嵌入式软件的测试方法和工具

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摘　要：
　　嵌入式系统已经广泛应用于人类生活中，包括消费电子产品、交通系统、工业过程控制等等。嵌入式系统中软件的规模和复杂性正在迅速增加，嵌入式软件正在成为信息技术：户发展最快的领域。
关键字：嵌入式软件；测试方法；工具

　　通常嵌入式系统对可靠性的要求比较高。嵌入式系统安全性的失效可能会导致灾难性的后果，即使是非安全性系统，由于大批量生产也会导致严重的经济损失。这就要求对嵌入式系统，包括嵌入式软件进行严格的测试、确认和验证。随着越来越多的领域使用软件和微处理器控制各种嵌入式设备，对门益复杂的嵌入式软件进行快速有效的测试愈加显得重要。

　　软件测试的目的是保证软件满足需求规格说明。系统失效是系统没有满足—个或多个正式需求规范中所要求的需求项。嵌入式软件有其特殊的失效判定准则，但是，嵌入式软件测试的日的与非嵌入式软件是相同的。在嵌入式系统设计中，软件正越来越多地取代硬件，以降低系统的成本，获得更大的灵活性，这就需要使用更好的测试方法和工具进行嵌入式和实时软件的测试。本文讨论可应用于嵌入式软件的测试方法：介绍现有嵌入式软件的测试工具。

一、嵌入式软件的测试方法

　　一般来说，软件测试有7个基本阶段，即单元或模块测试、集成测试、外部功能测试、回归测试、系统测试、验收测试、安装测试。嵌入式软件测试在4个阶段上进行，即模块测试、集成测试、系统测试、硬件/软件集成测试。前3个阶段适用于任何软件的测试，硬件/软件集成测试阶段是嵌入式软件所特有的，目的是验证嵌入式软件与其所控制的硬件设备能否正确地交互。

1、白盒测试与黑盒测试

　　一般来说，软件测试有两种基本的方式，即白盒测试方法与黑盒测试方法，嵌入式软件测试也不例外。

　　白盒测试或基本代码的测试检查程序的内部设计。根据源代码的组织结构查找软件缺陷，一股要求测试人员对软件的结构和作用有详细的了解，白盒测试与代码覆盖率密切相关，可以在白盒测试的同时计算出测试的代码的覆盖率，保证测试的充分性。把100％的代码都测试到几乎是不可能的， 所以要选择最重要的代码进行白盒测试。由于严格的安全性和可靠性的要求，嵌入式软件测试同非嵌入式软件测试相比，通常要求有更高的代码覆盖率。对于嵌入式软件，白盒测试一般不必在目标硬件上进行，更为实际的方式是在开发环境中通过硬件仿真进行，所以选取的测试工具应该支持在宿主环境中的测试。

　　黑盒测试在某些情况下也称为功能测试。这类测试方法根据软件的用途和外部特征查找软件缺陷，不需要了解程序的内部结构。黑盒测试最大的优势在于不依赖代码，而是从实际使用的角度进行测试，通过黑盒测试可以发现白盒测试发现不了的问题。因为黑盒测试与需求紧密相关，需求规格说明的质量会直接影响测试的结果，黑盒测试只能限制在需求的范围内进行。在进行嵌入式软件黑盒测试时，要把系统的预期用途作为重要依据，根据需求中对负载、定时、性能的要求，判断软件是否满足这些需求规范。为了保证正确地测试，还须要检验软硬件之间的接口。嵌入式软件黑盒测试的一个重要方面是极限测试。在使用环境中，通常要求嵌入式软件的失效过程要平稳，所以，黑盒测试不仪要检查软件工作过程，也要检查软件换效过程。

2、目标环境测试和宿主环境测试

　　在嵌入式软件测试中，常常要在基于目标的测试和基于宿主的测试之间作出折衷。基于目标的测试消耗较多的经费和时间，而基于宿主的测试代价较小，但毕竟是在模拟环境中进行的。目前的趋势是把更多的测试转移到宿主环境中进行，但是，目标环境的复杂性和独特性不可能完全模拟。

　　在两个环境中可以出现不同的软件缺陷，重要的是目标环境和宿主环境的测试内容有所选择。在宿主环境中，可以进行逻辑或界面的测试、以及与硬件无关的测试。在模拟或宿主环境中的测试消耗时间通常相对较少，用调试工具可以更快地完成调试和测试任务。而与定时问题有关的白盒测试、中断测试、硬件接口测试只能在目标环境中进行。在软件测试周期中，基于目标的测试是在较晚的“硬件/软件集成测试”阶段开始的，如果不更早地在模拟环境中进行白盒测试，而是等到“硬件/软件集成测试”阶段进行全部的白盒测试，将耗费更多的财力和人力。

二、嵌入式软件的测试工具

　　用于辅助嵌入式软件测试的工具很多，下面对几类比较有用的有关嵌入式软件的测试工具加以介绍和分析。

1、内存分析工具

　　在嵌入式系统中，内存约束通常是有限的。内存分析工具用来处理在动态内存分配中存在的缺陷。当动态内存被错误地分配后，通常难以再现，可能导致的失效难以追踪，使用内存分析工具可以避免这类缺陷进入功能测试阶段。目前有两类内存分析工具——软件和硬件的。基于软件的内存分析工具可能会对代码的性能造成很大影响，从而严重影响实时操作；基于硬件的内存分析工具价格昂贵，而且只能在工具所限定的运行环境中使用。

2、性能分析工具

　　在嵌入式系统中，程序的性能通常是非常重要的。经常会有这样的要求，在特定时间内处理一个中断，或生成具有特定定时要求的一帧。开发人面临的问题是决定应该对哪一部分代码进行优化来改进性能，常常会花大量的时间去优化那些对性能没有任何影响的代码。性能分析工具会提供有关的数据，说明执行时间是如何消耗的，是什么时候消耗的，以及每个例程所用的时间。根据这些数据，确定哪些例程消耗部分执行时间，从而可以决定如何优化软件，获得更好的时间性能。对于大多数应用来说，大部分执行时间用在相对少量的代码上，费时的代码估计占所有软件总量的5%-20%。性能分析工具不仅能指出哪些例程花费时间，而且与调试工具联合使用可以引导开发人员查看需要优化的特定函数，性能分析工具还可以引导开发人员发现在系统调用中存在的错误以及程序结构上的缺陷。

3、GUI测试工具

　　很多嵌入式应用带有某种形式的图形用户界面进行交互，有些系统性能测试足根掘用户输入响应时间进行的。GUI测试工具可以作为脚本工具有开发环境中运行测试用例，其功能包括对操作的记录和回放、抓取屏幕显示供以后分析和比较、设置和管理测试过程。很多嵌入式设备没有GUI，但常常可以对嵌入式设备进行插装来运行GUI测试脚本，虽然这种方式可能要求对被测代码进行更改，但是节省了功能测试和回归测试的时间。

4、覆盖分析工具

　　在进行白盒测试时，可以使用代码覆盖分析工具追踪哪些代码被执行过。分析过程可以通过插装来完成，插装可以是在测试环境中嵌入硬件，也可以是在可执行代码中加入软件，也可以是二者相结合。测试人员对结果数据加以总结，确定哪些代码被执行过，哪些代码被巡漏了。覆盖分析工具一般会提供有关功能覆盖、分支覆盖、条件覆盖的信息。对于嵌入式软件来说，代码覆盖分析工具可能侵入代码的执行，影响实时代码的运行过程。基于硬件的代码覆盖分析工具的侵入程度要小一些，但是价格一般比较昂贵，而且限制被测代码的数量。

结论

　　嵌入式系统在人类生活中发挥着重要的作用，包括飞行控制器这样的控制系统，以及洗衣机这样的家用电器。日前，嵌入式系统中软件的比重越来越大，也越来越复杂，保证嵌入式软件的可靠性正面临严峻的挑战。

　　大多数软件测试方法都可以直接或间接地用于嵌入式软件的测试，但是由于操作系统的实时和嵌入式特性，嵌入式软件测试也面临一些特殊的问题。虽然日前已经有一些针对嵌入式软件的测试和调试工具，但是在有些方面仍存在不足，包括许多任务操作系统的并发、非侵入式的测试和凋试、嵌入式系统的软件抽象等。对于嵌入式软件测试技术的研究人选测试工具有待开发，仍须要做很多进一步的工作