1 概述

軟件測試是很廣的概念。從其貫穿軟件生命周期全過程來看，測試可分為模塊測試、集成測試、系統測試等階段。測試還可分為靜態檢查和動態運行測試兩大類。在動態運行測試中，又可有基于程序結構的白盒測試（或稱為覆蓋測試）和基于功能的黑盒測試。測試不僅關注程序的功能，還有性有測試、強度測試等等。

要達到比較好的測試效果，除了要有周全的測試計劃、可控的測試過程、測試人員豐富的經驗外，還需要借助一些行之有效的輔助工具，尤其在當今軟件規模日益龐大、測試工作量成倍增加的情況下。對應上述的測試分類情況，測試工具可劃分為：支持對程序源代碼進行靜態規則檢查和質量評估的靜態分析工具、支持對程序單元進行動態覆蓋測試的工具、對軟件系統的整體運行性能進行測試的工具。另外，還有一些特殊用途的或專用工具，如協議測試儀、內存檢測工具等。這些工具都有較為成熟的商業化產品，也可通過自行開發的方式獲得。

本文具體討論了對一類特殊的系統軟件——嵌入式實時操作系統——進行覆蓋測試的情況。內容涉及對這類軟件特性的研究、測試的難點和特點、對現有測試工具的適應性改造和測試實例說明。

2 軟件覆蓋測試

覆蓋是一種白盒測試方法，測試人員必須擁有程序的規格說明和程序清單，以程序的內部結構為基礎，來設計測試案例。其基本準則是則測試案例來盡可能多地覆蓋程序的內部邏輯結構，發現其中的錯誤和問題。所以，覆蓋測試一般應用在軟件測試的早期，即單元測試階段。

覆蓋的幾種方法或策略如表1所列。

從以上簡要介紹可看出，這幾種覆蓋策略的嚴格程序有如下趨勢：其它一些覆蓋策略還包括：修改的條件/判斷覆蓋（通常簡稱為MCDC）、路徑覆蓋、函數覆蓋、調用覆蓋、線性代碼順序和跳轉覆蓋、數據流覆蓋、目標代碼分支覆蓋、循環覆蓋、關系操作符覆蓋等。隨著軟件規模的增長，實現全面的覆蓋所需的測試案例的數目也越來越龐大，因此根據被測軟件對象的特點選擇適當的覆蓋策略是非常重要的；同時，要確定合理測試目標，達到100%的覆蓋往往要付出很大的代價，應該同形式化評審等方法結合，以發現更多的軟件故障。

3 覆蓋測試工具

要取得較好的覆蓋測試效果，需要借助一定的工具軟件。這些工具軟件一般具備如下的功能特點，可彌補人為測試的缺陷：

①分析軟件內部結構，幫助制定覆蓋策略及設計測試案例；

②與適當的編譯器結合，對被測軟件實施自動插裝，以便在其運行過程中生成覆蓋信息并收集這些信息；

③根據搜集的覆蓋信息計算覆蓋率，幫助測試人員找到未被覆蓋的軟件部位，以改進測試案例提高覆蓋率。

在利用工具進行動態覆蓋測試時，需要3個要素：測試用例、插裝過的被測代碼、搜集覆蓋信息并進行分析的工具本身。代碼插裝由工具自動完成，通過執行測試用例，再由工具搜集覆蓋信息并進行分析，就可以看到覆蓋率指標了。

4 嵌入式軟件的覆蓋測試原理

嵌入式軟件的開發與通用軟件很大的不同點在于，需要采用交叉開發的方式：開發工具運行在軟硬件配置豐富的宿主機上，而嵌入式應用程序運行在軟硬件資源相對缺乏的目標機上。對于這類軟件的測試也存在著同樣的問題：測試工具運行在宿主機上，測試所需要的信息在目標機上產生，并通過一定的物理/邏輯連接傳輸到縮主機上，由測試工具接收。因此，嵌入式軟件測試的一個重要問題是建立宿主機與目標機之間的物理/邏輯連接，解決數據信息的傳輸問題。

在目標機方，插裝過的被測應用程序將覆蓋信息發送到消息隊列中，一個專門的任務負責在適當的時候將這些信息發送到宿主機方。縮主機方有專門的模塊負責接收覆蓋信息。并交給分析工具分析和在線動態顯示覆蓋率的增長情況。

支持嵌入式軟件覆蓋測試的工具應解決如下2方面的關鍵問題：

*與嵌入式操作系統的結合覆蓋測試工具與嵌入式操作系統的結合體現在3方面。首先，在目標機方，應用任務與專門負責收集/上傳覆蓋信息的任務是通過消息隊列來傳遞數據的，該消息隊列可使用嵌入式操作系統的相應機制實現。其次，這個專門任務也可以被看作一個特殊的應用任務，也必須有嵌入式操作系統的支持，因為任務管理是后者的基本功能之一。最后，目標機與宿主機之間的通信可以采用串口或以太網方式，對串口的驅動或網絡協議均可使用嵌入式操作系統的相應程序組件。

*與其它嵌入式交叉開發工具的關系

嵌入式應用程序的開發通常采用交叉開發方式，幾乎所有的開發工具均要解決3部分的問題：宿主機部分的功能、目標機部分的功能、宿主機與目標機的連接問題。其中，宿主機與目標機的連接是個瓶頸，如果不同的工具要使用同一物理線路實現數據傳輸，則要解決對該物理線路（或者說硬件端口）的正確共享。比如在圖3所示的環境中，宿主機方的各種工具通過統一的接口——目標服務器（target server）實現對通信線路的訪問，目標機方的調試代理（debug agent）則是各種信息（調試信息、覆蓋信息、時間信息、對象信息等）的收集與傳遞的核心。

5 Logiscope在嵌入式操作系統DeltaCORE測試中的應用

Logiscope是Verilog公司的CASE產品，對軟件的編碼、測試、維護提供多方面的服務，并且支持嵌入式軟件的覆蓋測試。

5.1 測試前的準備

測試前的準備即為支持對DeltaCORE的測試所做的移植工作。

目前，Logiscope已經為一些成熟的商用嵌入式操作系統提供了支持，比如pSOS。DeltaCORE是我國自主開發的嵌入式強實時操作系統內核，為了利用Logiscope實現對DeltaCORE的應用程序乃至DeltaCORE本身的測試，我們主要解決了第4節中描述的第1個關鍵問題。為了支持嵌入式程序的測試，Logiscope提供了運行在目標機方的程序代碼（或稱為目標機端的支持庫），里面包含了：

*1個用來收集和發送覆蓋信息的主循環線程，該線程即是嵌入式應用中的特殊任務；

*實現具體數據傳輸的函數，包括對串口或網絡的驅動，它們將被上述線程調用；

*插裝函數的實現，這些函數被被測代碼調用，向緩沖中放入覆蓋消息塊；

*對緩沖信息隊列的管理；

*初始化代碼。

例如，當被測程序運行進入到一條if（……）語句時，整個過程如圖4所示。

為了支持對DeltaCORE的測試，將與這些機制相關的代碼進行移植，包括以下幾方面：

*將收集和發送覆蓋信息的主循環線程作為在目標機端運行的應用程序中的特殊任務；

*對串口的驅動采用LambdaTOOL BSP（板級支持包）中的串口驅動代替，對網絡的驅動，用DeltaCORE的配套組件DeltaNET中的驅動程序實現；

*利用DeltaCORE的信箱機制實現消息隊列的創建和管理，插裝代碼向這些信箱發送覆蓋消息塊；

*在DetaCORE應用程序的根任務中調用Logiscope的初始化函數，達到創建特殊任務信箱的目的。

開發DeltaCORE應用程序時，我們使用了其配套開發工具LambdaTOOL。由于所使用的工具版本沒有實現目標服務器（target server）的調試方式，因此對物理端口的使用采用的獨占方式，即調試工具不能與其它工具共享同一端口。我們可以用網絡試上載并啟動目標應用程序，而通過串口傳送覆蓋信息。

5.2 對DeltaCORE的覆蓋測試過程及結果

對于函數內部，Logiscope支持的覆蓋策略有：

*指令塊IBs（Instruction Blocks）

*判斷到判斷的路徑DDPs（Decision-to-Decision Paths）

*MCDC（Modified Condition/Decision）

在項目層次上支持的覆蓋策略是：

*過程到過程路徑PPP（Procedure-to-Procedure Path）

在DeltaCORE的測試中，我們采用了較為常用的覆蓋策略——判斷到判斷的路徑，其含義是：DDP是一個指令序列，它的起點是函數或判斷（if，while，……）的入口點，它的出口是下一個函數或判斷的退出點，之間不能再有判斷。測試的具體過程是：

①利用插裝分析器對DeltaCORE的源代碼進行插裝，并生成插裝信息文件。

②將移植后的Logiscope目標機端程序與插裝后的內核源代碼一同編譯鏈接成庫，以替代原來的內核庫，供應用程序使用。

③編寫測試案例，從實現應用的角度使用DeltaCORE的各種系統功能調用，力求遍歷內核函數所有的判定分支，并將這些案例編譯成可執行程序。

④在宿主機端啟動覆蓋信息收集和分析程序，用LambdaTOOL的調試器下載并啟動應用程序。DeltaCORE的覆蓋信息被傳遞到宿主機上，分析程序動態顯示覆蓋率的增長情況，并將這些信息記錄在一個文件中。

⑤應用程序執行完畢后，啟動Logiscope的事后分析工具，將覆蓋信息記錄文件與插裝信息文件（在源代碼插裝在生成的附屬文件）進行比較，幫助測試人員清晰地了解每個被測函數內部的路徑覆蓋情況，借此可為測試案例的改進提供幫助。

⑥測試人員修改測試案例，并重新進行整個測試過程；各項測試的結果可以疊加，覆蓋率將得到增長。

經過2個多月的時間，我們對DeltaCORE 1.1版本79個文件共計115個函數進行了覆蓋測試，覆蓋率已經達到了70.55%。編寫測試用例89個，主要的60個API函數均已獲得較高的覆蓋，覆蓋率達100%的約占51.3%。

6 小結

我們借助Logiscope工具對嵌入式實時操作系統DeltaCORE進行了覆蓋測試，達到了較好的覆蓋率；發現并處理了一些缺陷，提高了軟件的質量和可靠性，但同時也存在不足之處：

①測試應好好規劃，包括測試順序的選擇、測試案例的設計、測試文檔的管理等等。

②由于該測試手段依賴于操作系統的有關機制，而被測對象又是操作系統本身，因此與這些機制有關的部分代碼未被插裝和測試，否則就會出錯。比如，操作系統的初始化函數os_init，在這個函數運行完畢之前，操作系統的相應機制尚未建立起來，因此對它進行插裝就會造成問題，不能正確地得到覆蓋信息。又比如，出于效率方面的考慮，與系統時鐘相關的部分函數未被插裝，因為在程序運行過程中，時鐘是最頻繁產生的一種外部事件，如果插裝，就會產生大量的覆蓋信息，會對信息緩存、傳遞、收集和處理造成壓力。另外，所用的工具不支持對匯編函數的插裝和測試。綜合上述各種原因，DeltaCORE 1.1的總體覆蓋率還顯得比較低，需要采用其它的方法來提高它。對于非操作系統組件及應用的測試，由于不存在操作系統本身的問題，因此可望達到較高的覆蓋率。

③該方法不能用于時間性能測試。因此它屬于純軟件的測試方式，大量數據信息的產生、傳遞與收集對被測程序的干擾大，只能做白盒性的功能結構驗證。如果做性能測試，應采用某些軟硬結合方式的工具，比如CodeTEST。

對嵌入式軟件產品的測試是多方面的，除覆蓋測試外，還有時間性能測試、內存使用測試與分析等，也是我們研究的重要課題

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