嵌入式軟件測試方法與策略研究

西安郵電大學計算機學院 張明英 王曙燕

1.引言

隨著數(shù)字化時代的到來，大量系統(tǒng)架構(gòu)復雜、功能日益強大的嵌入式系統(tǒng)正不斷進入市場，應(yīng)用也日趨復雜，這對嵌人式軟件的開發(fā)技術(shù)和測試技術(shù)提出了更高的要求。嵌人式系統(tǒng)的復雜性和集成度越來越高，其中的軟件部分也開始在整個嵌入式系統(tǒng)中占有越來越多的比例，并經(jīng)常實現(xiàn)硬件的功能。嵌入式系統(tǒng)的專用程度較高，所以對其可靠性的要求也比較高，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免由于其可能出現(xiàn)的失效而導致災(zāi)難性的后果，要求對嵌人式系統(tǒng)，包括嵌入式軟件進行嚴格的測試、確認和驗證?；谇度胧杰浖陨淼奶攸c，如實時性(Real-timing)，內(nèi)存不豐富，I/O通道少，開發(fā)工具昂貴，并且與硬件緊密相關(guān)，CPU種類繁多，其缺陷不像PC軟件的缺陷容易修補等等。傳統(tǒng)的軟件測試理論不能直接用于嵌入式軟件測試，因此，研究嵌入式軟件的測試方法和策略，對于提高和改善嵌入式軟件的質(zhì)量有重要意義。

2.嵌入式軟件測試的基本方法

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積及功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[1]。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件功能界限模糊，測試比PC系統(tǒng)軟件測試要困難得多，嵌入式軟件系統(tǒng)測試具有如下特點[2]：

（1）測試軟件功能依賴不需編碼的硬件功能，快速定位軟硬件錯誤困難；

（3）交叉測試平臺的測試用例、測試結(jié)果上載困難；

（4）基于消息系統(tǒng)測試的復雜性，包括線程、任務(wù)、子系統(tǒng)之間的交互，并發(fā)、容錯和對時間的要求；

（5）性能測試、確定性能瓶頸困難；

（6）實施測試自動化技術(shù)困難。大量統(tǒng)計資料表明，軟件測試的工作量往往占軟件開發(fā)總工作量的40%以上，在極端情況，測試那種關(guān)系人的生命安全的重要的行業(yè)中的嵌入式軟件所花費的成本，可能相當于軟件工程其他開發(fā)步驟總成本的三倍到五倍。

在嵌入式軟件測試中，既要考慮軟件本身，還要考慮軟件同硬件平臺和操作系統(tǒng)的集成，同時還有條件苛刻的時間約束和實時要求，以及其他合性能相關(guān)的要求。

2.1 全數(shù)字模擬測試

全數(shù)字模擬測試是指采用數(shù)學平臺的方法，將嵌入式軟件從系統(tǒng)中剝離出來，通過開發(fā)CPU指令、常用芯片、I/O、中斷、時鐘等模擬器在開發(fā)主機平臺（Host）上實現(xiàn)嵌入式軟件的測試。該方法操作簡單，適用于功能測試，是一種可以借鑒的常規(guī)軟件測試方法。但是全數(shù)字模擬測試有較大的局限性，使用不同語言編寫的嵌入式軟件需要不同的仿真程序來執(zhí)行，通用性差，實時性與準確性難以反映出嵌入式軟件的真實情況，當并發(fā)事件要求一定的同步關(guān)系時，維護統(tǒng)一、精確地系統(tǒng)時鐘，理順時序關(guān)系相當困難。因此，設(shè)計一個能進行系統(tǒng)測試的環(huán)境代價太大，全數(shù)字模擬測試只能作為嵌入式軟件測試的輔助手段。

2.2 交叉測試（Host/Target測試）

自從出現(xiàn)高級語言，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境通常是存在差異的，開發(fā)環(huán)境被認為是主機平臺(Host)，軟件運行環(huán)境為目標平臺(Target)，相應(yīng)的測試為Host Target測試（交叉測試）。測試過程中，充分利用高級語言的可移植性，將系統(tǒng)中與目標環(huán)境無關(guān)的部分工作轉(zhuǎn)移到PC平臺上完成，在硬件環(huán)境未建好或調(diào)試工具缺乏時就可以開展，這時可以借鑒常規(guī)的軟件測試方法。系統(tǒng)中與硬件密切相關(guān)的部分在Target上完成，用到的測試工具需要支持目標環(huán)境。最后，在目標環(huán)境中進行驗證確認。交叉測試適用于高級語言，操作方便，測試成本較低，但是實時性受調(diào)試環(huán)境的制約，在目標環(huán)境中測試時要占用一定的目標資源。

3.3.3 中、微量元素肥 根據(jù)蘋果樹需肥特點及土壤養(yǎng)分狀況，中、微量元素肥料應(yīng)以鈣、硼、鋅、鐵等為主，可采用基施和葉面噴肥兩種方法。

3.常規(guī)軟件測試方法

嵌入式系統(tǒng)中與目標環(huán)境無關(guān)的大部分測試工作可以在PC平臺上完成，這就可以充分借用PC軟件的測試方法。

3.1 靜態(tài)測試和動態(tài)測試

靜態(tài)測試(Static Test)包括代碼檢查、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析等，是指對軟件文檔或程序進行掃描分析，無需運行程序，與嵌入式環(huán)境無關(guān)。人工或借助專用的軟件測試工具評審軟件文檔或程序，度量程序靜態(tài)復雜度，檢查軟件是否符合編程標準，借以發(fā)現(xiàn)編寫的程序的不足之處。

動態(tài)測試(Dynamic Test)是指選擇適當?shù)臏y試用例，實際運行被測代碼，觀察代碼運行時所體現(xiàn)的功能、邏輯、行為、結(jié)構(gòu)等，檢查運行結(jié)果與預期結(jié)果的差異，并分析運行效率和健壯性等性能。

3.2 黑盒測試和白盒測試

白盒測試和黑盒測試是動態(tài)測試的兩種主要方法。

白盒測試又稱為結(jié)構(gòu)化測試，是一種基于結(jié)構(gòu)的測試，主要進行軟件的控制流測試（語句覆蓋、分支覆蓋等）和數(shù)據(jù)流測試。覆蓋率和性能是衡量軟件質(zhì)量的重要指標，也是白盒側(cè)試的主要內(nèi)容。白盒測試主要測試依據(jù)是軟件設(shè)計，它對軟件內(nèi)部工作過程的細致檢查，允許測試人員利用程序內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)及有關(guān)信息，設(shè)計或選擇測試用例，對程序所有邏輯路徑進行測試。

黑盒測試又稱為功能測試或行為測試，是一種基于需求的測試，目的是驗證被測軟件是否符合軟件的需求。它著眼于軟件的外部結(jié)構(gòu)，不考慮程序的邏輯結(jié)構(gòu)和內(nèi)部特性，僅依據(jù)軟件的需求規(guī)格說明書，在軟件界面上檢查程序的功能是否符合要求，以此判定測試結(jié)果的正確性[3]。黑盒測試不是白盒測試的替代品，而是輔助白盒測試發(fā)現(xiàn)其他類型的錯誤。嵌人式軟件的黑盒測試一般在嵌入式系統(tǒng)上進行，不需借助于測試工具和測試平臺。

3.3 單元測試和集成測試

單元測試和集成測試是軟件測試的兩個階段。

單元測試又稱模塊測試，是指依據(jù)詳細的設(shè)計描述對每一個功能相對獨立的程序模塊逐個測試，多個模塊可以平行的獨立進行單元測試。所有單元級測試都可以在主機環(huán)境上進行，除非少數(shù)情況，特別具體指定了單元測試直接在目標環(huán)境進行。在主機平臺上運行測試的速度比在目標平臺上快得多，當在主機平臺完成測試時，可以在目標環(huán)境上重復作一次簡的確認測試，確認測試結(jié)果在主機和目標機上沒有被它們的不同影響。

集成測試是指在單元測試的基礎(chǔ)上，將所有模塊按照設(shè)計要求組裝起來進行測試，主要測試內(nèi)容有程序模塊間的接口參數(shù)傳遞、集成后的功能實現(xiàn)以及模塊間的相互影響等。軟件集成可在主機環(huán)境上完成，在主機平臺上模擬目標環(huán)境運行，當然在目標環(huán)境上重復測試也是必須的，在此級別上的確認測試將確定一些環(huán)境上的問題，比如內(nèi)存定位和分配上的一些錯誤。在主機環(huán)境上的集成測試的使用，依賴于目標系統(tǒng)的具體功能有多少。有些嵌入式系統(tǒng)與目標環(huán)境耦合的非常緊密，若在主機環(huán)境做集成是不切實際的。一個大型軟件的開發(fā)可以分幾個級別的集成。低級別的軟件集成在主機平臺上完成有很大優(yōu)勢，越往后的集成越依賴干目標環(huán)境[4]。由于嵌入式軟件最終要運行在目標環(huán)境中，所以必須在實際運行環(huán)境中，將嵌入式軟件與計算機硬件、外設(shè)、某些支持軟件、數(shù)據(jù)和人員等元素結(jié)合在一起，對整個系統(tǒng)進行的測試。

4.嵌入式軟件測試策略

在嵌入式軟件的測試過程中使用有效的測試策略，可以使開發(fā)的效率最大化，避免目標系統(tǒng)的瓶頸。

4.1 先靜后動、從小到大、由黑到白

（1）先靜態(tài)測試后動態(tài)測試

從代碼規(guī)則檢查做起，測試開展的越早，付出的代價就越小。靜態(tài)分析簡單、方便、成本低、見效快，能為動態(tài)測試打下良好的基礎(chǔ)，從而大大降低測試的成本。

（2）先單元測試后集成測試

單元測試是集成測試的基礎(chǔ)，單元測試得越好，集成測試的工作量就越小。

（3）先黑盒測試后白盒測試

先驗證軟件的功能是否滿足需求，后驗證程序覆蓋率，補充測試。

4.2 質(zhì)量分析，事半功倍

軟件模塊的邏輯結(jié)構(gòu)能客觀地反映出軟件的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)越“良好”，代碼就越可靠。結(jié)構(gòu)化測試是軟件代碼質(zhì)量分析的好方法。由于代碼復雜度與代碼出錯的關(guān)聯(lián)性非常強，在測試工程中，充分應(yīng)用結(jié)構(gòu)化測試技術(shù)，從結(jié)構(gòu)入手分析代碼的復雜程度，可以指導測試的進行，指出代碼質(zhì)量改進的方向。

4.3 選好工具，抓好管理

工欲善其事，必先利其器。進行軟件測試，通常工具是必需的，但不是萬能的。根據(jù)測試的需要和測試工具的特長選擇合適的測試工具，不但可以客觀、準確的獲得測試結(jié)果，還可以減輕人的工作量，降低測試成本。軟件測試是一項長期化、系統(tǒng)化、常態(tài)化的工作，并且需要維護和更新，因此，需要對整個測試過程進行嚴格管理。

5.結(jié)論

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，硬件集成度越來越高，軟件的功能越來越強大，為了降低系統(tǒng)的成本，獲得更大的靈活性，軟件正越來越多地取代硬件，軟件的重要性逐漸引起人們的重視。因此，進行嵌入式軟件測試方法和策略的研究，能夠?qū)θ找鎻碗s的嵌入式軟件進行快速有效的測試，提高軟件測試效率，確保軟件質(zhì)量。

[1]周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2]池云.嵌入式軟件測試研究[J].中國科技信息,2009.[3]宮云戰(zhàn).軟件測試[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.[4]郭群.嵌入式軟件測試技術(shù)[J].微處理機,2008.