國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

甘興龍 楊英豪

摘要：在信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新的大背景下，對(duì)自主、安全、穩(wěn)定提出更高要求，操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件和應(yīng)用正常運(yùn)行的必備基礎(chǔ)條件，其穩(wěn)定性與上下游軟硬件可靠性正相關(guān)。操作系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在有異常輸入或壓力條件下，系統(tǒng)能夠繼續(xù)正確運(yùn)行的程度，即當(dāng)其上運(yùn)行的應(yīng)用、硬件層或設(shè)備驅(qū)動(dòng)器錯(cuò)誤時(shí)，操作系統(tǒng)拒絕或反應(yīng)能力的指標(biāo)。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)大多沿用Linux技術(shù)體系及成果，Linux作為宏內(nèi)核的典型代表，除最基本的進(jìn)程管理、線程管理、內(nèi)存管理外，文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等均在內(nèi)核模塊，優(yōu)點(diǎn)是效率高，缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，通過(guò)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)而提升其穩(wěn)定性是信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新的重要工作。

關(guān)鍵詞：國(guó)產(chǎn);操作系統(tǒng)穩(wěn)定性;測(cè)試系統(tǒng);設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

智能卡又稱為IC卡，根據(jù)不同的集成電路可以分為存儲(chǔ)器卡、邏輯加密卡、CPU卡和射頻卡。由于CPU卡中集成了微處理器、存儲(chǔ)單元以及芯片操作系統(tǒng)COS（ChipOperatingSystem），從而構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CPU卡的操作系統(tǒng)COS是芯片實(shí)現(xiàn)主要應(yīng)用功能最為重要的部分，它是安全芯片中數(shù)據(jù)，文件、密鑰等重要信息進(jìn)行安全存儲(chǔ)、訪問(wèn)的關(guān)鍵。而芯片中實(shí)際功能的應(yīng)用必須依靠COS功能的正常實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)于COS功能的正確實(shí)現(xiàn)與否必須有其針對(duì)性的測(cè)試，以保證產(chǎn)品的正常高效的使用。

1穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)主要采用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，具備平臺(tái)可移植性;各測(cè)試腳本具有配置界面，便于在不同的條件下對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試;各指標(biāo)的穩(wěn)定性通過(guò)變異系數(shù)計(jì)算求得，該系數(shù)廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中，本系統(tǒng)將該系數(shù)移植到國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估中，具有一定的含義;為了綜合不同的指標(biāo)，采用熵值法對(duì)不同指標(biāo)分配權(quán)重，更加客觀。在功能實(shí)現(xiàn)方面，操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試工具支持以下功能：（1）測(cè)試參數(shù)配置，對(duì)于單獨(dú)模塊的測(cè)試，可通過(guò)修改測(cè)試參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)自定義測(cè)試，配置項(xiàng)和具體使用到的測(cè)試工具相關(guān)。（2）穩(wěn)定性分析，通過(guò)調(diào)用第三方內(nèi)存測(cè)試工具，得到一系列的測(cè)試數(shù)據(jù)用于穩(wěn)定性分析，當(dāng)有多個(gè)指標(biāo)時(shí)，采用熵值法進(jìn)行綜合評(píng)估。（3）記錄歷史測(cè)試結(jié)果，當(dāng)測(cè)試完成時(shí)，會(huì)將本次測(cè)試的一些重要信息記錄在文件中，可用于對(duì)比分析。（4）選擇測(cè)試模塊，綜合測(cè)試模塊中包含各個(gè)模塊的測(cè)試，用戶可根據(jù)需要選擇不同的測(cè)試組合進(jìn)行綜合測(cè)試。（5）上傳文件，選擇上傳待分析的測(cè)試數(shù)據(jù)，一般為文本文件。（6）穩(wěn)定性分析，首先會(huì)對(duì)上傳的文件做校驗(yàn)，檢查其文件內(nèi)容格式是否正確，再對(duì)文件內(nèi)容做進(jìn)一步分析，得到各指標(biāo)值。（7）支持測(cè)試結(jié)果的持久化保存及管理。

2國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)介紹

2.1開源軟件測(cè)試工具

（1）數(shù)量大：僅在opensourcetesting.org網(wǎng)站上統(tǒng)計(jì)的開源軟件測(cè)試工具就有超過(guò)360種，其中面向Java程序的單元測(cè)試開源軟件工具就有70多種。（2）目標(biāo)單一：開源軟件測(cè)試工具往往是面向一個(gè)非常具體的領(lǐng)域，而不像商業(yè)軟件測(cè)試工具會(huì)將各種功能模塊集成起來(lái)，解決各個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題。例如，每種開源的軟件單元測(cè)試工具往往只能支持一種開發(fā)語(yǔ)言。（3）運(yùn)行需求各異：不同的開源軟件測(cè)試工具有不同的運(yùn)行需求，包括不同的操作系統(tǒng)版本、不同的腳本語(yǔ)言版本（如不同版本的waitr需要先安裝不同版本的Ruby）。（4）用戶使用不便：很多開源軟件測(cè)試工具都缺乏良好的用戶使用界面，也缺乏穩(wěn)定的維護(hù)團(tuán)隊(duì)。這些特點(diǎn)決定了將開源測(cè)試工具整合起來(lái)并不容易。在后面的討論中，我們按照單元測(cè)試、功能測(cè)試、性能測(cè)試的順序推薦了一些較為成熟、使用較為廣泛的開源軟件測(cè)試工具。要說(shuō)明的是，考慮到廣泛使用的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)一般都是基于Linux或類似產(chǎn)品開發(fā)的，本文中只討論能基于Linux使用的開源測(cè)試工具。同時(shí)考慮到目前國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)上較常使用的開發(fā)環(huán)境，本文中重點(diǎn)討論針對(duì)Java、C和C++的開源測(cè)試工具。

2.2COS基礎(chǔ)測(cè)試

COS基礎(chǔ)測(cè)試雖然無(wú)法覆蓋COS的全部命令與功能，但是對(duì)COS的基礎(chǔ)功能進(jìn)行了較為細(xì)致、全面的檢測(cè)。在當(dāng)前情況下，COS的測(cè)試都是由應(yīng)用方或應(yīng)用行業(yè)進(jìn)行測(cè)試，其著重點(diǎn)主要在于功能實(shí)現(xiàn)，即指令集的功能正常。少數(shù)安全性要求較高的行業(yè)會(huì)涉及參數(shù)測(cè)試，但是對(duì)于COS的錯(cuò)誤代碼機(jī)制，是否留有隱藏文件/隱藏指令方面關(guān)注較為匱乏。COS中的錯(cuò)誤代碼是卡片當(dāng)前狀態(tài)的重要參考，而隱藏文件與隱藏指令則會(huì)為將來(lái)的行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)使用安全、功能穩(wěn)定性等多種類的風(fēng)險(xiǎn)。因此，COS基礎(chǔ)測(cè)試可以為COS的研發(fā)提供質(zhì)量參考，促進(jìn)卡片COS質(zhì)量提升。

2.3LPDDR4芯片測(cè)試

集成電路產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、推動(dòng)信息化和工業(yè)化深度融合的核心與基礎(chǔ)，是調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、保障國(guó)家信息安全的重要支撐。發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的內(nèi)部動(dòng)力，同時(shí)也是市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的外部壓力，已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。近幾年，隨著社交網(wǎng)絡(luò)的普及和推廣，使得智能手機(jī)迎來(lái)了爆發(fā)式發(fā)展，游戲、照片、視頻等各種應(yīng)用需要更大容量的存儲(chǔ)器和更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。LPDDR4（第4代低功耗雙倍數(shù)據(jù)速率動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）芯片以其高頻率、高帶寬、低功耗等特點(diǎn)在智能手機(jī)領(lǐng)域被大量使用。因此，設(shè)計(jì)一種能夠在各種SoC系統(tǒng)上對(duì)LPDDR4芯片進(jìn)行各種邊界條件下功能性能測(cè)試的軟硬件系統(tǒng)就變得愈發(fā)重要。LPDDR4具有小體積和低功耗的特點(diǎn)，通常應(yīng)用于移動(dòng)終端。LPDDR4的通信協(xié)議是在2014年8月發(fā)布的，基本構(gòu)架從單通道設(shè)計(jì)改進(jìn)為雙通道的設(shè)計(jì)，減小了芯片內(nèi)部的走線距離，通過(guò)并行操作提高了運(yùn)行速率。工作電壓降低為1.1V，工作頻率最高可提升到2133MHz（數(shù)據(jù)速率為4266Mb/s），帶寬為L(zhǎng)PDDR3的兩倍。在提升速度和帶寬的同時(shí)，減少了電量的消耗，ECC技術(shù)也是在LPDDR4中引入的。通常情況下，在系統(tǒng)端對(duì)LPDDR4芯片進(jìn)行測(cè)試時(shí)改變的條件有溫度和供電電壓。溫度調(diào)節(jié)通過(guò)高低溫試驗(yàn)箱來(lái)實(shí)現(xiàn)，測(cè)試的溫度范圍是-10℃至+55℃或者-40℃至+85℃，這取決于LPDDR4芯片的溫度等級(jí)以及客戶的要求。電壓調(diào)節(jié)是本文的重點(diǎn)，調(diào)節(jié)范圍通常是正常供電電壓上下浮動(dòng)5%。因此，針對(duì)LPDDR4芯片在系統(tǒng)上的邊界測(cè)試就分為高溫高壓、高溫低壓、低溫高壓和低溫低壓4種。常用的內(nèi)存測(cè)試軟件有Memtester、Rebooter、3DMark等，另外，還可以使用內(nèi)存眼圖工具在各種邊界條件下測(cè)試LPDDR4芯片的眼圖裕度。

2.4安全芯片測(cè)試

安全芯片操作系統(tǒng)測(cè)試裝置由Python語(yǔ)言構(gòu)建，主要包括PCSC通信接口層、算法庫(kù)接口層、功能指令接口層、基本算法接口層、腳本編寫和執(zhí)行層。 PSC通信接口層用于實(shí)現(xiàn)與作為測(cè)量對(duì)象的安全芯片的通信。 算法接口層主要用于封裝適用于作為測(cè)量對(duì)象的安全芯片的多種安全算法的接口。 功能接口層主要用于封裝作為測(cè)量對(duì)象的安全芯片的操作系統(tǒng)內(nèi)的功能指令。 基本的算法接口層主要用于二次組合和封裝所述算法庫(kù)接口層的接口，同時(shí)添加運(yùn)算函數(shù)。 腳本編寫和執(zhí)行層用于存儲(chǔ)、執(zhí)行和修改測(cè)試腳本，以便一鍵切換階段。 腳本編寫執(zhí)行層通過(guò)組合調(diào)用PCSC通信接口層、算法庫(kù)接口層、功能指令接口層和基本算法接口層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量對(duì)象的安全芯片的測(cè)試 該安全芯片OS測(cè)試裝置通過(guò)采用Python語(yǔ)言，與其他程序語(yǔ)言相比，具有語(yǔ)法簡(jiǎn)單、可讀性高、用較少的代碼完成復(fù)雜的功能，節(jié)約腳本的開發(fā)時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。 整個(gè)Python框架的構(gòu)建使得結(jié)構(gòu)更加清晰，各層界面維護(hù)更加清晰的功能更加通用，在構(gòu)建過(guò)程中，以基礎(chǔ)功能結(jié)構(gòu)為前提，留下了后期進(jìn)一步開發(fā)的空間，應(yīng)用更加廣泛的PC系統(tǒng)的無(wú)狀態(tài)。 腳本的執(zhí)行速度也將提高。通過(guò)利用強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)支持和開源第三方算法庫(kù)，您可以完成并處理各種任務(wù)，如設(shè)計(jì)GUI、生成文檔等。

3國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)

3.1錯(cuò)誤代碼檢測(cè)

錯(cuò)誤代碼檢測(cè)是與指令功能相對(duì)的，用于驗(yàn)證COS是否對(duì)指令進(jìn)行了辨別，對(duì)文件進(jìn)行了區(qū)分。相對(duì)于成功執(zhí)行指令的場(chǎng)景，錯(cuò)誤代碼從IC卡的返回狀態(tài)字SW出發(fā)，測(cè)試不應(yīng)成功執(zhí)行指令的場(chǎng)景中，指令是否如預(yù)期一樣執(zhí)行失敗，并且返回的SW是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如：使用SELECT命令選擇不存在的文件，IC卡應(yīng)返回6A82;UPDATERECORD，UPDATEBINARY中發(fā)送數(shù)據(jù)域超出文件的長(zhǎng)度，應(yīng)返回6A84;READRECORD，READBINARY所讀文件與指令類型不符應(yīng)返回6981;在無(wú)響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送GETRESPONSE命令應(yīng)返回6900;VERIFYPIN認(rèn)證失敗時(shí)需要返回63CX等。錯(cuò)誤代碼檢測(cè)從每條指令的錯(cuò)誤代碼設(shè)計(jì)出發(fā)，驗(yàn)證IC卡的指令是否按照所聲明設(shè)計(jì)。在當(dāng)前文件結(jié)構(gòu)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)指令的錯(cuò)誤代碼時(shí)，如SW=6A81（不支持此功能），可以考慮構(gòu)建符合此錯(cuò)誤代碼場(chǎng)景的測(cè)試EF，以進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試，驗(yàn)證卡片COS指令功能。

3.2對(duì)目標(biāo)和當(dāng)前操作系統(tǒng)進(jìn)行依賴要素比對(duì)

構(gòu)建好庫(kù)函數(shù)模型后'依據(jù)分級(jí)好的操作系統(tǒng)兼容性依賴要素'以庫(kù)函數(shù)為單位對(duì)目標(biāo)和當(dāng)前操作系統(tǒng)進(jìn)行依賴要素比對(duì)（比對(duì)之前需要確認(rèn)在目標(biāo)操作系統(tǒng)中是否可以找到當(dāng)前操作系統(tǒng)提供的庫(kù)文件'在找不到庫(kù)文件的情況下'認(rèn)為目標(biāo)操作系統(tǒng)缺少需要的庫(kù)文件'不能兼容于當(dāng)前操作系統(tǒng)（在找到所有的庫(kù)文件后'按照依賴要素分級(jí)'分別對(duì)當(dāng)前操作系統(tǒng)以及目標(biāo)操作系統(tǒng)中每一個(gè)庫(kù)文件94Mb4段%庫(kù)文件下庫(kù)函數(shù)的94Mb4段%庫(kù)函數(shù)簽名的94Mb4段進(jìn)行逐級(jí)比對(duì)'如果比對(duì)過(guò)程中有庫(kù)文件的94Mb4段一致'則認(rèn)為該庫(kù)文件下的所有庫(kù)函數(shù)未進(jìn)行修改'可以判定該庫(kù)文件下的所有依賴要素未影響操作系統(tǒng)的兼容性#如果庫(kù)文件的94Mb4段不一致'則需要對(duì)該庫(kù)文件下的所有庫(kù)函數(shù)進(jìn)行之后的兩個(gè)94Mb4段的比對(duì)'若比對(duì)過(guò)程中某一級(jí)的94Mb4段一致'則認(rèn)為庫(kù)函數(shù)未進(jìn)行對(duì)操作系統(tǒng)兼容性有影響的修改'判斷該庫(kù)函數(shù)的修改未影響操作系統(tǒng)兼容性（如果所有庫(kù)函數(shù)的修改都被判定為未影響操作系統(tǒng)兼容性'則認(rèn)為操作系統(tǒng)的修改沒(méi)有影響到程序的運(yùn)行'目標(biāo)操作系統(tǒng)兼容于當(dāng)前操作系統(tǒng)#若對(duì)某個(gè)庫(kù)函數(shù)的比對(duì)過(guò)程中每一級(jí)依賴要素的比對(duì)結(jié)果都不一致'則認(rèn)為該庫(kù)函數(shù)的修改影響了程序的調(diào)用'對(duì)該庫(kù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用的應(yīng)用程序無(wú)法在目標(biāo)操作系統(tǒng)上正確運(yùn)行'目標(biāo)操作系統(tǒng)不能兼容于當(dāng)前操作系統(tǒng)。

3.3性能測(cè)試

性能測(cè)試使用測(cè)試工具模擬各種正常、高峰和異常的負(fù)載條件，并測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。 負(fù)荷測(cè)試和壓力測(cè)試都是性能測(cè)試。 JMeter是Apache開發(fā)的基于Java的性能測(cè)試工具，測(cè)試靜態(tài)文件、Java小程序、CGI腳本、Java對(duì)象、數(shù)據(jù)庫(kù)和FTP服務(wù)器等靜態(tài)資源和動(dòng)態(tài)資源 可以模擬負(fù)載，在不同的壓力下測(cè)試服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)或?qū)ο蟮膹?qiáng)度，并分析其整體性能。 DBMonster是一種性能測(cè)試工具，通過(guò)生成隨機(jī)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。 DBMonster是一個(gè)Java開源項(xiàng)目，可以通過(guò)JDBC方法連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，并在支持Java和JDBC的任何平臺(tái)上運(yùn)行。 DBMonster的目的是為數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)人員提供服務(wù)，可以幫助數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)人員生成大量規(guī)則和不規(guī)則的數(shù)據(jù)，從而方便數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)人員根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)整。 DBMonster控制為表示要連接的數(shù)據(jù)庫(kù)、用于連接的用戶名和密碼、需要操作的模式、重試次數(shù)等全局設(shè)置的兩個(gè)XML文件，以及為每個(gè)數(shù)據(jù)表中的每個(gè)字段生成數(shù)據(jù)的規(guī)則。

結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)并現(xiàn)了一套綜合測(cè)試系統(tǒng)，可對(duì)適配不同廠商的操作系統(tǒng)，具備良好的通用性，界面操作簡(jiǎn)便，極大地提高了測(cè)試效率，無(wú)需測(cè)試人員編寫測(cè)試腳本，降低了測(cè)試難度，彌補(bǔ)了對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試區(qū)域的空白，為對(duì)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)一步測(cè)試研究打下了基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：甘興龍，1979.2 男，漢族，籍貫湖南龍山，研究生，主要研究方向IT專業(yè)技術(shù)研究和項(xiàng)目管理工作;楊英豪，1995.6 男，漢族，籍貫浙江省舟山市，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向信息化工作