嵌入式測試

嵌入式系統安全性的失效可能會導致災難性的後果，即使是非安全性系統，由於大批量生產也會導致嚴重的經濟損失。這就要求對嵌入式系統，包括嵌入式軟件進行嚴格的測試、確認和驗證。隨着越來越多的領域使用軟件和微處理器控制各種嵌入式設備，對日益複雜的嵌入式軟件進行快速有效的測試愈加顯得重要。

軟件測試的目的是保證軟件滿足需求規格説明。系統失效是系統沒有滿足—個或多個正式需求規範中所要求的需求項。嵌入式軟件有其特殊的失效判定準則，但是，嵌入式軟件測試的目的與非嵌入式軟件是相同的。在嵌入式系統設計中，軟件正越來越多地取代硬件，以降低系統的成本，獲得更大的靈活性，這就需要使用更好的測試方法和工具進行嵌入式和實時軟件的測試。

簡介

一般來説，軟件測試有7個基本階段，即單元或模塊測試、集成測試、外部功能測試、迴歸測試、系統測試、驗收測試、安裝測試。嵌入式軟件測試在4個階段上進行，即模塊測試、集成測試、系統測試、硬件/軟件集成測試。前3個階段適用於任何軟件的測試，硬件/軟件集成測試階段是嵌入式軟件所特有的，目的是驗證嵌入式軟件與其所控制的硬件設備能否正確地交互。

白盒測試與黑盒測試

一般來説，軟件測試有兩種基本的方式，即白盒測試方法與黑盒測試方法，嵌入式軟件測試也不例外。

白盒測試或基本代碼的測試檢查程序的內部設計。根據源代碼的組織結構查找軟件缺陷，一般要求測試人員對軟件的結構和作用有詳細的瞭解，白盒測試與代碼覆蓋率密切相關，可以在白盒測試的同時計算出測試的代碼的覆蓋率，保證測試的充分性。把100%的代碼都測試到幾乎是不可能的， 所以要選擇最重要的代碼進行白盒測試。由於嚴格的安全性和可靠性的要求，嵌入式軟件測試同非嵌入式軟件測試相比，通常要求有更高的代碼覆蓋率。對於嵌入式軟件，白盒測試一般不必在目標硬件上進行，更為實際的方式是在開發環境中通過硬件仿真進行，所以選取的測試工具應該支持在宿主環境中的測試。

黑盒測試在某些情況下也稱為功能測試。這類測試方法根據軟件的用途和外部特徵查找軟件缺陷，不需要了解程序的內部結構。黑盒測試最大的優勢在於不依賴代碼，而是從實際使用的角度進行測試，通過黑盒測試可以發現白盒測試發現不了的問題。因為黑盒測試與需求緊密相關，需求規格説明的質量會直接影響測試的結果，黑盒測試只能限制在需求的範圍內進行。在進行嵌入式軟件黑盒測試時，要把系統的預期用途作為重要依據，根據需求中對負載、定時、性能的要求，判斷軟件是否滿足這些需求規範。為了保證正確地測試，還須要檢驗軟硬件之間的接口。嵌入式軟件黑盒測試的一個重要方面是極限測試。在使用環境中，通常要求嵌入式軟件的失效過程要平穩，所以，黑盒測試不僅要檢查軟件工作過程，也要檢查軟件換效過程。

目標環境測試和宿主環境測試

在嵌入式軟件測試中，常??折衷。基於目標的測試消耗較多的經費和時間，而基於宿主的測試代價較小，但畢竟是在模擬環境中進行的。趨勢是把更多的測試轉移到宿主環境中進行，但是，目標環境的複雜性和獨特性不可能完全模擬。

在兩個環境中可以出現不同的軟件缺陷，重要的是目標環境和宿主環境的測試內容有所選擇。在宿主環境中，可以進行邏輯或界面的測試、以及與硬件無關的測試。在模擬或宿主環境中的測試消耗時間通常相對較少，用調試工具可以更快地完成調試和測試任務。而與定時問題有關的白盒測試、中斷測試、硬件接口測試只能在目標環境中進行。在軟件測試週期中，基於目標的測試是在較晚的“硬件/軟件集成測試”階段開始的，如果不更早地在模擬環境中進行白盒測試，而是等到“硬件/軟件集成測試”階段進行全部的白盒測試，將耗費更多的財力和人力。

用於輔助嵌入式軟件測試的工具很多，下面對幾類比較有用的有關嵌入式軟件的測試工具加以介紹和分析。

在嵌入式系統中，內存約束通常是有限的。內存分析工具用來處理在動態內存分配中存在的缺陷。當動態內存被錯誤地分配後，通常難以再現，可能導致的失效難以追蹤，使用內存分析工具可以避免這類缺陷進入功能測試階段。有兩類內存分析工具——軟件和硬件的。基於軟件的內存分析工具可能會對代碼的性能造成很大影響，從而嚴重影響實時操作；基於硬件的內存分析工具價格昂貴，而且只能在工具所限定的運行環境中使用。

在嵌入式系統中，程序的性能通常是非常重要的。經常會有這樣的要求，在特定時間內處理一箇中斷，或生成具有特定定時要求的一幀。開發人面臨的問題是決定應該對哪一部分代碼進行優化來改進性能，常常會花大量的時間去優化那些對性能沒有任何影響的代碼。性能分析工具會提供有關的數據，説明執行時間是如何消耗的，是什麼時候消耗的，以及每個例程所用的時間。根據這些數據，確定哪些例程消耗部分執行時間，從而可以決定如何優化軟件，獲得更好的時間性能。對於大多數應用來説，大部分執行時間用在相對少量的代碼上，費時的代碼估計佔所有軟件總量的5%-20%。性能分析工具不僅能指出哪些例程花費時間，而且與調試工具聯合使用可以引導開發人員查看需要優化的特定函數，性能分析工具還可以引導開發人員發現在系統調用中存在的錯誤以及程序結構上的缺陷。

很多嵌入式應用帶有某種形式的圖形用户界面進行交互，有些系統性能測試足根掘用户輸入響應時間進行的。GUI測試工具可以作為腳本工具有開發環境中運行測試用例，其功能包括對操作的記錄和回放、抓取屏幕顯示供以後分析和比較、設置和管理測試過程。很多嵌入式設備沒有GUI，但常常可以對嵌入式設備進行插裝來運行GUI測試腳本，雖然這種方式可能要求對被測代碼進行更改，但是節省了功能測試和迴歸測試的時間。

在進行白盒測試時，可以使用代碼覆蓋分析工具追蹤哪些代碼被執行過。分析過程可以通過插樁來完成，插樁可以是在測試環境中嵌入硬件，也可以是在可執行代碼中加入軟件，也可以是二者相結合。測試人員對結果數據加以總結，確定哪些代碼被執行過，哪些代碼被巡漏了。覆蓋分析工具一般會提供有關功能覆蓋、分支覆蓋、條件覆蓋的信息。對於嵌入式軟件來説，代碼覆蓋分析工具可能侵入代碼的執行，影響實時代碼的運行過程。基於硬件的代碼覆蓋分析工具的侵入程度要小一些，但是價格一般比較昂貴，而且限制被測代碼的數量。

分析

在嵌入式領域目標系統的應用系統日趨複雜，而由於競爭要求產品快速上市，開發技術日新月異，同時硬件發展的日益穩定，而軟件故障卻日益突出，軟件的重要性逐漸引起人們的重視，越來越多的人認識到嵌入式系統的測試勢在必行。提到嵌入式軟件測試，首先要簡單介紹一些軟件工程的一些觀點，現在，被普遍接受的軟件的定義是：軟件(software)是計算機系統中與硬件(hardware)相互依存的另一部分，它包括程序(program)、相關數據(data)及其説明文檔(document)。其中程序是按照事先設計的功能和性能要求執行的指令序列；數據是是程序能正常操縱信息的數據結構；文檔是與程序開發維護和使用有關的各種圖文資料。

對於一般商用軟件的測試，嵌入式軟件測試有其自身的特點和測試困難。

由於嵌入式系統的自身特點，如實時性(Real-timing)，內存不豐富，I/O通道少，開發工具昂貴，並且與硬件緊密相關CPU種類繁多，等等。嵌入式軟件的開發和測試也就與一般商用軟件的開發和測試策略有了很大的不同，可以説嵌入式軟件是最難測試的一種軟件。

嵌入式軟件測試使用有效的測試策略是唯一的出路，它可以使開發的效率最大化，避免目標系統的瓶頸，使用在線仿真器節省昂貴的目標資源。自從出現高級語言，開發環境與最終運行環境通常都是存在差異的，嵌入式系統更是如此。開發環境被認為是主機平台，軟件運行環境為目標平台。相應的測試為host-target測試或cross-testing。

討論嵌入式軟件測試首先就會遇到一個問題：為什麼不把所有測試都放在目標上進行呢？因為若所有測試都放在目標平台上有很多不利的因素：

1測試軟件，可能會造成與開發者爭奪時間的瓶頸，避免它只有提供更多的目標環境。

2目標環境可能還不可行。

3比起主機平台環境，目標環境通常是不精密的和不方便的。

4提供給開發者的目標環境和聯合開發環境通常是很昂貴的。

5開發和測試工作可能會妨礙目標環境已存在持續的應用

從經濟上和開發效率上考慮，軟件開發週期中儘可能大的比例在主機系統環境中進行，其中包括測試。

確定host-target測試環境後，開發測試人員又會遇到以下的問題：

1多少開發人員會捲入測試工作（單元測試，軟件集成，系統測試）?

2多少軟件應該測試，測試會花費多長時間？

3在主機環境和目標環境有哪些軟件工具，價格怎樣，適合怎樣?

4多少目標環境可以提供給開發者，什麼時候?

5主機和目標機之間的連接怎樣？

6被測軟件下載到目標機有多快?

7使用主機與目標環境之間有什麼限制（如軟件安全標準）?

任何人或組織進行嵌入式軟件的測試都應深入考慮以上問題，結合自身實際情況，選定合理測試策略和方案。

對於嵌入式軟件測試或叫交叉測試（cross-test），在測試的各個階段有着通用的策略：

單元測試

所有單元級測試都可以在主機環境上進行，除非少數情況，特別具體指定了單元測試直接在目標環境進行。最大化在主機環境進行軟件測試的比例，通過儘可能小的目標單元訪問所有目標指定的界面。

在主機平台上運行測試速度比在目標平台上快的多，當在主機平台完成測試，可以在目標環境上重複作一簡單的確認測試，確認測試結果在主機和目標機上沒有被他們的不同影響。在目標環境上進行確認測試將確定一些未知的，未預料到的，未説明的主機與目標機的不同。例如，目標編譯器可能有bug，但在主機編譯器上沒有。

集成測試

軟件集成也可在主機環境上完成，在主機平台上模擬目標環境運行，當然在目標環境上重複測試也是必須的，在此級別上的確認測試將確定一些環境上的問題，比如內存定位和分配上的一些錯誤。

在主機環境上的集成測試的使用，依賴於目標系統的具體功能有多少。有些嵌入式系統與目標環境耦合的非常緊密，若在主機環境做集成是不切實際的。一個大型軟件的開發可以分幾個級別的集成。低級別的軟件集成在主機平台上完成有很大優勢，越往後的集成越依賴於目標環境。

系統測試和確認測試

所有的系統測試和確認測試必須在目標環境下執行。當然在主機上開發和執行系統測試，然後移植到目標環境重複執行是很方便的。對目標系統的依賴性會妨礙將主機環境上的系統測試移植到目標系統上，況且只有少數開發者會捲入系統測試，所以有時放棄在主機環境上執行系統測試可能更方便。

確認測試最終的實施舞台必須在目標環境中，系統的確認必須在真實系統之下測試，而不能在主機環境下模擬。這關係到嵌入式軟件的最終使用。

包括恢復測試、安全測試、強度測試、性能測試，已超出了軟件測試的範疇，本文暫不討論。

使用有效的cross-test測試策略可極大的提高嵌入式軟件開發測試的水平和效率，當然正確的測試工具使用也是必不可少的：

總結一下，應用以上測試工具進行.Cross-test時的策略：

A使用測試工具的插裝功能（主機環境）執行靜態測試分析，並且為動態覆蓋測試準備好一插裝好的軟件代碼。

B使用源碼在主機環境執行功能測試，修正軟件的錯誤和測試腳本中的錯誤。

C使用插裝後的軟件代碼執行覆蓋率測試，添加測試用例或修正軟件的錯誤，保證達到所要求的覆蓋率目標。

D在目標環境下重複（B），確認軟件在目標環境中執行測試的正確性。

E若測試需要達到極端的完整性，最好在目標系統上重複（C），確定軟件的覆蓋率沒有改變。

通常在主機環境執行多數的測試，只是在最終確定測試結果和最後的系統測試才移植到目標環境，這樣可以避免發生訪問目標系統資源上的瓶頸，也可以減少在昂貴資源如在線仿真器上的費用。另外，若目標系統的硬件由於某種原因而不能使用時，最後的確認測試可以推遲直到目標硬件可用，這為嵌入式軟件的開發測試提供了彈性。設計軟件的可移植性是成功進行cross-test的先決條件，它通常可以提高軟件的質量，並且對軟件的維護大有益處。以上所提到的測試工具，都可以通過各自的方式提供測試在主機與目標之間的移植，從而使嵌入式軟件的測試得以方便的執行。

使用有效的cross-test測試策略可極大的提高嵌入式軟件開發測試的水平和效率，提高嵌入式軟件的質量。

附錄：

1. HOST-TARGET的連接方法簡介：

圖1-- 直接連接

圖2 -- 通過仿真器連接

圖3 -- 使用介質進行間接連接

圖4 -- 使用PROM等傳遞被測軟件

圖5 -- 測試的交互界面

圖6 -- 無交互界面的連接

嵌入式系統在人類生活中發揮着重要的作用，包括飛行控制器這樣的控制系統，以及洗衣機這樣的家用電器。日前，嵌入式系統中軟件的比重越來越大，也越來越複雜，保證嵌入式軟件的可靠性正面臨嚴峻的挑戰。

大多數軟件測試方法都可以直接或間接地用於嵌入式軟件的測試，但是由於操作系統的實時和嵌入式特性，嵌入式軟件測試也面臨一些特殊的問題。雖然日前已經有一些針對嵌入式軟件的測試和調試工具，但是在有些方面仍存在不足，包括許多任務操作系統的併發、非侵入式的測試和調試、嵌入式系統的軟件抽象等。對於嵌入式軟件測試技術的研究人選測試工具有待開發，仍須要做很多進一步的工作。

來源：《測試員》電子雜誌第五期 《嵌入式軟件測試策略》

中國自控網 《嵌入式軟件的測試方法和工具》