基于路径覆盖的嵌入式软件动态测试研究

0 引言
    目前，嵌入式软件已广泛的应用在各个领域：如工业控制、通信设备、信息家电以及航空航天等领域，应用越来越广泛，复杂性也日益增加。但由于嵌入式软件实时性强、I／O通道少、内存资源受限、与硬件及硬件驱动紧密关联、CPU种类繁多等特点，决定了嵌入式软件的开发和测试必须在交叉编译环境下进行，即开发及测试工具运行在宿主机上，而被测程序运行在软硬件资源紧张的目标机上。仅仅在开发环境下进行嵌入式软件测试，难以保障其测试结果的有效性；而仅在目标机上进行测试，由于软件运行的不可视性，又使得测试者难以知晓程序当前运行状态，以及代码的覆盖情况。因此对嵌入式软件覆盖测试技术的要求也更高。
    软件测试是一种有效地保证软件质量的重要手段。常用的软件测试方法有黑盒测试、白盒测试和灰盒测试。白盒测试中最成熟、最常用的方法是覆盖测试，它是一种动态软件测试方法。覆盖测试是验证软件功能结构正确性以及查找问题的一种重要方法和手段。为了获取覆盖率信息，必须在获得被测程序结构信息、静态数据流信息、控制流信息等基础上，加入一些探针，通过探针收集的信息来获得程序的执行路径、状态等控制流。
    路径覆盖测试是覆盖测试中的关键测试技术之一，目前已应用于程序覆盖率分析、测试用例设计、程序调试、性能优化等多个方面，是覆盖程度最高的测试。其基本原理是用最少的测试用例，覆盖程序中的所有路径，发现程序中最多的错误，安排测试计划、分配测试资源，并对实际测试所达到的覆盖率做出评估。本文给出了路径覆盖相关理论，并在理论研究的基础上设计出了一种嵌入式软件动态测试系统框架，完成对被测程序的路径覆盖率分析，进而判断测试的充分性及弱点，从而进一步改进测试过程。

1 路径覆盖相关理论
    路径覆盖使程序中每一条可能的路径至少执行一次。但在实际工作中，即使一个不太复杂的程序，路径数量往往也是较多的。要在测试中覆盖所有的路径是不现实的，而基本路径测试就是一种简化路径数的测试方法。
    基本路径测试是在控制流图的基础上，通过分析控制结构的环形复杂度，导出执行路径的基本集，再从该基本集设计测试用例。为了清晰描述基本路径测试方法，需要对本文中用到的几个基本概念进行说明。
    (1)程序控制流图：是对程序流程图简化后得到的，它是一种有向图G=(N，E，Entry，Exit)，其中N是流图的节点数，E是流图的边数。
    (2)Z路径优化：是指限制循环的次数，无论循环的形式和循环体实际执行的次数，简化后的循环测试只考虑执行循环体一次和零次(不执行)两种情况。
    (3)环形复杂度：提供程序基本路径集的独立路径数量以及确保所有语句至少执行一次的测试数量的上界。可以通过下列两种方法来计算：对流图G，环形复杂度V(G)=E-N+2；或V(G)=P+1，其中P为包含在流图G中的判定节点数。
    (4)基本路径集BP：指软件可达路径的最小集合，等于环形复杂度V(G)。
    (5)路径覆盖率计算：由基本路径集BP设计测试用例集T，使T理论上按BP执行。然后分析动态跟踪数据，构造实测路径集Pn。计算测试覆盖率PCP=(Pn／BP)×100％其中Pn=P(T1)P(T2)…P(Tn)。

2 嵌入式软件动态测试框架
    嵌入式软件动态测试框架如图1所示。它包含宿主机程序插桩及数据处理分析和目标机数据处理两部分。

    在嵌入式软件测试中，静态测试是基础，对被测软件进行代码规则检查、静态结构分析和代码质量评估；动态测试是必要补充，在目标机真实环境下或仿真环境下运行被测程序，采集动态跟踪数据，分析其动态行为。
    嵌入式软件路径覆盖测试的特点就是必须在交叉编译环境下，通过物理通道传输完整的动态测试跟踪数据，分析数据后得到路径覆盖率。动态执行前先要检查目标机与宿主机的连接状况，确保测试正常进行。
2．1 被测试程序静态分析
    静态分析并不真正执行被测程序，也不需要对代码进行编译链接，生成可执行文件。首先，对源码进行词法语法分析和变量分析，找出不符合编码规范的地方，根据某种质量模型评价代码的质量，生成模块调用关系图、模块的程序流程图等。其次，从程序中提取必要的数据并保存，提供给后续的动态分析和测试报告使用。最后，根据模块的程序流程图绘制程序控制流图G，得到程序控制流图的边数E和节点数N，指导插桩库的建立，并根据Z路径优化法构造程序的基本路径集BP，构建动态路径覆盖测试的比较基础。[page]
2．2 插桩技术
    一般来说，对程序进行动态测试的时候，基本上要使用程序插桩来进行覆盖测试。程序插桩技术是保持被测软件逻辑完整性的基础上，在源代码中插入探针函数，它是一个子过程调用，调用的子过程能在运行到插桩点时记录下有关的运行情况，采集执行程序在真实环境中运行的控制流、数据流等测试数据。插桩时需确保探针函数对源程序执行影响最小。
    基本路径测试依赖探针插桩技术完成分支位置点标志位的采集。插桩位置最好选择在应用程序层，重点采集输入输出模块中的上层函数运行信息，底层模块加强单元测试，而在嵌入式软件模块集成时，默认这些模块是正确无误的。根据程序按块划分的原则，可以在子函数出入点、程序块控制流图G的分支节点、功能测试的重点变量处植入探针。
    基本路径测试的插桩过程是静态的，数据收集过程是动态的，结束时需恢复现场。动态测试前，被测程序与插桩库连接，完成插桩操作，获取执行程序。执行程序交叉编译后运行于目标实际环境或者仿真环境下，通过探针函数返回动态测试跟踪数据。

2．3 数据处理及分析
    目标机在真实环境中运行可执行程序，测试用例集T为运行输入参量，探针采集数据为运行的输出参量。探针函数采集动态跟踪测试数据，传输给宿主机测试平台。宿主机测试平台对接收到的动态跟踪数据进行处理，计算出路径测试覆盖率，并结合数据处理过程中的测试日志分析出最后的测试报告。

3 测试实例分析
    根据上述的嵌入式软件动态测试框架，模拟测试实验室现行项目208型海区终端的航标数据采集模块。
    在编译器MPLAB IDE 8．63中编写源代码，并对源代码进行规则检查。图2为航标数据采集模块的主控程序流程图，可将其简化为程序控制流图。

    该航标数据采集模块由C语言开发，根据插桩策略可以计算出插桩探针的位置、个数，构造基本路径和实际程序执行路径，计算路径测试覆盖率。部分测试结果分析如表1所示。

    基本路径测试覆盖率PCP：
   
    基本路径测试覆盖率大小涉及到测试的各个阶段，受到各方面因素的影响。比如，在该测试模块中，Rx_Data_Svr()和AddataConvert()程序中出现了多个判断语句和多个循环语句，可能的路径数目增长，以致影响路径覆盖率。

4 结语
    本文通过研究嵌入式软件测试的特点和路径覆盖测试的相关理论，给出了嵌入式软件动态测试框架方案。并结合实验室目前的项目，分析基本路径测试的各个步骤，得出路径测试覆盖率，进而达到测试目的。但是路径覆盖测试受多方面因素的影响，尤其是当程序中出现多个复合条件时，会大大的增加可能的路径数目，所以接下来的工作是进一步探讨插桩策略、测试用例生成等影响路径覆盖率的相关问题。