嵌入式操作系統快速測試系統設計
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摘要：當前嵌入式系統測試大多是對測試用例單獨編碼，通過仿真器逐一調試完成，效率較低。為提高嵌入式操作系統的測試效率，提出了一種通過在PC端界面操作快速編輯用例、目標板卡端統一的處理執行測試用例、簡潔高效的通訊報文、測試信息采集、測試用例可重用且支持快速保存導入、自動識別測試結果等功能軟件，實現嵌入式操作系統快捷高效的測試方法。解決現有嵌入式系統測試效率較慢的問題，有效地提高了測試效率和質量，減少因測試用例編碼錯誤而引起的測試錯誤。
關鍵詞：嵌入式系統；快速測試；界面編輯用例；自動識別；用例可重用
隨著科技的發展，芯片領域技術日新月異，嵌入式操作系統也迎來爆發式的發展。目前嵌入式操作系統廣泛應用于航空、電力、軌道交通等各個行業，不同廠家的嵌入式操作系統是否穩定可靠急需有效的測試檢測加以保證。傳統的測試手段，需要大量的測試編碼和調試，且由于操作系統結構復雜，測試用例屢屢出現編碼的失誤造成的測試失效的問題，效率低、測試結果可信度低，難以滿足當前環境下的測試需求。本文提供一種嵌入式操作系統快速測試方法及系統，通過在PC端界面操作、快速編輯測試用例、目標板卡端統一處理執行測試用例的方式，實現了嵌入式操作系統的快速測試。其中測試系統PC端與目標板卡端采用簡潔高效的通訊報文通訊，測試用例采用XML腳本實現測試用例的快速導入和保存功能，測試信息逐一采集，統一回收，并且能夠自動識別測試結果。測試系統免除了復雜的用例編碼過程，以及仿真器調試過程，有效地提高了測試效率，減少因用例編碼錯誤而引起的測試錯誤。
1測試系統框架設計
現有的軟件測試分為白盒測試以及黑盒測試，而白盒測試又分為靜態測試和動態測試［1］。本測試系統采用“白＋黑”的動態測試模式，即軟硬件結合的集成動態測試模式。測試系統硬件由嵌入式系統目標板卡、PC機、串口和網口線組成。測試系統軟件組成：目標板卡端：測試流程處理軟件、網口接收發送軟件、串口處理軟件、報文協議解幀軟件。PC機端：網口報文收發軟件、組幀軟件、用例編輯軟件、用例處理保存軟件、測試信息收集軟件。整體結構設計見圖1。測試系統具有以下特點：1）快速的測試用例編輯方法，通過PC端界面操作實現測試用例快速編輯。2）測試用例采用XML格式腳本，實現了測試用例快速保存、導入，以及測試結果與預期結果自動比對識別。3）統一穩定的處理流程。目標板卡端采用統一的處理流程，免除了由人工測試用例編碼失誤導致的測試問題。4）采用了簡潔而高效的通訊報文格式，實現測試用例注入解析處理，并且滿足多任務同步執行的測試需求。5）獨立處理的測試信息采集系統，逐一采集統一回收，減少由于測試信息收集對測試結果的干擾。
2目標板卡系統設計
常見的嵌入式操作系統由硬件CPU內核個數，可分為單核系統以及多核系統，為保證多核系統同步與互斥功能測試的有效性，以及測試的靈活性，測試系統采用了多任務用例設置。測試系統支持每一個用例多任務同步運行，每一個任務允許執行多個接口函數，滿足測試用例編輯的靈活性，保證測試的全面性。具體實現方法如下：首先，對目標操作系統各個接口函數做標準化、信息化封裝。把操作系統各個接口函數標準化命名封裝，不同操作系統在此處封裝后即可開展測試。封裝函數記錄系統函數參數，以及系統函數返回值等測試信息并保存，方便其它接口函數調用。其次，對上述封裝后的接口函數統一編號，編號作為接口函數唯一的識別標志。封裝后的函數參數統一為字符串指針，在函數內部解析該字符串對應系統接口各個參數，并加以判別，如有異常，記錄錯誤信息并返回。對封裝后的各個函數接口以函數指針的形式做函數指針數組。最后，把接收PC端的測試用例報文解析出來，對應創建各個線程，以及各個線程所執行的各個函數和參數，以字符串的形式分別傳遞給各個封裝后的接口函數，并且對應執行，把測試信息收集返回給PC端。
3報文協議設計
通信協議是通信系統的基礎，一個好的通信協議必須確保系統間信息傳輸的安全性、可靠性、迅速性［2］。因為測試系統采用PC端與目標板卡直連的方式，排除了其它源的干擾，所以簡潔、高效是本報文協議設計主要考慮的因素。為保證多任務用例同時運行，必須保證報文簡潔，解析高效快速，測試用例報文采用依賴TCP／IP數據流通訊協議的獨立的報文協議設計，達到快速組幀、快速解析的目的。報文設計包含測試用例所有信息，如報文頭、測試所需創建任務個數、任務編號、當前任務信息長度、當前任務執行函數接口個數、函數編號、函數參數、函數返回值、任務編號……以此類推直至包含所有用例信息。具體設計見表1。
4例編輯界面與用例腳本設計
界面設計也稱UI設計（UserInterface），通過有效的UI設計，能夠讓相關的軟件質量顯著提升，也能進一步提升軟件應用的便利性，提升操作的人性化設計［3］。測試系統界面設計采用VS2010加Qt工具開發設計，Qt圖形界面仿真包包含了非常成熟的圖形接口函數庫。采用Qt設計界面移植性強、易用性高并且運行速度快，有效降低后期運行維護成本。用例編輯界面設計優先考慮用例編輯的簡單易用性。測試系統采用測試用例動態創建、刪除、保存，用例任務動態創建等統一標準化的模式，減少操作的復雜性，使測試用例的編輯簡單而高效。測試用例任務中接口函數設置采用高度開放的自定義模式，滿足測試用例的個性化設計，并且開放了異常用例的用例編輯，使測試更具廣度和深度。測試用例中每一個執行函數都有預期結果判別，對函數返回值與預期結果作比對，實現部分用例的自動化測試。測試編輯界面見圖2：測試用例腳本采用XML設計，XML技術是一項將類型和結構置于信息上層的技術。XML可以用來結構化、存儲和傳輸數據。一個XML文檔就是一組具有一個或者多個命名屬性的結構信息項的集合。將XML與腳本相結合，使用XML作為測試腳本語言，可以利用XML的簡明性、平臺無關性以及大量第三方提供的XML分析、開發和驗證工具，高效、快捷地開發出易維護、易修改、可重用的腳本［4］。測試用例腳本按照整個測試流程設計，采用四級節點設計。以每一個用例為主節點，每一個任務為二級節點，每個任務中執行的函數為三級節點，每個函數的參數、返回值和預期結果為原子節點。采用四級節點設計用例腳本，使測試用例腳本的保存和讀取更加簡潔高效。測試用例腳本實例見圖3：
5測試用例設計和測試實例
測試用例設計，分為黑盒測試用例設計和白盒測試用例設計。黑盒測試用例設計又分為等價類劃分法、邊界值劃分法、錯誤推測法、因果圖法等，而白盒測試用例設計方法又分為邏輯覆蓋法和基本路徑覆蓋法，或者分為語句覆蓋、判定覆蓋、條件覆蓋方法。可以根據不同的測試需求采用不同的測試方法。我們以NucleusPLUS系統計數信號量接口測試為例，每一個系統調用都作為一個測試項，采用等價類劃分、邊界值等方法分別設計測試用例。將信號量看成一種資源，隨著信號量的創建、申請、釋放、刪除等事件的發生，信號量資源的狀態處于不斷的變化過程中，信號量狀態變化路徑是無窮盡的，從中提取出“基路徑”來設計測試用例。具體用例設計如下：1）用例設計兩個任務分別為任務A、任務B。2）任務A創建計數信號量M，申請計數信號量N，釋放計數信號量N，刪除計數信號量M。3）任務B創建計數信號量N，申請計數信號量M，釋放計數信號量M，刪除計數信號量N。用例執行過程見圖4：通過界面設計的測試用例，經報文組幀軟件組幀后，通過網口下發給目標板卡系統端。上述測試用例組幀后的報文見表2。測試用例通過測試系統解幀執行，最終把測試信息返回至PC端軟件，結果見圖5。與傳統測試用例編輯相比，測試系統的測試效率至少提高了五倍，并且避免了由于測試用例編碼失誤造成的測試失效等問題。在保障測試質量的同時，大大提升了測試效率。
6結束語
嵌入式操作系統一般具有實時性強、外部交互復雜、依賴特定硬件平臺、系統資源貧乏等特點，這些特點導致嵌入式軟件測試難度較大，測試手段比較特殊，使測試工作面臨很大的挑戰［5］。本文介紹了一種嵌入式操作系統快速測試的設計和實現，包括測試用例的快速編輯、保存以及部分功能的自動測試，但是仍有一些不足，例如如何精確掌控每一個任務執行的時間點等。
參考文獻:
［1］張瑋．淺析白盒測試和黑盒測試［J］．無線互聯科技，2013（6）：136
［2］鄭璇．“UI設計”課程教學內容和課程體系改革研究［J］．科教文匯（中旬刊），2019（10）：96－97
［3］何歡，徐中偉，喻鋼，等．基于XML的安全苛求系統測試腳本生成［J］．計算機應用，2011，31（1）：281－285
［4］席光清，馮漢華，許曉鳴，等．一個電力系統通信協議仿真器的設計［J］．微計算機信息，1997（1）：15－18
［5］張建偉，葉東升．嵌入式系統測試的發展［J］．單片機與嵌入式系統應用，2011，11（2）：5－7
作者:王振 張超永 李亞爽 劉靜靜 李國杰 韓悅 單位:許繼電氣股份有限公司
