第9章 嵌入式測試

第9章嵌入式測試本章內容9.1嵌入式軟件測試的方法9.2嵌入式軟件測試的過程9.3嵌入式軟件測試的特點9.4嵌入式軟件測試的工具9.5嵌入式軟件測試策略9.6嵌入式軟件測試實例9.1嵌入式軟件測試的方法嵌入式軟件測試分為4個階段，即模塊測試、集成測試、系統(tǒng)測試、硬件/軟件集成測試。前3個階段適用于任何軟件的測試，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。在嵌入式軟件測試中，常采取折中的方式。基于目標機的測試消耗較多的經費和時間，而基于宿主機的測試代價較小，但畢竟是在模擬環(huán)境中進行的。目前的趨勢是把更多的測試轉移到宿主環(huán)境中進行，但是，目標環(huán)境的復雜性和獨特性不可能完全模擬。在目標環(huán)境和宿主環(huán)境中的測試可以出現不同的軟件缺陷。在宿主環(huán)境中，可以進行邏輯或界面的測試以及與硬件無關的測試。這一部分的測試所消耗的時間通常相對較少，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(huán)境中進行。在軟件測試周期中，基于目標的測試是在較晚的硬件/軟件集成測試階段開始的。9.2嵌入式軟件測試的過程根據嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程，為了最經濟地實現系統(tǒng)的功能，一般采用自頂向下、層層推進的方法對嵌入式系統(tǒng)進行測試。嵌入式軟件測試的總體步驟為：首先進行操作系統(tǒng)移植并編寫系統(tǒng)底層驅動，然后進行系統(tǒng)平臺測試，其中包括硬件電路測試、操作系統(tǒng)及底層驅動程序的測試等。如果此測試通過，可以進入下一步的開發(fā)——用模塊化的方法編寫應用代碼，隨后再對軟件模塊進行測試。如果所有的模塊都通過測試，需要進行集成測試。如果集成測試通過，則需要進行系統(tǒng)測試。如果系統(tǒng)測試通過，就可以退出測試。在第一件產品生產出來之后，需要對產品進行測試，如果測試通過，則表示嵌入式產品的所有測試步驟已經完成。YN開始NNNYYYYY根據需求修改程序代碼只修改應用代碼測試通過？系統(tǒng)測試測試通過？集成測試編寫接口函數，裝載到模塊數據之間測試通過？軟件模塊測試用模塊化的方法編寫應用代碼測試通過？系統(tǒng)平臺測試移植操作系統(tǒng)，編寫系統(tǒng)底層驅動產品測試模塊接口函數確定錯誤模塊修改錯誤模塊代碼關聯矩陣確定需測試模塊修改錯誤模塊代碼N測試通過？結束9.3嵌入式軟件測試的特點嵌入式軟件測試作為一種特殊的軟件測試，它的目的和原則同普通的軟件測試是一樣的，都是為了驗證或達到可靠性要求而對軟件所進行的測試。嵌入式軟件測試除了要遵循普通軟件測試的原則之外，還需要遵循以下幾個原則：

(1)嵌入式軟件測試對軟件在硬件平臺的測試是必不可少的。

(2)嵌入式軟件測試需要在特定的環(huán)境下對軟件進行測試。

(3)嵌入式軟件需進行必要的可靠性負載測試。(4)除了要對嵌入式軟件系統(tǒng)的功能進行測試之外，還需要對實時性進行測試。在判斷系統(tǒng)是否失效方面，除了看它的輸出結果是否正確，還應考慮其是否在規(guī)定的時間里輸出了結果。

(5)在對嵌入式軟件進行測試的時候，需要在特定的硬件平臺上進行性能測試、內存測試、GUI測試、覆蓋分析測試。9.4嵌入式軟件測試的工具1．內存分析工具

在嵌入式系統(tǒng)中，內存容量通常是有限的。內存分析工具用來處理在動態(tài)內存分配中存在的缺陷。動態(tài)內存分配錯誤，通常是難以復原的，其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。目前有兩類內存分析工具：軟件工具和硬件工具?；谲浖膬却娣治龉ぞ呖赡軙Υa的性能造成很大影響，從而嚴重影響實時操作；基于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(huán)境中使用。

2．性能分析工具

性能分析工具會提供有關的數據，說明執(zhí)行時間是如何消耗，什么時候消耗的，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(zhí)行時間，從而可以決定如何優(yōu)化軟件，以獲得更好的時間性能。對于大多數應用來說，大部分執(zhí)行時間用在相對少量的代碼上，費時的代碼估計只占所有軟件總量的5%～20%。性能分析工具不僅能指出哪些例程花費了時間，而且與調試工具聯合使用可以引導開發(fā)人員查看需要優(yōu)化的特定函數，性能分析工具還可以引導開發(fā)人員發(fā)現在系統(tǒng)調用中存在的錯誤以及程序結構上的缺陷。

3．GUI測試工具

GUI測試工具可以作為腳本工具在開發(fā)環(huán)境中運行測試用例，其功能包括對操作的記錄和回放、抓取屏幕顯示供以后分析和比較、設置和管理測試過程。對沒有GUI的嵌入式設備，可以對其進行插樁來運行GUI測試腳本。

4．覆蓋分析工具

在進行白盒測試時，可以使用代碼覆蓋分析工具追蹤被執(zhí)行過的代碼。分析過程可以通過插樁的方式來完成，插樁可以是在測試環(huán)境中嵌入硬件，也可以是在可執(zhí)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(zhí)行過，哪些代碼被遺漏了。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。對于嵌入式軟件來說，代碼覆蓋分析工具可能侵入代碼的執(zhí)行，影響實時代碼的運行過程。基于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。補充：插樁插樁技術最早是由J.C.Huang教授提出的,它是在保證被測程序原有邏輯完整性的基礎上在程序中插入一些探針（又稱為“探測儀”），通過探針的執(zhí)行并拋出程序運行的特征數據，通過對這些數據的分析，可以獲得程序的控制流和數據流信息，進而得到邏輯覆蓋等動態(tài)信息，從而實現測試目的的方法。9.5嵌入式軟件測試策略在測試的各個階段，采用host-target或是cross-test，應遵循以下策略。1．單元測試

所有單元測試都可以在主機環(huán)境上進行，除非少數情況會特別指定了單元測試直接在目標環(huán)境進行。測試時，盡可能在主機環(huán)境中進行軟件測試，通過盡可能小的目標單元訪問所有目標指定的界面。

在主機平臺完成測試后，可以在目標環(huán)境中重復作一次簡單的確認測試，在目標環(huán)境中進行確認測試將確定一些未知的、未預料到的、未說明的主機與目標機的不同之處。嵌入式軟件插樁測試插樁測試流程已編譯通過的代碼NY插樁處理宿主機上編譯通過？下載到目標機上執(zhí)行數據返回到宿主機上宿主機處理數據嵌入式軟件插樁測試插樁測試原理循環(huán)⑧⑦⑥⑤④①②③源代碼插樁器插樁插樁后的源碼編譯后的源碼編譯器編譯編譯后的源碼觸發(fā)樁程序生成數據數據處理程序或軟件宿主機目標機串口線、JTAG網線、串口線、USB數據線2．集成測試

軟件集成也可在主機環(huán)境上完成，并在主機平臺上模擬目標環(huán)境運行。在目標環(huán)境上重復測試也是必需的，在此級別上的確認測試將確定一些環(huán)境上的問題，比如內存定位和分配上的一些錯誤。有些嵌入式系統(tǒng)與目標環(huán)境耦合得非常緊密，則在主機環(huán)境做集成是不切實際的。

對于大型軟件的開發(fā)則可以分為幾個級別的集成。低級別的軟件集成在主機平臺上完成有很大優(yōu)勢，越往后的集成越依賴于目標環(huán)境。3．系統(tǒng)測試和確認測試

所有的系統(tǒng)測試和確認測試都必須在目標環(huán)境下執(zhí)行。當然在主機上開發(fā)和執(zhí)行系統(tǒng)測試，然后移植到目標環(huán)境重復執(zhí)行是很方便的。確認測試最終必須在目標環(huán)境中進行，系統(tǒng)的確認必須在真實系統(tǒng)之下測試，而不能在主機環(huán)境下模擬。這關系到嵌入式軟件的最終使用。

應用測試工具進行Cross-test時的策略：A)使用測試工具的插樁功能（主機環(huán)境）執(zhí)行靜態(tài)測試分析，并且為動態(tài)覆蓋測試準備好一插樁好的軟件代碼。B)使用源碼在主機環(huán)境執(zhí)行功能測試，修正軟件的錯誤和測試腳本中的錯誤。C)使用插裝后的軟件代碼執(zhí)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(huán)境下重復（B），確認軟件在目標環(huán)境中執(zhí)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(tǒng)上重復（C），確定軟件的覆蓋率沒有改變。19嵌入式軟件測式的基本方法拿來主義——充分借用PC軟件的測試方法靜態(tài)/動態(tài)白盒/黑盒單元測試/集成測試/系統(tǒng)測試……全數字模擬測試交叉測試（Host/Target測試）真實環(huán)境驗證補充：嵌入式軟件測試方法（1）20嵌入式軟件測試方法（2）全數字模擬測試采用數學平臺的方法，將嵌入式軟件從系統(tǒng)中剝離出來，通過開發(fā)CPU指令、常用芯片、I/O、中斷、時鐘等模擬器在HOST上實現嵌入式軟件的測試主要特點與嵌入式硬件平臺脫鉤操作簡單，可以借鑒常規(guī)的軟件測試方法適用于功能測試有局限性21嵌入式軟件測試方法（3）全數字模擬測試的局限性通用性差，使用不同語言編寫的嵌入式軟件，需要不同的仿真程序來執(zhí)行實時性與準確性難以反映出嵌入式軟件的真實情況，測試出與時序有關的故障價值不大。維護統(tǒng)一、精確的系統(tǒng)時鐘，理順時序關系相當困難，特別是當并發(fā)的事件要求一定的同步關系時。開發(fā)成本高。設計出一個能進行系統(tǒng)測試的的環(huán)境代價太大只能作為嵌入式軟件測試的輔助手段22嵌入式軟件測試方法（4）交叉測試（Host/Target測試）與目標環(huán)境無關的部分在PC機上完成充分利用高級語言的可移植性借鑒常規(guī)的軟件測試方法與模擬測試不同與硬件密切相關的部分在Target上完成需要調試環(huán)境支持測試工具需要支持目標環(huán)境最后在目標環(huán)境中確認主機平臺嵌入式系統(tǒng)調試環(huán)境2023年2月1日23嵌入式軟件測試方法（5）交叉測試的特點將大部分工作轉移到PC平臺上，在硬件環(huán)境未建好或調試工具缺乏時就可以開展可以充分地“拿來主義”適用于高級語言，如C，C++操作方便，測試成本較低。實時性受調試環(huán)境的制約目標環(huán)境中測試時要占用一定的目標資源注意目標環(huán)境和主機環(huán)境的差異：目標編譯器的bug目標碼的驗證24如何開展交叉測試（Host/Target測試）選用帶有目標支持包(TargetPackage)的軟件測試工具確定哪些模塊與硬件無關，哪些與硬件相關配置相應的調試環(huán)境和目標環(huán)境分別進行Host和Target測試Host：源代碼+測試用例->編譯連接->執(zhí)行->測試結果Target：源代碼+測試用例+目標包->編譯連接->下載->執(zhí)行->反饋測試結果交叉測試的嵌入式調試環(huán)境SimulatorEmulatorBDM/JTAGEmulator嵌入式軟件測試方法（6）25“拿來主義”靜態(tài)分析很重要

WattsS.Humphrey的說法很多軟件工程師認為動態(tài)測試比靜態(tài)測試更重要——并非如此有經驗的軟件工程師平均每寫1000行代碼將會出現100個錯誤80%的軟件錯誤歸咎于對于編寫語言的錯誤使用,而這些錯誤往往不是功能測試能解決的因此,軟件工程師應該消除錯誤,找出根源,預防再次發(fā)生同樣的問題靜態(tài)分析的重要內容——代碼規(guī)則檢查實施簡單、方便無需執(zhí)行程序，與嵌入式環(huán)境無關早期介入，代價小，見效快有利于降低動態(tài)測試的難度有利于養(yǎng)成良好的編程習慣可以執(zhí)行自定的規(guī)范嵌入式軟件測試方法（7）26“拿來主義”動態(tài)測試不可少 動態(tài)測試是驗證軟件功能最直接、最有效的手段通過運行被測程序驗證其功能、性能，檢查代碼的執(zhí)行情況與靜態(tài)分析相輔相成需要事先設計詳細、完備的測試用例可用白盒、黑盒等方法工作量較大、較枯燥動態(tài)測試的主要內容功能、性能驗證，是否符合需求定義代碼覆蓋。哪些代碼執(zhí)行了，哪些沒有執(zhí)行，其比例如何嵌入式軟件測試方法（8）27“拿來主義”白盒黑盒相輔成白盒測試與黑盒測試是軟件測試最常用、最常規(guī)的兩種技術白盒測試把測試對象看作一個透明的盒子，測試人員從其邏輯結構入手，設計和選擇測試用例，對路徑、控制結構、數據流等進行測試通過插裝檢查程序的狀態(tài)，確定是否與預期的狀態(tài)一致側重于代碼運行的過程黑盒測試把測試對象看做一個黑盒子，測試人員完全不考慮程序內部的邏輯結構，只依據其需求定義，檢查程序運行的結果多用于功能測試和性能分析在程序的接口上進行需要設計“驅動”和“打樁”嵌入式軟件測試方法（9）2023年2月1日28“拿來主義”單元集成兩步走 單元測試和集成測試是軟件測試的兩個階段單元測試將被測軟件分解為單元，逐個測試單元測試需要從程序的內部結構和功能出發(fā)設計測試用例。多個模塊可以平行地獨立進行單元測試可用白盒、黑盒等方法集成測試在單元測試的基礎上，將所有模塊按照設計要求組裝起來測試主要測試內容接口間參數傳遞集成的功能實現模塊間的影響嵌入式軟件測試方法（10）9.6嵌入式軟件測試實例1)軟件指令仿真

軟件指令仿真的主要工作是對相關的I/O操作進行替換。在80X86系列CPU指