許 福

金茂忠 劉 輝 陳 琦

(北京林業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京100083)

(北京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100191)

嵌入式軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、交通管控等領(lǐng)域.可靠性是這類軟件的重要指標(biāo)，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障，往往會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失，2011年“7·23”甬溫線特別重大鐵路交通事故就是典型例子［1］.因此，必須對(duì)這類軟件執(zhí)行嚴(yán)格的、有效的測(cè)試.按實(shí)現(xiàn)方式不同，可將嵌入式測(cè)試工具分為3類.

1)純硬件形式.常見的有在線仿真器［2］和邏輯分析儀［3］.在線仿真器可以完全仿真目標(biāo)芯片的行為，準(zhǔn)確度高，運(yùn)行速度快，但工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴.邏輯分析儀通過監(jiān)控和采樣總線數(shù)據(jù)執(zhí)行測(cè)試，完備性受限于采樣頻率，而提高采樣頻率則會(huì)大幅提高成本.基于硬件的測(cè)試工具通常用于計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)和測(cè)試，很少用于嵌入式軟件的測(cè)試.

2)純軟件形式.包括插樁［4］和軟件仿真［5］兩種典型方法.插樁向被測(cè)程序的特定位置插入探針，據(jù)此獲得程序的運(yùn)行信息.優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是改變了被測(cè)程序，無法得到被測(cè)程序的精確執(zhí)行軌跡和執(zhí)行時(shí)間.軟件仿真通過構(gòu)建目標(biāo)機(jī)的虛擬仿真環(huán)境，在宿主機(jī)上加載待測(cè)程序執(zhí)行測(cè)試(目標(biāo)機(jī)指嵌入式軟件的運(yùn)行環(huán)境，宿主機(jī)指嵌入式軟件的開發(fā)環(huán)境，下同).優(yōu)點(diǎn)是可獲得待測(cè)程序的精確執(zhí)行軌跡，缺點(diǎn)是速度較慢.

3)軟硬結(jié)合形式.綜合了純硬件和純軟件形式的特點(diǎn)，代表工具是 CodeTEST［6］.測(cè)試環(huán)境接近于真實(shí)環(huán)境，準(zhǔn)確性較高.缺點(diǎn)是硬件依賴性強(qiáng)，靈活性及可移植性差，成本昂貴.

理論上講，嵌入式軟件測(cè)試應(yīng)在目標(biāo)機(jī)進(jìn)行，畢竟軟件最終運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上.但嵌入式系統(tǒng)多采用軟硬件協(xié)同開發(fā)，在軟件開發(fā)過程中，目標(biāo)機(jī)環(huán)境很有限，甚至不可用，無法滿足軟件測(cè)試的需要.此外，由于目標(biāo)機(jī)的專用性，目標(biāo)機(jī)下的測(cè)試工具比宿主機(jī)下的同類工具往往昂貴得多.考慮到上述因素，應(yīng)將盡可能多的測(cè)試工作放在宿主機(jī)進(jìn)行.但由于體系結(jié)構(gòu)的差異，目標(biāo)機(jī)軟件一般不能在宿主機(jī)直接運(yùn)行，這就需要建立目標(biāo)機(jī)的仿真環(huán)境，即通過軟件仿真進(jìn)行測(cè)試.

軟件仿真是一種經(jīng)濟(jì)靈活的測(cè)試策略，可在沒有目標(biāo)機(jī)硬件的情況下測(cè)試，準(zhǔn)確性高，可以獲取精確的運(yùn)行時(shí)間，能靈活控制程序的運(yùn)行狀態(tài).采用軟件仿真測(cè)試也可以避免將程序燒錄到目標(biāo)機(jī)ROM造成的測(cè)試?yán)щy，降低開發(fā)成本.

1 當(dāng)前嵌入式測(cè)試工具的不足

不少嵌入式測(cè)試工具采用軟件仿真測(cè)試［7－8］.傳統(tǒng)仿真工具的測(cè)試流程是:編譯獲得被測(cè)程序的可執(zhí)行程序，加載到仿真器運(yùn)行，獲得測(cè)試結(jié)果.這些工具對(duì)集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試支持較好，對(duì)單元測(cè)試的支持不佳.

例1 對(duì)圖1中AD21060芯片［9］的匯編代碼進(jìn)行單元測(cè)試時(shí)，若sub1(第7行)和sub2(第9行)未定義，必須用AD21060匯編語(yǔ)言編寫樁函數(shù)［10］.類似地，若被測(cè)單元引用了外部變量，也需要在被測(cè)源程序中聲明.否則，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)，不能生成可執(zhí)行程序，從而無法加載到仿真器測(cè)試.

圖1 AD21060匯編代碼片段

通過例1可得到以下結(jié)論:①單元測(cè)試時(shí)很多模塊尚未編寫完畢，若采用傳統(tǒng)的嵌入式軟件測(cè)試方法，需要編寫大量的樁函數(shù)，工作量大.②測(cè)試者需熟悉嵌入式軟件的開發(fā)語(yǔ)言，這樣才能編寫樁函數(shù).軟件開發(fā)者通常會(huì)參與單元測(cè)試，這類人員可滿足要求.但為提高軟件質(zhì)量，一般需安排專門的測(cè)試人員測(cè)試.嵌入式開發(fā)通常采用匯編等底層語(yǔ)言，種類繁多且較難學(xué)習(xí)，對(duì)測(cè)試者要求較高.③修改樁函數(shù)和外部變量后，需重新編譯生成可執(zhí)行程序，重新加載到仿真器測(cè)試.每做一點(diǎn)修改，均需重復(fù)上述步驟，測(cè)試過程繁瑣.④測(cè)試的針對(duì)性不強(qiáng)，只能加載整個(gè)可執(zhí)行程序測(cè)試，無法針對(duì)特定的關(guān)注單元測(cè)試.

以航天某院為例，盡管購(gòu)置了CodeTEST［6］和Logiscope［11］等昂貴的測(cè)試工具，但上述測(cè)試問題仍非常突出，其它工具也普遍存在類似的局限性.本文介紹了一種新的嵌入式軟件測(cè)試方法，可以彌補(bǔ)上述不足.其特色和創(chuàng)新體現(xiàn)在3方面:

1)通過自行構(gòu)建鏈接器，而不采用缺省的鏈接器完成鏈接，生成“內(nèi)存映像”(此處的“內(nèi)存映像”與可執(zhí)行程序類似，但并不完全一致，本文采用該術(shù)語(yǔ)以區(qū)分二者)，可在程序代碼不完備的情況下執(zhí)行測(cè)試，能更好地支持單元測(cè)試.

2)構(gòu)建軟件仿真器，加載內(nèi)存映像測(cè)試.除具備傳統(tǒng)仿真測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)外，還增加了交互式腳本處理能力，運(yùn)行過程中可直接修改樁函數(shù)和變量，無需頻繁地編譯、加載，測(cè)試更加便捷.普通測(cè)試人員可以通過高級(jí)腳本語(yǔ)言編寫測(cè)試用例，無需精通嵌入式平臺(tái)的專用開發(fā)語(yǔ)言.

3)能對(duì)指定的關(guān)注單元進(jìn)行測(cè)試，支持設(shè)定源代碼斷點(diǎn)，支持設(shè)定仿真的起止范圍，測(cè)試更有針對(duì)性，測(cè)試效率較高.

2 基于仿真器的嵌入式測(cè)試平臺(tái)

圖2給出了本文開發(fā)的測(cè)試平臺(tái)SimAD的測(cè)試流程圖.其測(cè)試流程如下:

1)編譯被測(cè)程序生成目標(biāo)文件(x86平臺(tái)的.obj文件就屬于典型的目標(biāo)文件)和鏈接描述文件(LDF，Link Description File).

2)利用自行構(gòu)建的鏈接器分析目標(biāo)文件和庫(kù)文件，提取符號(hào)表、數(shù)據(jù)段、代碼段、可重定位段、行號(hào)信息等，按照LDF文件的說明進(jìn)行鏈接，生成內(nèi)存映像、總符號(hào)表和行號(hào)信息表.

3)將內(nèi)存映像加載到仿真器測(cè)試.測(cè)試過程中，可以修改內(nèi)存變量、寄存器值、樁函數(shù)等.結(jié)合測(cè)試用例注入，可實(shí)現(xiàn)單元測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試.

2.1 鏈接器構(gòu)造

鏈接器根據(jù)LDF文件的說明，提取并拼裝目標(biāo)文件中的各個(gè)段，得到內(nèi)存映像、符號(hào)表和行號(hào)信息表(圖3).其中，內(nèi)存映像和可執(zhí)行程序功能類似;符號(hào)表定義了各個(gè)符號(hào)(包括函數(shù)、變量、標(biāo)號(hào)等)的名稱、地址、文件、作用域等信息;行號(hào)信息定義了源文件中行號(hào)與內(nèi)存映像中地址的映射關(guān)系.關(guān)于行號(hào)信息的更多介紹，請(qǐng)參考2.3節(jié).

圖3 鏈接過程示意圖

目標(biāo)文件中的未定義符號(hào)在鏈接時(shí)會(huì)以UNDEF標(biāo)記，只分析本文件無法解析，需要進(jìn)一步分析其它文件.如果在所有文件中都沒有找到該符號(hào)，該符號(hào)就無法解析，使用標(biāo)準(zhǔn)的鏈接器無法鏈接，不能生成可執(zhí)行程序進(jìn)行仿真測(cè)試.

SimAD自行設(shè)計(jì)了鏈接器，可以有效控制鏈接過程.對(duì)于未定義符號(hào)，自動(dòng)分配特殊的內(nèi)存地址，使得這些符號(hào)可以通過“解析”，進(jìn)而構(gòu)造可被仿真器執(zhí)行的內(nèi)存映像.這是實(shí)現(xiàn)本文測(cè)試方法的關(guān)鍵所在.這樣的設(shè)計(jì)思路有以下優(yōu)點(diǎn):

1)單元測(cè)試時(shí)很多模塊不完備，可避免使用嵌入式開發(fā)語(yǔ)言編寫大量樁函數(shù).即使存在未定義符號(hào)，也可以正常鏈接，提升了測(cè)試效率.

2)仿真器執(zhí)行時(shí)可以檢測(cè)到未定義符號(hào)，并檢查是否定義了樁函數(shù)或者進(jìn)行了變量賦值.這樣，就把樁函數(shù)和外部變量的綁定由編譯期調(diào)整到了運(yùn)行期.這帶來了2個(gè)好處:①可通過腳本語(yǔ)言設(shè)計(jì)樁函數(shù)，進(jìn)行變量賦值，避免了學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)語(yǔ)言的代價(jià).②可實(shí)現(xiàn)交互式的樁函數(shù)聲明和變量賦值，避免了傳統(tǒng)的“修改樁函數(shù)和外部變量→編譯→加載運(yùn)行”的繁瑣測(cè)試流程.

2.2 仿真器實(shí)現(xiàn)

仿真器完成對(duì)目標(biāo)機(jī)的模擬，其基本特征是行為等價(jià)，注重對(duì)目標(biāo)機(jī)行為功能的仿真，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的仿真要求不高.重點(diǎn)關(guān)注:真實(shí)性、全面性、運(yùn)行速度、通用性和可擴(kuò)展性等指標(biāo).

SimAD仿真器實(shí)現(xiàn)了以下模擬:①譯碼，包括運(yùn)算指令譯碼、移位指令譯碼、地址寄存器譯碼、通用寄存器譯碼等;②運(yùn)算模擬，包括加法器模擬、乘法器模擬及移位器模擬;③控制流處理，包括中斷、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、調(diào)用等;④地址產(chǎn)生模擬;⑤內(nèi)存訪問模擬;⑥I/O模擬，包括外部?jī)?nèi)存方式和串口DMA方式;⑦定時(shí)器模擬.

在實(shí)現(xiàn)功能模擬的同時(shí)，仿真器還提供了測(cè)試接口和外部交互接口，包括內(nèi)存映像的加載接口、內(nèi)存和寄存器的查看/修改接口、樁函數(shù)的設(shè)定/修改接口、數(shù)據(jù)的輸入/輸出接口等.

對(duì)單元測(cè)試的良好支持是SimAD仿真器的特色之一.單元測(cè)試中不可避免會(huì)用到樁函數(shù)，仿真器提供了setstub樁函數(shù)設(shè)置接口.設(shè)置樁函數(shù)后，仿真器查詢其內(nèi)存地址，連同函數(shù)名一并保存到樁函數(shù)表中.在運(yùn)行過程中，仿真器檢查調(diào)用的函數(shù)名是否存在于樁函數(shù)表中，若存在則不執(zhí)行內(nèi)存映像中的函數(shù)代碼，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行測(cè)試腳本中設(shè)定的樁函數(shù).為了便于理解上述過程，請(qǐng)參考例2.

例2 圖4是一個(gè)SimAD測(cè)試腳本示例.其中，第11～13行代碼將函數(shù)set1，set2和add3設(shè)為樁函數(shù)，第19行啟動(dòng)仿真器.仿真器遇到樁函數(shù)時(shí)會(huì)暫停運(yùn)行，并返回一個(gè)特定值.第20行將返回值保存在result中.第22～33行通過仿真器的getstub命令查詢遇到了哪個(gè)樁函數(shù)，并執(zhí)行樁函數(shù)對(duì)應(yīng)的測(cè)試腳本.假設(shè)仿真器遇到了set1樁函數(shù)，則執(zhí)行第24～25行，即輸出“set1”字符串，并將寄存器R1的值設(shè)為6.

圖4 樁函數(shù)實(shí)例

2.3 對(duì)關(guān)注單元的測(cè)試

對(duì)關(guān)注單元的測(cè)試是SimAD仿真器的另一個(gè)特色，通過2種手段實(shí)現(xiàn).

1)利用“set startaddr”和“set endaddr”設(shè)置仿真執(zhí)行的起止地址.考慮到直接輸入地址不方便，可通過“getsymaddr”查詢符號(hào)的實(shí)際地址.比如，圖4中的第16～17行，將標(biāo)號(hào)為“start”和“end”間的代碼設(shè)置為仿真運(yùn)行代碼.

2)為仿真器添加斷點(diǎn)運(yùn)行機(jī)制.實(shí)現(xiàn)該功能需要獲取源程序中語(yǔ)句行與內(nèi)存映像中指令地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為行號(hào)信息.

SimAD 仿真 AD21060［9］芯片，其目標(biāo)文件格式是 ELF［12］，行號(hào)格式是 DWARF［13］，保存在目標(biāo)文件的.debug_line段中.通過分析該段，可解析出源程序行號(hào)和指令地址的映射關(guān)系.仿真器運(yùn)行時(shí)，檢查執(zhí)行的指令地址處是否設(shè)置了斷點(diǎn).若設(shè)置了斷點(diǎn)，暫停仿真，顯示被測(cè)單元的詳細(xì)信息，如寄存器值、內(nèi)存變量值等.

借助行號(hào)信息，還可以支持動(dòng)態(tài)測(cè)試.仿真器可以記錄執(zhí)行過的指令地址，通過查詢地址與源碼行的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可計(jì)算出覆蓋了哪些代碼行，進(jìn)而計(jì)算出語(yǔ)句覆蓋率.語(yǔ)句覆蓋率是單元測(cè)試的重要指標(biāo).對(duì)于嵌入式應(yīng)用，尤其是高可靠性的嵌入式應(yīng)用，一般要求語(yǔ)句覆蓋率達(dá)到100%.

圖5為某次仿真后的語(yǔ)句覆蓋率著色情況，其中已覆蓋的語(yǔ)句和未覆蓋的語(yǔ)句在軟件中會(huì)分別著色為綠色和紅色.為便于使用，SimAD可對(duì)單次仿真結(jié)果著色，也可以對(duì)多次仿真結(jié)果合并著色.

圖5 SimAD語(yǔ)句覆蓋率測(cè)試

3 SimAD測(cè)試工具介紹

本文方法已在SimAD測(cè)試工具中實(shí)現(xiàn).該工具目前支持AD21060和AD21020［9］2類芯片，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)測(cè)試.已實(shí)現(xiàn)的功能包括集成測(cè)試環(huán)境(圖6)、鏈接器、仿真器、測(cè)試腳本解釋執(zhí)行、測(cè)試報(bào)表生成等.

對(duì)測(cè)試腳本的良好支持是SimAD的特色.支持新建和保存測(cè)試腳本，雙擊運(yùn)行測(cè)試腳本(圖5中的右側(cè)窗口)，批量執(zhí)行測(cè)試腳本，從而提高了回歸測(cè)試［10］的執(zhí)行效率.SimAD還提供了控制臺(tái)交互窗口，支持在仿真過程中輸入交互式的測(cè)試命令，即時(shí)控制測(cè)試過程(圖7).

圖6 SimAD集成測(cè)試環(huán)境

圖7 交互式執(zhí)行測(cè)試命令

SimAD還支持其它測(cè)試功能，如語(yǔ)句覆蓋率報(bào)表、控制流著色、函數(shù)調(diào)用圖生成等，這些措施對(duì)提高測(cè)試效果也有裨益.

4 相關(guān)系統(tǒng)比較

在嵌入式軟件測(cè)試領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外使用較多的測(cè)試工具是 CodeTEST［6］和 Logiscope［11］.它們與SimAD的比較見表1.

3種工具中CodeTEST功能最強(qiáng).動(dòng)態(tài)內(nèi)存分析和性能分析是其主要特點(diǎn)，采用軟硬件結(jié)合形式實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)確度較高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴.使用CodeTEST必須具備目標(biāo)機(jī)硬件，必須生成執(zhí)行程序，對(duì)單元測(cè)試的支持不佳.

Logiscope主要用于軟件的質(zhì)量分析和測(cè)試，其突出特點(diǎn)是對(duì)軟件全生命周期的支持.采用插裝方式測(cè)試，對(duì)執(zhí)行速度和運(yùn)行結(jié)果會(huì)造成一定影響，無法獲得精確的執(zhí)行時(shí)間和運(yùn)行軌跡.

SimAD通過軟件仿真測(cè)試，不依賴目標(biāo)機(jī)硬件，自行構(gòu)造的鏈接器可處理未定義符號(hào)，可通過高級(jí)語(yǔ)言腳本編寫測(cè)試用例和樁函數(shù)，對(duì)單元測(cè)試的支持較好.

表1 常用嵌入式軟件測(cè)試工具與SimAD的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

目前的嵌入式軟件測(cè)試工具對(duì)單元測(cè)試的支持不佳，本文對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的解決思路，相關(guān)方法已在SimAD測(cè)試工具中實(shí)現(xiàn)，并在航天某院的項(xiàng)目測(cè)試中得到實(shí)際應(yīng)用.與成熟的嵌入式軟件測(cè)試工具相比，SimAD仍有很多地方需要完善.未來的主要工作包括:①完善仿真器和測(cè)試框架的接口，方便第三方仿真器接入，以支持更多的嵌入式平臺(tái)軟件測(cè)試;②針對(duì)COFF［14］和PE等常用目標(biāo)文件開發(fā)鏈接器，使之能分析鏈接多種平臺(tái)的目標(biāo)文件;③增加自動(dòng)生成測(cè)試腳本功能，目前純手工編寫腳本，使用不太方便;④增強(qiáng)覆蓋率分析，目前只支持語(yǔ)句覆蓋，需進(jìn)一步支持判定覆蓋、條件覆蓋等.

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