嵌入式軟件仿真測試平臺構(gòu)件化技術(shù)研究

于 倩，常 江

(北京控制工程研究所，北京100190)

嵌入式軟件仿真測試平臺構(gòu)件化技術(shù)研究

于 倩，常 江

(北京控制工程研究所，北京100190)

軟件測試在航天嵌入式軟件研制過程中占有極為重要的地位，使用全數(shù)字仿真測試平臺進(jìn)行軟件測試是行之有效的方法.對仿真測試平臺進(jìn)行層次化構(gòu)件分解和構(gòu)件設(shè)計，研究航天軟件仿真測試平臺構(gòu)件化開發(fā)方法，并給出應(yīng)用實例，證明了該方法可大幅提高平臺開發(fā)效率.

軟件構(gòu)件;仿真測試平臺;軟件測試

航天軟件為嵌入式軟件，進(jìn)行測試一般可采用以下2種方式:一是將嵌入式軟件代碼剝離出來，用全數(shù)字仿真測試平臺進(jìn)行測試;二是直接將整個系統(tǒng)(包括硬件和嵌入式軟件)和其交聯(lián)的物理設(shè)備真實搭建進(jìn)行測試.方法二具有測試費(fèi)用高、可靠性測試難于實現(xiàn)等不可克服的缺點(diǎn).

使用全數(shù)字仿真測試平臺對嵌入式軟件進(jìn)行測試，是目前國內(nèi)外公認(rèn)的、行之有效的、具有廣泛應(yīng)用前景的方法[1].全數(shù)字仿真測試平臺(簡稱仿真測試平臺)，是指使用計算機(jī)仿真的方式構(gòu)建嵌入式軟件運(yùn)行所需的硬件環(huán)境(處理器、接口芯片)以及運(yùn)行時所需要的外部接口數(shù)據(jù)源[2]，在此基礎(chǔ)上通過施加各種測試激勵(包括故障激勵)，實現(xiàn)對軟件的功能、性能、可靠性、安全性以及強(qiáng)度等各項測試評估驗證工作.

航天嵌入式軟件有其自身的行業(yè)特點(diǎn):軟件主要功能相對固定、軟件繼承性強(qiáng)、復(fù)用性強(qiáng)、研發(fā)工作量巨大且時間緊迫.傳統(tǒng)的仿真測試平臺隨著被測系統(tǒng)的種類、通信接口等發(fā)生變化，需要重新投入大量時間、人力、物力構(gòu)建新的測試平臺，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前航天嵌入式軟件測試的需要，基于構(gòu)件的仿真測試平臺可有效增強(qiáng)平臺復(fù)用性，避免測試平臺搭建時間長、工作重復(fù)的問題，提高平臺搭建效率.

1 軟件構(gòu)件化

1.1 軟件構(gòu)件定義

軟件構(gòu)件是軟件復(fù)用的核心實體，是一組封裝的、規(guī)范的、可替換的、可重用的系統(tǒng)組成部分，它能在定義完善的體系結(jié)構(gòu)環(huán)境中實現(xiàn)某一清晰的功能，是一個與語境無關(guān)的組合單元，它的思想來自于工業(yè)產(chǎn)品部件.軟件構(gòu)件技術(shù)是一種類似于“零部件組裝”的集成組裝式軟件生產(chǎn)方式，它把零件、生產(chǎn)線和裝配運(yùn)行的概念運(yùn)用在軟件產(chǎn)業(yè)中，徹底打破了手工作坊式的軟件開發(fā)模式.

1.2 層次化構(gòu)件

復(fù)合構(gòu)件是可以被逐層分解的，一個復(fù)合構(gòu)件經(jīng)過從頂層到底層的層層分解后呈現(xiàn)為樹結(jié)構(gòu)[3]，最終分解為原子構(gòu)件，如圖1所示.

圖1 軟件系統(tǒng)構(gòu)件分解圖Fig.1 Component decomposition of the software system

復(fù)合構(gòu)件的規(guī)約中，構(gòu)件對外提供的功能和要求的外部功能分別被映射到成員構(gòu)件相應(yīng)的功能上，這就意味著，可以把復(fù)合構(gòu)件之間的連接信息逐層進(jìn)行消解，最終歸結(jié)到原子構(gòu)件之間的連接.然后把原子構(gòu)件的接口處的連接映射為構(gòu)件在實現(xiàn)體中的連接，不應(yīng)對原子構(gòu)件本身對應(yīng)的實現(xiàn)體做任何改動.最終生成的軟件系統(tǒng)可看作一個多對象原子構(gòu)件.

2 仿真測試平臺的構(gòu)件化開發(fā)方法

2.1 構(gòu)件分解

采用結(jié)構(gòu)分析的方法，依據(jù)嵌入式仿真測試平臺的系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行構(gòu)件分解，共分為5個頂層構(gòu)件，測試平臺系統(tǒng)的構(gòu)件分解圖如圖2所示.

圖2 測試平臺系統(tǒng)構(gòu)件分解圖Fig.2 Component decomposition of the simulation testing platform

(1)內(nèi)核模擬器構(gòu)件

內(nèi)核模擬器負(fù)責(zé)模擬軟件運(yùn)行環(huán)境的處理器，包括寄存器、指令系統(tǒng)及存儲器的仿真，以實現(xiàn)被測軟件的正確執(zhí)行.空間飛行器軟件檢測站自主研發(fā)的Vtest就是一個內(nèi)核模擬器構(gòu)件，支持8086、695等航天常用芯片，另外也可直接使用商用內(nèi)核模擬器，如KeilμVision2為51系列單片機(jī)的內(nèi)核模擬器.

(2)交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件

交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件是對被測軟件外圍環(huán)境的計算機(jī)仿真，它負(fù)責(zé)模擬軟件接口設(shè)備發(fā)送測試數(shù)據(jù)，驅(qū)動被測軟件運(yùn)行.交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件是仿真測試平臺最重要最復(fù)雜的組成部分.由于每個軟件的運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)構(gòu)成均不相同，為增強(qiáng)軟件復(fù)用性，需要對交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步分解.

根據(jù)航天軟件交聯(lián)系統(tǒng)常見硬件接口類型進(jìn)行分解，可將交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件分解為通信接口構(gòu)件、采集接口構(gòu)件、輸出接口構(gòu)件、看門狗構(gòu)件等，該層構(gòu)件的復(fù)用性主要體現(xiàn)為:支持?jǐn)U充及重用，建立標(biāo)準(zhǔn)的層接口實現(xiàn)上下兩層之間及同層之間的交互.

對各接口類型根據(jù)常用芯片進(jìn)行分解，將各芯片仿真模型構(gòu)件作為原子構(gòu)件，例如通信接口常用芯片有CAN總線、1553B總線、RS422串口等.該層構(gòu)件的復(fù)用性主要體現(xiàn)為:仿真模型的封裝性及通用性，仿真模型從結(jié)構(gòu)上都包括內(nèi)特性和外特性兩部分，建立仿真模型時，內(nèi)特性應(yīng)按真實系統(tǒng)仿真并封裝，外特性可以通過配置文件進(jìn)行配置.

圖3 交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件分解圖Fig.3 Decomposition of the conjunctive-system simulating component

圖3為交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件的構(gòu)件分解圖.

(3)測試腳本解釋構(gòu)件

測試腳本解釋構(gòu)件負(fù)責(zé)將測試腳本解釋執(zhí)行，驅(qū)動模型運(yùn)行，產(chǎn)生激勵信號，使得被測軟件按測試用例指定的方式運(yùn)行，實現(xiàn)軟件測試.測試腳本解釋構(gòu)件可分解為腳本翻譯構(gòu)件及腳本驅(qū)動構(gòu)件，腳本翻譯構(gòu)件將固定格式的腳本文件翻譯為機(jī)器語言，腳本格式為[時間令];#腳本名稱，參數(shù)1，參數(shù) 2……;腳本名稱及參數(shù)范圍可通過配置文件進(jìn)行設(shè)置.腳本驅(qū)動構(gòu)件依據(jù)翻譯得到機(jī)器語言產(chǎn)生仿真輸入信號及數(shù)據(jù)，腳本驅(qū)動構(gòu)件需針對不同軟件不同測試方法定制.圖4為測試腳本解釋構(gòu)件的構(gòu)件分解圖.

圖4 測試腳本解釋構(gòu)件分解圖Fig.4 Decomposition of the testing script interpretive component

(4)測試結(jié)果分析構(gòu)件

測試結(jié)果分析構(gòu)件負(fù)責(zé)收集記錄測試結(jié)果，并對收集到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和自動比對，確定是否有軟件錯誤，從而實現(xiàn)自動化測試.測試結(jié)果分析構(gòu)件可分解為數(shù)據(jù)記錄構(gòu)件及自動比對構(gòu)件，數(shù)據(jù)記錄構(gòu)件收集測試數(shù)據(jù)(包括輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù))形成記錄文件;自動比對構(gòu)件根據(jù)比對數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行分解，并且可針對不同軟件進(jìn)行擴(kuò)展.圖5為測試結(jié)果分析構(gòu)件的構(gòu)件分解圖.

圖5 測試結(jié)果分析構(gòu)件分解圖Fig.5 Decomposition of the testing results analysis component

(5)性能及覆蓋率統(tǒng)計構(gòu)件

性能統(tǒng)計及覆蓋率構(gòu)件負(fù)責(zé)實時測試結(jié)束后統(tǒng)計軟件運(yùn)行過程中性能指標(biāo)，以及被測軟件的測試語句覆蓋率、分支覆蓋率.性能統(tǒng)計構(gòu)件包括時間性能及RAM使用量統(tǒng)計等，可通過配置文件設(shè)置起始時刻及位置;覆蓋率統(tǒng)計構(gòu)件采用空間飛行器軟件檢測站自主研發(fā)的通用覆蓋率統(tǒng)計工具UCA和Coverager，該工具用于統(tǒng)計基于目標(biāo)碼的語句覆蓋率和分支覆蓋率，并對已執(zhí)行/未執(zhí)行的語句和分支進(jìn)行記錄和顯示.

2.2 構(gòu)件設(shè)計

按照I cube理論，構(gòu)件可以被描述為三層結(jié)構(gòu)[4]:第一層是接口層，聲明為其他構(gòu)件提供的接口;第二層是調(diào)用層，確定需要其他構(gòu)件提供的接口;第三層是實現(xiàn)層，描述該構(gòu)件的具體行為.為提高構(gòu)件的通用性和復(fù)用性，并結(jié)合測試平臺的特性，本文在設(shè)計構(gòu)件模型時增加用戶配置層.因此仿真測試平臺構(gòu)件采用調(diào)用層、實現(xiàn)層、接口層、用戶配置層的四層設(shè)計.

下面以CAN總線仿真構(gòu)件為例，對構(gòu)件設(shè)計及具體實現(xiàn)進(jìn)行說明.

(1)調(diào)用層

調(diào)用層在CAN總線仿真構(gòu)件中與內(nèi)核模擬器關(guān)系最大，調(diào)用層的功能就是為了屏蔽不同的內(nèi)核模擬器，提供一個與處理器無關(guān)的統(tǒng)一接口.調(diào)用層要對內(nèi)核模擬器中內(nèi)存及I/O口讀寫、時間管理以及消息輸出的函數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)一封裝，方便構(gòu)件中的一致調(diào)用.調(diào)用層設(shè)計如表1所示.

表1 調(diào)用層設(shè)計表Tab.1 Design of the call level

(2)實現(xiàn)層

實現(xiàn)層是構(gòu)件的主體.CAN總線仿真構(gòu)件的實現(xiàn)層完成對CAN總線內(nèi)部特性的計算機(jī)仿真，共包含4個C文件，CAN.c、CANBasic.c、CANPeli.c、CANComm.c.CAN.c主要完成對CAN總線的初始設(shè)置，CANComm.c為輔助函數(shù)，CANBasic.c及CANPeli.c為實現(xiàn)層的核心，分別對CAN總線BasicCAN和PeliCAN兩種形式進(jìn)行仿真，包括CAN總線數(shù)據(jù)接收、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送以及CAN總線故障模型的仿真實現(xiàn).

(3)接口層

接口層是仿真測試平臺不同組成部分銜接的約定.CAN總線仿真構(gòu)件的接口層由CAN.h頭文件完成，其中定義了供其他構(gòu)件使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及函數(shù).接口層部分內(nèi)容如表2所示.

表2 接口層設(shè)計表Tab.2 Design of the interface level

(4)用戶配置層

用戶配置層是增強(qiáng)構(gòu)件復(fù)用性的重要環(huán)節(jié). CAN總線仿真構(gòu)件的用戶配置層由CAN.ini、DATA.ini兩個配置文件完成，其中CAN.ini用于配置CAN總線外部特性，包括總線基地址、掛接引腳、晶體頻率、通信波特率等;DATA.ini用于配置總線數(shù)據(jù)，包括正常數(shù)據(jù)和非法數(shù)據(jù).

3 仿真測試平臺構(gòu)件化應(yīng)用實例

下面給出一個應(yīng)用構(gòu)件搭建的某星載軟件的仿真測試平臺實例.

被測軟件(SDIU)為某型號星載接口軟件，處理器為80C32，編程語言為 C語言，主要功能為通過1553B總線與CTU進(jìn)行連接，通過RS422串口為CFI設(shè)備連接，完成數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)發(fā)及指令處理等功能.

將該軟件測試平臺進(jìn)行層次化構(gòu)件分解，并對復(fù)用性進(jìn)行分析:內(nèi)核模擬器使用商用模擬器Keil μVision2;交聯(lián)系統(tǒng)仿真構(gòu)件中1553B總線、RS422串口、AD采集均使用常用芯片，端口地址輸出為常見操作，對應(yīng)構(gòu)件可復(fù)用，看門狗接口使用硬件電路設(shè)計，未采用常見芯片，因此看門狗接口構(gòu)件需新研;測試腳本解釋構(gòu)件中腳本翻譯構(gòu)件為通用構(gòu)件，測試驅(qū)動構(gòu)件需考慮軟件輸入和測試方法新研;測試結(jié)果分析構(gòu)件中數(shù)據(jù)收集構(gòu)件、文件記錄構(gòu)件均為通用構(gòu)件，通過1553B總線及RS422串口收集的數(shù)據(jù)均為直通型數(shù)據(jù)，可復(fù)用直通型數(shù)據(jù)比對構(gòu)件，通過端口地址收集的離散指令格式特殊，需新研離散指令比對構(gòu)件;性能及覆蓋率統(tǒng)計構(gòu)件為通用構(gòu)件，可復(fù)用.該軟件測試平臺構(gòu)件組成如圖6所示.

該仿真測試平臺復(fù)用構(gòu)件代碼量占總代碼量的90%以上，平臺搭建時間縮短85%.

4 結(jié)束語

本文研究了航天軟件仿真測試平臺構(gòu)件化開發(fā)方法，對仿真測試平臺進(jìn)行構(gòu)件化分解，舉例說明了構(gòu)件的設(shè)計方法，并經(jīng)過實例證明仿真測試平臺構(gòu)件化開發(fā)方法可加強(qiáng)平臺復(fù)用性，大幅提高平臺開發(fā)效率.

圖6 接口軟件測試平臺構(gòu)件組成圖Fig.6 Architecture of the SDIU-testing-platform component

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Com ponent Technology for Em bedded Software Sim ulation Testing Platform

YU Qian，CHANG Jiang
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

Software testing occupies a very important position in space embedded software development process，and the all-digital simulation testing platform is considered as an effective method for software testing.This paper studies hiberarchy component decomposition and design for simulation testing p latform，and component-based developmentmethod for space software simulation testing platform.Finally，an app lication example is given to verify these methods.

software component;simulation testing platform;software test

TP311

A

1674-1579(2012)05-0038-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.05.007

于 倩(1982—)，女，工程師，研究方向為軟件測試;常 江(1979—)，男，工程師，研究方向為軟件測試.

2012-03-14