（电力系统及其自动化专业论文）基于嵌入式系统的车载测控系统测试技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t s o f t w a r et e s t i n gi sak e y s t e pf o rs o f t w a r eq u a l i t ya s s u r a n c e a n di sa ni m p o r t a n t p a r to ft h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gr e s e a r c hf i e l d ，s o f t w a r et e s t i n gh a sm a d ec o n t i n u o u s p r o g r e s sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e c h n o l o g y i nt h ef i e l do fe m b e d d e d s o f t w a r et e s t i n g , t h et a r g e ts y s t e mi sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，t h eh a r d w a r ei s m o r er e l i a b l e ，w h i l et h es o f t w a r ef a u l ti sm o r ep r o j e c t i n g t h eq u a l i t yo fe m b e d d e d s o f t w a r eh a sb e e nr e g a r d e d t h er e s e a r c ho fe m b e d d e ds o f t w a r et e s t i n gi so fu r g e n c y a n dn e c e s s i t y , a n di so fi m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u e t h et a s ko ft h i sp a p e rc o m e sf r o mt h es t a t e s8 6 3h i g l l s p e e dm a g l e vv e h i c l et r a f f i c t e c h n o l o g yi t e m ( 2 0 0 5 a a 5 0 5 1 0 1 - 5 0 3 ) ，a i m i n g a tt h en a t i o n a l s e l f - d e v e l o p e d h i g h s p e e dm a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e ，i no r d e rt oa s s u r ei tc a nw o r k c o r r e c t l y , r e l i a b l ya n de f f e c t i v e l y , t od e s i g na n dd e v e l o pat e s t i n gs o f t w a r e - - t h e h i g i l s p e e dm a g l e vv e h i c l et e s ta n dc o n t r o lt e s t i n gs o f t w a r e t h i si sa ne x p l o r i n g r e s e a r c hw o r ki nt h ee m b e d d e ds o f t w a r et e s t i n gf i e l d t h eh i g h s p e e dm a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r eh a st h ec h a r a c t e ro f b e i n ge m b e d d e da n dr e a l t i m ea st h ec o m m o ne m b e d d e ds o f t w a r e ，a n di th a st h e s p e c i a lc h a r a c t e ro fs t r o n gd e p e n d e n c eo nt h ei n t e r f a c eh a r d w a r ea n dh i 咖r e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n te t c ，w h i c hb r i n gm u c hd i f f i c u l t yi nd o i n go u rt e s t i n gw o r k bt h i sp a p e r ， w em a k ead e t a i l e dr e s e a r c ha n da n a l y s i so fe m b e d d e ds o f t w a r et e s t i n gt e c h n o l o g y ； b a s e do nt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so fm a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e ，w c m a k eac o l l e c t i v et e s t i n gd e s i g nf o rt h em a g l e vv e h i c l et e s ta n dc o n t r o ls o f t w a r e ；w c m a k et h ec o n f i g u r a t i o nt e s t i n go ft h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh a r d w a r e t a r g e tm a c h i n ea n dt h ed a t ai n t e r f a c ee q u i p m e n td o u b l ei n t e r f a c er a m a n dw eb r i n g f o n v a r dt h es u i t a b l et e s tm e a n sa n ds t r a t e g i e sf o rt h em a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n d c o n t r o ls o f t w a r e ：o t ot e s tt h em a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e , w es h o u l d f o l l o wt h ep r i n c i p l eo fc o m b i n i n gw h i t eb o xt e s t i n ga n db l a c kb o xt e s t i n g ；a i m i n ga t t h es t r o n gd e p e n d e n c eo nt h ed a t ai n t e r f a c ee q u i p m e n tc h a r a c t e ro fm a g l e vv e h i c l e m o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e ，w ed e s i g nt h et e s te n v i r o n m e n ti si nt h e t a r g e tm a c h i n e ， a n da d o p tt h ec r o s s t e s t s t r a t e g yb a s e do nt h et a r g e tm a c h i n e a i m i n ga tt h e d e s i g n e dt e s tc a s ec h a r a c t e ro fl a r g en u m b e ri nt h em a g l e vv e h i c l ed i a g n o s i ss o f t w a r e ， w ei m p l e m e n tt h eb i n a r ys y s t e mc o d i n ga n db u i l dat e s tc a s ed a t a b a s eu s i n gs o l s e r v e rc e ，s oa st od i s p l a yt h et e s tc a s ea n dd ot h er e g r e s st e s tc o n v e n i e n t l y ；b a s e do n n a b s t r a c t t h el o 舀cc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u tt e s td a t ai nt h em a 百e vv e h i c l e c o n t r o ls o f t w a r e ，w ec o m b i n et h ee q u i v a l e n c ek i n dp a r t i t i o na n dc a u s ea n de f f e c tc h a t a n a l y s i st od e s i g nt h et e s tc a s e s o nt h er e a l t i m et e s t i n gf o rt h em a 舀e vv e h i c l e m o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r e ，w eu s et h em e a n so fa d d i n gt h ef u n c t i o no fr e a d i n g s y s t e mt i m ei nt h ep r o g r a m b e c a u s ei td o e s n th a v et oc o l l e c te x e c u t i n gi n f o r m a t i o n a n dc h a n g ee x e c u t i n gb e h a v i o ro ft h et e s t e dp r o g r a m ，s oi tw o n tr e s u l ti nt h e “p r o b e ” e f f e c t t h i sm e a n sr e s o l v et h er e a l t i m ep r o b l e mo ft h ee m b e d d e ds o f t w a r et e s ts i m p l y a n d e f f e c t i v e l y b a s e do nt h eu p w a r d sd e s i g n ，i nt h em i c r o s o f t n e tc o m p a c tf r a m e w o r k d e v e l o p i n gr o o fg a r d e n , w eu s ev i s u a lb a s i c n e tl a n g u a g et od e v e l o pt h em a g l e v v e h i c l et e s ta n dc o n t r o ls o f t w a r e t h er e s u l ta n de v a l u a t i n go ft h em a 舀e vv e h i c l et e s t a n dc o n t r o ls o r w a r et e s t i n gi n d i c a t et h a t ，o u rd e v e l o p e dt e s t i n gs o f t w a r ec a nf i n dt h e e 0 i sa n db u g si nt h em a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r ee f f e c t i v e l y , s oa st o a s s u r et h es o f t w a r eq u a l i t y ；a n di th a sag o o dp r o m o t i o na n da p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e f o rm a k i n gt h eh i g h s p e e dm a g l e vv e h i c l em o n i t o ra n dc o n t r o ls o f t w a r ei no u r c o u n t r y k e y w o r d s ：s o f t w a r e t e s t i n g ，e m b e d d e ds o f t w a r e ，m o n i t o r a n d c o n t r o ls y s t e m o f t r a i n ， t e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo f t r a i n ，t e s tc a s e l i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学像论文作者签名： 歹 w 户 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： j 中忠飞 川年z 月 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 引言 第1 章绪论 随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，按计算机的嵌入式应用和非 嵌入式应用可将计算机分为嵌入式计算机和通用计算机，嵌入式计算机是以嵌入 式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式系统是将先进的计算机技 术、半导体技术和电子技术与各行业中具体的应用相结合，定义为以应用为中心、 以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系绀1 1 。嵌入式系统是一种软硬一体化系统， 操作系统和应用软件集成于计算机硬件系统之中，具有高度自动化和响应速度快 的特点，适于处理实时多任务。用于实现对外围设备的控制、监视和管理，广泛 应用于信息电器、移动计算设备、网络设备，工业控制设备等多种电子产品中。 磁浮列车是一种新型的交通工具，依靠电磁力悬浮于轨道上方，借助直线电 机的推动可以达到5 0 0 k m h 的速度。时速可达5 0 0 公里的高速磁悬浮列车主要 应用于长距离、大城市同、大流量的客运，适合于我国高速客运专线网的发展要 求。高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术的发展，这些高新技术又将 为新兴产业的形成和经济发展产生重要的推动作用。抓住高速磁悬浮体系的发展 机遇，将为我国在2 1 世纪中叶，相关产业的发展处于国际_ i i i 列奠定良好基础吼 磁悬浮列车上的电子电气部件工作状念是否正常，磁悬浮车辆的各个子系统 是否工作在j 下常模式下等问题都需要通过车载监控系统来判断，通过车载监控系 统可以实现车辆部件或子系统的状态监测、故障诊断、集中控制调节等功能。无 论是传统的轮轨铁路，还是新型的高速磁悬浮列车，都需要一套完善的车载监控 系统来更好的服务于列车的可靠和高效运行。高速磁浮列车的嵌入式车载监控系 统在可靠性方面比普通列车有更高的要求，如何保证高速磁浮列车车载嵌入式监 控系统的安全可靠运行是一个重要的研究课题。 1 1 2 课题来源与研究目的 本文课题源白国家8 6 3 高速磁浮交通技术重大专项( 项目编号： 2 0 0 5 a a 5 0 5 1 0 1 5 0 3 ) ，针对我国自行丌发的高速磁浮列车车载监控网络软件，设 第1 章绪论 计开发确保其正确、可靠和有效率工作的测试软件一车载测控系统测试软件。 本文所设计开发的车载测控软件应满足我国自主研制磁浮列车车载监控网络软 件的要求，对磁浮列车车载监控网络软件的数据采集、实时故障诊断、界面显示、 控制操作等功能进行测试，以保证车载监控系统软件的稳定和可靠。 本文的研究目的是运用软件测试技术，针对基于嵌入式系统的高速磁悬浮列 车车载监控系统进行测试总体设计，包括测试环境设计和测试用例开发等，并进 行基于嵌入式系统的车载测控系统测试软件开发，通过测试工作的开展保证国产 高速磁浮列车嵌入式车载监控系统软件的质量。本文进行了一个嵌入式软件测试 领域具有探索性的研究工作。 1 1 3 国内外研究现状与课题研究意义 软件测试作为软件工程学科的一个重要分支，近年来随着软件技术的发展而 不断进步。2 0 世纪7 0 年代以来，国内外许多学者和组织在软件测试方面进行了 大量的研究工作，形成了一些经典的软件测试技术和软件测试流程管理规范：美 国的i e e e 、a c m 等组织制定了一系列软件测试规范。美国卡内基梅隆大学的软 件工程研究所、美国马里兰软件可靠性实验室、南澳大利亚计算机信息软件工程 学院等在传统的面向过程的软件测试、图形用户界面测试、面向对象的软件测试 等方面取得了许多优秀的研究成果。国内的北京大学软件工程实验室致力于黑盒 测试技术的研究，研制了青鸟软件测试平台。北京航空航天大学在c 语言和a d a 语言测试，航空计算技术研究所在嵌入式软件模拟测试，西北工业大学在 c l i e n t s e r v e r 系统的测试方面进行了许多研究工作，并研制了一系列的软件测试 工具。另外，我国1 9 9 6 年成立了航天软件评测中心，专门从事航天软件测试技 术研究和负责航天软件的测试工作1 3 l 。 随着软件技术的发展和软件规模的不断扩大，在图形用户界面软件测试技 术、面向对象软件测试技术以及网络环境下的集成测试技术等方面也取得了许多 研究成果。如基于图形用户界面的g u i 测试方法、基于组件的测试技术和基于 组件的集成测试技术等，并研制了许多相应的测试工具。现在，软件测试技术的 研究主要向网络化、大型化和自动化方面发展，主要包括c l i e n t s e r v e r 系统、 基于i n t e m e t 的w e b 应用系统、嵌入式系统的软件测试技术研究和测试工具研制。 嵌入式系统的软件测试技术现在成为软件测试研究的热点问题之一。近年 来，国内外对嵌入式软件测试研究的重点已经转移，单元测试、集成测试及确认 测试等常规测试技术己经比较成熟，软件可靠性测试j 下在成为业界的热点。国内 在软件可靠性测试方面的研究成绩比较突出，北航嵌入式软件测试小组丌发的嵌 入式软件可靠性测试平台己经投入使用。但是在嵌入式软件常规测试领域，国外 2 第1 章绪论 许多公司都拥有自己成熟的测试工具，如美国a m c 公司的c o d e t e s t ，s d s 公 司的s i n g l e s t e p ，法国的l o g i s c o p e 等，而在国内，成熟的测试工具还很少。 可以说嵌入式软件测试在我国尚处于起步阶段，这种状况与我国嵌入式软件发展 的现状有关。国内嵌入式系统中很少使用操作系统，通常直接运行于硬件之上， 许多国外的测试工具很难适应这种系统，而单位自己开发测试系统的费用太高， 同时许多工程的周期也不允许，测试工作常常没有完全开展实行，这就大大限制 了我国嵌入式软件的发展1 4 j 。 本文开发的高速磁浮列车车载测控系统测试软件基于实时嵌入式操作系统 w i n d o w sc e n e t ，硬件环境基于p c i 0 4 总线。本文中所测试的高速磁浮列车嵌 入式监控网络软件作为同课题组人员模仿德国磁浮列车监控系统开发的车载嵌 入式软件，到目前为止还没有专门的嵌入式测试工具可以使用，如何对其进行有 效的测试是一个嵌入式软件测试领域具有开创性和探索性的研究工作。 本文对嵌入式软件测试展开了详细研究分析：对车载测控系统的软件和硬件 测试环境配置进行了研究分析，对硬件设备目标机之问的以太网通讯和目标机数 据接口设备双口r a m 板进行了配置测试；并提出了适用于本文车载嵌入式监控 软件的测试方法和策略：对车载嵌入式监控网络软件测试应遵循白盒测试与黑盒 测试相结合的原则，实行文档审查和代码走查的静态分析法；基于对车载嵌入式 监控网络软件的需求分析，将所丌发的车载测控系统设计分为针对车载诊断网络 的测试和针对车载控制网络的测试两大部分；针对车载嵌入式监控网络软件与数 据接口设备联系紧密的特点，将测试环境设计在目标机上进行，解决了嵌入式软 件测试的嵌入性难题；针对设计的车载诊断网络测试用例数量较多的特点，对其 测试用例进行了二进制编码，并使用s q l s e r v e rc e 建立了测试用例数据库，以 便于测试用例的调用选择和回归测试；针对车载控制网络待测的输入和输如数据 之间的逻辑特点，对其测试用例的设计采取了等价类划分和因果图分析法相结合 的方法：对车载嵌入式软件的实时性测试，采用在程序中加入读耿系统时日j 函数 的方式实现，由于不需要采集被测试程序的执行信息和改变被测程序的执行行 为，不会发生“探针”效应，简单而有效的解决了嵌入式系统测试的实时性难题。 基于以上设计思想，在m i c r o s o f t n e t c o m p a c t f r a m e w o r k 平台，使用v i s u a l b a s i c n e t 语言完成了车载测控系统的开发。对车载测控系统的测试结果评测表 明，本文设计开发的车载测控系统软件较好地解决了对车载嵌入式监控软件进行 测试的问题，可以有效发现车载嵌入式监控软件的错误和缺陷，保证软件质量。 本文中成功运用的嵌入式软件测试设计思想和丌发方法也运用在类似的嵌入式 软件测试领域，研究成果含有较大的科研意义和经济效益潜力，同时对高速磁悬 浮列车车载监控系统技术国产化具有推动作用和应用意义。 3 第1 章绪论 1 2 课题研究内容 1 2 。1 软件测试的基本概念 信息技术的飞速发展，使软件产品应用到社会的各个领域，软件产品的质量 自然成为人们共同关注的焦点。软件测试是软件开发过程中的一个重要的环节， 是保证软件质量和可靠性的重要手段。同时应该看到，软件测试是一项非常复杂 的工作，必须花大量的人力物力才能做好。 1 2 1 1 软件测试的定义 对软件测试的研究可以追溯到六十年代，从不同的角度来理解，人们给出了 软件测试几个不同的定义。 从软件质量的角度来看，软件测试是一种重要的软件质量保证活动，其动机 是通过一些经济、高效的方法来捕捉软件中的错误，从而达到保证软件自身质量 的目的【5 j ；m y e r s 认为“软件测试是为了发现错误而执行程序的过程”，他认为软 件测试的目的就是发现错误1 6 1 ；i e e e 于1 9 8 3 年将软件测试定义成为“使用人工 或自动手段来运行或测定某个系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需 求或弄清楚预测结果与实际结果之阿的差别”，这个软件测试的定义非常明确地 提出了软件测试以检验是否满足需求为目标m 。 以上讨论的软件测试定义都是强调软件的正确，有些专家认为软件测试的范 围应该包括得更广泛些，比如还应关心程序的效率和健壮性等因素。更广泛的说， 软件测试不仅是测试程序，还包括在软件投入运行前，对软件需求分析、设计规 格说明和编码的最终复审等工作，是软件质量保证的关键步骤。 1 2 1 2 软件测试的分类 软件测试按测试的重点不同可分为以下几类【8 】： ( 1 ) 按测试的对象：根据软件测试对象的不同，软件测试可分为单元测试、 部件测试、配置项测试、系统测试。 ( 2 ) 按软件实施步骤：根据软件测试进行的先后顺序，软件测试可分为单 元测试、集成测试、确认测试、系统测试。 ( 3 ) 按实现技术：根据实现技术的不同，软件测试可以分为很多类。典型 的分类有：按在测试过程中软件运行情况，可分为静念测试和动态测试；动念测 试又可分为白盒测试和黑盒测试。 ( 4 ) 按测试完整性：根据完整性差异，软件测试又可分为程序结构和输入 域覆盖。 第1 章绪论 ( 5 ) 按测试专题：测试专题一般有功能测试、性能测试，可靠性测试、安 全测试、强度测试、安装测试、恢复测试、余量测试。 1 2 1 3 软件测试的其他概念 1 测试用例 测试用例( t e s tc a s e ) 是为特定目标开发的测试输入、执行条件和预期结果 的集合。这些特定目标可以是：验证一个特定的程序路径或核实是否符合特定需 求。测试用例实际上是测试工作的核心。其中，测试用例的设计、实现和执行组 成了测试的主要内容【9 j 对软件进行测试，就需要： ( 1 ) 构造测试用例，包含前提条件和操作步骤、预期结果、实际结果三个 要素； ( 2 ) 执行测试用例，检查实际结果是否和期望的输出一致。 一个好的测试用例应该具有容易发现软件错误、可重复性、定义清晰和没有 冗余等特点，来实现对软件功能有效的测试。 2 测试环境 测试环境( t e s te n v i r o n m e n t ) ：执行测试程序所需要的硬件平台和软件资源所 构成的环境。硬件平台指进行测试所必需的服务器、客户端、网络连接设备，以 及打印机扫描仪等辅助硬件设备所构成的环境；软件资源则指被测软件运行时 的操作系统、数据库及其他应用软件等构成的环境1 1 0 l 。 1 2 2 嵌入式车载测控系统测试 嵌入式软件的测试目的同样是为验证或达到软件可靠性要求而对软件进行 的测试。但是和一般的应用软件的可靠性测试相比，嵌入式软件测试有自身的 特点： ( 1 ) 首先，具有嵌入性特点。它是在特定的硬件环境下才能运行的软件。 ( 2 ) 其次，具有实时性特点。判断系统是否失效，除了它的输出的结果是 否正确外，还应考虑其是否在规定的时问里输出了结果。对于输入的考虑也同样， 不仅要考虑到输入变量的正确，而且还应考虑在规定的时间下进行输入。 此外在嵌入式软件测试过程中，测试环境的建立和测试用例的设计是两个关 键难题。对于嵌入式软件测试技术将在第二章进行详细研究分析。 本文中所测试的高速磁浮列车嵌入式监控网络软件具有嵌入性和实时性等 一般嵌入式软件的特点，同时具有特有的对接口硬件依赖性强和商可靠性等特 点。如何对其进行有效的测试，是一项具有探索性的研究工作。 5 第1 章绪论 本文中所设计开发的高速磁浮列车车载测控系统软件的测试环境配置中，硬 件部分主要包括车辆诊断计算机、列车诊断计算机、以太网卡、c a n i o 接口卡 等设备，其中车辆诊断计算机和列车诊断计算机基于p c i 0 4 总线，选用的是通 用工控机( 如车辆诊断计算机为8 0 4 8 6 d x 2 、列车诊断计算机为8 0 4 8 6 s x ) ，采 用的c a n i o 接口卡的c a n 芯片主要有p c a 8 2 c 2 5 0 tp h i l i p s 、p c a 8 2 c 2 0 0 t p h i l i p s 、p c f 8 0 c 5 5 2p h i l i p s8 位单片微控制器。 软件平台是采用实时嵌入式操作系统w i n d o w sc e 。w i n d o w sc e n e t 是一 个功能强大的实时嵌入式操作系统，也是微软第一个能够全面支持中文w i n d o w s c e 操作系统，适用于快速构建新一代内存少体积小的智能设备，适合于本文中 的车载测控软件要求。w i n d o w sc e n e t 程序的开发环境为m i c r o s o f t n e t c o m p a c tf r a m e w o r k ，它是n e tf r a m e w o r k 的一个子集，专门面向小内存体积 占用的设备而设计。是一个面向安全、可下载应用程序的独立于硬件的程序执行 环境，定位于资源有限的计算设备，并且专门为这些设备进行了优化。 基于以上测试环境配置，根据对车载监控系统的软件功能需求分析，本文的 嵌入式车载测控系统在测试各个阶段采取适当的交叉测试策略。测试执行及评测 表明，采用正确的测试设计方法可以有效的发现车载嵌入式监控系统的各类问 题，保证软件的质量。对车载测控系统的详细测试设计将在后续章节阐述。 1 2 3 课题研究方法和论文组织结构 课题研究的主要构想和思路是，首先对本项目中的高速磁浮列车车载监控网 络进行详细的测试需求分析；然后结合软件测试理论，对嵌入式车载测控系统进 行测试环境配置与测试设计，解决测试中的难点问题；接着实现车载测控系统测 试软件的开发，并进行测试执行和结果评测。 研究工作的难点在于所测试的对象一高速磁浮列车嵌入式车载监控系统是 对德国磁浮列车嵌入式车载监控系统模仿开发而成，对其的测试工作和丌发工作 一样，是一个探索研究和自主创新的过程。在车载测控系统的测试研究丌展过程 中，重点在于对车载测控系统的测试设计和车载测控系统的软件开发实现。在车 载测控系统的测试设计过程中，基于对项目技术文件的需求分析，查阅大量相关 软件测试理论与技术文献，设计适于本文车载监控系统的测试环境和测试用例， 并选用了合适的测试方法和策略；在车载测控系统软件的开发过程中，和程序开 发人员一起，在m i c r o s o f t n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 下，使用v i s u a lb a s i c n e t 语言，选用适于本课题要求的软件开发方法，并运用s q l s e r v e rc e 数据库等技 术，及时而有效地实现了车载测控系统开发，保证了测试工作的丌展。 论文的组织结构安排如下： 6 第1 章绪论 第1 章绪论，介绍本课题的研究背景，课题研究的来源和目的，嵌入式软 件测试的国内外发展现状，明确研究意义；课题研究内容，介绍软件测试与嵌入 式车载测控系统测试：课题研究的主要方法和论文结构安排，包括课题研究构思 和重点等。 第2 章嵌入式软件测试技术，研究嵌入式软件的特点、测试环境和评测方 法；综述嵌入式软件测试的方法，包括通常的静态测试、动态测试、白盒测试、 黑盒测试与回归测试，并总结嵌入式软件专用的测试方法；总结嵌入式软件的交 叉测试策略，包括单元测试、集成测试、确认测试和系统测试。 第3 章嵌入式车载测控系统测试总体设计，对车载测控系统所测试的车载 监控系统进行概述需求分析，包括车载监控系统的特点、测试难点和设计原则： 提出适用于本文嵌入式车载监控系统的软件测试方法和策略，并进行车载测控系 统软件的总体设计，包括车载测控系统的测试环境配置、测试组成和开发路线。 第4 章嵌入式车载测控系统测试环境配置与测试，介绍车载测控系统配置 的软件开发平台w i n d o w sc e n e t 操作系统在工业领域的应用前景，并分析其通 信机制；对硬件设备目标机之间的以太网通讯连接功能进行测试；并对目标机的 数据接口设备双口r a m 板的读写功能进行测试。 第5 章针对嵌入式车载诊断网络的车载测控系统测试，首先详细分析车载 诊断网络的设计框架、主要组成部分、功能设计和通信规约；然后进行车载诊断 网络的测试设计，包括测试策略阐述和测试环境设计，并进行详细测试用例开发， 接着阐明测试开发设计与关键技术实现、测试执行说明和测试结果评测。 第6 章针对嵌入式车载控制网络的车载测控系统测试，首先详细分析车载 控制网络的设计框架、主要组成部分、功能设计和监测逻辑；然后进行车载控制 网络的测试设计，包括测试策略阐述和测试环境设计，并进行详细测试用例开发， 接着阐明测试开发设计与关键技术实现、测试执行说明和测试结果评测。 第7 章结论与展望，对全文的车载测控系统测试研究工作和创新之处进行 了总结，并对后续研究工作进行了展望。 7 第2 章嵌入软件测试技术 第2 章嵌入式软件测试技术 软件测试是软件开发过程中的一个重要的环节，是保证软件质量和可靠性的 重要手段。软件测试就是在软件投入运行使用之前，对软件需求分析、设计规格 说明、编码实现的最终复审，贯穿于软件定义与开发的整个期间。图2 1 所示为 软件测试的w 模型，形象说明了软件测试与开发的同步性。 需求 测试 编写代码li 单元测试 i 耋j2 1 软1 ，| ：测试的w 模型 验收测试 系统测试 装测试 研究表明在软件开发过程中，软件丌发费用的3 0 9 自一5 0 是用于软件测试， 测试高可靠性软件的费用更高。随着嵌入式系统逐渐深入应用到社会中各个领 域，越来越多的嵌入式软件被用于一些安全相关任务的控制管理，例如磁浮列车、 军事、航空航天、通讯、交通医疗等行业，在嵌入式软件投入使用之前经过全面 测试以保证其运行的可靠性是至关重要的。 本章将详细研究嵌入式软件测试技术：嵌入式软件的特点、测试环境和评测 方法；嵌入式软件测试的方法，包括通常的静态测试、动态测试、白盒测试、黑 盒测试与回归测试，并总结嵌入式软件专用的测试方法：嵌入式软件的交叉测试 策略，包括单元测试、集成测试、确认测试和系统测试。为后续章节的嵌入式车 载测控系统测试设计作理论铺垫。 2 1 嵌入式软件的测试概述 2 1 ，1 嵌入式软件的特点分析 为了能够有效研究和设计一种嵌入式软件测试工具，我们首先必须对被测试 8 熏 一软薰一絮 第2 章嵌入软1 ， ：测试技术 的对象嵌入式软件，其自身特点作一个全面的分析。 由于嵌入式软件的行为依赖于不可预测的外部事件而且有实时性、同步等方 面的约束，嵌入式软件是现今开发的软件中最为复杂的一种，同时软件自身的质 量要求也非常高，因此对嵌入式软件特性的研究和分析无论是对于嵌入式软件的 开发还是测试都具有极其重要的意义，e d w a r d 在这方面做了很多的研究工作 n i l l 2 】1 1 3 l ： ( 1 ) 嵌入在目标环境中运行 嵌入式软件多是运行在用户定制的硬件目标板上，与用户特定的应用环境相 关，有很多用于控制外部设备的软硬件接口，这就给嵌入式软件的测试带来了困 难，例如软件硬件错误的区分、测试时需要考虑硬件特性以及测试时硬件激励 信号的产生和结果的响应等问题。 ( 2 ) 实时性要求 ， 与通用软件不同，嵌入式软件多有实时性约束，即软件运行的j 下确性不仅由 系统的功能和行为决定，而且还依赖于系统的时间特性；另外，软件执行处理的 速度不仅由目标处理器的速度来决定，而且还取决于在系统上施加的对外界事件 处理的时间性约束。 ( 3 ) 并发多任务特点 嵌入式程序多采用并发多任务的结构来丌发，多任务的实现靠c p u 在很多 任务之问转换、调度实现。多任务运行使得c p u 的利用率得到最大的发挥，并 使嵌入式软件变得模块化。在实时应用中，多任务化的最大特点是开发人员可以 将很复杂的应用程序层次化，程序更容易设计和维护。 ( 4 ) 行为不确定性， 实时嵌入式软件把从外界接收的输入作为一个异步中断进行处理，因为外界 的输入事件随时都可能发生，所以对于一个给定时刻，我们很难准确预测程序的 执行点，程序在重复执行的过程中可能产生不同的行为。这样，由于被测软件运 行行为的不确定性，导致测试过程中要使得错误再次出现非常困难。 ( 5 ) 可测试性差 一般测试技术和测试工具的实施缺乏基本条件。由于测试的特定性及专用外 部设备的连接，使嵌入式软件在相应的嵌入式计算机系统未丌发完成前不能真正 运行，动态测试技术不能应用。 嵌入式软件的上述特性严重限制了软件执行的可控性和可视性，导致嵌入式 软件的可测试性差，给测试工作带来了很大的难度。 2 1 2 嵌入式软件的测试环境 9 第2 章嵌入软什测试技术 嵌入式软件的测试环境指测试嵌入式软件运行所需的硬件平台和嵌入式软 件资源。在嵌入式系统中，软件开发环境称为主机宿主机( h o s t ) 平台，软件 最终运行环境称为目标( t a r g e t ) 平台。 ( 1 ) 嵌入式软件测试环境分类 嵌入式软件测试环境根据软件运行测试环境和实际环境的差异可分为全实 物实验台、半实物实验台、全数字模拟测试台和嵌入式软件开发环境。这些测试 环境从左到右真实性降低，可控性升高。由于软件运行过程中对硬件设备的强度、 寿命都有损耗，所以在软件系统测试之前，一般很少采用全实物实验台，大都采 用全数字模拟测试台或半实物测试台1 1 4 l 。 在嵌入式软件测试过程中对外部设备通常采用仿真技术，所谓仿真就是用特 定的软件或硬件模拟设备的功能达到简化测试环境的复杂性的目的，仿真分为硬 件仿真和软件仿真。硬件仿真是开发外部设备的替代硬件和软件，所丌发的硬件 设备对软件的交互一般在功能上和目标设备完全相同，在性能上也非常接近。硬 件仿真比较逼真地模拟出了嵌入式软件的运行环境，因此在嵌入式软件的测试过 程中大量使用，但由于要开发硬件，所以费用较高同时周期较长。软件仿真是开 发相应的软件替代外设，所开发的替代软件对软件的交互在功能上和目标硬件完 全相同，但在性能上差异较大。由于硬件仿真和软件仿真的特性互补，一般在建 立嵌入式软件测试时，同时使用。 ( 2 ) 交叉测试环境 由于嵌入式系统资源有限，很难提供软件开发、调试所需要的相关资源和工 具，嵌入式软件有两种典型的开发方式：一种是在实际目标平台上丌发源代码， 包括编辑、编译和调试；另一种是使用主机平台编辑和编译源代码，之后将可执 行代码移到目标机上调试。后一种方法也称之为交叉开发1 1 5 】。 。 嵌入式软件测试环境可以模仿交叉开发环境来搭建。因为前期的一些测试包 括单元测试、集成测试都可以在主机上完成，所以| 期的测试环境与主机开发环 境类似。后期的一些测试，包括确认测试、硬软件集成测试、系统测试等则需要 构建交叉测试环境来完成。 2 1 3 嵌入式软件的评测方法 测试的主要评测方法包括覆盏评测和质量评测。测试覆盖是对测试完全程度 的评测，由测试需求和测试用例的覆盖或己执行代码的覆盖表示的。质量是对测 试对象的可靠性、稳定性以及性能的评测【1 6 】。 ( 1 ) 覆盖评测 覆盖指标表明了测试的完全程度如何。最常用的覆盖评测是基于需求的测试 1 0 第2 章嵌入软件测试技术 覆盖和基于代码的测试覆盖。简而言之，测试覆盖是就需求或代码而言的完全程 度的评测，如对测试用例的核实( 基于需求) 或对代码行执行的评测( 基于代码) 。 系统的测试活动建立在至少一个测试覆盖策略基础上。覆盖策略陈述测试的 一般目的，指导测试用例的设计。如果需求已经完全分类，则基于需求的覆盖策 略可能足以生成测试完全程度的可计量评测。如果应用基于代码的覆盖，则测试 策略是根据测试己经执行的源代码的多少来表示的，这种测试覆盖策略类型对于 安全至上的系统来说非常重要。 在基于需求的测试活动中，使用两个测试覆盖评测，一个确定通过执行测试 获得的测试覆盖，另一个确定成功的测试覆盖( 即执行时未出现失败的测试，如 没有出现缺陷或意外结果的测试) 。这些覆盖评测通过以下公式计算： 测试覆盖( 己执行的) = t r f r ( 2 1 ) 其中： r 是用测试过程或测试用例表示的己执行的测试数。 r f r 是测试需求( r e q u i r e m e n tf o rt e s t ) 的总数。 成功的测试覆盖( 己执行的) = t r f f ( 2 2 ) 其中： r 是用完全成功、没有缺陷的测试过程或测试用例表示的己执行测试数。 r f f 是测试需求( r e q u i r e m e n tf o rt e s t ) 的总数。 如将以上比率转换为百分数，则以下基于需求的测试覆盖的陈述成立： x 的测试用例已经覆盖，成功率为v 。 这一关于测试覆盖的陈述是有意义的，可以将其与已定义的成功标准进行对 比。如果不符合该标准，则此陈述将成为预测剩余测试工作量的基础。 ( 2 ) 质量评测 一 在硬件的可靠性设计中，有一条基本原则“简单就是可靠”。这个原则同样 也适合软件，与功能的增多或增强相伴的是不断升级与补丁。 软件质量是多种因素的混合体，或者说是多种因素的综合体。这些因素可能 因不同的应用方面和不同的用户观点而有所变化。影响软件质量的因素可以分为 两大类：一类是可直接度量的因素，例如，单位时白j 内每千行源代码所发现的错 误个数；另一类则是只能间接度量的因素，例如，可复用性、可维护性等。不论 哪类，都必须能够度量，都应能以具体数据表达软件质量的不同方面。这罩仅 介绍质量评测的概念对其度量方法不进行说明。 2 。2 嵌入式软件的测试方法 第2 章嵌入软仆测试技术 2 2 + 1 基本的软件测试方法 本节介绍的基本软件测试方法也适用于嵌入式软件测试，并且在本文设计开 发的嵌入式车载测控系统软件测试中有所运用。 2 2 1 1 静态测试与动态测试 软件澳4 试的技术方法为软件测试的开展提供具体的方法支持。从是否需要执 行被测软件的角度，可分为静态测试和动态测试【1 7 1 1 1 8 】【1 9 1 。 静