王 泉

（中國(guó)航空西安軟件測(cè)評(píng)中心，陜西 西安710068）

0 引 言

隨著軟件工程化的不斷推進(jìn)和用戶對(duì)軟件質(zhì)量要求的日趨嚴(yán)格，軟件測(cè)試作為軟件質(zhì)量保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正受到越來越多的重視。目前國(guó)內(nèi)已產(chǎn)生通過GJB2725A資質(zhì)認(rèn)可的軍用軟件測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)室，借助各自的測(cè)試技術(shù)和方法，開展各種級(jí)別的測(cè)試工作，發(fā)現(xiàn)并摒除軟件缺陷，提升軍用軟件質(zhì)量。

嵌入式軟件通常為嵌入式系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、開發(fā)工具昂貴、軟硬件聯(lián)系緊密、CPU種類繁多等特性。嵌入式軟件的特性決定了嵌入式軟件測(cè)試是軟件測(cè)試的難點(diǎn)和重點(diǎn)，引發(fā)了眾多測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行研究［1－2］。軟件單元測(cè)試是驗(yàn)證軟件正確性的最基本測(cè)試類型，但針對(duì)嵌入式軟件的單元測(cè)試，各軟件開發(fā)單位或測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)方法各異［3－5］，未形成一種統(tǒng)一規(guī)范的測(cè)評(píng)方法。

本文作者以某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式軟件測(cè)試為原型項(xiàng)目，在以往單元測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于Tornado開發(fā)環(huán)境的嵌入式軟件單元測(cè)試方法。該方法借助Testbed自動(dòng)測(cè)試工具及Tbconfig，基于Tornado編譯環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)單元測(cè)試，消除了測(cè)試環(huán)境造成的差異性；采用黑/白盒結(jié)合的隔離單元測(cè)試技術(shù)；使用TbrunReporter輔助工具定制測(cè)試報(bào)告模板，大幅提高了測(cè)試效率。該方法最終作為一種通用且規(guī)范性的嵌入式軟件單元測(cè)試方法在所在測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)加以推廣使用。

1 單元測(cè)試基本理論

單元測(cè)試作為系統(tǒng)開發(fā)過程中要進(jìn)行的最低級(jí)別的測(cè)試活動(dòng)，集中對(duì)源代碼實(shí)現(xiàn)的每一個(gè)程序單元進(jìn)行測(cè)試，檢查各程序單元是否正確實(shí)現(xiàn)了軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔規(guī)定的功能、性能、接口和其他設(shè)計(jì)約束要求，發(fā)現(xiàn)函數(shù)單元可能存在的錯(cuò)誤［6］。進(jìn)行單元測(cè)試的必要性在于：①單元級(jí)測(cè)試易于發(fā)現(xiàn)程序錯(cuò)誤與缺陷；②易于達(dá)到完全代碼覆蓋率；③減少軟件測(cè)試費(fèi)用與開發(fā)時(shí)間。

1.1 單元測(cè)試基本方法

單元測(cè)試的兩種主要方法是黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試。黑盒測(cè)試又稱為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試，測(cè)試目標(biāo)與程序內(nèi)部機(jī)制和結(jié)構(gòu)完全無關(guān)，而是將重點(diǎn)放在發(fā)現(xiàn)程序不按其規(guī)范正確運(yùn)行的環(huán)境條件；白盒測(cè)試稱為邏輯驅(qū)動(dòng)的測(cè)試，它依賴于對(duì)程序細(xì)節(jié)的嚴(yán)密檢驗(yàn)，針對(duì)特定條件設(shè)計(jì)測(cè)試用例，對(duì)程序的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查［7］。黑、白盒測(cè)試各有優(yōu)缺點(diǎn)，在軟件測(cè)試時(shí)需把兩者結(jié)合起來應(yīng)用。

1.2 單元測(cè)試模型

單元函數(shù)不能獨(dú)立運(yùn)行，需構(gòu)造一個(gè)運(yùn)行環(huán)境才能完成測(cè)試。單元測(cè)試模型如圖1所示，由驅(qū)動(dòng)函數(shù)、被測(cè)試單元函數(shù)和樁函數(shù)組成。

圖1 單元測(cè)試環(huán)境組成框架

驅(qū)動(dòng)函數(shù)是一個(gè)主函數(shù)，代替該單元的上級(jí)模塊，其作用是將測(cè)試用例數(shù)據(jù)傳送給被測(cè)單元、引導(dǎo)被測(cè)單元運(yùn)行并保存運(yùn)行結(jié)果；樁函數(shù)是一個(gè)構(gòu)造子函數(shù)，是用來替代被測(cè)單元調(diào)用的子函數(shù)，模擬從屬模塊與被測(cè)單元的函數(shù)調(diào)用或消息交互功能。

2 基于Tornado開發(fā)環(huán)境的嵌入式軟件單元測(cè)試方法

某嵌入式軟件測(cè)試項(xiàng)目，硬件采用PowerPC755處理器，開發(fā)環(huán)境為Tornado2.2，軟硬件聯(lián)系緊密、軟件單元眾多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試工作量巨大，時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求緊。根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目估算結(jié)果，如果按照通常的做法，很難在給定時(shí)間內(nèi)完成測(cè)試。為能在保證測(cè)試工作質(zhì)量的基礎(chǔ)上按時(shí)完成測(cè)試項(xiàng)目，必須要統(tǒng)一規(guī)范測(cè)試流程，簡(jiǎn)化測(cè)試過程，采用成熟的測(cè)試用例設(shè)計(jì)技術(shù)，提高測(cè)試工作的效率。筆者結(jié)合嵌入式軟件特點(diǎn)，提出了一種借助測(cè)試工具的規(guī)范化測(cè)試方法，優(yōu)化了測(cè)試流程、采用了與開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境一致的編譯和運(yùn)行環(huán)境，大大的提高了單元測(cè)試工作效率，保證了測(cè)試項(xiàng)目在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，且發(fā)現(xiàn)了不少軟件問題。

2.1 測(cè)試工具選擇

為節(jié)省單元測(cè)試過程中人工編寫測(cè)試驅(qū)動(dòng)和樁模塊的時(shí)間、使測(cè)試更加準(zhǔn)確高效、并取得滿意的覆蓋率測(cè)試效果，需借助專業(yè)的測(cè)試工具。目前各測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)使用不同的成熟測(cè)試工具（如CuttleITE［8］和Attol等）進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也在積極探索開發(fā)自主測(cè)試工具［9－10］。本文選擇了成熟的Testbed/Tbrun專業(yè)測(cè)試工具。該工具主要特性如下：

（1）分析軟件內(nèi)部程序流程和結(jié)構(gòu)，幫助制定覆蓋策略及設(shè)計(jì)測(cè)試用例；

（2）自動(dòng)與被測(cè)軟件的編譯器相結(jié)合，對(duì)被測(cè)軟件實(shí)施自動(dòng)插裝，并自動(dòng)收集這些插裝信息；

（3）自動(dòng)生成單元/模塊測(cè)試驅(qū)動(dòng)、樁模塊，提高軟件測(cè)試效率與可靠性；

（4）自動(dòng)完成測(cè)試過程，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試覆蓋率，根據(jù)搜集的插裝信息計(jì)算覆蓋率，幫助測(cè)試人員找到未被覆蓋的軟件部位，提供調(diào)整測(cè)試方案和優(yōu)化軟件測(cè)試的必要信息。

借助Testbed測(cè)試工具，測(cè)試人員可將精力放在設(shè)計(jì)測(cè)試用例上，保證測(cè)試用例的完善性，進(jìn)而提高測(cè)試質(zhì)量和效率。

2.2 測(cè)試流程

基于Tornado開發(fā)環(huán)境的嵌入式軟件單元測(cè)試方法測(cè)試流程為：利用等價(jià)類劃分和邊界值分析技術(shù)，采取黑/白盒結(jié)合的測(cè)試方法，依據(jù)設(shè)計(jì)文檔和程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元測(cè)試用例，在Tornado環(huán)境下對(duì)被測(cè)軟件進(jìn)行靜態(tài)分析和源程序自動(dòng)插裝；生成、編譯、執(zhí)行測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序；分析預(yù)期輸出與實(shí)際輸出的一致性；獲得被測(cè)單元執(zhí)行完所有測(cè)試用例后的總覆蓋率文件；根據(jù)測(cè)試用例執(zhí)行結(jié)果確定測(cè)試是否滿足預(yù)期及軟件結(jié)構(gòu)覆蓋率情況，有效地發(fā)現(xiàn)軟件缺陷，并最終編寫單元測(cè)試報(bào)告。該測(cè)試方法流程圖如圖2所示。

2.3 測(cè)試特點(diǎn)

基于Tornado的嵌入式軟件單元測(cè)試方法具有以下特點(diǎn)：

（1）有效利用已有的Tornado開發(fā)環(huán)境資源，減少了測(cè)試環(huán)境構(gòu)造工作時(shí)間，同時(shí)消除了測(cè)試環(huán)境的差異性。

借助Testbed的單元測(cè)試中，測(cè)試人員為使用和調(diào)試的熟練便捷，通常會(huì)使用Testbed支持的基于主機(jī)的編譯環(huán)境（如VC＋＋6.0）進(jìn)行，這需耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)嵌入式軟件被測(cè)單元源代碼進(jìn)行移植，使其在主機(jī)環(huán)境下順利編譯和運(yùn)行，同時(shí)由于運(yùn)行環(huán)境與目標(biāo)環(huán)境存在差異，如某些數(shù)據(jù)類型定義不相同，會(huì)造成測(cè)試過程中產(chǎn)生非程序原因的錯(cuò)誤。為保證測(cè)試結(jié)果的正確性，測(cè)試人員需在測(cè)試報(bào)告中分析測(cè)試環(huán)境的差異及其造成的影響。而基于Tornado的嵌入式軟件單元測(cè)試方法借助Tbconfig輔助工具完成編譯環(huán)境配置，使嵌入式軟件單元測(cè)試的編譯環(huán)境與軟件開發(fā)環(huán)境完全一致，消除了運(yùn)行環(huán)境差異造成的測(cè)試影響。

圖2 基于Tornado開發(fā)環(huán)境的單元測(cè)試流程

（2）結(jié)合黑/白盒結(jié)合測(cè)試方法，大幅提高測(cè)試效率。

一般的單元測(cè)試僅采用白盒測(cè)試方法，根據(jù)程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，側(cè)重邏輯的路徑，造成測(cè)試不充分和完善，而黑盒測(cè)試僅將重點(diǎn)放在發(fā)現(xiàn)程序不按其規(guī)范正確運(yùn)行的環(huán)境條件。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，基于Tornado的嵌入式軟件單元測(cè)試方法選取將二者結(jié)合的測(cè)試方法，同時(shí)兼顧軟件文檔和程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可使測(cè)試更加充分完善，獲得較好的測(cè)試覆蓋率。

同時(shí)，由于某嵌入式軟件每個(gè)c文件包括大量程序單元，以往的單元測(cè)試常以函數(shù)單元為單位，進(jìn)行代碼編譯和必要修改［11］后進(jìn)行測(cè)試，產(chǎn)生眾多冗余工作量。而基于Tornado的嵌入式軟件單元測(cè)試以c文件為單位進(jìn)行編譯和代碼的必要修改，減少了冗余工作量。

（3）借助輔助工具來完成測(cè)試文檔編制工作，保證了測(cè)試報(bào)告的規(guī)范和客觀，提升了測(cè)試質(zhì)量和效率。

軟件測(cè)試需要采集測(cè)試用例數(shù)據(jù)作為測(cè)試報(bào)告的附件，包括測(cè)試用例設(shè)計(jì)者、用例標(biāo)識(shí)、測(cè)試目的、測(cè)試類型、測(cè)試輸入和預(yù)期輸出等信息，見表1。傳統(tǒng)單元測(cè)試中往往使用手工的方式完成填寫，當(dāng)測(cè)試單元結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)，輸入輸出參數(shù)數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)繁雜，填寫過程會(huì)耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，且容易造成填寫錯(cuò)誤和因個(gè)人填寫風(fēng)格不統(tǒng)一造成的不規(guī)范?；赥ornado的嵌入式軟件單元測(cè)試方法借助輔助工具，根據(jù)測(cè)試人員執(zhí)行測(cè)試后記錄測(cè)試信息的tcf文件，提取相關(guān)測(cè)試用例數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成單元測(cè)試報(bào)告附件，從而消除傳統(tǒng)手工生成測(cè)試報(bào)告造成的不規(guī)范性、易錯(cuò)性和耗時(shí)性。

表1 單元測(cè)試用例一覽表

2.4 測(cè)試關(guān)鍵步驟及實(shí)現(xiàn)

2.4.1 基于Tornado編譯、運(yùn)行環(huán)境的相關(guān)配置

要使用與實(shí)際開發(fā)環(huán)境相同的Tornado2.2編譯環(huán)境順利編譯、執(zhí)行嵌入式軟件測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行動(dòng)態(tài)單元測(cè)試，需完成以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

（1）借助Tbconfig輔助工具完成編譯環(huán)境配置。測(cè)試人員在安裝完Tornado2.2編譯環(huán)境的前提下運(yùn)行Tbconfig軟件，完成Testbed和Tornado的安裝位置信息、主機(jī)信息，選擇插裝模板等基本配置。

（2）根據(jù)Tornado開發(fā)環(huán)境中工程的具體編譯信息更改編譯命令。直接Tornado默認(rèn)的編譯命令進(jìn)行測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序的編譯，會(huì)出現(xiàn)許多編譯錯(cuò)誤，需使用編輯工具更改TBrun for Workbench的編譯命令文件vxsim＿build.bat，根據(jù)情況完成必要修改，定制適合于該嵌入式軟件的編譯指令使其完成正確編譯。如去除－ansi使編譯識(shí)別以“//”表示的單行注釋、去除－wall使編譯只保留錯(cuò)誤信息、在編譯命令結(jié)束處加入pause命令，以便編譯完成后測(cè)試人員在暫停的編譯界面窗口中查找編譯錯(cuò)誤。

（3）正確使用Tornado2.2的仿真模擬器。單元測(cè)試過程中無法及時(shí)提供測(cè)試運(yùn)行所需的真正目標(biāo)機(jī)及其操作系統(tǒng)，必須正確配置并開啟仿真模擬器并將其作為虛擬目標(biāo)機(jī)，將Testbed經(jīng)過Tornado2.2編譯鏈接后生成的測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序下載到仿真模擬器中運(yùn)行，即相當(dāng)于在真實(shí)的目標(biāo)機(jī)及其操作系統(tǒng)中運(yùn)行應(yīng)用測(cè)試程序、產(chǎn)生測(cè)試結(jié)果。

2.4.2 黑/白盒結(jié)合的單元隔離測(cè)試方法

為使測(cè)試更加充分完善，本文采取黑/白盒結(jié)合的單元隔離測(cè)試方法，其實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）采用黑/白盒結(jié)合的測(cè)試方法。測(cè)試人員需結(jié)合軟件需求文檔和程序內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息兩方面，設(shè)計(jì)測(cè)試用例，設(shè)置相關(guān)輸入變量、樁函數(shù)、輸出變量及其預(yù)期值，盡可能完成軟件需求和設(shè)計(jì)文檔中所有功能點(diǎn)的用例設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后運(yùn)行測(cè)試用例，獲取測(cè)試結(jié)果和軟件結(jié)構(gòu)覆蓋率信息。使用此方法彌補(bǔ)了黑盒或白盒單一測(cè)試方法的不足，在充分根據(jù)需求設(shè)計(jì)測(cè)試用例的同時(shí)獲得較好的測(cè)試覆蓋率信息。

（2）函數(shù)單元隔離測(cè)試，保證各單元測(cè)試獨(dú)立性。函數(shù)單元隔離的原理為：在測(cè)試人員以c文件為單位完成靜態(tài)分析、插裝代碼進(jìn)入Tbrun、為該文件創(chuàng)建新的測(cè)試序列時(shí)，測(cè)試界面會(huì)列出隸屬于該c文件的所有函數(shù)單元，同時(shí)Testbed會(huì)為該c文件下每個(gè)函數(shù)單元自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)宏定義號(hào)（如單元宏定義號(hào)1、單元宏定義號(hào)2…單元宏定義號(hào)n），并在插裝后的c文件代碼中的每個(gè)函數(shù)單元前自動(dòng)生成條件判斷語句”＃if defined（單元宏定義n）”，但暫不定義這些宏定義號(hào)。只有在針對(duì)某個(gè)單元n進(jìn)行單元測(cè)試，為該單元?jiǎng)?chuàng)建測(cè)試用例時(shí)，針對(duì)單元n的測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序才會(huì)立刻定義單元n的宏定義號(hào)“單元宏定義號(hào)n”。此方法使得針對(duì)單元n的測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序中，僅單元n前的條件判斷語句為真，其余函數(shù)單元前的條件判斷語句為假，即開放了需測(cè)試的函數(shù)單元n的源代碼、屏蔽掉其余函數(shù)單元源代碼。隔離軟件單元界面如圖3所示，被隔離的函數(shù)單元會(huì)被標(biāo)記上“X”實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隔離。執(zhí)行該c文件其它單元測(cè)試時(shí)，不需再進(jìn)行代碼靜態(tài)分析和插裝，只需針對(duì)其它單元新建測(cè)試序列完成測(cè)試即可。

圖3 TBRUN的文件窗口

黑/白盒結(jié)合的單元隔離測(cè)試方法在充分結(jié)合程序和文檔設(shè)計(jì)測(cè)試用例的同時(shí)，保證了每個(gè)單元測(cè)試的獨(dú)立性，消除了各單元測(cè)試間的互擾，大幅提高了測(cè)試效率。

2.4.3 文檔自動(dòng)生成

本文采用一種自動(dòng)化、規(guī)范化的方法來自動(dòng)生成測(cè)試用例描述和測(cè)試報(bào)告，借助輔助工具TbrunReporter，其實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）定制單元測(cè)試報(bào)告模板。由于不同的測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)或項(xiàng)目要求采集的測(cè)試數(shù)據(jù)不同，報(bào)告模板也風(fēng)格迥異。本文作者根據(jù)所在測(cè)評(píng)中心體系要求，裁剪所需采集的測(cè)試用例信息數(shù)據(jù)，更改和編制了表格布局和風(fēng)格，最終完成了測(cè)試報(bào)告附件模板定制，其單頁如圖4所示。模板中內(nèi)嵌的編程代碼為TbrunReporter從包含測(cè)試信息的tcf文件中導(dǎo)出數(shù)據(jù)的設(shè)置代碼，測(cè)試人員不可更改。

（2）完成測(cè)試信息的導(dǎo)入和自動(dòng)化文檔生成。測(cè)試人員在TBrunReporter主界面中設(shè)置作者姓名、選擇Group批量導(dǎo)入測(cè)試用例執(zhí)行信息文件（tcf文件）；在TCF設(shè)置界面中設(shè)置測(cè)試用例的起始編號(hào)、編號(hào)格式寬度，過程（函數(shù)）的起始編號(hào)、編號(hào)格式寬度等，TBrunReporter設(shè)置頁面見圖5。設(shè)置成功后，TBrunReporter可結(jié)合設(shè)置信息及從tcf文件中提取到的測(cè)試輸入變量、輸入初始化代碼、樁函數(shù)設(shè)置、預(yù)期輸出結(jié)果、實(shí)際測(cè)試結(jié)果等測(cè)試數(shù)據(jù)，按定制的測(cè)試報(bào)告模板自動(dòng)化生成測(cè)試報(bào)告附件。

使用TBrunReporter和定制的測(cè)試報(bào)告模板自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，不僅大大提高單元測(cè)試報(bào)告文檔編寫的時(shí)間效率，也提高了文檔編寫的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。

3 測(cè)試效果分析

使用基于Tornado 2.2編譯環(huán)境、黑/白盒結(jié)合的單元隔離測(cè)試方法和測(cè)試報(bào)告自動(dòng)生成的嵌入式軟件單元測(cè)試技術(shù)，既消除了測(cè)試編譯環(huán)境不同造成的差異，又規(guī)范了測(cè)試流程和測(cè)試文檔的生成。本文從各項(xiàng)測(cè)試工作分配比例和千行代碼測(cè)試工作耗時(shí)兩方面，將以往嵌入式軟件未經(jīng)規(guī)范的單元測(cè)試方法同基于Tornado開發(fā)環(huán)境的嵌入式軟件單元測(cè)試方法進(jìn)行了橫向比較，比較結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可看出，基于開發(fā)環(huán)境的規(guī)范化單元測(cè)試方法已將測(cè)試重心轉(zhuǎn)移到設(shè)計(jì)和執(zhí)行測(cè)試用例上，使測(cè)試用例的設(shè)計(jì)更充分和完善，有效減少了代碼移植和手動(dòng)測(cè)試報(bào)告生成等冗余工作量。從測(cè)試效率方面分析，使千行代碼的測(cè)試時(shí)間節(jié)省了22小時(shí)，測(cè)試效率提高了約23%。

4 結(jié)束語

專業(yè)的Testbed測(cè)試工具為嵌入式軟件的單元測(cè)試提供了有力支持，合理使用測(cè)試工具和針對(duì)嵌入式軟件的基于開發(fā)環(huán)境，形成規(guī)范化的嵌入式軟件單元測(cè)試方法，是筆者在機(jī)載嵌入式軟件測(cè)試的一次成功嘗試。測(cè)試結(jié)果表明使用該方法極大提高了軟件測(cè)試的規(guī)范性和高效性，使嵌入式軟件單元設(shè)計(jì)和編碼過程中的問題和缺陷得以暴露。該方法已作為本測(cè)評(píng)中心針對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行單元測(cè)試的規(guī)范性方法加以培訓(xùn)和推廣，旨在進(jìn)一步提高測(cè)試技術(shù)能力和規(guī)范測(cè)試流程，更好地保障軟件質(zhì)量。

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