嵌入式軟件測試方法與策略研究

西安郵電大學計算機學院 張明英 王曙燕

1.引言

隨著數字化時代的到來，大量系統架構復雜、功能日益強大的嵌入式系統正不斷進入市場，應用也日趨復雜，這對嵌人式軟件的開發技術和測試技術提出了更高的要求。嵌人式系統的復雜性和集成度越來越高，其中的軟件部分也開始在整個嵌入式系統中占有越來越多的比例，并經常實現硬件的功能。嵌入式系統的專用程度較高，所以對其可靠性的要求也比較高，為了保證系統的穩定性，避免由于其可能出現的失效而導致災難性的后果，要求對嵌人式系統，包括嵌入式軟件進行嚴格的測試、確認和驗證?；谇度胧杰浖陨淼奶攸c，如實時性(Real-timing)，內存不豐富，I/O通道少，開發工具昂貴，并且與硬件緊密相關，CPU種類繁多，其缺陷不像PC軟件的缺陷容易修補等等。傳統的軟件測試理論不能直接用于嵌入式軟件測試，因此，研究嵌入式軟件的測試方法和策略，對于提高和改善嵌入式軟件的質量有重要意義。

2.嵌入式軟件測試的基本方法

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可剪裁，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積及功耗嚴格要求的專用計算機系統[1]。嵌入式系統的軟硬件功能界限模糊，測試比PC系統軟件測試要困難得多，嵌入式軟件系統測試具有如下特點[2]：

（1）測試軟件功能依賴不需編碼的硬件功能，快速定位軟硬件錯誤困難；

（3）交叉測試平臺的測試用例、測試結果上載困難；

（4）基于消息系統測試的復雜性，包括線程、任務、子系統之間的交互，并發、容錯和對時間的要求；

（5）性能測試、確定性能瓶頸困難；

（6）實施測試自動化技術困難。大量統計資料表明，軟件測試的工作量往往占軟件開發總工作量的40%以上，在極端情況，測試那種關系人的生命安全的重要的行業中的嵌入式軟件所花費的成本，可能相當于軟件工程其他開發步驟總成本的三倍到五倍。

在嵌入式軟件測試中，既要考慮軟件本身，還要考慮軟件同硬件平臺和操作系統的集成，同時還有條件苛刻的時間約束和實時要求，以及其他合性能相關的要求。

2.1 全數字模擬測試

全數字模擬測試是指采用數學平臺的方法，將嵌入式軟件從系統中剝離出來，通過開發CPU指令、常用芯片、I/O、中斷、時鐘等模擬器在開發主機平臺（Host）上實現嵌入式軟件的測試。該方法操作簡單，適用于功能測試，是一種可以借鑒的常規軟件測試方法。但是全數字模擬測試有較大的局限性，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行，通用性差，實時性與準確性難以反映出嵌入式軟件的真實情況，當并發事件要求一定的同步關系時，維護統一、精確地系統時鐘，理順時序關系相當困難。因此，設計一個能進行系統測試的環境代價太大，全數字模擬測試只能作為嵌入式軟件測試的輔助手段。

2.2 交叉測試（Host/Target測試）

自從出現高級語言，嵌入式系統的開發環境和運行環境通常是存在差異的，開發環境被認為是主機平臺(Host)，軟件運行環境為目標平臺(Target)，相應的測試為Host Target測試（交叉測試）。測試過程中，充分利用高級語言的可移植性，將系統中與目標環境無關的部分工作轉移到PC平臺上完成，在硬件環境未建好或調試工具缺乏時就可以開展，這時可以借鑒常規的軟件測試方法。系統中與硬件密切相關的部分在Target上完成，用到的測試工具需要支持目標環境。最后，在目標環境中進行驗證確認。交叉測試適用于高級語言，操作方便，測試成本較低，但是實時性受調試環境的制約，在目標環境中測試時要占用一定的目標資源。

3.3.3 中、微量元素肥 根據蘋果樹需肥特點及土壤養分狀況，中、微量元素肥料應以鈣、硼、鋅、鐵等為主，可采用基施和葉面噴肥兩種方法。

3.常規軟件測試方法

嵌入式系統中與目標環境無關的大部分測試工作可以在PC平臺上完成，這就可以充分借用PC軟件的測試方法。

3.1 靜態測試和動態測試

靜態測試(Static Test)包括代碼檢查、靜態結構分析等，是指對軟件文檔或程序進行掃描分析，無需運行程序，與嵌入式環境無關。人工或借助專用的軟件測試工具評審軟件文檔或程序，度量程序靜態復雜度，檢查軟件是否符合編程標準，借以發現編寫的程序的不足之處。

動態測試(Dynamic Test)是指選擇適當的測試用例，實際運行被測代碼，觀察代碼運行時所體現的功能、邏輯、行為、結構等，檢查運行結果與預期結果的差異，并分析運行效率和健壯性等性能。

3.2 黑盒測試和白盒測試

白盒測試和黑盒測試是動態測試的兩種主要方法。

白盒測試又稱為結構化測試，是一種基于結構的測試，主要進行軟件的控制流測試（語句覆蓋、分支覆蓋等）和數據流測試。覆蓋率和性能是衡量軟件質量的重要指標，也是白盒側試的主要內容。白盒測試主要測試依據是軟件設計，它對軟件內部工作過程的細致檢查，允許測試人員利用程序內部的邏輯結構及有關信息，設計或選擇測試用例，對程序所有邏輯路徑進行測試。

黑盒測試又稱為功能測試或行為測試，是一種基于需求的測試，目的是驗證被測軟件是否符合軟件的需求。它著眼于軟件的外部結構，不考慮程序的邏輯結構和內部特性，僅依據軟件的需求規格說明書，在軟件界面上檢查程序的功能是否符合要求，以此判定測試結果的正確性[3]。黑盒測試不是白盒測試的替代品，而是輔助白盒測試發現其他類型的錯誤。嵌人式軟件的黑盒測試一般在嵌入式系統上進行，不需借助于測試工具和測試平臺。

3.3 單元測試和集成測試

單元測試和集成測試是軟件測試的兩個階段。

單元測試又稱模塊測試，是指依據詳細的設計描述對每一個功能相對獨立的程序模塊逐個測試，多個模塊可以平行的獨立進行單元測試。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。在主機平臺上運行測試的速度比在目標平臺上快得多，當在主機平臺完成測試時，可以在目標環境上重復作一次簡的確認測試，確認測試結果在主機和目標機上沒有被它們的不同影響。

集成測試是指在單元測試的基礎上，將所有模塊按照設計要求組裝起來進行測試，主要測試內容有程序模塊間的接口參數傳遞、集成后的功能實現以及模塊間的相互影響等。軟件集成可在主機環境上完成，在主機平臺上模擬目標環境運行，當然在目標環境上重復測試也是必須的，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，依賴于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臺上完成有很大優勢，越往后的集成越依賴干目標環境[4]。由于嵌入式軟件最終要運行在目標環境中，所以必須在實際運行環境中，將嵌入式軟件與計算機硬件、外設、某些支持軟件、數據和人員等元素結合在一起，對整個系統進行的測試。

4.嵌入式軟件測試策略

在嵌入式軟件的測試過程中使用有效的測試策略，可以使開發的效率最大化，避免目標系統的瓶頸。

4.1 先靜后動、從小到大、由黑到白

（1）先靜態測試后動態測試

從代碼規則檢查做起，測試開展的越早，付出的代價就越小。靜態分析簡單、方便、成本低、見效快，能為動態測試打下良好的基礎，從而大大降低測試的成本。

（2）先單元測試后集成測試

單元測試是集成測試的基礎，單元測試得越好，集成測試的工作量就越小。

（3）先黑盒測試后白盒測試

先驗證軟件的功能是否滿足需求，后驗證程序覆蓋率，補充測試。

4.2 質量分析，事半功倍

軟件模塊的邏輯結構能客觀地反映出軟件的質量，結構越“良好”，代碼就越可靠。結構化測試是軟件代碼質量分析的好方法。由于代碼復雜度與代碼出錯的關聯性非常強，在測試工程中，充分應用結構化測試技術，從結構入手分析代碼的復雜程度，可以指導測試的進行，指出代碼質量改進的方向。

4.3 選好工具，抓好管理

工欲善其事，必先利其器。進行軟件測試，通常工具是必需的，但不是萬能的。根據測試的需要和測試工具的特長選擇合適的測試工具，不但可以客觀、準確的獲得測試結果，還可以減輕人的工作量，降低測試成本。軟件測試是一項長期化、系統化、常態化的工作，并且需要維護和更新，因此，需要對整個測試過程進行嚴格管理。

5.結論

嵌入式系統設計中，硬件集成度越來越高，軟件的功能越來越強大，為了降低系統的成本，獲得更大的靈活性，軟件正越來越多地取代硬件，軟件的重要性逐漸引起人們的重視。因此，進行嵌入式軟件測試方法和策略的研究，能夠對日益復雜的嵌入式軟件進行快速有效的測試，提高軟件測試效率，確保軟件質量。

[1]周立功等.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2]池云.嵌入式軟件測試研究[J].中國科技信息,2009.[3]宮云戰.軟件測試[M].北京:國防工業出版社,2005.[4]郭群.嵌入式軟件測試技術[J].微處理機,2008.