導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

秦振漢，郭雙紅

(航天科工慣性技術(shù)有限公司，北京 100074)

0 引言

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件是一種部署在不同類型的測試設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)對不同型號導(dǎo)航計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的測試，以確定被測產(chǎn)品是否為滿足功能和性能指標(biāo)的應(yīng)用軟件。在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件的開發(fā)中，面臨著以下問題：

1)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)作為被測產(chǎn)品，雖然種類有限，但型號繁多。每一類導(dǎo)航計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，雖然功能上相近，但在個(gè)體上都存在差異。反映在測試軟件上，在測試方法、測試流程、數(shù)據(jù)處理、測試激勵(lì)與響應(yīng)等方面有很多都是相同或相似的, 但是由于受到軟件開發(fā)方法、開發(fā)人員和開發(fā)運(yùn)行環(huán)境的限制，這些軟件的重用性很低。每當(dāng)有新的軟件需求時(shí)，都要對現(xiàn)有程序進(jìn)行修改和完善，這不僅浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力, 同時(shí)測試軟件的質(zhì)量也很難得到保證。

2)一種測試設(shè)備，通常解決一種或幾種產(chǎn)品的測試，無法兼容全部型號，由此逐漸衍生出針對不同類型產(chǎn)品的多型測試設(shè)備。這些測試設(shè)備受制于開發(fā)時(shí)間、成本和需求等因素，在硬件構(gòu)成上采用了很多的專用測試儀器，有些儀器或板卡是為滿足測試要求而定制開發(fā)的。當(dāng)測試設(shè)備變更、升級或板卡替換時(shí)，測試程序都會(huì)受到影響，甚至重新開發(fā)。

出現(xiàn)這些問題的原因主要是，在測試軟件開發(fā)初期缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，每個(gè)軟件只是針對單臺測試設(shè)備，滿足對某種型號產(chǎn)品的測試需要。這些軟件本質(zhì)上都是獨(dú)立開發(fā)和維護(hù)的，即使存在復(fù)用，也主要體現(xiàn)在代碼層面和模塊層面。隨著測試設(shè)備和被測產(chǎn)品的種類、型號的增加，測試軟件的數(shù)量越來越多，給后期的修改、完善和功能擴(kuò)展帶來了巨大的困難。

對于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件的開發(fā)而言，一個(gè)清晰明確的軟件架構(gòu)是解決這些問題的關(guān)鍵，能夠?yàn)闇y試軟件的開發(fā)提供一個(gè)完整而統(tǒng)一的技術(shù)途徑。軟件架構(gòu)最近才作為軟件工程的一個(gè)獨(dú)立研究領(lǐng)域出現(xiàn)，它對于軟件開發(fā)的重要性和指導(dǎo)意義已經(jīng)得到了廣泛的共識，但目前對于軟件架構(gòu)這一概念還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。相關(guān)的研究人員、組織和機(jī)構(gòu)分別從不同的角度，給出了不同的概念說明，在參考文獻(xiàn)[1-3]中做了較為詳細(xì)的闡述。拋開這些概念本身的差異，從測試軟件開發(fā)的實(shí)用角度出發(fā)，軟件架構(gòu)是對整個(gè)軟件系統(tǒng)的高層抽象，描述了該系統(tǒng)內(nèi)部的組件以及組件間的相互作用，反映了系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策的基本原理。

本文提出了一種基于組件的測試軟件架構(gòu)，其出發(fā)點(diǎn)不是某個(gè)單獨(dú)的軟件項(xiàng)目，而是針對導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試這一特定領(lǐng)域，以解決不同被測產(chǎn)品、在不同測試設(shè)備上的軟件開發(fā)問題。通過軟件復(fù)用方式，減少重復(fù)開發(fā)，提高了軟件質(zhì)量；同時(shí)，該架構(gòu)提供了良好的可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)后續(xù)不斷增加和變化的軟件需求，滿足了研發(fā)和生產(chǎn)過程中測試軟件快速開發(fā)的需要。

1 測試軟件的基本設(shè)計(jì)思路

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件采用了組件化開發(fā)方法。組件技術(shù)從根本上改變了軟件的開發(fā)方式，可以通過對組件的組裝，形成新的軟件[4-5]，從而縮短了軟件的開發(fā)周期，并提高了軟件的開發(fā)質(zhì)量。組件技術(shù)的核心是組件模型。目前比較常用的組件模型主要包括CORBA、JavaBean以及COM/ActiveX、 .Net等。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件一般運(yùn)行于Win-dows操作系統(tǒng)中，綜合考慮軟硬件資源、開發(fā)習(xí)慣、后期維護(hù)等多方面因素，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件采用了.Net組件模型。

大量經(jīng)過驗(yàn)證的、功能多樣的組件，是測試軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件開發(fā)中，這些組件按性質(zhì)可以大致劃分為兩類。

第一類為測試軟件開發(fā)和運(yùn)行所必須的基礎(chǔ)組件，例如報(bào)表生成組件、接口定義組件、常用算法、界面控件、數(shù)據(jù)訪問組件、領(lǐng)域模型組件等。該類組件反映的是軟件開發(fā)中的共性內(nèi)容，帶有一般性，與具體的測試業(yè)務(wù)沒有直接相關(guān)性，在測試軟件中可以全局復(fù)用，也是軟件開發(fā)和運(yùn)行的必備要素。

第二類是軟件開發(fā)中帶有特定性質(zhì)的個(gè)性組件。主要包括反映不同類型測試設(shè)備信息的系統(tǒng)交互組件；針對不同型號被測產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)不同功能需求的測試業(yè)務(wù)組件等。該類組件面向特定對象，具有特殊性。在軟件開發(fā)和調(diào)試時(shí)，主要是針對這些元素進(jìn)行修改、完善和補(bǔ)充。

這些組件主要來自對已有的知識和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)。通過將具有復(fù)用價(jià)值的內(nèi)容封裝為獨(dú)立的組件，建立了適用于導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試這一特定領(lǐng)域的組件庫。當(dāng)針對特定的軟件需求進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)時(shí)，可直接復(fù)用已有的基礎(chǔ)，遵循公共的軟件架構(gòu)，將需要的組件裝配在一起，以實(shí)現(xiàn)不同的軟件功能。在這種開發(fā)方式下，不同項(xiàng)目的測試軟件開發(fā)問題，可以轉(zhuǎn)換為依靠統(tǒng)一的軟件架構(gòu)、針對特定需求的組件開發(fā)與組件裝配問題。

在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件開發(fā)中，架構(gòu)設(shè)計(jì)處于核心位置。它規(guī)定了軟件的整體組織結(jié)構(gòu)、內(nèi)部組成元素及功能分工；提供了可納入組件庫的各種組件的接口規(guī)范；預(yù)先定義了測試軟件的開發(fā)流程，指導(dǎo)軟件開發(fā)活動(dòng)。

2 測試軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)是對系統(tǒng)的整體構(gòu)想，詳細(xì)描述了包含的架構(gòu)圖、組件、接口規(guī)范和交互機(jī)制等[6]。與獨(dú)立的測試軟件相比，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)不能只針對某個(gè)特定的軟件項(xiàng)目，而應(yīng)該覆蓋導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試領(lǐng)域內(nèi)的不同的軟件需求；同時(shí)，能夠提供靈活的擴(kuò)展機(jī)制，適應(yīng)多樣化的需求變化。

2.1 分層體系結(jié)構(gòu)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件架構(gòu)采用了常用的分層式架構(gòu)風(fēng)格[7-9]，將體系結(jié)構(gòu)劃分為顯示層、系統(tǒng)交互層、數(shù)據(jù)訪問層和業(yè)務(wù)邏輯層等4層，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件的邏輯架構(gòu)框圖Fig.1 The logic architecture of navigation computer test software

1)顯示層是應(yīng)用程序和用戶的交互界面。該層內(nèi)包含了與具體業(yè)務(wù)無關(guān)的界面組件，并通過組合模式加載在主程序中。主程序以可執(zhí)行程序形式存在，負(fù)責(zé)完成各組件的動(dòng)態(tài)加載和組件間通信等，是所有組件賴以運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2)數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)配置參數(shù)的訪問、修改，測試數(shù)據(jù)、結(jié)果的保存，測試履歷書的生成等。

3)系統(tǒng)交互層負(fù)責(zé)完成測試設(shè)備硬件(包括測試儀器、電氣連接關(guān)系等)的封裝，其主要功能是將軟件的測試業(yè)務(wù)與具體的硬件設(shè)計(jì)分離，提高儀器互換性。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試設(shè)備使用了很多非標(biāo)儀器和板卡，無法使用諸如可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令(Standard Commands for Programmable Instrum-ents，SCPI)、VXI總線即插即用(VXI Plug&Play,VPP)規(guī)范、可互換虛擬儀器 (Interchangeable Virtual Instruments，IVI)標(biāo)準(zhǔn)等儀器互換性技術(shù)和方法。僅以IVI驅(qū)動(dòng)而言，目前只提供了13種儀器類驅(qū)動(dòng)，且只適用于通用儀器[10-11]。但在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試設(shè)備中，大多數(shù)儀器和板卡的驅(qū)動(dòng)程序都不是按照這些標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的。為此，采用了基于功能分解的設(shè)計(jì)方法，忽略具體儀器或板卡的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)[12-14]，通過對測試設(shè)備所需實(shí)現(xiàn)功能的抽象，形成針對該設(shè)備的接口模型。

在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試中，所需的功能項(xiàng)可細(xì)分為基本的儀器操作、產(chǎn)品切換、產(chǎn)品供電等共用類；以及各種通信數(shù)據(jù)收發(fā)、各種脈沖信號的輸出控制、外部的恒流源控制、選通信號控制、振梁信號輸出、DI/DO操作、AD/DA操作等專用類。每種測試設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的功能都是若干個(gè)功能項(xiàng)的組合，區(qū)別集中在功能項(xiàng)的種類和數(shù)量。為此，將帶有共用性質(zhì)的功能項(xiàng)合并為基礎(chǔ)接口，在定義后基本不會(huì)修改；將帶有專用性質(zhì)的功能項(xiàng)合并為專用接口，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)測試需求的不同進(jìn)行修改和完善。例如，在圖1中，X類設(shè)備實(shí)現(xiàn)組件和Y類設(shè)備實(shí)現(xiàn)組件就是根據(jù)不同需求，單獨(dú)開發(fā)的個(gè)性化組件。

4)業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)完成各種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的特定測試功能，包括常用的性能測試功能、在線升級功能、VF標(biāo)定功能和電源監(jiān)測功能等。業(yè)務(wù)邏輯層內(nèi)的組件只關(guān)注各自的業(yè)務(wù)流程與軟件需求，例如，在圖1中，業(yè)務(wù)邏輯層內(nèi)部包含了電源監(jiān)測組件，以及針對A、B兩種型號被測產(chǎn)品的性能測試組件。這些業(yè)務(wù)組件直接反映了某種特定的測試需求，往往需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行定制開發(fā)。在業(yè)務(wù)層定義的組件接口中，包含了測試設(shè)備硬件控制接口、數(shù)據(jù)訪問層控制接口、事件發(fā)送與接收接口等，開發(fā)人員只針對接口編程，不依賴具體實(shí)現(xiàn)，有效降低了組件間的耦合性。

5)組件庫是各種類型組件的集合，其中既包括公共性組件，例如，定義接口規(guī)范、常用工具、算法的基礎(chǔ)組件；管理電子履歷模板、配置文件模板等的模板管理庫等；也包括反映特定測試設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)庫和反映特定業(yè)務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)域模型庫。

2.2 交互方式設(shè)計(jì)

在該架構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了兩種交互方式：1)顯式調(diào)用方式，即上層組件通過接口，調(diào)用臨近下層提供的服務(wù)。例如，業(yè)務(wù)層組件可以通過系統(tǒng)交互層的對外接口，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的直接控制;2)采用事件機(jī)制的發(fā)布-訂閱方式[4,15]。例如，系統(tǒng)交互層組件將采集到的電源數(shù)據(jù)封裝為事件消息，通過事件發(fā)送接口，發(fā)布給業(yè)務(wù)邏輯層的事件訂閱組件；后者通過事件接收接口獲得信息，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理。針對處于同一層次的組件，采用基于事件的轉(zhuǎn)發(fā)方式，即先將交互信息發(fā)送到主程序，再由后者將信息轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)組件中。

通過接口調(diào)用和事件機(jī)制，降低、簡化了各組件的對外依賴性,使軟件可以在不修改、少修改的前提下，快速應(yīng)對業(yè)務(wù)需求的變化。

2.3 組裝方法設(shè)計(jì)

根據(jù)組裝模式的不同，可以分為靜態(tài)組裝和動(dòng)態(tài)組裝。對于測試軟件開發(fā)和運(yùn)行所必須的共性組件，直接通過引用方式，由軟件集成開發(fā)工具完成組裝。但對于各種后續(xù)開發(fā)的、以獨(dú)立的插件形式發(fā)布的個(gè)性化組件，必須使用動(dòng)態(tài)組裝方式。動(dòng)態(tài)組裝的組件信息統(tǒng)一保存在一組配置文件中，該文件采用XML形式，內(nèi)部包括了各種組件的存在目錄、命名空間、類名和加載順序等基本信息。

動(dòng)態(tài)組裝功能由主程序發(fā)起，但具體的執(zhí)行交由各層的類廠組件。類廠組件根據(jù)配置文件的內(nèi)容，使用反射機(jī)制動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類型的實(shí)例。通過這種動(dòng)態(tài)組裝方式，使測試軟件具有良好的擴(kuò)展性，當(dāng)需要增加或修改軟件功能時(shí)，只需要在配置文件中修改或增加該組件的屬性信息。

3 測試軟件的開發(fā)

組件庫提供了測試軟件開發(fā)的基礎(chǔ)材料，軟件架構(gòu)規(guī)定了測試軟件的整體結(jié)構(gòu)，明確了組件的裝配方式和交互方式，但兩者本身并不實(shí)現(xiàn)具體的測試功能。在面向某型號導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的測試需求時(shí)，需要從已有組件庫選擇必須的組件，并開發(fā)針對特定需求的個(gè)性化組件，然后按照預(yù)先定義的開發(fā)流程，將這些組件組裝在一起，形成針對該型號產(chǎn)品的應(yīng)用軟件。

3.1 組件的開發(fā)

在組件庫中，共性組件可以直接復(fù)用，不必重新開發(fā)，因而組件開發(fā)的重點(diǎn)是按照軟件架構(gòu)的規(guī)定，開發(fā)針對特定需求的個(gè)性化組件。在該軟件架構(gòu)中，待開發(fā)的組件集中在業(yè)務(wù)邏輯層和系統(tǒng)交互層內(nèi)。業(yè)務(wù)邏輯層組件和系統(tǒng)交互層組件的組合方式如圖2所示。

圖2 組件關(guān)系示意圖Fig.2 The diagram of component relationship

在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試中，核心的測試業(yè)務(wù)包括測試過程中的電源監(jiān)測、功能和性能指標(biāo)測試、老化測試、產(chǎn)品標(biāo)定測試、監(jiān)控上傳等。這些業(yè)務(wù)組件遵循架構(gòu)中定義的業(yè)務(wù)組件接口，通過事件接口實(shí)現(xiàn)組件間的隱式交互；通過數(shù)據(jù)訪問層對外接口獲取和保存測試數(shù)據(jù)；通過系統(tǒng)交互層基礎(chǔ)接口，實(shí)現(xiàn)與測試設(shè)備硬件的交互。在業(yè)務(wù)層組件開發(fā)時(shí)，這些核心組件一般以大顆粒度的、帶有界面的控件形式存在，以確保每個(gè)組件能夠完整地實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)相對獨(dú)立的業(yè)務(wù)需求。因?yàn)樾枨笙鄬Κ?dú)立，所以修改和新增組件時(shí)，不會(huì)對其他組件產(chǎn)生太大影響。

系統(tǒng)交互層組件必須實(shí)現(xiàn)該層定義的基礎(chǔ)接口和專用接口。在軟件架構(gòu)中，每個(gè)型號的測試設(shè)備，都對應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)交互組件和若干個(gè)電氣連接文件。系統(tǒng)交互組件通過調(diào)用對應(yīng)硬件的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了對各種測試儀器和板卡的控制功能。測試設(shè)備的電氣連接關(guān)系以表格或配置文件的形式單獨(dú)封裝。在配置文件內(nèi)部描述了測試設(shè)備的對外連接端口，以及各連接端口與硬件儀器間的映射關(guān)系。當(dāng)交互層組件建立后，測試軟件根據(jù)這些配置文件，實(shí)現(xiàn)對各硬件儀器和板卡的控制。

以產(chǎn)品切換控制功能為例，在硬件層面，切換控制功能可以采用外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(Peripheral Component Interconnect，PCI)總線形式的專用板卡，也可以采用標(biāo)準(zhǔn)的繼電器儀器。在交互層組件開發(fā)時(shí)，對于前者，使用硬件廠商提供的應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)函數(shù)；對于后者可直接調(diào)用IviSwtch類驅(qū)動(dòng)[16-17]。在交互層組件開發(fā)和調(diào)試完畢后，除非硬件發(fā)生變化，否則該組件和配置文件基本不會(huì)修改。

3.2 測試軟件的快速開發(fā)流程

在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先定義了幾種典型場景下的軟件開發(fā)流程，為軟件開發(fā)人員提供指導(dǎo)，便于后續(xù)的應(yīng)用軟件開發(fā)、修改和完善。

場景1：在全新的測試設(shè)備上，進(jìn)行首個(gè)測試軟件的開發(fā)。開發(fā)人員的工作包括兩點(diǎn)，首先針對軟件架構(gòu)中的系統(tǒng)交互層，抽象出與該設(shè)備功能對應(yīng)的專用接口，開發(fā)系統(tǒng)交互層組件，該組件開發(fā)完畢后可直接復(fù)用；其次，根據(jù)測試產(chǎn)品的測試需求，分解具體的測試業(yè)務(wù)，開發(fā)測試業(yè)務(wù)組件，形成的組件成果可作為后續(xù)其他型號開發(fā)的模板。

場景2：日常的完善性或更正性維護(hù)。從實(shí)際情況看，這些維護(hù)工作基本集中在業(yè)務(wù)邏輯層。在組件進(jìn)行針對性修改后，可直接進(jìn)行替換。

場景3：增加對新增產(chǎn)品的測試支持。一種測試設(shè)備經(jīng)過擴(kuò)展后，可以實(shí)現(xiàn)對新增型號產(chǎn)品的測試。此時(shí)，采用增量化開發(fā)方法，針對新增的需求，開發(fā)特定的業(yè)務(wù)組件，并通過插件方式增加到已有的程序中。在開發(fā)過程中，可直接以現(xiàn)有的業(yè)務(wù)組件為模板，衍生出特定的業(yè)務(wù)組件。

場景4：測試軟件的移植。測試設(shè)備的硬件在升級和改造后，已有的測試軟件可以快速移植，避免了重復(fù)開發(fā)。在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，與硬件相關(guān)的內(nèi)容已經(jīng)統(tǒng)一劃分在系統(tǒng)交互層中，同時(shí)業(yè)務(wù)層組件只和系統(tǒng)交互層對外接口關(guān)聯(lián)，所以在移植前，只需要重新開發(fā)和修改交互層組件，即可直接進(jìn)行替換。

4 結(jié)論

本文以導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試這一特定領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)，設(shè)計(jì)了基于組件的分層式軟件架構(gòu)，為測試軟件開發(fā)提供了統(tǒng)一的解決方案。該方案規(guī)范了軟件開發(fā)的整體流程，避免了測試軟件的分立開發(fā)問題；通過架構(gòu)復(fù)用和組件復(fù)用等方式，使得測試軟件可以在一套基礎(chǔ)平臺下開發(fā)，減少了重復(fù)勞動(dòng)，提高了軟件的開發(fā)質(zhì)量和開發(fā)效率。

目前，該軟件架構(gòu)已經(jīng)在多種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)測試軟件項(xiàng)目中得到應(yīng)用。從使用情況看，在軟件開發(fā)的前期，因?yàn)樾枰罱ㄜ浖恼w架構(gòu)、開發(fā)共性組件、建立配置文件、進(jìn)行軟件的調(diào)試和驗(yàn)證等，工作量較大，占用時(shí)間較長。但是這些基礎(chǔ)工作完畢后，其成果可以直接復(fù)用在后面的所有軟件項(xiàng)目中，并且隨著組件庫的不斷更新、擴(kuò)展和完善，開發(fā)周期大幅縮減；同時(shí)，這些軟件遵循相同的體系結(jié)構(gòu)，軟件間具有很強(qiáng)的延續(xù)性，有效降低了修改、維護(hù)和管理的難度，可以很方便地針對不同需求進(jìn)行功能擴(kuò)展，滿足不同被測產(chǎn)品、在不同測試設(shè)備上的測試軟件開發(fā)需要。