嵌入式软件与硬件的集成测试过程研究

引言

    软件质量即业务生命。软件测试项目已经变得比以往任何时候都复杂和困难。1979年，Glenford Myers在《The Art of Software Testing》一书中提出“测试的目的是证伪”这一概念，推翻了过去“为表明软件正确而进行测试”的错误认识，为软件测试的发展指出了方向，软件测试的理论、方法在之后得到了长足的发展。但是，目前中国许多软件企业仍存在着“重开发、轻测试”的倾向，从而造成软件产品的质量问题日渐突出。因此，如何制定有效的软件测试过程、保障软件业的健康化发展，已成为当务之急。

    嵌入式软件作为软件家族中重要的分支，在当今人民生活和国防事业中得到越来越广泛的应用，由于嵌入式软件自身软硬件结合的复杂性、其质量的重要性，也造就了其软件测试的特殊性，那就是在执行正常软件测试的单元测试、集成测试、配置项测试、系统测试的过程中，还要考虑到软件与硬件的兼容问题，即需要进行软、硬件集成测试。本文将重点研究嵌入式软件与硬件集成时的测试过程。

    根据笔者在嵌入式软件测试工作过程中的经验，归纳提出了软硬件集成测试过程，同时结合当前软件测试理论前沿知识，把该测试过程进行重组和改进，并给出了测试模型，以期嵌入式软件与硬件集成测试过程能够在实际中广泛应用。

1 、嵌入式软件测试基本概念

1.1 嵌入式软件

    和普通计算机系统一样，嵌入式系统除了需要硬件结构和配置外，还需要相应软件的支持才能完整地实现系统的功能。目前，嵌入式系统的软件体系结构通常都采用以实时内核为基础的分层体系结构。组成嵌入式系统的软件大致可分为如下几层：

    驱动层（硬件抽象层）：驱动层是最靠近硬件的一层，它属于最底层的软件，直接和硬件打交道，它为操作系统内核和应用提供使用硬件的接口即驱动的支持。

    操作系统层（实时内核层）：该层的主要功能是协助最顶层的应用层更好地进行任务的调度、消息管理和异常处理等工作，由于该层的支持，特别是实时内核的作用，大大地减轻了嵌入式软件开发人员开发嵌入式软件的难度，同时也缩短了嵌入式软件的开发周期。

    应用软件实现支持层：嵌入式应用软件的实现需要编程语言的支持。目前，应用于嵌入式软件编程语言主要有面向过程的语言C和面向对象的编程语言C++、ADA等，应用这些语言开发的应用程序在嵌入式系统中运行时都需要相应的编译器或解释器的支持，转换成相应的机器码，才能在嵌入式系统中实现应用程序对应的功能。

    应用层：应用层软件主要由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特定的工作，如计算任务和通信任务等，各个任务的运行由操作系统进行调度。

1.2 测试用语

    嵌入式软件(Embedded Software)：嵌入式计算机系统中的软件，其与硬件联系紧密，并且通常要求强实时性。

    测试环境(TeST EnvirONment)：执行测试程序所需要的硬件平台和软件资源构成的环境。

    测试用例(Test Case)：为测试项规定输入、预期结果和一组执行条件的文档。

    测试程序(Test Procedure)：执行测试用例的程序形式，其执行需要相应测试环境的支持。

    问题描述报告(Problem DescripTIon Report)：对软件测试过程中发现问题的简要描述。

    更改的判定条件覆盖(Modified Condition/Decision Coverage, MC/DC)：对设计足够多的测试用例，使得判定中每个条件的所有可能结果至少出现一次，每个判定本身的所有可能结果也至少出现一次，每个入口点和出口点至少要唤醒一次，并且每个条件都显示能单独影响判定结果。

图1 嵌入式软件软硬件集成测试过程

2 、 软硬件集成测试过程

    软硬件集成测试应该在嵌入式软件集成测试完成的基础上进行。此时软件已按照功能模块组装成子系统，为了有效验证该子系统软件与硬件功能的协调性，保证软件在特定的硬件平台上能够按照设计的要求进行工作，完成其要求的功能、性能指标，就必须进行嵌入式软件的软硬件集成测试。

2.1 嵌入式软件测试过程

    软件开发人员在开发过程中，一般遵循如下步骤：

① 系统软硬件功能划分，形成软、硬件研制任务书。
② 系统软件需求分析。
③ 系统软件概要设计。
④ 系统软件详细设计。
⑤ 软件编码。

    测试人员恰恰以相反的步骤实现测试过程：

① 单元测试。软件单元测试的目的是检测程序模块是否符合《详细设计说明书》的要求。通常会采用白盒测试技术，如基于路径覆盖原理等。
② 集成测试（配置项测试）。软件集成测试的目的是检测程序是否符合《概要设计说明书》的要求。通常采用黑盒测试技术，但有时为了确保主要控制路径的覆盖测试，也会采用一定的白盒测试技术。
③ 软硬件集成测试。软硬件集成测试的目的是为了检测系统划分软硬件功能后，在软件集成测试完成的基础上，测试模块软件在硬件平台上的运行情况，主要是对嵌入式软件的实时性、嵌入性及功能性能指标的测试。
④ 系统测试。关注所设计的系统，在模块与模块集成之后构成完整系统时所表现出的质量指标，包括正确性、可扩性等。
⑤ 确认测试。针对确认标准的测试。确认标准由需求分析产生，所以实际上就是指规格化的需求，通常采用黑盒测试技术。

2.2 软硬件集成测试过程

    由图1可以看到，软硬件集成测试主要是在软件集成测试完成后，形成独立的配置项，加载到相应的硬件平台上进行测试，以确定软硬件是否能够协同工作，实现系统既定的功能。

    具体分为以下几个步骤：

① 系统测试组负责与系统工程组共同完成制定《软硬件集成测试计划》和《软硬件集成测试计划测试说明》的编写。
② 按软件*审管理办法，对《软硬件集成测试计划》和《软硬件集成测试说明》进行同行*审。
③ 根据*审意见，对《软硬件集成测试计划》和《软硬件集成测试说明》修改完善，履行审批手续后归档、入库。
④ 系统测试组按《软硬件集成测试计划》、《软硬件集成测试说明》，实施软硬件集成测试。
⑤ 系统工程组组织软件、硬件项目组协助确定和定位软件中存在的缺陷和错误。
⑥ 软件工程组对发现的软件缺陷和错误进行确认和更改。
⑦ 测试人员对更改后的软件配置项进行回归测试。
⑧ 软件设计人员将通过回归测试的软件入库。
⑨ 测试人员编制测试报告。

2.3 软硬件集成测试模型

    综上所述，嵌入式软件的软硬件集成测试过程主要是在需求规格说明完成的情况下，结合通用的标准、规范以及接口控制文件，与软件设计同步，编写软硬件集成测试的《测试的计划》和《测试的说明》，经过*审后，把被测试软件加载到目标机上运行，以检测嵌入式软件与硬件配合完成系统功能、性能的质量。软硬件集成测试模型如图2所示。

图2 软硬件集成测试模型

3 、 过程的可行性验证

    为验证上述过程的可行性及测试模型的有效性，某嵌入式软件开发项目组在开发过程中按照此过程及模型进行了软硬件集成测试。

3.1 软硬件集成测试硬件平台

① 目标机处理器：ARM核LPC2294单片机。
② 目标机外围接口：ARINC429，RS422，离散量、模拟量等。
③ 目标机调试接口：JTAGH并口，RS232串口。
④ 宿主机调试环境：ADS1.2开发平台。
⑤ 宿主机平台：PC机（Windows XP系统）、并口、RS232串口。

3.2 软硬件集成测试过程

① 目标机上电、宿主机打开调试环境。
② 加载经过集成测试的嵌入式软件到目标机，并启动运行软件。
③ 根据*审完成的测试说明及测试计划进行软硬件集成测试。
④ 根据测试结果编写测试报告。

3.3 测试

    结论根据上述测试过程测试完成的软件，在交付使用后，至今只收到用户的3份轻微级缺陷报告，比没有经过软硬件集成测试即进行系统测试的软件，质量有较大提高，节省了大量的缺陷修正时间，提高了企业效益。

4、结论

    软硬件集成测试是保证嵌入式软件质量的关键一步，嵌入式软件测试已成为目前嵌入式应用领域的重要研究方向。从国内外对嵌入式软件测试的研究中，可以发现其大多着重关注嵌入式软件的调试工作，而鲜见系统的对软硬件集成测试的研究。随着嵌入式软件规模应用的加大、质量保证要求的提高，对嵌入式软件的测试要求显然已经不能停留于仅仅通过调试就可以了，必然需要有更加全面的、系统化的测试过程。论文根据软硬件集成测试方面的经验，总结提出了软硬件集成测试的流程及模型，希望能够对嵌入式软件测试的研究提供帮助。