一次按键）等。测试用例的构造要尽可能覆盖所有可能的取值范围，使测试尽可能地覆盖所有程序代码，提高代码的测试覆盖率，同时又不作多余、重复和无意义的测试。在嵌入式软件测试的不同阶段，要构造不同的测试用例；在系统平台测试阶段，要构造针对系统任务调度、实时性能和底层驱动程序的测试用例；在模块测试阶段，应构造针对某一模块进行测试的测试用例；在集成测试阶段，针对系统集成时数据传递、结构斜接的问题构造相应的测试用例；在系统测试阶段，要构造针对某项功能的或多项功能结合在一起的测试用例，或使用已经在同类产品上已经验证正确的测试用例。测试用例是可复用的。此外大型的软件开发过程中，测试用例的种类繁多，应该按一定的方法进行管理。用数据库的来管理测试用例是一个很好的选择。根据测试阶段将测试用例进行划分，然后用关键字唯一确定。这样在使用、修改和保存测试用例时都很方便，直接用查询的方式就可以调出测试用例。

3 数控系统软件测试
    本数控系统采用ＡＲＭ７处理器，操作系统采用μＣ／ＯＳ实时操作系统，是一个典型的嵌入式系统。由于数控系统较为复杂，开发过程中将任务进行了详细的划分，软件的开发采用模块化开发。模块的划分及数据流向如图７所示。

    根据图７所示的软件模块和数据流向可构造关联矩阵，如图８所示。

    开发过程中，几个模块由不同的程序员分别进行编码，分别由程序员进行模块测试，并按白盒测试的方法进行覆盖测试。最后集成测试前，根据关联矩阵，程序员协作编写了模块接口函数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），然后根据图６所示的测试模型和图８所示的关联矩阵对系统进行了集成测试。分析可知，一些关键模块，如译码模块和刀补模块的测试代码覆盖率达到９０％之上。图９所示的整个系统经过系统测试之后性能稳定，图１０为其加工的零件，目前该系统已经小批量生产。

 

4 结论
    文章对嵌入式软件的特点和传统的测试方法作了分析之后，提出了四级测试流程和集成测试的模型。此测试方法用于工程机械控制器和数控系统开发的测试。测试的效率和可靠性满足要求。文中的单链路数据传递的错误定位、模块接口函数、关联矩阵等方法也可以用于面向对象的和面向对象的软件系统。

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