單片機(jī)軟件中斷測(cè)試技術(shù)研究

代曉倩++尤志堅(jiān)

摘要：該文探討了單片機(jī)軟件測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)中斷測(cè)試技術(shù)，并根據(jù)自己的測(cè)試實(shí)踐討論了型號(hào)項(xiàng)目軟件測(cè)試中出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：軟件測(cè)試；中斷測(cè)試；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0195-02

Research of interrupt testing technology of Single Chip Microcomputer

Dai Xiao-qian，You Zhi-jian

（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute， Shanghai 201109， China）

Abstract： This paper discusses the important technology about interrupt testing of Single Chip Microcomputer software， according to the authors testing practice it discuss some issues derived from the software testing of a type of project.

Key words： software testing； Interrupt testing； Single Chip Microcomputer

單片機(jī)因其高可靠性已被廣泛應(yīng)用于航天系統(tǒng)中，因此單片機(jī)軟件的可靠性也成為影響這些系統(tǒng)的非常關(guān)鍵的因素。由于中斷技術(shù)在軟件實(shí)時(shí)響應(yīng)、多任務(wù)處理和突發(fā)事件響應(yīng)中的優(yōu)勢(shì)，使得它在航天型號(hào)軟件中不可或缺。但是中斷程序執(zhí)行的隨機(jī)性，使得中斷所帶來的問題具有偶發(fā)性和隱蔽性，在軟件測(cè)試中通常很難被發(fā)現(xiàn)，這給軟件測(cè)試帶來了很大的困難。

因此，本文結(jié)合航天軟件測(cè)評(píng)工作的特點(diǎn)，將單片機(jī)軟件中斷測(cè)試細(xì)化到以下測(cè)試類型包括代碼審查、性能測(cè)試、余量測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試中，力求中斷測(cè)試更充分有效，更多發(fā)現(xiàn)問題。

1 代碼審查

在實(shí)際應(yīng)用中，由于中斷和硬件、環(huán)境、以及應(yīng)用密切相關(guān)，復(fù)雜性高，不可能進(jìn)行充分的測(cè)試，所以必須在進(jìn)行中斷測(cè)試之前做好比較完備的中斷代碼審查及分析，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些必要的測(cè)試。以單片機(jī)軟件為例，做好中斷的代碼審查工作，除了編碼的正確性需要得到保證之外，還需要著重對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行審查。

1.1 未使用中斷向量是否處理

對(duì)未用中斷的中斷向量進(jìn)行處理，避免觸發(fā)未用中斷或者跳到未用中斷的中斷向量區(qū)而帶來的未知影響。處理方法可以采用跳轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的陷阱處理程序等。

1.2 軟件復(fù)位是否進(jìn)行兩次中斷返回

MSC-51單片機(jī)有兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，如果軟件在二級(jí)中斷嵌套時(shí)走飛，隨后由軟件陷阱轉(zhuǎn)入初始化程序時(shí)，則當(dāng)前中斷服務(wù)狀態(tài)標(biāo)志有2個(gè)，需要進(jìn)行2次RETI操作來清除中斷服務(wù)狀態(tài)標(biāo)志，否則，軟件無法響應(yīng)中斷請(qǐng)求。代碼實(shí)現(xiàn)如下：

1.3 檢查是否存在函數(shù)重入

Keil c51默認(rèn)環(huán)境下，函數(shù)如果不做特殊處理是不可重入的。如果函數(shù)調(diào)用有重入，會(huì)產(chǎn)生不同模塊間變量相互覆蓋的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于無法避免重入函數(shù)的情況，設(shè)計(jì)師可編寫兩個(gè)語(yǔ)句相同名稱不同的子函數(shù)分別供主程序和中斷服務(wù)程序調(diào)用。

1.4 檢查變量類型是否合理

在單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程中，對(duì)于在主程序和中斷（或在不同優(yōu)先級(jí)的中斷）中同時(shí)用到的公共變量應(yīng)盡量定義為單字節(jié)變量如unsigned char型。下文描述了一個(gè)錯(cuò)誤的案例，代碼如下圖。

其中Int0為低優(yōu)先級(jí)中斷，Int1為高優(yōu)先級(jí)中斷。變量Cnt定義為16位unsigned int型，

在單片機(jī)中分高低字節(jié)存儲(chǔ)。Int0中斷服務(wù)子程序中Cnt加1（C語(yǔ)言描述為Cnt++）對(duì)應(yīng)的匯編代碼及解釋如下：

其中“Cnt+01H”和“Cnt”分別表示存放Cnt變量的低字節(jié)和高字節(jié)數(shù)據(jù)地址。從上述匯編代碼分析可知，當(dāng)Int0中斷服務(wù)子程序執(zhí)行完第一句后執(zhí)行第二句前，此時(shí)被高優(yōu)先級(jí)的Int1中斷打斷，而后在Int1中斷服務(wù)子程序中又將Cnt的高低字節(jié)均清為0，因此導(dǎo)致Int1中斷處理結(jié)束后，程序回到Int0中斷服務(wù)子程序執(zhí)行上面第二句代碼時(shí)，誤以為是Cnt低字節(jié)加1溢出（0xff+1），因此將Cnt高字節(jié)加1（變?yōu)?x0100），進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)大于200條件判斷成立，即錯(cuò)誤執(zhí)行語(yǔ)句“Bus1553B= ERR；”從而導(dǎo)致軟件復(fù)位1553B總線芯片。

1.5 中斷資源沖突檢查

中斷程序可以在任何時(shí)刻運(yùn)行，如某一資源同時(shí)為兩個(gè)以上的中斷程序或中斷程序和主程序所使用，這時(shí)相互之間就可能發(fā)生資源沖突。當(dāng)軟件中斷程序很長(zhǎng)變量較多，并且比較復(fù)雜的情況下，中斷資源沖突檢查的難度也將大大增加。怎樣才能做好中斷資源沖突檢查呢？目前，中斷資源沖突檢查主要還是采用人工分析方法，首先列出主程序和中斷程序中使用的公共資源，包括括寄存器、變量、緩沖區(qū)、IO端口等等，并明確這些資源在函數(shù)中的訪問特性，包括只讀、只寫、讀寫特性；接著對(duì)上述資源逐一分析，一般情況下，當(dāng)公共資源在中斷函數(shù)中為只讀狀態(tài)，不會(huì)與主程序使用該資源產(chǎn)生沖突；而當(dāng)公共資源在中斷函數(shù)中為讀寫或者只寫狀態(tài)時(shí)，就要注意資源使用沖突問題了。

做好中斷資源沖突檢查，測(cè)評(píng)人員不光要做到對(duì)中斷程序心中有數(shù)，還要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行十分清楚，這需要在工程實(shí)踐中慢慢積累經(jīng)驗(yàn)。

2 性能測(cè)試

與中斷服務(wù)程序有關(guān)的性能好壞往往與軟件質(zhì)量有著密切的聯(lián)系。通?？蓮囊韵聨追矫嫒胧郑?/p>

2.1 測(cè)試定時(shí)中斷執(zhí)行周期

主要測(cè)試定時(shí)中斷周期設(shè)置是否合理，在被高優(yōu)先級(jí)中斷推遲執(zhí)行的情況下，執(zhí)行周期是否滿足要求。

例如，若定時(shí)中斷程序每0.5ms執(zhí)行一次，且用來輸出某周期性控制信號(hào)，而此周期信號(hào)的頻率又被下級(jí)軟件采集使用，則當(dāng)軟件中存在另一高優(yōu)先級(jí)中斷執(zhí)行將定時(shí)中斷推遲執(zhí)行后，會(huì)直接影響某周期信號(hào)的輸出，進(jìn)而對(duì)下級(jí)軟件的執(zhí)行產(chǎn)生影響。

2.2 測(cè)試中斷服務(wù)程序最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間

通常中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理要盡量放在主程序中進(jìn)行。在中斷服務(wù)程序中應(yīng)避免出現(xiàn)延時(shí)等待的語(yǔ)句。發(fā)生嵌套時(shí)高優(yōu)先級(jí)的中斷處理完畢后低優(yōu)先級(jí)的中斷應(yīng)還有足夠的時(shí)間繼續(xù)處理。

測(cè)試的方法主要是利用性能測(cè)試的手段，得到高優(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)中斷的最長(zhǎng)處理時(shí)間，當(dāng)中斷嵌套產(chǎn)生時(shí)，高優(yōu)先級(jí)中斷最長(zhǎng)處理時(shí)間加上低優(yōu)先級(jí)中斷最長(zhǎng)處理時(shí)間應(yīng)小于低優(yōu)先級(jí)中斷的產(chǎn)生周期。

2.3 分析中斷執(zhí)行時(shí)間對(duì)主循環(huán)的影響

主循環(huán)最大執(zhí)行時(shí)間要考慮主循環(huán)被中斷打斷后的最大執(zhí)行時(shí)間，并確認(rèn)主循環(huán)最大執(zhí)行時(shí)間是否仍然滿足要求。

3 余量測(cè)試

中斷的余量測(cè)試主要測(cè)試以下兩點(diǎn)：

1） 中斷執(zhí)行時(shí)間的余量，一般針對(duì)有周期性時(shí)間要求的中斷進(jìn)行，測(cè)試的方法主要是利用性能測(cè)試的手段，得到中斷的最長(zhǎng)處理時(shí)間，中斷處理時(shí)間一般要求留有20%的余量，即中斷最長(zhǎng)處理時(shí)間不應(yīng)超過中斷周期時(shí)間的80%。

2） 堆棧使用余量

函數(shù)/子程序嵌套、中斷嵌套以及函數(shù)和中斷之間的嵌套運(yùn)行都要占用堆?？臻g，而堆棧空間的不足會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)知的后果。所以軟件中斷內(nèi)代碼不能太多，涉及變量也不要太多，否則可能會(huì)導(dǎo)致比較大的堆棧需要，甚至導(dǎo)致堆棧溢出。

堆棧使用情況的測(cè)試通常是先采用人工分析方法找出程序的最大調(diào)用深度即最長(zhǎng)執(zhí)行路徑，然后在仿真環(huán)境中運(yùn)行程序，記錄SP指針的初始值，然后沿最大調(diào)用深度執(zhí)行程序記錄SP指針的最大值，最后計(jì)算堆?？臻g余量?？紤]系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展的需要，堆棧使用余量要大于20%。

4 強(qiáng)度測(cè)試

中斷的強(qiáng)度測(cè)試就是測(cè)試中斷產(chǎn)生的頻率達(dá)到什么情況時(shí)軟件無法正常處理；一般都是對(duì)通訊類的中斷進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試的方法是逐漸縮短中斷產(chǎn)生的時(shí)間間隔直到軟件無法正常響應(yīng)，得到軟件中斷處理的強(qiáng)度。另外值得注意的是當(dāng)縮短中斷產(chǎn)生的時(shí)間間隔后，適當(dāng)延長(zhǎng)軟件測(cè)試時(shí)間，往往可以加速暴露一些資源使用沖突問題，因此在進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，在考慮增加頻率的情況下應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)軟件測(cè)試時(shí)間，使軟件問題充分暴露。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從四大測(cè)試類型即代碼審查、性能測(cè)試、余量測(cè)試、強(qiáng)度測(cè)試出發(fā)，全面總結(jié)了單片機(jī)軟件中斷測(cè)試技術(shù)。其中中斷代碼審查技術(shù)是重點(diǎn)也是基礎(chǔ)，性能、余量、強(qiáng)度測(cè)試是深入化的測(cè)試，測(cè)試人員需靈活運(yùn)用上述測(cè)試技術(shù)，才能較好的發(fā)現(xiàn)中斷程序的問題，提高軟件質(zhì)量。

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